高速動車組三相交流濾波電容器故障分析及改進(jìn)

邱新鋒

(新譽(yù)龐巴迪牽引系統(tǒng)有限公司 江蘇 常州 213166)

列車輔助供電系統(tǒng)的功能是將輸入的直流電逆變成三相交流電,為了使脈沖寬度調(diào)制(PWM)逆變器具有較好的輸出交流波形， 逆變后的電流在三相變壓器二次側(cè)后還需要經(jīng)過三相LC濾波電路進(jìn)行濾波， 去除二次側(cè)中的諧波分量， 將潔凈的正弦交流電供車上設(shè)備使用。 LC濾波電路中的電容器通常選用金屬化聚丙烯膜交流電容器。 聚丙烯膜電容器具有電容量穩(wěn)定、 偏差范圍小， 損耗因數(shù)低， 絕緣電阻高， 自愈性能好等特點(diǎn)[1]， 但如果使用環(huán)境改變也會造成電容器出現(xiàn)失效的問題。 以下對CRH380D型高速動車組上的電容器問題進(jìn)行分析并提出相應(yīng)改進(jìn)措施。

1 背景說明

CRH380D型高速動車組自2015年開始在成渝鐵路段載客運(yùn)營，經(jīng)過1年多的運(yùn)營時(shí)間，相繼發(fā)生了3起三相電容器失效問題。對車上電容器測試普查發(fā)現(xiàn)三相濾波電容器容值下降，損耗增大。將其中一臺TFMFD-420VAC-3X3586CVZ電容器拆下返回原廠，開箱后發(fā)現(xiàn)失效電容器外殼有一個(gè)灼穿的小孔，復(fù)測電容器三相電容器容量，發(fā)現(xiàn)容量變化率與出廠前的數(shù)據(jù)對比超過了5%。

2 故障分析

失效電容器內(nèi)部共計(jì)18個(gè)芯子，分成3組，每組芯組由6個(gè)單元芯子并聯(lián)組成。單個(gè)芯子與40 mm2銅帶用銅絞線連接，然后再將銅帶與蓋板上電極用20 mm2的引出編織線相連，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。對三相電容器解剖分析后測量了容值和損耗。芯子解剖后發(fā)現(xiàn)有一處芯子燒毀，芯子容量下降過大，同時(shí)發(fā)現(xiàn)金屬化膜上有自愈點(diǎn)，且多集中在芯子的外層。由于芯子燒毀嚴(yán)重，對相鄰的芯子也造成了影響，導(dǎo)致其他芯子容量下降。

圖1 電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

從解剖后的結(jié)果分析，金屬化膜自愈是從芯子的外層開始，由于芯子的外層薄膜壓力小于內(nèi)部薄膜壓力，外層薄膜之間存在一定的空隙，在生產(chǎn)過程中，少量的水汽會侵入芯子的外層，對電容器芯子產(chǎn)生影響。這種缺陷會使得電容器芯子在后續(xù)使用時(shí)由于金屬化膜緩慢氧化，引起芯子過度自愈，而過度自愈產(chǎn)生的熱量又導(dǎo)致電容器芯子內(nèi)部溫度上升。

3 改進(jìn)方法

根據(jù)分析的結(jié)果可以總結(jié)為金屬化膜電容器內(nèi)部的氧化和自愈過度使得電容老化加速，壽命降低。在金屬化薄膜電容器的預(yù)期壽命評估中，常按照電容器溫度老化因子、電壓老化因子和潮氣老化因子3個(gè)關(guān)鍵老化加速因子進(jìn)行核算。隨著此因子的提高，預(yù)期壽命將按指數(shù)規(guī)律折減。因此在后期的改進(jìn)方案以設(shè)計(jì)改進(jìn)為主，兼顧工藝改進(jìn)的綜合解決方案。同時(shí)采取針對溫度、電壓和潮氣的三大老化加速要素的對抗措施。

電容器容量降低，損耗增大的設(shè)計(jì)原因通常包括以下幾點(diǎn)：(1)絕緣膜選用的厚度偏小，距離不夠，金屬層的厚度過厚或過薄，或者導(dǎo)體引線設(shè)計(jì)不合理；(2)生產(chǎn)原因通常是制造中由于卷繞過程中的機(jī)械拉力控制不足，聚合工藝前后以及封裝過程中潮濕氣體的滲入；(3)使用中過高的電壓和電磁干擾以及放電，使用環(huán)境多為高溫、高濕條件。這些原因都會導(dǎo)致電容器失效[2]。

通過上述的原因分析并結(jié)合CRH380D型高速動車組的實(shí)際運(yùn)營環(huán)境，決定從下述3個(gè)方面對現(xiàn)有電容器進(jìn)行改進(jìn)：

(1)增強(qiáng)電容器的耐壓能力，降低單位薄膜的工作場強(qiáng)；

(2)提高電容器內(nèi)部載流能力，使電容器內(nèi)部溫升降低；

(3)增加制造工藝步驟，去除在生產(chǎn)過程中殘留于電容器內(nèi)的潮氣。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)上述的3點(diǎn)電容器改進(jìn)要求，在新電容器設(shè)計(jì)上提出了以下改進(jìn)方案。

(1)提升耐壓能力。增加絕緣膜厚度，在新的三相電容器內(nèi)部采用9 μm的高溫聚丙烯薄膜(GPSPP)來替代之前的8 μm普通聚丙烯薄膜(PP)，由于自愈時(shí)所釋放的熱量可以通過測試自愈時(shí)的脈沖電流以及轉(zhuǎn)換成自愈過程中的能量E來表示，根據(jù)美國物理學(xué)家的推導(dǎo)結(jié)論得關(guān)系式為：E∝V，由此可以知道自愈能量E與所加電壓V存在急劇變化的關(guān)系，其電壓的正確選擇直接影響制品的可靠性能；同時(shí)能量E與電極厚度d的平方成正比關(guān)系，其關(guān)系式為E∝d2，表明電極厚度越厚，電極電阻率越低，自愈能量越高[3]。增厚9 μm PP膜相對于原8 μm膜，經(jīng)過試驗(yàn)可知金屬化膜層間的電場強(qiáng)度降低約10%以上，電容器的設(shè)計(jì)耐壓值可由原AC440 V提升為AC495 V。這對預(yù)期壽命的提高作用將會是關(guān)鍵性的。

另外交流電容器在工作時(shí)，內(nèi)部電場方向始終存在交變，而電容器主要承載無功補(bǔ)償和交流濾波的作用，由于電容器的隔直流通交流的特性，決定了交流電容器始終有較大的無功電流通過，電容器工作中的溫升越高，無功電流造成電容器發(fā)熱越嚴(yán)重，高溫聚丙烯膜相對普通聚丙烯膜有更高的耐溫特性，擊穿場強(qiáng)高，更適合在交流場合下長期使用。表1為電容器高溫膜與普通薄膜的參數(shù)對比[4]。

(2)對電容器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。將電容器內(nèi)部的電容芯數(shù)量加倍，模型如圖2所示，此項(xiàng)設(shè)計(jì)的主要目的是降低電容器的內(nèi)部溫升。

表1 PP和GBSPP的性能

圖2 新老電容芯子組

通常電容器溫升過高常是因?yàn)檫^大的電流所致。通過縮短電容器的長度，降低電流流經(jīng)的長度，增加并聯(lián)層次，對于減輕電容器的電流負(fù)荷有重要作用。表2列出了同等外部負(fù)荷的條件下，改進(jìn)前后電容芯子單元的電流負(fù)荷對比。

表2 18芯與36芯電流對比

從表2可以看出新36芯子金屬膜載流密度明顯降低，溫升相應(yīng)減少。單個(gè)芯組內(nèi)芯子采用先并聯(lián)再串聯(lián)的方式，有效分散了單個(gè)芯子的載流密度。以上數(shù)據(jù)表明，改進(jìn)設(shè)計(jì)后，單芯電流負(fù)荷及金屬膜層電流負(fù)荷均減為原先值的一半。

(3)對電容器工藝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。電容器芯子在卷繞時(shí)，通常最外層的金屬化膜比內(nèi)層的金屬化膜要松一些。為了增加芯子外層薄膜的張緊力，減少芯子外層薄膜之間的空氣，經(jīng)過卷繞包封膜張力試驗(yàn)后確認(rèn)，包封膜張力可由原來的0.5 kg～1 kg增加到1 kg～1.5 kg，同時(shí)在后續(xù)卷繞時(shí)將增加芯子外層包封膜圈數(shù)，由原先20圈增加到50圈。卷繞過程中影響電容器性能的因素也很多，比如金屬化膜的平整程度、卷繞的張緊程度、薄膜的去金屬效果、外包封張力等都會對最終電容芯子的性能產(chǎn)生較大的影響。正確選擇卷繞型產(chǎn)品的外形以及熱處理溫度、時(shí)間使內(nèi)部芯子的層間壓力大而均勻，減少電阻短路的發(fā)生概率。

(4)增加真空干燥工藝環(huán)節(jié)，以去除空氣中水對電容器芯子的影響。在電容器制造工程中，通常會有潮氣的殘留，這會造成電極腐蝕，使得等效串聯(lián)電阻阻值不斷上升，由于電極厚度減薄和熱耗散的加速而導(dǎo)致?lián)p耗正切角的增大，同時(shí)潮氣又促進(jìn)了膜間殘余氣體的電暈放電，使得金屬化層發(fā)生過度自愈，進(jìn)而加速了電容容值的衰減。這對于電容器的正常使用可能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而改進(jìn)的工藝則是在電容器灌注聚氨酯前，對電容器先進(jìn)行10 h的加熱干燥后再進(jìn)行10 h的抽真空處理，然后再真空灌注，徹底將生產(chǎn)過程中殘留在電容器內(nèi)的潮氣清除干凈，避免后續(xù)芯子金屬化膜出現(xiàn)氧化。

(5)在賦能工序中增加芯子峰值老練功能， 即起到清除瑕疵點(diǎn)、孔洞的目的，又不會出現(xiàn)大面積的自愈點(diǎn)。進(jìn)一步提高電容器內(nèi)部芯子的可靠性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

從電容器設(shè)計(jì)及制造工藝上進(jìn)行改進(jìn)后，需要對電容器失效的溫度、濕度、電壓3個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)參考IEC 61881—2010 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。將新老產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證新型號的性能是否優(yōu)于老型號。

三相濾波電容器的型式試驗(yàn)中，以下4個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)涉及產(chǎn)品的實(shí)際使用性能及壽命的考核，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對比如下：

(1)端子間耐電壓。新舊設(shè)計(jì)產(chǎn)品都可滿足高溫下耐壓試驗(yàn)的要求。其中，新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的環(huán)境溫度更高，對應(yīng)的可靠性也更高(見表3)。

表3 新舊電容型式試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)要求

(2)自愈性試驗(yàn)。表4為新舊兩款產(chǎn)品自愈試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，由于更換了9 um高溫膜，自愈電壓的起始點(diǎn)從DC1.47 kV提高到DC1.95 kV。同時(shí)損耗的下降也明顯高于老款產(chǎn)品。

表4 耐壓試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)要求對比表

(3)溫升對比試驗(yàn)。按照測試要求，新電容器放置于密閉恒溫箱中,箱中空氣75 ℃，保持12 h，開始試驗(yàn)。在75 ℃溫度下，試驗(yàn)48 h，試驗(yàn)電流為210 Arms，試驗(yàn)頻率274 Hz，空氣流速1.3 m/s。新產(chǎn)品的溫升下降非常明顯最高溫度為80.26 ℃，最大溫升為4.84 K，而老產(chǎn)品在環(huán)境溫度為65 ℃的最高溫度為85.3 ℃，溫升最高為20.3 K(見表5)。新產(chǎn)品的溫升明顯低于老款產(chǎn)品。

表5 溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

(4)耐久試驗(yàn)。為了測試新產(chǎn)品電容器可以長期可靠地運(yùn)行。在進(jìn)行壽命試驗(yàn)要求上，將工作環(huán)境溫度由原來的70 ℃要求提高至75 ℃，工作電壓提高至602 Vrms和648 Vrms兩個(gè)等級進(jìn)行測試(見圖3)。

圖3 新產(chǎn)品額定電壓耐久試驗(yàn)壽命曲線

從圖3可以看出，經(jīng)過500 h/1 000 h的耐久試驗(yàn)后，整體的容值變化率小于1%。而老產(chǎn)品在550 h以上的工作時(shí)間內(nèi)容值變化超過了5%的要求。通過一系列的設(shè)計(jì)及工藝上的改進(jìn)，使其壽命明顯延長。

6 總結(jié)

采用9 μm高溫薄膜和增加芯子數(shù)量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，增加了電容器耐電壓的能力，進(jìn)一步降低了電流密度、溫升及損耗。在電容器制造工藝上通過增加電容芯子外層薄膜的張緊力和圈數(shù)，在封裝環(huán)節(jié)增加真空灌膠等工藝環(huán)節(jié)的改進(jìn)措施，減少了空氣中水汽的攝入。降低了電容器在后期使用中因濕度原因造成容量降低，提高了產(chǎn)品的壽命。改進(jìn)后的三相交流電容器進(jìn)行裝車試驗(yàn)，試驗(yàn)運(yùn)行效果良好。得到路局批準(zhǔn)全部更換，目前此新款電容已經(jīng)安全穩(wěn)定運(yùn)行 2年，在跟蹤普查中未再發(fā)生容量降低現(xiàn)象，運(yùn)行效果充分說明新的設(shè)計(jì)和改進(jìn)方案能夠滿足車輛的使用需求。