溫度環(huán)境應(yīng)力下的電容電氣特性分析

葉洪友

（中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務(wù)段，合肥 230000）

1 概述

ZPW-2000A 型無絕緣軌道電路是由發(fā)送器、兩根鋼軌導(dǎo)體、軌道絕緣和接收器通過一定方式的電氣連接而成的電路。它不僅能夠發(fā)送軌道區(qū)段的占用空閑信息和該段鋼軌線路的完整性信息，而且還可以作為一個信息發(fā)送器，向列車傳輸控制信息，實現(xiàn)地車通信。軌道電路是國內(nèi)鐵路信號中自動控制和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的重要組成元件，是符合故障—安全原則的系統(tǒng)。

ZPW-2000A 型軌道電路室內(nèi)設(shè)備經(jīng)電纜及調(diào)諧匹配單元與鋼軌相連。結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

V1V2經(jīng)調(diào)諧單元端子接至軌道，L1L2經(jīng)SPT 電纜接至室內(nèi)。

圖1 匹配調(diào)諧結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Matching tuning structure

鋼軌側(cè)電路中，串聯(lián)接入兩個16 V，4 700 μF電解電容（C1、C2），且兩個電容按相反極性串接，構(gòu)成無極性聯(lián)結(jié)，起到隔直及交連作用。保證該設(shè)備在電力牽引區(qū)段運用中，不致因直流成分造成匹配變壓器磁路飽和。發(fā)送端電流較大，使該部分的4 700 μF 電解電容溫度較高，使電解液減少加劇，進而導(dǎo)致電容器電容量、等效串聯(lián)阻抗等性能發(fā)生變化，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電容故障，進而導(dǎo)致軌道電路故障。

本文主要從溫度環(huán)境應(yīng)力方面進行研究，對電解電容與薄膜電容進行溫度環(huán)境下的性能對比分析。

2 溫度特性指標(biāo)對電容特性的影響

電容的工作環(huán)境溫度會導(dǎo)致電容的特性參數(shù)漂移，電解電容和薄膜電容的高溫、低溫3 種不同的溫度環(huán)境，測試其容量、損耗角正切值、等效串聯(lián)電阻（ESR）等電氣參數(shù)是否發(fā)生漂移。

在常溫下分別測量兩種電容的電容量、損耗角正切和ESR 等性能參數(shù)，常溫電容的性能參數(shù)如表1所示。

表1 常溫電容的性能參數(shù)對比Tab. 1 Comparison of performance parameters of capacitors at room temperature

常溫數(shù)據(jù)進行對比，電解電容的容值偏差明顯大于薄膜電容，且電解電容的損耗角正切值和ESR參數(shù)也明顯劣于電解電容。

1) 低溫環(huán)境

將電容器放入高低溫箱，設(shè)置高低溫箱溫度為各個電容正常工作的低溫極限溫度，保溫3 h，不施加電壓。在存放時間結(jié)束后，將電容器取出，恢復(fù)到室內(nèi)環(huán)境溫度下，使其穩(wěn)定，分別測量電容量、損耗角正切和等效串聯(lián)電阻等性能參數(shù)，低溫極限溫度電容的性能參數(shù)如表2 所示。

表2 低溫極限溫度電容的性能參數(shù)對比（低溫下測試）Tab.2 Comparison of performance parameters of capacitors at the lowest temperature limit (low temperature test)

低溫極限的電容偏差值薄膜電容容值變差3.3%，略大于電解電容的容值偏差幅度，損耗角及ESR 性能仍明顯優(yōu)于電解電容，低溫極限溫度電容的性能參數(shù)如表3 所示。

表3 低溫極限溫度電容的性能參數(shù)對比（低溫恢復(fù)測試）Tab. 3 Comparison of performance parameters of capacitors at the lowest temperature limit (after returning to room temperature)

當(dāng)電容恢復(fù)常溫后，薄膜電容的容量偏差、損耗角、ESR 性能明顯優(yōu)于電解電容。

2) 高溫環(huán)境

將電容器放入高低溫箱，設(shè)置高低溫箱溫度為各個電容正常工作的極限高溫，保溫3 h，不施加電壓。在存放時間結(jié)束后，將電容器取出，恢復(fù)到室內(nèi)環(huán)境溫度下，使其穩(wěn)定，分別測量電容量、損耗角正切和等效串聯(lián)電阻等性能參數(shù)，高溫極限溫度電容的性能參數(shù)如表4 所示。

高溫極限的電容偏差值薄膜電容容值變差為0，遠(yuǎn)小于電解電容的容值偏差幅度，損耗角及ESR 性能仍明顯優(yōu)于電解電容，高溫極限溫度電容的性能參數(shù)如表5 所示。

表4 高溫極限溫度電容的性能參數(shù)對比（高溫下測試）Tab.4 Comparison of performance parameters of capacitors at the highest temperature limit (high temperature test)

表5 高溫極限溫度電容的性能參數(shù)對比（高溫恢復(fù)測試）Tab.5 Comparison of performance parameters of capacitors at the highest temperature limit (after returning to room temperature)

當(dāng)電容恢復(fù)常溫后，薄膜電容的容量偏差、損耗角、ESR 性能明顯優(yōu)于電解電容。

3) 溫度性能分析

電容器溫度特性如表6 所示。

電容容值偏差趨勢如圖2 所示。通過圖2 可知:

a.電解電容低溫時容值偏差小，高溫時容值偏差大。薄膜電容的規(guī)律相反，低溫時容值變大，高溫時容值變小；

b.薄膜電容的容值更加穩(wěn)定，變化率較小，電解電容的容值偏差隨溫度變化快，尤其是容值偏差低溫變化率。

對比兩種電容器在不同情況下的損耗角正切值和ESR，薄膜電容器都遠(yuǎn)小于電解電容。

表6 電容器溫度特性對比Tab. 6 Comparison of temperature characteristics of capacitors

圖2 電容容值偏差趨勢圖Fig.2 Chart of trend of deviation in capacitance value

3 總結(jié)

本文通過極限環(huán)境應(yīng)力下的兩種電容的容值偏差、損耗角正切值、ESR 等電氣特性，得到如下結(jié)論。

1) 常溫狀態(tài)下，薄膜電容的容值偏差、損耗角正切值、ESR 等特性均優(yōu)于電解電容。

2) 極限工作溫度下，薄膜電容的容值偏差、損耗角正切值、ESR 等特性均優(yōu)于電解電容。當(dāng)電容從極限溫度恢復(fù)為常溫時，薄膜電容電氣特性仍優(yōu)于電解電容。

3) 電解電容低溫時容值偏差小，高溫時容值偏差大。薄膜電容的規(guī)律相反，低溫時容值變大，高溫時容值變小。

4) 薄膜電容的容值更加穩(wěn)定，變化率較小，電解電容的容值偏差隨溫度變化快，尤其是容值偏差低溫變化率。

薄膜電容的容值偏差、損耗角正切值、ESR 等特性優(yōu)于電解電容。