DC600V供電客車充電器支撐電容故障分析及解決方案研究

李海濱

（呼和浩特局集團(tuán)公司包頭車輛段，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

一、DC600V 客車充電器支撐電容概述

（一）位置和作用

DC600V 總線充電器主電路示意圖如圖1。C301 和C302 電容器是串聯(lián)使用的輔助電容器。它的主要功能是在直流輸入端存儲(chǔ)和過(guò)濾能量。

（二）故障統(tǒng)計(jì)

在不同情況下分析了DC600V 總線充電器輔助電容器的故障。數(shù)據(jù)表明，支撐電容器的主要故障類型為突出故障、破裂故障、泄漏故障、破裂故障和破裂故障，占比較高(分別為30.7%和21.2%)。輔助電容器的膨脹或破裂只會(huì)影響DC600V 總線充電器的正常運(yùn)行和電氣性能，不會(huì)對(duì)充電器外殼或外部世界產(chǎn)生太大影響。如果進(jìn)一步分解,最終引發(fā)爆炸、泄漏起火,它甚至?xí)a(chǎn)生巨大的外殼上房門(mén),這會(huì)造成封裝的門(mén)口或脫落,從而點(diǎn)燃周圍的物體會(huì)產(chǎn)生不小的影響。因此，有必要進(jìn)一步分析支撐電容器失效的原因，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

（三）故障原因分析及解決措施分析

1.故障原因有很多，包括過(guò)電壓、反向電壓、頻繁的充放電等。但是從使用的角度來(lái)看，過(guò)電壓和脈動(dòng)電流會(huì)導(dǎo)致更大的故障概率。DC600V 總線充電器的額定輸入電壓為DC600V，波動(dòng)范圍為DC540 -660V。當(dāng)輸入電壓超過(guò)DC700V 時(shí)，防止過(guò)電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，輸入電壓通常大于DC700V，有時(shí)甚至大于DC900V。DC600V 母線充電器的輔助電容器仍處于過(guò)電壓狀態(tài)。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，支撐電容器的性能也會(huì)下降。當(dāng)它達(dá)到一定的水平時(shí)，它會(huì)因超壓和短路而爆炸。通過(guò)對(duì)缺陷電容的分析，發(fā)現(xiàn)電解紙中存在過(guò)電壓斷點(diǎn)，再次證明支撐電容器因過(guò)電壓而失效。DC600V 總線充電器電容電路中的串聯(lián)熔斷器應(yīng)相應(yīng)保護(hù)。當(dāng)電容器過(guò)電壓發(fā)生故障時(shí)，短路電流會(huì)立即斷開(kāi)熔斷器，有效防止輔助電容器再次發(fā)生故障和爆炸。

2.充電器超壓保護(hù)值的優(yōu)化。原始充電器的超壓保護(hù)值為760v/10ms(已經(jīng)超過(guò)660v)。由于機(jī)車的能量供應(yīng)質(zhì)量較差，應(yīng)盡可能在不影響充電器的清潔設(shè)備和負(fù)荷的情況下進(jìn)行調(diào)整。但是，在故障分析之后，這個(gè)設(shè)定值使支撐電容器能夠承受過(guò)高的電壓，從而增加了支撐電容器的故障率，縮短了支撐電容器的使用壽命?？紤]到機(jī)車供電的質(zhì)量和現(xiàn)有支護(hù)電容器的抗壓狀態(tài)，降低充電器進(jìn)口電壓的保護(hù)閾值是適當(dāng)?shù)摹杉?jí)保護(hù):DC730V 和DC720V，即當(dāng)輸入電壓大于DC730V 10ms 或大于DC720V 2s 時(shí)，從充電器上斷開(kāi)輸入接觸器。超過(guò)DC660V 的調(diào)節(jié)過(guò)電壓值是由于機(jī)車當(dāng)前的實(shí)際運(yùn)行條件造成的。過(guò)低的設(shè)置會(huì)導(dǎo)致充電器經(jīng)常停機(jī)和重新啟動(dòng)。

3.熔斷器安裝在串聯(lián)電容器上。在支撐電容器爆炸前，應(yīng)迅速增加過(guò)電壓和過(guò)電參數(shù)，并通過(guò)電容器的瞬時(shí)關(guān)閉功能，使電容器的供電電路能夠關(guān)閉和防止。雖然這種方法不能防止支撐電容器破裂造成的損壞，但它可以有效地防止支撐電容器隨后的損壞和其他嚴(yán)重故障，如破裂。用薄膜電容器代替支撐電容器。薄層電容器廣泛應(yīng)用于機(jī)車、子彈頭列車等，在試驗(yàn)驗(yàn)證后，應(yīng)考慮逐步應(yīng)用于客車充電器。機(jī)車過(guò)電壓監(jiān)測(cè)。客車應(yīng)當(dāng)采取措施，防止機(jī)車供電發(fā)生嚴(yán)重過(guò)電壓。

二、電解電容特性

（一）組成及參數(shù)

電解電容器由純鋁箔、一層氧化鋁(絕緣層)、一層紙(淬火電解質(zhì))、鋁和鉛組成。電解電容器由兩個(gè)導(dǎo)體極組成，由一層絕緣層隔開(kāi)。兩極之間的電流隨著電壓的增加而急劇增加。圖2 為電解電容器標(biāo)稱電壓。電解電容器的工作電壓在0 到標(biāo)稱電壓之間。V 為電解電容器過(guò)電壓，為電解電容器在短時(shí)間內(nèi)(如一小時(shí)內(nèi)5 次)可施加的最大電壓。Iso 60384-4-2007 固定電容器”—第4 部分:電子設(shè)備為鋁電解電容器的固體(MnO2)和非固體—涌電壓定義如下:在一個(gè)電解電容器的運(yùn)作,產(chǎn)品內(nèi)的氣體電容器電容內(nèi)形成壓力。在電解電容器頂部設(shè)置泄壓閥，當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到一定水平時(shí)，允許氣體釋放，防止電解電容器受到內(nèi)部泄壓而受到損壞。

（二）壽命影響因素

三個(gè)主要影響壽命的因素:電解電容器的電壓可容忍的是額定電壓,當(dāng)直流電壓,電壓提升疊加電解電容器兩端的電壓不超過(guò)額定電壓疊加交替。如果施加過(guò)電壓，可能會(huì)導(dǎo)致電極短路，損壞氧化鋁膜，進(jìn)而導(dǎo)致電解電容器內(nèi)部短路。電解電容器經(jīng)常充放電，脈動(dòng)電流過(guò)大。由于電解電容器具有一定的結(jié)構(gòu)和耐熱參數(shù)，頻繁的充放電和過(guò)度的浪涌電流會(huì)導(dǎo)致電解電容器的熱溫度顯著升高。容許內(nèi)部溫度超過(guò)105℃時(shí),電解電容器永久失效。連續(xù)工作的環(huán)境溫度應(yīng)超過(guò)允許的最大工作溫度。在上述因素的影響下，電解電容器的壽命結(jié)束形式可分為功能故障和破壞性故障。功能性失效為電容容量比初始值減少10%，漏電流超范圍或等效串聯(lián)電阻為初始值2倍以上，外在表現(xiàn)主要有殼體脹裂、頂蓋裂紋、漏液、內(nèi)部組成膨出等;破壞性失效指短路、開(kāi)路或炸裂等較嚴(yán)重故障。

結(jié)束語(yǔ)

DC600V 客車充電器中，為有效防止支撐電容在運(yùn)行過(guò)程中因過(guò)壓擊穿而發(fā)生爆炸故障，提出在支撐電容串聯(lián)回路增加熔斷器的保護(hù)措施。根據(jù)DC600V 客車充電器額定工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬電容爆炸數(shù)據(jù)進(jìn)行了熔斷器選型，并通過(guò)加裝熔斷器和不加裝熔斷器的過(guò)壓對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了增加熔斷器防止電容爆炸故障的有效性。同時(shí)，采用該方案在現(xiàn)有產(chǎn)品上進(jìn)行改造時(shí)，安裝方便，利于執(zhí)行。