高速動車組三相交流濾波電容器故障分析及改進

邱新鋒

(新譽龐巴迪牽引系統有限公司 江蘇 常州 213166)

列車輔助供電系統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后還需要經過三相LC濾波電路進行濾波， 去除二次側中的諧波分量， 將潔凈的正弦交流電供車上設備使用。 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定、 偏差范圍小， 損耗因數低， 絕緣電阻高， 自愈性能好等特點[1]， 但如果使用環境改變也會造成電容器出現失效的問題。 以下對CRH380D型高速動車組上的電容器問題進行分析并提出相應改進措施。

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營，經過1年多的運營時間，相繼發生了3起三相電容器失效問題。對車上電容器測試普查發現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，開箱后發現失效電容器外殼有一個灼穿的小孔，復測電容器三相電容器容量，發現容量變化率與出廠前的數據對比超過了5%。

2 故障分析

失效電容器內部共計18個芯子，分成3組，每組芯組由6個單元芯子并聯組成。單個芯子與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，內部結構如圖1所示。對三相電容器解剖分析后測量了容值和損耗。芯子解剖后發現有一處芯子燒毀，芯子容量下降過大，同時發現金屬化膜上有自愈點，且多集中在芯子的外層。由于芯子燒毀嚴重，對相鄰的芯子也造成了影響，導致其他芯子容量下降。

圖1 電容器內部結構

從解剖后的結果分析，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部薄膜壓力，外層薄膜之間存在一定的空隙，在生產過程中，少量的水汽會侵入芯子的外層，對電容器芯子產生影響。這種缺陷會使得電容器芯子在后續使用時由于金屬化膜緩慢氧化，引起芯子過度自愈，而過度自愈產生的熱量又導致電容器芯子內部溫度上升。

3 改進方法

根據分析的結果可以總結為金屬化膜電容器內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個關鍵老化加速因子進行核算。隨著此因子的提高，預期壽命將按指數規律折減。因此在后期的改進方案以設計改進為主，兼顧工藝改進的綜合解決方案。同時采取針對溫度、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，損耗增大的設計原因通常包括以下幾點：(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，或者導體引線設計不合理；(2)生產原因通常是制造中由于卷繞過程中的機械拉力控制不足，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，使用環境多為高溫、高濕條件。這些原因都會導致電容器失效[2]。

通過上述的原因分析并結合CRH380D型高速動車組的實際運營環境，決定從下述3個方面對現有電容器進行改進：

(1)增強電容器的耐壓能力，降低單位薄膜的工作場強；

(2)提高電容器內部載流能力，使電容器內部溫升降低；

(3)增加制造工藝步驟，去除在生產過程中殘留于電容器內的潮氣。

4 改進措施

根據上述的3點電容器改進要求，在新電容器設計上提出了以下改進方案。

(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)，由于自愈時所釋放的熱量可以通過測試自愈時的脈沖電流以及轉換成自愈過程中的能量E來表示，根據美國物理學家的推導結論得關系式為：E∝V，由此可以知道自愈能量E與所加電壓V存在急劇變化的關系，其電壓的正確選擇直接影響制品的可靠性能；同時能量E與電極厚度d的平方成正比關系，其關系式為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，經過試驗可知金屬化膜層間的電場強度降低約10%以上，電容器的設計耐壓值可由原AC440 V提升為AC495 V。這對預期壽命的提高作用將會是關鍵性的。

另外交流電容器在工作時，內部電場方向始終存在交變，而電容器主要承載無功補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熱越嚴重，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對比[4]。

(2)對電容器內部的結構進行改進。將電容器內部的電容芯數量加倍，模型如圖2所示，此項設計的主要目的是降低電容器的內部溫升。

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為過大的電流所致。通過縮短電容器的長度，降低電流流經的長度，增加并聯層次，對于減輕電容器的電流負荷有重要作用。表2列出了同等外部負荷的條件下，改進前后電容芯子單元的電流負荷對比。

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，溫升相應減少。單個芯組內芯子采用先并聯再串聯的方式，有效分散了單個芯子的載流密度。以上數據表明，改進設計后，單芯電流負荷及金屬膜層電流負荷均減為原先值的一半。

(3)對電容器工藝技術進行改進。電容器芯子在卷繞時，通常最外層的金屬化膜比內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，經過卷繞包封膜張力試驗后確認，包封膜張力可由原來的0.5 kg～1 kg增加到1 kg～1.5 kg，同時在后續卷繞時將增加芯子外層包封膜圈數，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生較大的影響。正確選擇卷繞型產品的外形以及熱處理溫度、時間使內部芯子的層間壓力大而均勻，減少電阻短路的發生概率。

(4)增加真空干燥工藝環節，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致損耗正切角的增大，同時潮氣又促進了膜間殘余氣體的電暈放電，使得金屬化層發生過度自愈，進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生嚴重影響。而改進的工藝則是在電容器灌注聚氨酯前，對電容器先進行10 h的加熱干燥后再進行10 h的抽真空處理，然后再真空灌注，徹底將生產過程中殘留在電容器內的潮氣清除干凈，避免后續芯子金屬化膜出現氧化。

(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、孔洞的目的，又不會出現大面積的自愈點。進一步提高電容器內部芯子的可靠性。

5 試驗驗證

從電容器設計及制造工藝上進行改進后，需要對電容器失效的溫度、濕度、電壓3個主要指標進行驗證。試驗參考IEC 61881—2010 標準規定。將新老產品試驗數據進行比較，以驗證新型號的性能是否優于老型號。

三相濾波電容器的型式試驗中，以下4個試驗項點涉及產品的實際使用性能及壽命的考核，實際試驗結果對比如下：

(1)端子間耐電壓。新舊設計產品都可滿足高溫下耐壓試驗的要求。其中，新設計產品的環境溫度更高，對應的可靠性也更高(見表3)。

表3 新舊電容型式試驗項點要求

(2)自愈性試驗。表4為新舊兩款產品自愈試驗的數據，由于更換了9 um高溫膜，自愈電壓的起始點從DC1.47 kV提高到DC1.95 kV。同時損耗的下降也明顯高于老款產品。

表4 耐壓試驗項點要求對比表

(3)溫升對比試驗。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。在75 ℃溫度下，試驗48 h，試驗電流為210 Arms，試驗頻率274 Hz，空氣流速1.3 m/s。新產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，而老產品在環境溫度為65 ℃的最高溫度為85.3 ℃，溫升最高為20.3 K(見表5)。新產品的溫升明顯低于老款產品。

表5 溫升試驗數據對比

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

圖3 新產品額定電壓耐久試驗壽命曲線

從圖3可以看出，經過500 h/1 000 h的耐久試驗后，整體的容值變化率小于1%。而老產品在550 h以上的工作時間內容值變化超過了5%的要求。通過一系列的設計及工藝上的改進，使其壽命明顯延長。

6 總結

采用9 μm高溫薄膜和增加芯子數量的結構設計方式，增加了電容器耐電壓的能力，進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，在封裝環節增加真空灌膠等工藝環節的改進措施，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，提高了產品的壽命。改進后的三相交流電容器進行裝車試驗，試驗運行效果良好。得到路局批準全部更換，目前此新款電容已經安全穩定運行 2年，在跟蹤普查中未再發生容量降低現象，運行效果充分說明新的設計和改進方案能夠滿足車輛的使用需求。