溫度環境應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段，合肥 230000）

1 概述

ZPW-2000A 型無絕緣軌道電路是由發送器、兩根鋼軌導體、軌道絕緣和接收器通過一定方式的電氣連接而成的電路。它不僅能夠發送軌道區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送器，向列車傳輸控制信息，實現地車通信。軌道電路是國內鐵路信號中自動控制和遠程控制系統中的重要組成元件，是符合故障—安全原則的系統。

ZPW-2000A 型軌道電路室內設備經電纜及調諧匹配單元與鋼軌相連。結構示意如圖1 所示。

V1V2經調諧單元端子接至軌道，L1L2經SPT 電纜接至室內。

圖1 匹配調諧結構圖Fig.1 Matching tuning structure

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

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

2 溫度特性指標對電容特性的影響

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

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，常溫電容的性能參數如表1所示。

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

常溫數據進行對比，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參數也明顯劣于電解電容。

1) 低溫環境

將電容器放入高低溫箱，設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。在存放時間結束后，將電容器取出，恢復到室內環境溫度下，使其穩定，分別測量電容量、損耗角正切和等效串聯電阻等性能參數，低溫極限溫度電容的性能參數如表2 所示。

表2 低溫極限溫度電容的性能參數對比（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 性能仍明顯優于電解電容，低溫極限溫度電容的性能參數如表3 所示。

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

當電容恢復常溫后，薄膜電容的容量偏差、損耗角、ESR 性能明顯優于電解電容。

2) 高溫環境

將電容器放入高低溫箱，設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。在存放時間結束后，將電容器取出，恢復到室內環境溫度下，使其穩定，分別測量電容量、損耗角正切和等效串聯電阻等性能參數，高溫極限溫度電容的性能參數如表4 所示。

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

表4 高溫極限溫度電容的性能參數對比（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對比（高溫恢復測試）Tab.5 Comparison of performance parameters of capacitors at the highest temperature limit (after returning to room temperature)

當電容恢復常溫后，薄膜電容的容量偏差、損耗角、ESR 性能明顯優于電解電容。

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

本文通過極限環境應力下的兩種電容的容值偏差、損耗角正切值、ESR 等電氣特性，得到如下結論。

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

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

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 等特性優于電解電容。