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

（呼和浩特局集團公司包頭車輛段，內蒙古 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 電容器是串聯使用的輔助電容器。它的主要功能是在直流輸入端存儲和過濾能量。

（二）故障統計

在不同情況下分析了DC600V 總線充電器輔助電容器的故障。數據表明，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影響DC600V 總線充電器的正常運行和電氣性能，不會對充電器外殼或外部世界產生太大影響。如果進一步分解,最終引發爆炸、泄漏起火,它甚至會產生巨大的外殼上房門,這會造成封裝的門口或脫落,從而點燃周圍的物體會產生不小的影響。因此，有必要進一步分析支撐電容器失效的原因，并采取相應的保護措施。

（三）故障原因分析及解決措施分析

1.故障原因有很多，包括過電壓、反向電壓、頻繁的充放電等。但是從使用的角度來看，過電壓和脈動電流會導致更大的故障概率。DC600V 總線充電器的額定輸入電壓為DC600V，波動范圍為DC540 -660V。當輸入電壓超過DC700V 時，防止過電壓。在實際應用中，輸入電壓通常大于DC700V，有時甚至大于DC900V。DC600V 母線充電器的輔助電容器仍處于過電壓狀態。隨著運行時間的增加，支撐電容器的性能也會下降。當它達到一定的水平時，它會因超壓和短路而爆炸。通過對缺陷電容的分析，發現電解紙中存在過電壓斷點，再次證明支撐電容器因過電壓而失效。DC600V 總線充電器電容電路中的串聯熔斷器應相應保護。當電容器過電壓發生故障時，短路電流會立即斷開熔斷器，有效防止輔助電容器再次發生故障和爆炸。

2.充電器超壓保護值的優化。原始充電器的超壓保護值為760v/10ms(已經超過660v)。由于機車的能量供應質量較差，應盡可能在不影響充電器的清潔設備和負荷的情況下進行調整。但是，在故障分析之后，這個設定值使支撐電容器能夠承受過高的電壓，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。考慮到機車供電的質量和現有支護電容器的抗壓狀態，降低充電器進口電壓的保護閾值是適當的。兩級保護:DC730V 和DC720V，即當輸入電壓大于DC730V 10ms 或大于DC720V 2s 時，從充電器上斷開輸入接觸器。超過DC660V 的調節過電壓值是由于機車當前的實際運行條件造成的。過低的設置會導致充電器經常停機和重新啟動。

3.熔斷器安裝在串聯電容器上。在支撐電容器爆炸前，應迅速增加過電壓和過電參數，并通過電容器的瞬時關閉功能，使電容器的供電電路能夠關閉和防止。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。薄層電容器廣泛應用于機車、子彈頭列車等，在試驗驗證后，應考慮逐步應用于客車充電器。機車過電壓監測。客車應當采取措施，防止機車供電發生嚴重過電壓。

二、電解電容特性

（一）組成及參數

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)、鋁和鉛組成。電解電容器由兩個導體極組成，由一層絕緣層隔開。兩極之間的電流隨著電壓的增加而急劇增加。圖2 為電解電容器標稱電壓。電解電容器的工作電壓在0 到標稱電壓之間。V 為電解電容器過電壓，為電解電容器在短時間內(如一小時內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:在一個電解電容器的運作,產品內的氣體電容器電容內形成壓力。在電解電容器頂部設置泄壓閥，當內部壓力達到一定水平時，允許氣體釋放，防止電解電容器受到內部泄壓而受到損壞。

（二）壽命影響因素

三個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,當直流電壓,電壓提升疊加電解電容器兩端的電壓不超過額定電壓疊加交替。如果施加過電壓，可能會導致電極短路，損壞氧化鋁膜，進而導致電解電容器內部短路。電解電容器經常充放電，脈動電流過大。由于電解電容器具有一定的結構和耐熱參數，頻繁的充放電和過度的浪涌電流會導致電解電容器的熱溫度顯著升高。容許內部溫度超過105℃時,電解電容器永久失效。連續工作的環境溫度應超過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電阻為初始值2倍以上，外在表現主要有殼體脹裂、頂蓋裂紋、漏液、內部組成膨出等;破壞性失效指短路、開路或炸裂等較嚴重故障。

結束語

DC600V 客車充電器中，為有效防止支撐電容在運行過程中因過壓擊穿而發生爆炸故障，提出在支撐電容串聯回路增加熔斷器的保護措施。根據DC600V 客車充電器額定工況下的試驗數據和模擬電容爆炸數據進行了熔斷器選型，并通過加裝熔斷器和不加裝熔斷器的過壓對比試驗驗證了增加熔斷器防止電容爆炸故障的有效性。同時，采用該方案在現有產品上進行改造時，安裝方便，利于執行。