高速动车组三相交流滤波电容器故障分析及改进

邱新锋

(新誉庞巴迪牵引系统有限公司 江苏 常州 213166)

列车辅助供电系统的功能是将输入的直流电逆变成三相交流电,为了使脉冲宽度调制(PWM)逆变器具有较好的输出交流波形， 逆变后的电流在三相变压器二次侧后还需要经过三相LC滤波电路进行滤波， 去除二次侧中的谐波分量， 将洁净的正弦交流电供车上设备使用。 LC滤波电路中的电容器通常选用金属化聚丙烯膜交流电容器。 聚丙烯膜电容器具有电容量稳定、 偏差范围小， 损耗因数低， 绝缘电阻高， 自愈性能好等特点[1]， 但如果使用环境改变也会造成电容器出现失效的问题。 以下对CRH380D型高速动车组上的电容器问题进行分析并提出相应改进措施。

1 背景说明

CRH380D型高速动车组自2015年开始在成渝铁路段载客运营，经过1年多的运营时间，相继发生了3起三相电容器失效问题。对车上电容器测试普查发现三相滤波电容器容值下降，损耗增大。将其中一台TFMFD-420VAC-3X3586CVZ电容器拆下返回原厂，开箱后发现失效电容器外壳有一个灼穿的小孔，复测电容器三相电容器容量，发现容量变化率与出厂前的数据对比超过了5%。

2 故障分析

失效电容器内部共计18个芯子，分成3组，每组芯组由6个单元芯子并联组成。单个芯子与40 mm2铜带用铜绞线连接，然后再将铜带与盖板上电极用20 mm2的引出编织线相连，内部结构如图1所示。对三相电容器解剖分析后测量了容值和损耗。芯子解剖后发现有一处芯子烧毁，芯子容量下降过大，同时发现金属化膜上有自愈点，且多集中在芯子的外层。由于芯子烧毁严重，对相邻的芯子也造成了影响，导致其他芯子容量下降。

图1 电容器内部结构

从解剖后的结果分析，金属化膜自愈是从芯子的外层开始，由于芯子的外层薄膜压力小于内部薄膜压力，外层薄膜之间存在一定的空隙，在生产过程中，少量的水汽会侵入芯子的外层，对电容器芯子产生影响。这种缺陷会使得电容器芯子在后续使用时由于金属化膜缓慢氧化，引起芯子过度自愈，而过度自愈产生的热量又导致电容器芯子内部温度上升。

3 改进方法

根据分析的结果可以总结为金属化膜电容器内部的氧化和自愈过度使得电容老化加速，寿命降低。在金属化薄膜电容器的预期寿命评估中，常按照电容器温度老化因子、电压老化因子和潮气老化因子3个关键老化加速因子进行核算。随着此因子的提高，预期寿命将按指数规律折减。因此在后期的改进方案以设计改进为主，兼顾工艺改进的综合解决方案。同时采取针对温度、电压和潮气的三大老化加速要素的对抗措施。

电容器容量降低，损耗增大的设计原因通常包括以下几点：(1)绝缘膜选用的厚度偏小，距离不够，金属层的厚度过厚或过薄，或者导体引线设计不合理；(2)生产原因通常是制造中由于卷绕过程中的机械拉力控制不足，聚合工艺前后以及封装过程中潮湿气体的渗入；(3)使用中过高的电压和电磁干扰以及放电，使用环境多为高温、高湿条件。这些原因都会导致电容器失效[2]。

通过上述的原因分析并结合CRH380D型高速动车组的实际运营环境，决定从下述3个方面对现有电容器进行改进：

(1)增强电容器的耐压能力，降低单位薄膜的工作场强；

(2)提高电容器内部载流能力，使电容器内部温升降低；

(3)增加制造工艺步骤，去除在生产过程中残留于电容器内的潮气。

4 改进措施

根据上述的3点电容器改进要求，在新电容器设计上提出了以下改进方案。

(1)提升耐压能力。增加绝缘膜厚度，在新的三相电容器内部采用9 μm的高温聚丙烯薄膜(GPSPP)来替代之前的8 μm普通聚丙烯薄膜(PP)，由于自愈时所释放的热量可以通过测试自愈时的脉冲电流以及转换成自愈过程中的能量E来表示，根据美国物理学家的推导结论得关系式为：E∝V，由此可以知道自愈能量E与所加电压V存在急剧变化的关系，其电压的正确选择直接影响制品的可靠性能；同时能量E与电极厚度d的平方成正比关系，其关系式为E∝d2，表明电极厚度越厚，电极电阻率越低，自愈能量越高[3]。增厚9 μm PP膜相对于原8 μm膜，经过试验可知金属化膜层间的电场强度降低约10%以上，电容器的设计耐压值可由原AC440 V提升为AC495 V。这对预期寿命的提高作用将会是关键性的。

另外交流电容器在工作时，内部电场方向始终存在交变，而电容器主要承载无功补偿和交流滤波的作用，由于电容器的隔直流通交流的特性，决定了交流电容器始终有较大的无功电流通过，电容器工作中的温升越高，无功电流造成电容器发热越严重，高温聚丙烯膜相对普通聚丙烯膜有更高的耐温特性，击穿场强高，更适合在交流场合下长期使用。表1为电容器高温膜与普通薄膜的参数对比[4]。

(2)对电容器内部的结构进行改进。将电容器内部的电容芯数量加倍，模型如图2所示，此项设计的主要目的是降低电容器的内部温升。

表1 PP和GBSPP的性能

图2 新老电容芯子组

通常电容器温升过高常是因为过大的电流所致。通过缩短电容器的长度，降低电流流经的长度，增加并联层次，对于减轻电容器的电流负荷有重要作用。表2列出了同等外部负荷的条件下，改进前后电容芯子单元的电流负荷对比。

表2 18芯与36芯电流对比

从表2可以看出新36芯子金属膜载流密度明显降低，温升相应减少。单个芯组内芯子采用先并联再串联的方式，有效分散了单个芯子的载流密度。以上数据表明，改进设计后，单芯电流负荷及金属膜层电流负荷均减为原先值的一半。

(3)对电容器工艺技术进行改进。电容器芯子在卷绕时，通常最外层的金属化膜比内层的金属化膜要松一些。为了增加芯子外层薄膜的张紧力，减少芯子外层薄膜之间的空气，经过卷绕包封膜张力试验后确认，包封膜张力可由原来的0.5 kg～1 kg增加到1 kg～1.5 kg，同时在后续卷绕时将增加芯子外层包封膜圈数，由原先20圈增加到50圈。卷绕过程中影响电容器性能的因素也很多，比如金属化膜的平整程度、卷绕的张紧程度、薄膜的去金属效果、外包封张力等都会对最终电容芯子的性能产生较大的影响。正确选择卷绕型产品的外形以及热处理温度、时间使内部芯子的层间压力大而均匀，减少电阻短路的发生概率。

(4)增加真空干燥工艺环节，以去除空气中水对电容器芯子的影响。在电容器制造工程中，通常会有潮气的残留，这会造成电极腐蚀，使得等效串联电阻阻值不断上升，由于电极厚度减薄和热耗散的加速而导致损耗正切角的增大，同时潮气又促进了膜间残余气体的电晕放电，使得金属化层发生过度自愈，进而加速了电容容值的衰减。这对于电容器的正常使用可能产生严重影响。而改进的工艺则是在电容器灌注聚氨酯前，对电容器先进行10 h的加热干燥后再进行10 h的抽真空处理，然后再真空灌注，彻底将生产过程中残留在电容器内的潮气清除干净，避免后续芯子金属化膜出现氧化。

(5)在赋能工序中增加芯子峰值老练功能， 即起到清除瑕疵点、孔洞的目的，又不会出现大面积的自愈点。进一步提高电容器内部芯子的可靠性。

5 试验验证

从电容器设计及制造工艺上进行改进后，需要对电容器失效的温度、湿度、电压3个主要指标进行验证。试验参考IEC 61881—2010 标准规定。将新老产品试验数据进行比较，以验证新型号的性能是否优于老型号。

三相滤波电容器的型式试验中，以下4个试验项点涉及产品的实际使用性能及寿命的考核，实际试验结果对比如下：

(1)端子间耐电压。新旧设计产品都可满足高温下耐压试验的要求。其中，新设计产品的环境温度更高，对应的可靠性也更高(见表3)。

表3 新旧电容型式试验项点要求

(2)自愈性试验。表4为新旧两款产品自愈试验的数据，由于更换了9 um高温膜，自愈电压的起始点从DC1.47 kV提高到DC1.95 kV。同时损耗的下降也明显高于老款产品。

表4 耐压试验项点要求对比表

(3)温升对比试验。按照测试要求，新电容器放置于密闭恒温箱中,箱中空气75 ℃，保持12 h，开始试验。在75 ℃温度下，试验48 h，试验电流为210 Arms，试验频率274 Hz，空气流速1.3 m/s。新产品的温升下降非常明显最高温度为80.26 ℃，最大温升为4.84 K，而老产品在环境温度为65 ℃的最高温度为85.3 ℃，温升最高为20.3 K(见表5)。新产品的温升明显低于老款产品。

表5 温升试验数据对比

(4)耐久试验。为了测试新产品电容器可以长期可靠地运行。在进行寿命试验要求上，将工作环境温度由原来的70 ℃要求提高至75 ℃，工作电压提高至602 Vrms和648 Vrms两个等级进行测试(见图3)。

图3 新产品额定电压耐久试验寿命曲线

从图3可以看出，经过500 h/1 000 h的耐久试验后，整体的容值变化率小于1%。而老产品在550 h以上的工作时间内容值变化超过了5%的要求。通过一系列的设计及工艺上的改进，使其寿命明显延长。

6 总结

采用9 μm高温薄膜和增加芯子数量的结构设计方式，增加了电容器耐电压的能力，进一步降低了电流密度、温升及损耗。在电容器制造工艺上通过增加电容芯子外层薄膜的张紧力和圈数，在封装环节增加真空灌胶等工艺环节的改进措施，减少了空气中水汽的摄入。降低了电容器在后期使用中因湿度原因造成容量降低，提高了产品的寿命。改进后的三相交流电容器进行装车试验，试验运行效果良好。得到路局批准全部更换，目前此新款电容已经安全稳定运行 2年，在跟踪普查中未再发生容量降低现象，运行效果充分说明新的设计和改进方案能够满足车辆的使用需求。