温度环境应力下的电容电气特性分析

叶洪友

（中国铁路上海局集团有限公司合肥电务段，合肥 230000）

1 概述

ZPW-2000A 型无绝缘轨道电路是由发送器、两根钢轨导体、轨道绝缘和接收器通过一定方式的电气连接而成的电路。它不仅能够发送轨道区段的占用空闲信息和该段钢轨线路的完整性信息，而且还可以作为一个信息发送器，向列车传输控制信息，实现地车通信。轨道电路是国内铁路信号中自动控制和远程控制系统中的重要组成元件，是符合故障—安全原则的系统。

ZPW-2000A 型轨道电路室内设备经电缆及调谐匹配单元与钢轨相连。结构示意如图1 所示。

V1V2经调谐单元端子接至轨道，L1L2经SPT 电缆接至室内。

图1 匹配调谐结构图Fig.1 Matching tuning structure

钢轨侧电路中，串联接入两个16 V，4 700 μF电解电容（C1、C2），且两个电容按相反极性串接，构成无极性联结，起到隔直及交连作用。保证该设备在电力牵引区段运用中，不致因直流成分造成匹配变压器磁路饱和。发送端电流较大，使该部分的4 700 μF 电解电容温度较高，使电解液减少加剧，进而导致电容器电容量、等效串联阻抗等性能发生变化，严重时会导致电容故障，进而导致轨道电路故障。

本文主要从温度环境应力方面进行研究，对电解电容与薄膜电容进行温度环境下的性能对比分析。

2 温度特性指标对电容特性的影响

电容的工作环境温度会导致电容的特性参数漂移，电解电容和薄膜电容的高温、低温3 种不同的温度环境，测试其容量、损耗角正切值、等效串联电阻（ESR）等电气参数是否发生漂移。

在常温下分别测量两种电容的电容量、损耗角正切和ESR 等性能参数，常温电容的性能参数如表1所示。

表1 常温电容的性能参数对比Tab. 1 Comparison of performance parameters of capacitors at room temperature

常温数据进行对比，电解电容的容值偏差明显大于薄膜电容，且电解电容的损耗角正切值和ESR参数也明显劣于电解电容。

1) 低温环境

将电容器放入高低温箱，设置高低温箱温度为各个电容正常工作的低温极限温度，保温3 h，不施加电压。在存放时间结束后，将电容器取出，恢复到室内环境温度下，使其稳定，分别测量电容量、损耗角正切和等效串联电阻等性能参数，低温极限温度电容的性能参数如表2 所示。

表2 低温极限温度电容的性能参数对比（低温下测试）Tab.2 Comparison of performance parameters of capacitors at the lowest temperature limit (low temperature test)

低温极限的电容偏差值薄膜电容容值变差3.3%，略大于电解电容的容值偏差幅度，损耗角及ESR 性能仍明显优于电解电容，低温极限温度电容的性能参数如表3 所示。

表3 低温极限温度电容的性能参数对比（低温恢复测试）Tab. 3 Comparison of performance parameters of capacitors at the lowest temperature limit (after returning to room temperature)

当电容恢复常温后，薄膜电容的容量偏差、损耗角、ESR 性能明显优于电解电容。

2) 高温环境

将电容器放入高低温箱，设置高低温箱温度为各个电容正常工作的极限高温，保温3 h，不施加电压。在存放时间结束后，将电容器取出，恢复到室内环境温度下，使其稳定，分别测量电容量、损耗角正切和等效串联电阻等性能参数，高温极限温度电容的性能参数如表4 所示。

高温极限的电容偏差值薄膜电容容值变差为0，远小于电解电容的容值偏差幅度，损耗角及ESR 性能仍明显优于电解电容，高温极限温度电容的性能参数如表5 所示。

表4 高温极限温度电容的性能参数对比（高温下测试）Tab.4 Comparison of performance parameters of capacitors at the highest temperature limit (high temperature test)

表5 高温极限温度电容的性能参数对比（高温恢复测试）Tab.5 Comparison of performance parameters of capacitors at the highest temperature limit (after returning to room temperature)

当电容恢复常温后，薄膜电容的容量偏差、损耗角、ESR 性能明显优于电解电容。

3) 温度性能分析

电容器温度特性如表6 所示。

电容容值偏差趋势如图2 所示。通过图2 可知:

a.电解电容低温时容值偏差小，高温时容值偏差大。薄膜电容的规律相反，低温时容值变大，高温时容值变小；

b.薄膜电容的容值更加稳定，变化率较小，电解电容的容值偏差随温度变化快，尤其是容值偏差低温变化率。

对比两种电容器在不同情况下的损耗角正切值和ESR，薄膜电容器都远小于电解电容。

表6 电容器温度特性对比Tab. 6 Comparison of temperature characteristics of capacitors

图2 电容容值偏差趋势图Fig.2 Chart of trend of deviation in capacitance value

3 总结

本文通过极限环境应力下的两种电容的容值偏差、损耗角正切值、ESR 等电气特性，得到如下结论。

1) 常温状态下，薄膜电容的容值偏差、损耗角正切值、ESR 等特性均优于电解电容。

2) 极限工作温度下，薄膜电容的容值偏差、损耗角正切值、ESR 等特性均优于电解电容。当电容从极限温度恢复为常温时，薄膜电容电气特性仍优于电解电容。

3) 电解电容低温时容值偏差小，高温时容值偏差大。薄膜电容的规律相反，低温时容值变大，高温时容值变小。

4) 薄膜电容的容值更加稳定，变化率较小，电解电容的容值偏差随温度变化快，尤其是容值偏差低温变化率。

薄膜电容的容值偏差、损耗角正切值、ESR 等特性优于电解电容。