三号线电客车滤波电容问题分析

丁亦丰

摘要：本文对三号线电客车滤波电容从其整改后的各项参数更改到三相电容在箱体内的布局进行详细分析，并查阅大量技术文献得出以下结论：造成三号线电容故障的主要原因为PA箱（牵引辅助箱）内布局过于紧凑造成电容器散热不佳工作温度较高。在电容运行环境不变的情况下通过改变电容器的结构、材料、规格等参数来改善其内部温升并延长其使用寿命是可行的。但受限于庞巴迪箱体结构设计，其电容器体积及安装位置已然固定，无法对电容的结构进行过多调整，至于其整改后在目前工况下使用寿命能有多大提升，仍需厂家进行评估。若电容结构及工艺无法改进，也希望庞巴迪对其箱体内部结构进行改进，改善其电容运行的工况。

关键词：地铁车辆，电容器;问题分析

一、金属化薄膜电容简介

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。电容在运行时存在电介质出现短路的情况，此时金属镀层会因此而挥发并将短路的地方进行隔离，这种现象称之为自愈效应。

如果使用环境改变也会造成电容器出现失效的问题。金属化膜电容器在运行过程中自身会产生热量，其中一部分热量散发到周围环境中去;另一部分热量则使电容器内部的温度升高。这就可能导致电容器的电学性能发生变化。同时，长期受热可使介质加速老化，缩减寿命，导致电容器損坏。

二、三号线滤波电容整改分析

2019年8月开始三号线现场发生多起三相滤波电容损坏及容量衰减的情况。厂家均分析为由于金属化膜过度自愈造成，为此庞巴迪对三号线电容进行整改。而目前株洲时代所使用的三相滤波电容并未出现容量衰减的情况。（铜峰三相交流电容设计参数对比详见附件一）

从附件一数据来看，三号线整改后的铜峰电容在薄膜种类和尺寸上进行了优化，提高了其耐压等级，增加焊点个数及铜带尺寸（降低其内部温升），增加了卷绕包封张力。但对比于时代目前所使用的电容，在尺寸和关键材料的参数上仍存在较大差异。主要是薄膜厚度薄、耐压等级低以及工作场强高，在同等工况下薄膜较易击穿，自愈产生的能量越高。接下来着重从更改的电容参数对电容性能的提升进行一个详细的分析：

（一）提升薄膜厚度并更改薄膜材质

从附件一对比可知，目前三号线滤波电容整改后增加了绝缘膜厚度，在新的三相电容器内部采用9μm的高温聚丙烯薄膜来替代之前的8μm普通聚丙烯薄膜，而时代目前所使用的电容薄膜厚度14μm。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，根据推导结论得关系式为：E∝U，由此可以知道自愈能量E与所加电压U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。9μm的薄膜相对于原8μm薄膜，经过计算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 620V升为690V。这对预期寿命的提高作用将会较明显。

（二）增加焊点个数、铜带尺寸及卷绕包封张力

ESR值和纹波电流值决定了电容的温升。增加焊点个数及铜带尺寸可以有效的降低焊接产生的电阻以及铜带本生阻抗，并且扩大铜带尺寸可以增大散热面积，降低电容温升。从附件一数据可知，时代使用的电容铜带尺寸明显比庞巴迪的电容要大，这也是受限于庞巴迪箱体布局，而无法对电容体积进行扩大。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，现包封膜张力可由原来的0.5kg～1kg 增加到1kg～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。当芯子卷绕得紧时，由击穿导致的放电越容易熄灭，击穿点所涉及的范围就小，这些对于获得良好的自愈是有利的。

（三）增加防爆阀数量

查阅相关资料，一般情况下，电容容量越大，蕴含的能量越大，当电容发生故障时，产生破坏力越大。铜峰在滤波电容上增加一个防爆阀，用于防止出现电容失效短路时，由于大量气体的产生，导致电容爆裂，以此提高设备安全性能。

三、庞巴迪箱内电容运行环境分析

（一）PA箱电容布局不合理

图1--图4为庞巴迪、SATEE以及时代的滤波电容的安装方式及其布局对比图。通过对比其电容安装结构发现庞巴迪的箱体结构十分紧凑，PA箱内电容器放置在变压器和三相电抗器旁100mm处，并且其箱体内部集成了大量发热设备，如：变压器、三相电感、三相电容、风机电机等;AB箱内没有大量发热设备。而SATEE与时代均有单独的箱体放置电容。其中时代的电容放置在单独的隔间内，周边无热源;SATEE的电容放置的箱体上下部分均镂空，通风效果良好。

根据温升公式： ，其中λ为元件有效部分（金属化聚丙烯薄膜）、外包膜（聚丙烯薄膜）、对壳绝缘层（聚氨酯）、电容器外壳（不锈钢）的导热系数，tw4为环境温度，Q为元件有效部分单位体积的发热功率。所以电容器温升除了与各部分的材料、结构等密切相关，其外界温度也是影响电容器发热的因素之一，若工作环境的温度过高，或造成电容器的散热困难，发热越明显。另外环境空气的湿度也对散热有一定的影响。所以电容的应用环境温度也是重要因素。在应用时，需要考虑环境散热方式、散热强度、电解电容与热源的距离、电解电容的安装方式等。

同时，现场在不同厂家使用的铜峰生产的三相电容上增加温度贴纸来监控其工作时表面最大温度。统计发现：时代的电容工作时表面最大温度基本在45℃;SATEE的电容工作时表面最大温度基本在43℃;庞巴迪AB箱电容在整改后工作时表面最大温度均为48℃，PA箱电容工作时表面最大温度均为60℃。

（二）PA箱内电容安装不符合厂家要求

铜峰电容厂家的维护手册内对其电容的安装方式及使用环境有明确要求，而现场庞巴迪PA箱多处设计与电容厂家要求相违背：

1.安装位置不符

铜峰电容厂家的维护手册内要求：在机柜中安装的电容器应放置在底部，以保证最低的运行环境温度。电容器可垂直或水平安装（如果引出电极朝下安装需得到铜峰的确认）。

而现场情况为：电容安装在箱体頂部，位于风道末端，其周边流通的空气温度相对较高。

2.安装条件不符

铜峰电容厂家的维护手册内要求：电容器应安装在凉爽和通风良好的地方，不要靠近滤波电路电抗器和电阻等散发热量的物体，也不要安装在阳光直射的地方;如果应用中使用了电抗器、电阻，必须注意它们的运行温度比电容器高得多，电抗器、电阻和电容器之间的距离必须足够大，以保证电抗器的热量不会通过连接电缆传导到电容器，否则电抗器的热辐射会导致电容器过热。

而现场情况为：电容安装离热源过近（靠近变压器与电抗器），并位于风道终点，位于变压器后方，电容与变压器之间的部分空间内空气无法正常流通（见图6）。所以其容量衰减的电容均存在V1相失效的情况。V1相处于U相与W相之间，物理位置离变压器最近（见图5），其环境温度最高且遭受变压器热辐射情况最恶劣。

3.电容器冷却空间不足

铜峰电容厂家的维护手册内要求安装电容应确保有足够的冷却空间：电容器之间建议要留有40mm的距离以保证足够的冷却空间;在电容器上方建议保留100mm的空间，不要在拐弯处或上方安装任何部件。

而现场情况为：PA箱内发热设备与电容均放置在同一空间，并且电容距离变压器等设备距离仅为100mm，处于风道末端，冷却空间不足。

（三）厦门地铁三相滤波电容运行温度测试

由于厦门地铁一号线列车与南京三号线列车使用的牵引辅助系统一致，其温度测试数据存在一定的参考价值。厦门地铁通过增加热电偶的方式收集庞巴迪PA箱内电容周围环境温度。以下为其环境温度的测试情况：

1.热电偶安装位置

厦门地铁在变压器与电容之间以及电容与箱体之间增加热电偶来监控庞巴迪PA箱内电容周围环境温度，并作对比，同时也对电容器表面温度进行监控对比（见图6）。

2.温度数据对比

以下为温度记录数据：

测试阶段厦门气候温度在32℃左右，以图7中各温度最高进行分析，电容表面温度T1最高在58.3℃，T2最高在49.8℃。空气环境温度T3最高在67℃（短时跳变，1分钟时间内上升7℃左右，一分钟后下降13℃。），除去温度跳变后的最高温度在60℃，T4最高温度在48.3℃。

根据上述实测数据，在32℃的环境（气象温度数据）下，各部位平均温度温升见表1。

通过温度监测数据发现，电容器四周环境温度较高，特别是电容与变压器之间的环境温度及电容表面温升明显偏高，并且电容表面温度与环境温度成正比。所以会造成三号线电容损坏时每次都出现V1相烧损严重的情况。从电容外壳到空气，由于空气具有可流动的特性，因此存在对流传热。环境温度过高会对电容散热造成很大影响。而且在环境中变压器作为热源会以电磁波的形式产生热辐射，因此辐射传热同样存在。

四、后续措施和建议

（1）召开专题会议，督促厂家继续分析研究，优化布局，比如改善其箱体内部气流循环、增设隔热挡板防止电容直接被变压器热辐射等，从根本上改善电容工作环境。

（2）鉴于电容产生损耗需要运行较长时间，而整改后仍存在使用寿命上的不确定性，要求现场做好数据监控，发现问题及时上报。

（3）要求厂家评估在等同于PA箱运行环境下三相滤波电容的使用寿命。

（4）三号线增购项目及后续新线招标时对箱体布局进行优化。

（5）把分公司的调查分析发至建设公司用作参考。