三號線電客車濾波電容問題分析

丁亦豐

摘要：本文對三號線電客車濾波電容從其整改后的各項參數更改到三相電容在箱體內的布局進行詳細分析，并查閱大量技術文獻得出以下結論：造成三號線電容故障的主要原因為PA箱（牽引輔助箱）內布局過于緊湊造成電容器散熱不佳工作溫度較高。在電容運行環境不變的情況下通過改變電容器的結構、材料、規格等參數來改善其內部溫升并延長其使用壽命是可行的。但受限于龐巴迪箱體結構設計，其電容器體積及安裝位置已然固定，無法對電容的結構進行過多調整，至于其整改后在目前工況下使用壽命能有多大提升，仍需廠家進行評估。若電容結構及工藝無法改進，也希望龐巴迪對其箱體內部結構進行改進，改善其電容運行的工況。

關鍵詞：地鐵車輛，電容器;問題分析

一、金屬化薄膜電容簡介

LC濾波電路中的電容器通常選用金屬化聚丙烯膜交流電容器。聚丙烯膜電容器具有電容量穩定、偏差范圍小，損耗因數低，絕緣電阻高，自愈性能好等特點。電容在運行時存在電介質出現短路的情況，此時金屬鍍層會因此而揮發并將短路的地方進行隔離，這種現象稱之為自愈效應。

如果使用環境改變也會造成電容器出現失效的問題。金屬化膜電容器在運行過程中自身會產生熱量，其中一部分熱量散發到周圍環境中去;另一部分熱量則使電容器內部的溫度升高。這就可能導致電容器的電學性能發生變化。同時，長期受熱可使介質加速老化，縮減壽命，導致電容器損壞。

二、三號線濾波電容整改分析

2019年8月開始三號線現場發生多起三相濾波電容損壞及容量衰減的情況。廠家均分析為由于金屬化膜過度自愈造成，為此龐巴迪對三號線電容進行整改。而目前株洲時代所使用的三相濾波電容并未出現容量衰減的情況。（銅峰三相交流電容設計參數對比詳見附件一）

從附件一數據來看，三號線整改后的銅峰電容在薄膜種類和尺寸上進行了優化，提高了其耐壓等級，增加焊點個數及銅帶尺寸（降低其內部溫升），增加了卷繞包封張力。但對比于時代目前所使用的電容，在尺寸和關鍵材料的參數上仍存在較大差異。主要是薄膜厚度薄、耐壓等級低以及工作場強高，在同等工況下薄膜較易擊穿，自愈產生的能量越高。接下來著重從更改的電容參數對電容性能的提升進行一個詳細的分析：

（一）提升薄膜厚度并更改薄膜材質

從附件一對比可知，目前三號線濾波電容整改后增加了絕緣膜厚度，在新的三相電容器內部采用9μm的高溫聚丙烯薄膜來替代之前的8μm普通聚丙烯薄膜，而時代目前所使用的電容薄膜厚度14μm。由于自愈時所釋放的熱量可以通過測試自愈時的脈沖電流以及轉換成自愈過程中的能量E來表示，根據推導結論得關系式為：E∝U，由此可以知道自愈能量E與所加電壓U存在急劇變化的關系，其電壓的正確選擇直接影響制品的可靠性能。9μm的薄膜相對于原8μm薄膜，經過計算可知金屬化膜層間的電場強度降低約10%以上，電容器的設計耐壓值可由原 620V升為690V。這對預期壽命的提高作用將會較明顯。

（二）增加焊點個數、銅帶尺寸及卷繞包封張力

ESR值和紋波電流值決定了電容的溫升。增加焊點個數及銅帶尺寸可以有效的降低焊接產生的電阻以及銅帶本生阻抗，并且擴大銅帶尺寸可以增大散熱面積，降低電容溫升。從附件一數據可知，時代使用的電容銅帶尺寸明顯比龐巴迪的電容要大，這也是受限于龐巴迪箱體布局，而無法對電容體積進行擴大。電容器芯子在卷繞時，通常最外層的金屬化膜比內層的金屬化膜要松一些。為了增加芯子外層薄膜的張緊力，減少芯子外層薄膜之間的空氣，現包封膜張力可由原來的0.5kg～1kg 增加到1kg～1.5 kg同時在后續卷繞時將增加芯子外層包封膜圈數，由原先20圈增加到50圈。當芯子卷繞得緊時，由擊穿導致的放電越容易熄滅，擊穿點所涉及的范圍就小，這些對于獲得良好的自愈是有利的。

（三）增加防爆閥數量

查閱相關資料，一般情況下，電容容量越大，蘊含的能量越大，當電容發生故障時，產生破壞力越大。銅峰在濾波電容上增加一個防爆閥，用于防止出現電容失效短路時，由于大量氣體的產生，導致電容爆裂，以此提高設備安全性能。

三、龐巴迪箱內電容運行環境分析

（一）PA箱電容布局不合理

圖1--圖4為龐巴迪、SATEE以及時代的濾波電容的安裝方式及其布局對比圖。通過對比其電容安裝結構發現龐巴迪的箱體結構十分緊湊，PA箱內電容器放置在變壓器和三相電抗器旁100mm處，并且其箱體內部集成了大量發熱設備，如：變壓器、三相電感、三相電容、風機電機等;AB箱內沒有大量發熱設備。而SATEE與時代均有單獨的箱體放置電容。其中時代的電容放置在單獨的隔間內，周邊無熱源;SATEE的電容放置的箱體上下部分均鏤空，通風效果良好。

根據溫升公式： ，其中λ為元件有效部分（金屬化聚丙烯薄膜）、外包膜（聚丙烯薄膜）、對殼絕緣層（聚氨酯）、電容器外殼（不銹鋼）的導熱系數，tw4為環境溫度，Q為元件有效部分單位體積的發熱功率。所以電容器溫升除了與各部分的材料、結構等密切相關，其外界溫度也是影響電容器發熱的因素之一，若工作環境的溫度過高，或造成電容器的散熱困難，發熱越明顯。另外環境空氣的濕度也對散熱有一定的影響。所以電容的應用環境溫度也是重要因素。在應用時，需要考慮環境散熱方式、散熱強度、電解電容與熱源的距離、電解電容的安裝方式等。

同時，現場在不同廠家使用的銅峰生產的三相電容上增加溫度貼紙來監控其工作時表面最大溫度。統計發現：時代的電容工作時表面最大溫度基本在45℃;SATEE的電容工作時表面最大溫度基本在43℃;龐巴迪AB箱電容在整改后工作時表面最大溫度均為48℃，PA箱電容工作時表面最大溫度均為60℃。

（二）PA箱內電容安裝不符合廠家要求

銅峰電容廠家的維護手冊內對其電容的安裝方式及使用環境有明確要求，而現場龐巴迪PA箱多處設計與電容廠家要求相違背：

1.安裝位置不符

銅峰電容廠家的維護手冊內要求：在機柜中安裝的電容器應放置在底部，以保證最低的運行環境溫度。電容器可垂直或水平安裝（如果引出電極朝下安裝需得到銅峰的確認）。

而現場情況為：電容安裝在箱體頂部，位于風道末端，其周邊流通的空氣溫度相對較高。

2.安裝條件不符

銅峰電容廠家的維護手冊內要求：電容器應安裝在涼爽和通風良好的地方，不要靠近濾波電路電抗器和電阻等散發熱量的物體，也不要安裝在陽光直射的地方;如果應用中使用了電抗器、電阻，必須注意它們的運行溫度比電容器高得多，電抗器、電阻和電容器之間的距離必須足夠大，以保證電抗器的熱量不會通過連接電纜傳導到電容器，否則電抗器的熱輻射會導致電容器過熱。

而現場情況為：電容安裝離熱源過近（靠近變壓器與電抗器），并位于風道終點，位于變壓器后方，電容與變壓器之間的部分空間內空氣無法正常流通（見圖6）。所以其容量衰減的電容均存在V1相失效的情況。V1相處于U相與W相之間，物理位置離變壓器最近（見圖5），其環境溫度最高且遭受變壓器熱輻射情況最惡劣。

3.電容器冷卻空間不足

銅峰電容廠家的維護手冊內要求安裝電容應確保有足夠的冷卻空間：電容器之間建議要留有40mm的距離以保證足夠的冷卻空間;在電容器上方建議保留100mm的空間，不要在拐彎處或上方安裝任何部件。

而現場情況為：PA箱內發熱設備與電容均放置在同一空間，并且電容距離變壓器等設備距離僅為100mm，處于風道末端，冷卻空間不足。

（三）廈門地鐵三相濾波電容運行溫度測試

由于廈門地鐵一號線列車與南京三號線列車使用的牽引輔助系統一致，其溫度測試數據存在一定的參考價值。廈門地鐵通過增加熱電偶的方式收集龐巴迪PA箱內電容周圍環境溫度。以下為其環境溫度的測試情況：

1.熱電偶安裝位置

廈門地鐵在變壓器與電容之間以及電容與箱體之間增加熱電偶來監控龐巴迪PA箱內電容周圍環境溫度，并作對比，同時也對電容器表面溫度進行監控對比（見圖6）。

2.溫度數據對比

以下為溫度記錄數據：

測試階段廈門氣候溫度在32℃左右，以圖7中各溫度最高進行分析，電容表面溫度T1最高在58.3℃，T2最高在49.8℃?？諝猸h境溫度T3最高在67℃（短時跳變，1分鐘時間內上升7℃左右，一分鐘后下降13℃。），除去溫度跳變后的最高溫度在60℃，T4最高溫度在48.3℃。

根據上述實測數據，在32℃的環境（氣象溫度數據）下，各部位平均溫度溫升見表1。

通過溫度監測數據發現，電容器四周環境溫度較高，特別是電容與變壓器之間的環境溫度及電容表面溫升明顯偏高，并且電容表面溫度與環境溫度成正比。所以會造成三號線電容損壞時每次都出現V1相燒損嚴重的情況。從電容外殼到空氣，由于空氣具有可流動的特性，因此存在對流傳熱。環境溫度過高會對電容散熱造成很大影響。而且在環境中變壓器作為熱源會以電磁波的形式產生熱輻射，因此輻射傳熱同樣存在。

四、后續措施和建議

（1）召開專題會議，督促廠家繼續分析研究，優化布局，比如改善其箱體內部氣流循環、增設隔熱擋板防止電容直接被變壓器熱輻射等，從根本上改善電容工作環境。

（2）鑒于電容產生損耗需要運行較長時間，而整改后仍存在使用壽命上的不確定性，要求現場做好數據監控，發現問題及時上報。

（3）要求廠家評估在等同于PA箱運行環境下三相濾波電容的使用壽命。

（4）三號線增購項目及后續新線招標時對箱體布局進行優化。

（5）把分公司的調查分析發至建設公司用作參考。