機車電力電容器故障分析與應對措施探討

言 果

(南車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001)

0 引言

目前在線路上運行的大功率和諧機車中，電力電容器成為了機車上不可或缺的重要部件之一。從電容器在機車上使用的功能來分，主要分為支撐電容器和二次濾波電容器。支撐電容器的作用是穩(wěn)定中間直流電壓，提供瞬時能量交換，與電源及負載交換無功，對于IGBT/IPM 牽引變流器，支撐電容器通過低感母排與IGBT/IPM 并聯，簡化了電路結構。二次諧振濾波電容作用是濾除單相四象限脈沖整流器輸出的二次電流，穩(wěn)定中間直流電壓。

1 機車上電力電容器的特點

由于機車運行環(huán)境的特殊性，對電容器提出了極高的可靠性要求，需要耐受劇烈的振動，能在苛刻的環(huán)境中長時間運行。目前，機車上使用的電力電容器大多是采用真空注油工藝而成的自愈式金屬化薄膜電容器。該電容器主材采用聚丙烯膜為介質，表面蒸鍍了一層帶花紋的薄金屬作為導電電極。當通過電容的電壓過高時，聚丙烯膜的薄弱點將被擊穿，擊穿點周圍的金屬導體迅速分解蒸發(fā)，形成金屬鍍層空白區(qū)，同時擊穿點迅速恢復絕緣，從而大大提高了電容的可靠性。

雖然目前電力電容器使用的膜可靠性比較高，但若發(fā)生故障，仍有可能造成機破風險，甚至帶來安全隱患，所以進一步提高電容器的可靠性和安全性成了機車運行上新的要求。

2 電力電容器的主要故障分析

電力電容器的主要故障表現為鼓肚、滲油、極間短路、極殼短路等。

2.1 鼓肚

在運行過程中，若電容器過熱，將導致電容器內部的膜、油分解“汽化”，從而使電容器內部壓力增大，在外部的表現為電容器鼓肚。一旦電容器內瞬間壓力增加過大，將可能引起電容器的裂開或爆炸，給行車安全帶來很大的隱患。分析其產生的原因主要有:①過電流或線路諧波含量大，造成電容器在運行中溫升過高。②電容器在制造過程中，可能出現焊點焊錫與噴金層連接不可靠，連接線載流量過小，或散熱效果差等原因。③電容器內部有部分元件的材料鍍層被氧化，而這些氧化層會導致ESR 的升高，造成電容器發(fā)熱增加。④實際運行環(huán)境的要求超過設計余量。

2.2 滲油

電容器滲油一般常出現在注油孔、絕緣子根部、焊縫等位置。產生的原因主要有:①注油孔或絕緣子根部密封性不良。②外殼上存在虛焊、砂眼等現象。

2.3 極間短路

電容器極間短路主要是指內部金屬化膜之間產生了短路。產生的原因主要是外部的過電壓導致電容器內部過熱，造成電容器的介質短路。

2.4 極殼短路

電容器極殼短路主要是電容器芯子與外殼之間產生了短路，產生的原因主要有:①外部過電壓造成。②環(huán)境溫度過高，例如電容器安裝在大電阻旁邊，均可能產生電容過熱。

3 對電力電容器故障應對措施的探討

由于電力電容器在機車運行中的重要性，因此它的可靠性和安全性成了重要的運行考核指標。為了更好地解決電容器的常見故障，根據故障產生的原因，我們從產品設計、工藝及管理上提出以下解決建議。

3.1 從電容器設計上解決問題

①在電容器設計之初，最好能對實際的運用環(huán)境進行調研，保證電容設計數據的準確性及合理性。②對于容易造成尖端放電的部位，適當的考慮增加爬電距離，或者將電容器內的卡板設計由直角改為倒角。③金屬化薄膜采用波浪分切技術，使元件的噴金接觸面積大大增加，提高電容的耐涌流能力。④改善注油孔、端子根部的設計，加強該部位設計的密封可靠性，解決滲油問題。⑤在系統(tǒng)設計時，盡量避免在電容器周圍放置大電阻的發(fā)熱元件，給電容器創(chuàng)造良好的散熱工作環(huán)境。⑥針對電容器存在爆炸的風險，建議在電容器中設計防爆保護裝置，一旦達到電容器能承受的最大壓力，則防爆保護裝置自動開啟，避免電容器爆炸事故的發(fā)生。

3.2 從電容器制造工藝上解決問題

1)為確保錫焊的可靠性，使用可控性高、一致性高的全自動焊接機進行焊接，可避免由手工焊接引起的低可控性、一致性差等焊接問題;同時，對外殼的焊接做焊接金相分析，確保焊接方法、參數的可靠性，防止電容器外殼虛焊，減少發(fā)生滲漏的可能性。

2)提升外殼密封性的檢驗。在電容外殼的關鍵部位及焊縫處涂上石灰水，一旦焊縫有穿透性缺陷時，內部的油將滲出，外殼將出現油斑，通過這種方法可以進一步防止?jié)B油現象的發(fā)生。

3.3 從管理上進行提升

①加強密封材料的檢驗，防止將老化的橡膠件用于產品中。②加強員工的質量意識，及制造環(huán)節(jié)中的監(jiān)管力度，杜絕因連接不可靠，造成接觸電阻過大導致電容器過熱的故障。③由于金屬化膜有易被氧化的特性，所以建議改善金屬化膜的存放環(huán)境，加強對金屬化膜的檢驗頻次。

4 結語

綜上所述，電力電容器常見故障包括:鼓肚、滲油、極間短路、極殼短路等現象。在預防時，要根據不同的產生原因進行分析，不僅對電容器本身進行仔細檢查分析，還應對其工作環(huán)境進行分析和控制，以充分發(fā)揮電力電容器的效能，并保證電力電容器的運行安全。

［1］陳燕平，忻力，李中浩. 牽引變流器中支撐電容器研究［J］.鐵道機車車輛，2011，31(2):76 -81.

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