Отказы конденсаторов могут быть вызваны дефектами в самих конденсаторах, ошибками проектирования и эксплуатации аппаратуры, приводящими к нарушению контактов, паек, механической прочности и герметичности конденсаторов.
Одной из возможных причин отказов конденсаторов является превышение допустимых по технической документации на конденсаторы значений параметров. При выборе конденсатора и анализе его работы в аппаратуре необходимо иметь подробные данные о характеристиках эксплуатационного режима: напряжении постоянного тока; амплитуде; частоте и форме напряжения переменного тока или переменной составляющей напряжения; токе через конденсатор; температуре окружающей среды:· с учетом возможного перегрева, обусловленного лампами, активными элементами и др.; влажности; давлении; механических нагрузках (вибрации, удары, линейное ускорение).
Следует учитывать не только эти воздействия в установившихся режимах работы, но и возможные перегрузки при прогреве аппаратуры, переходных процессах в цепях, резком снятии нагрузки, транспортировке аппаратуры, которые снижают надежность конденсатора.
Одной из важнейших характеристик, определяющих надежность конденсаторов, является напряжение постоянного тока. На постоянном токе процесс старения диэлектрика происходит быстрее, в результате чего ухудшаются электрические параметры конденсатора и происходит пробой диэлектрика. Старению подвержены как диэлектрики органического происхождения (например, бумага, синтетическая пленка), так и неорганические (слюда, керамика). У слюдяных конденсаторов увеличение напряжения усиливает миграцию ионов серебра (особенно при повышенной влажности и высокой температуре), что вызывает постепенное снижение сопротивления изоляции и электрической прочности.
Для бумажных конденсаторов при воздействии постоянного электрического ноля характерными являются процессы электрохимического старения. При повышенных температурах (плюс 100°С и более) и наличии не заполненных пропиточным материалом нор в бумаге могут возникать ионизационные процессы. Процессы старения наиболее интенсивно развиваются в местах локальных дефектов и диэлектрике (трещины, поры, проводящие включения).
При одновременном воздействии на многослойные металлобумажные конденсаторы температуры и напряжения преобладающим является электролитический механизм разрушения обкладок, вызывающий перенос металла.
При переменном напряжении основной причиной выхода конденсатора из строя являются ионизационные процессы, развивающиеся у краев электрода, в остаточных и вновь возникающих включениях газа, закрытых порах, раковинах и т. д. Образовавшиеся в процессе ионизации озон и окислы азота, являющиеся сильными окислителями, разрушают органические диэлектрики. Кроме того, разрушение диэлектрика вызывается и непосредственной бомбардировкой ионами и электронами, возникающими в процессе ионизации воздуха.
Ионизация в закрытых порах керамических конденсаторов вызывает сильный местный разогрев, обусловливающий большие механические напряжения, растрескивание керамики и пробой по трещине. Нагрев в местах ионизации вызывает общее повышение температуры конденсатора, уход емкости, увеличение тангенса угла потерь и создает облегченные условия для развития пробоя. Интенсивность ионизации увеличивается с возрастанием амплитуды и частоты приложенного напряжения.
Увеличение тока через конденсатор (особенно с металлизированными обкладками) сверх допустимого значения (например, в результате переключений, если длительность импульса при переходном процессе достаточно велика, или при разряде конденсатора на очень малое сопротивление) может вызвать оплавление электродов и уход емкости, а в отдельных случаях и пробой диэлектрика.
Важным параметром, определяющим надежность конденсатора, является температура, при которой он эксплуатируется. С повышением температуры значительно ускоряются процессы старения, увеличивается тангенс угла потерь, снижается электрическая прочность, сопротивление изоляции и начальное напряжение возникновения ионизации. Для герметизированных конденсаторов с повышением температуры возрастает вероятность нарушения герметичности, деформация уплотняющих прокладок.
В первом приближении можно считать, что интенсивность отказов конденсатора возрастает вдвое с увеличением температуры на каждые плюс 8—15° С.
Повышенная влажность воздуха, в которой эксплуатируется конденсатор, вызывает коррозию металлических частей, способствует развитию микроорганизмов (грибки, плесень и т. д.), снижает электрическую прочность, увеличивает потери, повышает токи утечки. Особенно опасно для негерметизированных конденсаторов одновременное воздействие влажности и электрической нагрузки.
Ухудшение электрических свойств конденсаторов под воздействием повышенной влажности особенно сильно проявляется при ее длительном воздействии.
Ряд технических документов на конденсаторы предусматривает их эксплуатацию в условиях относительной влажности до 98 % при температуре до плюс 40 ° С. Однако следует иметь в виду, что при этом показатели надежности будут значительно хуже, чем те, которые гарантируются при максимальной положительной температуре.
Длительное время при повышенной влажности могут работать только полностью герметизированные конденсаторы, например КБГ, КГК, КГКБ, КСГ, СГМ и др.
Для повышения надежности негерметизированные (в том числе и уплотненные) конденсаторы следует эксплуатировать в герметизированных блоках аппаратуры или в блоках, покрытых влагозащитными компаундами. Для того чтобы внутри герметизированных блоков при снижении окружающей температуры влажность не повышалась до опасных значений, в них необходимо помещать влагопоглощающие вещества.
При эксплуатации конденсаторов в условиях пониженного атмосферного давления уменьшается напряжение разряда по поверхности конденсаторов и ухудшается конвекционный теплоотвод, вследствие чего в отдельных случаях возникает необходимость снижения рабочих напряжений и реактивной мощности но отношению к допустимым значениям.
Во избежание возникновения разряда при пониженном атмосферном давлении необходимо, чтобы вблизи выводов конденсаторов, находящихся под высоким напряжением, не было металлических частей и крепежных деталей, а также следует избегать остроконечных наплывов припоя на выводах и крепежных деталей с острыми кромками.
При рассмотрении влияния различных факторов на надежность конденсаторов следует обратить внимание на особенности электролитических конденсаторов, для которых особенно опасны даже небольшие кратковременные повышения напряжения. Вероятность пробоя сильно повышается с возрастанием напряжения постоянного тока на 10 % номинального значения. Пробитое место может восстановиться, если энергия пробоя невелика.
Для отбраковки конденсаторов с заведомо низкой электрической прочностью, обусловленной грубыми случайными дефектами, заводы- изготовители проверяют конденсаторы испытательным напряжением, значительно превышающим номинальное. Конденсаторы должны выдерживать воздействие испытательного напряжения в течение короткого времени (обычно 10 с) не пробиваясь.
Испытательным напряжением на заводах-изготовителях обычно проверяют все выпускаемые конденсаторы (испытание на электрическую прочность), что позволяет отбраковывать образцы с особо грубыми дефектами, но, однако, не обеспечивает безотказности при последующей эксплуатации конденсаторов, выдержавших это испытание. У конденсаторов, истинное пробивное напряжение которых превышало испытательное на сравнительно небольшое значение, воздействие испытательного напряжения может вызвать необратимое изменение в диэлектрике, снижающее запас электрической прочности.
При повторном испытании на электрическую прочность такие конденсаторы могут выйти из строя. Эксперименты показывают, что если достаточно большую партию конденсаторов неоднократно испытывать одним и тем же испытательным напряжением, то при последующих испытаниях всегда будет иметься некоторое число пробитых образцов.
Исходя из сказанного, число проверок конденсаторов на электрическую прочность следует уменьшать, например, до двух: на заводе-изготовителе конденсаторов и при входном контроле на заводе-потребителе. Однако при входном контроле рекомендуется проводить испытание конденсаторов всех типов на кратковременную электрическую прочность при испытательном напряжении не выше 1,15Uном·
Допустимое отклонение емкости от номинальной не является характеристикой, определяющей качество конденсатора, как. например, стабильность параметров, надежность. При выборе конденсаторов с тем или иным допуском следует учитывать только зависимость выходных параметров устройства от возможного отклонения емкости.
Наиболее ненадежным элементом в устройствах СЦБ являются электролитические конденсаторы. Опыт эксплуатации и анализ их свойств показали, что срок службы конденсаторов зависит: от температуры окружающей среды, рабочего напряжения, переменной составляющей, частоты следования импульсов (заряд-разряд), нагрузки, на которую разряжается конденсатор.
Особенно это относится к электролитическим конденсаторам типов КЭГ, К50-З и КЭ. Основная причина отказов, связанных с конденсаторами, заключается в постепенном понижении емкости. По данным анализа потеря емкости электролитическими конденсаторами давала в разные годы от 0,5 до 1,5 % всех отказов устройств СЦБ.
Как правило, в схемах СЦБ, разработанных до 1970 г., при выборе емкости конденсатора, выполняющего функцию элемента задержки, не учитывался гот факт, что техническими условиями на наиболее массовый конденсатор КЭГ предусмотрено допустимое отклонение емкости после одною года эксплуатации на ±50 % номинальной. По данным Уральского отделения ВНИИЖТа, у эксплуатируемых в нормальных условиях электролитических конденсаторов в среднем в год емкость снижается на 7 %.
Во избежание уменьшения емкости электролитических конденсаторов ниже 50 % необходимо соблюдать периодичность проверки их емкости не реже одного раза в 3 года. Конденсаторы, размещенные внутри различных блоков, проверяют работники РТУ. Конденсаторы на стативах или в релейных шкафах можно проверить непосредственно на месте их установки, преимущественно без отпайки, так как нагрев при отпайке легко может привести к выходу их из строя.
Для измерения емкости электролитических конденсаторов наиболее широко применяется метод вольтметра-амперметра, основанный на измерении емкостного сопротивления конденсатора.
При этом
где I - измеренный ток; f- частота; U— напряжение на конденсаторе.
Измерение емкости без выключения конденсатора из действующей схемы проводится вольтметром и миллиамперметром переменным током напряжением 3,2 В без подачи смещения на конденсатор. Выбор такого значения напряжения создает удобство для измерения, так как при этом ток 1 мА соответствует емкости 1 мкф. Кратковременное протекание тока не оказывает вредного воздействия на конденсатор, а обмотка реле, подключенного параллельно конденсатору, практически не влияет на результаты измерения. Перед измерением емкости конденсатора без выключения его из действующей схемы необходимо с помощью вольтметра убедиться в отсутствии на нем напряжения. Если же напряжение имеется, то следует добиться снятия его с полюсов источника питания (обычно плюса). Однополюсное отключение проводится одним из следующих способов: изменяют положение схемы при помощи манипуляций на пульте (схема направления поворачивается с отправления на прием, открывается сигнал и т. д.); выключают питание в релейной на стативе или в релейном шкафу снятием предохранителей; отпаивают один монтажный провод от измеряемого конденсатора.
Все измерения, проводимые с однополюсным отключением питания, делают в свободное от поездов время с соответствующим оформлением результатов в Журнале осмотра.
Емкость конденсаторов в релейных блоках ЭЦ можно измерять на стенде для проверки блоков без отпайки конденсаторов и без вскрытия блока. Для этого на стенд помещают блок с конденсаторами и соответствующую настроечную колодку. По программе проверки ключи устанавливают в положения, как при снятии характеристик по- притяжению и отпусканию якоря того реле, параллельно которому подключен измеряемый конденсатор. Ключ ПП ставят в положение " ~ ’ (переменный ток), а реостатом РП1 устанавливают напряжение 3,2 В. Амперметром измеряют ток, причем 1 мА соответствует 1 мкф.
Аналогично, не вскрывая блоков, можно проверить конденсаторы в ячейках ДЯ и в блоках РПБ КБ ЦШ. Исключение составляют конденсаторы в блоке ПС, где последовательно с конденсатором включен диод, и для проверки конденсатора надо вскрыть блок и зашунтировать диод.
Для измерения емкости электролитических конденсаторов за последние годы предлагался целый ряд косвенных методов. На ряде дистанций распространение получил метод измерения постоянной времени разряда конденсатора на сопротивление обмотки реле:
где С - емкость измеряемого конденсатора, Ф; t - измеренное время разряда, с- конденсатора, заряженного напряжением Uраб от момента выключения питания до момента отпадания якоря реле при напряжении U ; R - активное сопротивление обмотки реле, Ом.
Основной недостаток этого метода — недостаточная точность и необходимость применения электросекундомера.
При измерении емкости по методу вольтметра-амперметра, для того чтобы ограничиться одним вольтметром, используется схема (рис. 12) с калиброванным резистором R, равным 1 Ом. Значение тока в приведенной выше расчетной формуле определяют, измеряя падение напряжения на известном сопротивлении:
где UR - напряжение на резисторе R.
С учетом того что сопротивление равно 1 Ом, а напряжение на конденсаторе устанавливается равным 3,2 В, измеренная емкость, мкФ, С— UR / (2 - 50 · 3,2-1) = UR 103. В схеме использованы автотрансформатор типа РНО на 220 В и трансформатор типа ПЭБ-0,16 с коэффициентом трансформации 20 : 1.
Для измерения емкости конденсаторов в полевых условиях или без отпайки конденсаторов необходим легкий переносной прибор. Схема одного из вариантов такого прибора приведена на рис. 13. Измерение проводится без подачи постоянного напряжения смещения, а широкий диапазон измерений (от 100 до 5000 мкФ) обеспечивается благодаря применению внешнего многопредельного вольтметра типа Ц4380 или Ц56/1.
Рис. 12. Схема измерения емкости электролитических конденсаторов
Чтобы уменьшить измерительный ток и снизить мощность трансформатора Т (СТ-ЗА), на конденсаторе с потенциометром R1 (5 Ом, 25 Вт) устанавливают напряжение не 3,2 В, а 0,32 В. Отсчет емкости проводят измерением напряжения на ограничивающем резисторе R2 (5,1 Ом, 10 Вт).
Рис. 13. Принципиальная схема прибора для измерения емкости электролитических конденсаторов
Перед измерением выполняют "проверку": вольтметром определяют отсутствие постоянного напряжения на конденсаторе, затем нажимают кнопку Кк и проводят "калибровку", т. е. установку потенциометром напряжения 0,32 В на конденсаторе. Затем тумблер переключают в положение "измерение" (и на схеме) и при нажатой кнопке отсчитывают напряжение (емкость конденсатора). При операциях "калибровка’ и "измерение" переключатель рода тока — вольтметра установлен в положение при операции "проверка" — в положение И_.
Основными причинами, ведущими к ускоренному уменьшению емкости конденсаторов, является завышенное напряжение контрольной батареи на постах ЭЦ (более 30 В при наличии батареи из 14 аккумуляторов) и высокий уровень гармоник выпрямленного напряжения. Применение контрольной батареи из 14 аккумуляторов вместо 12 обычно вызывается тем, что в схеме ЭЦ имеется несколько цепей, неправильно рассчитанных или неправильно отрегулированных. При устранении таких дефектов напряжение можно снизить. Появление высокого уровня гармоник чаще всего связано с отсутствием резисторов, включаемых последовательно с конденсатором. Следует иметь в виду, что использование такого резистора уменьшает переменную составляющую на конденсаторе примерно в 10-15 раз при емкости 1000 мкФ, в 5-8 раз при емкости 500 мкФ и в 2—3 раза при емкости 200 мкФ.
Кроме того, переменная составляющая может быть снижена уменьшением сопротивления проводов между выпрямителем и аккумуляторной батареей. Особенно велико значение переменной составляющей при завышенном обратном токе выпрямителей или отсутствии аккумуляторов.
Амплитуда переменной составляющей не должна превышать постоянной составляющей, а в сумме с постоянной составляющей не должна быть более номинального напряжения конденсатора. Кроме того, амплитуда переменной составляющей не должна быть более определенного процента от номинального напряжения конденсатора. При частоте пульсации 50 Гц амплитуда гармоники не должна превышать 5 % номинального напряжения конденсатора. Если частота выше 50 Гц, допустимый процент пульсации уменьшается обратно пропорционально частоте (2,5 % для 100 Гц; 1,7 % для 150 Гц и т. д.).
Рис. 14. Зависимость относительной потери емкости электролитических конденсаторов от обратного напряжения и длительности его воздействия
Непосредственно напряжение гармонической составляющей можно измерить ламповым вольтметром или авометром, имеющим трансформаторный вход (Ц56/1, Ц4380). При использовании для этой цели авометром ТТ-1, ТЛ-4, Ц20, Ц315, Ц435 необходимо включать последовательно с прибором конденсатор емкостью 20 мкФ на напряжение не ниже 30 В. Так как все вольтметры переменного тока показывают действующее значение напряжения, то для нахождения амплитуды основной гармоники следует показание вольтметра умножить на √2(погрешностью такого расчета, вызванной наличием гармоник высшего порядка, можно пренебречь).
Наряду с переменной составляющей отрицательно воздействует на электролитический конденсатор обратное напряжение, которое приводит к необратимому понижению емкости (рис. 14).
Наряду с понижением емкости у электролитических конденсаторов типа КЭГ имеют место отдельные случаи нарушения контакта между внешним выводом и обкладкой. Такие случаи, как правило, возникают при установке конденсаторов в горизонтальном положении. Поэтому все конденсаторы типа КЭГ и К-50 должны устанавливаться в вертикальном положении выводами вверх.