廣州地鐵一號(hào)線電壓傳感器故障高發(fā)原因分析

引言

電壓傳感器在列車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中采集車輛實(shí)時(shí)供電電壓狀態(tài),其性能的穩(wěn)定與否將直接影響地鐵能否正常運(yùn)行。廣州地鐵一號(hào)線A1型車牽引系統(tǒng)使用的電壓傳感器,自2017年下半年以來(lái)故障呈爆發(fā)性增長(zhǎng)趨勢(shì),給地鐵運(yùn)營(yíng)造成了一定的安全隱患。針對(duì)此情況,對(duì)電壓傳感器故障高發(fā)的原因進(jìn)行了調(diào)查,并提出了應(yīng)對(duì)措施。

1運(yùn)用情況

廣州地鐵一號(hào)線A1型車牽引系統(tǒng)使用的電壓傳感器為寧波時(shí)代電氣生產(chǎn)的"NV100-2000V/sP5"型電壓傳感器,包括網(wǎng)壓傳感器U1、電容電壓傳感器U2、相電壓傳感器Uab/Ubc,每列車共計(jì)16個(gè)該型電壓傳感器。自2017年下半年以來(lái),電壓傳感器故障呈爆發(fā)性增長(zhǎng)趨勢(shì),如圖1所示,半年內(nèi)共計(jì)發(fā)生17起sP5型電壓傳感器故障,遠(yuǎn)高于2016一2017年同期的故障數(shù)量。

2017年8月至2018年初共計(jì)出現(xiàn)了17起電壓傳感器故障,統(tǒng)計(jì)使用批次,2012年11月出廠的故障數(shù)量有12起,占到70.6%,2012年的平均裝車使用時(shí)間僅21.6個(gè)月(最長(zhǎng)39個(gè)月,最短8.9個(gè)月):另外5起為2009年4月出廠,其中3個(gè)為2017年1月裝車(2728車),二次架修裝車時(shí)已超過(guò)出廠日期7年,使用時(shí)間僅為7.8個(gè)月、9.4個(gè)月、12.8個(gè)月即報(bào)出故障。故障的17個(gè)電壓傳感器平均使用壽命僅為22.3個(gè)月,遠(yuǎn)不能滿足一個(gè)大修期(5年)更換的需求。

2故障原因調(diào)查分析

2.1試驗(yàn)平臺(tái)分析

利用電壓傳感器測(cè)試平臺(tái)對(duì)17個(gè)故障件進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試電壓設(shè)置為1000V,測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為120min,通過(guò)信號(hào)電流數(shù)值及波形反映測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明,2個(gè)電壓傳感器測(cè)試結(jié)果正常(占比12%),15個(gè)電壓傳感器出現(xiàn)故障,其中2個(gè)電壓傳感器信號(hào)電流值偏低(占比12%),13個(gè)在測(cè)試的120min內(nèi)發(fā)生信號(hào)電流突變(占比76%)。

電壓傳感器測(cè)試的電流信號(hào)波形圖中,每個(gè)通道為1個(gè)電壓傳感器的測(cè)試波形,1000V的輸入電壓對(duì)應(yīng)25A的電流檢測(cè)值,通過(guò)波形可以看出,大部分電壓傳感器測(cè)試過(guò)程中電流測(cè)試值發(fā)生了突變,也有1個(gè)電流值一直顯示為0。因此車輛的該類故障經(jīng)常表現(xiàn)為時(shí)有時(shí)無(wú),通過(guò)測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試,反映出輸出信號(hào)電流突變是電壓傳感器故障的主要原因。

如圖2所示,將一個(gè)正常的電壓傳感器與故障的電壓傳感器做對(duì)比測(cè)試,發(fā)現(xiàn)藍(lán)色線條的波形顯示正常,而綠色線條的波形一直無(wú)法穩(wěn)定,變化較大,無(wú)法正確輸出電壓檢測(cè)值,導(dǎo)致報(bào)出故障。

如圖3所示,將一個(gè)正常的電壓傳感器與兩個(gè)故障的電壓傳感器做對(duì)比測(cè)試,發(fā)現(xiàn)紅色線條的波形顯示正常,而紫色線條的波形一直無(wú)法穩(wěn)定,波形變化較大,無(wú)法正確輸出電壓檢測(cè)值:藍(lán)色線條的波形一直為1mA左右,即1000V的電壓輸入,僅檢測(cè)到有40V左右的電壓。

2.2拆解分析

寧波時(shí)代sP5型電壓傳感器采用霍爾電壓傳感器,該類傳感器原邊利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換,其線性感應(yīng)電壓產(chǎn)生微電流,再被原邊驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)放大,原邊電流Ip產(chǎn)生的磁場(chǎng)與副邊線圈產(chǎn)生的副邊磁補(bǔ)償電流Is相平衡,該磁補(bǔ)償電流可以精確反映原邊電壓。霍爾電壓傳感器特點(diǎn):可測(cè)量DC、AC、脈沖及混合信號(hào),原邊、副邊電隔離能力強(qiáng),響應(yīng)頻率范圍寬,響應(yīng)時(shí)間短,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小,在中低壓產(chǎn)品中廣泛使用。

電壓傳感器由外殼、限流電阻、變壓器、信號(hào)輸出模塊四部分組成。拆解部分故障的電壓傳感器,拆除電壓傳感器內(nèi)部絕緣膠,如圖4所示。

對(duì)其內(nèi)部元件進(jìn)行分析,限流電阻從輸入的高壓正負(fù)極,依次串聯(lián)限流,測(cè)量其阻值均為480Ω左右,檢查其他模塊外觀未見(jiàn)異常,如圖5所示。

將故障的電壓傳感器各子模塊從絕緣膠中拆分出來(lái)測(cè)試,以判斷故障的具體模塊。但將絕緣膠分離,各模塊拆分出來(lái)測(cè)試時(shí),電壓測(cè)量值正常,如圖6所示。

電壓傳感器因需要引入高電壓,殼體內(nèi)又有高電壓又有低電壓,在傳感器有限的殼體空間內(nèi)高低電壓間需要保證足夠的絕緣阻值,故電壓傳感器殼體內(nèi)需灌入絕緣材料。

在塑封器件失效案例中,因絕緣膠異常導(dǎo)致的失效問(wèn)題較隱蔽,不易被發(fā)現(xiàn),主要表現(xiàn)為失效情況不穩(wěn)定、受環(huán)境應(yīng)力的影響較大、失效器件數(shù)量多和不易篩選剔除等現(xiàn)象。

一般情況下,絕緣膠能有效隔離電位,即輸入端與地之間無(wú)電流通路,但如果絕緣膠存在異常,其絕緣性能下降,會(huì)導(dǎo)致輸入端與地之間產(chǎn)生漏電,從而影響器件的性能。在部分工業(yè)級(jí)塑封器件中,絕緣膠產(chǎn)生空洞、摻有金屬雜質(zhì)等異常情況會(huì)導(dǎo)致絕緣膠異常,使得器件在溫度和濕度應(yīng)力下產(chǎn)生漏電,甚至導(dǎo)致器件功能失效。在器件高可靠性設(shè)計(jì)時(shí),需要著重考慮絕緣膠不是理想絕緣的情況[2]。塑封材料主要失效模式為開(kāi)路、短路、參數(shù)漂移、燒毀。由于塑封器件是非氣密性封裝,在封裝方面就存在一些缺點(diǎn),最主要的缺點(diǎn)就是對(duì)潮氣比較敏感。

根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理及拆分測(cè)試結(jié)果,初步判斷電壓傳感器故障率高的主要原因是絕緣膠性能下降,且存放時(shí)間較長(zhǎng),天氣潮濕炎熱,致輸入端與地之間產(chǎn)生漏電,電壓測(cè)量值突變。

3結(jié)語(yǔ)

目前已將問(wèn)題反饋至基地維修部門,并寄回廠家進(jìn)行原因調(diào)查分析,同時(shí)改進(jìn)其塑封工藝成型的設(shè)計(jì)。另外,要求禁止2009年出廠的電壓傳感器在架大修期間裝車,后續(xù)密切關(guān)注其他電壓傳感器的運(yùn)用情況,及時(shí)采取如下有效措施:

(1)后續(xù)需加強(qiáng)對(duì)車輛架大修后的質(zhì)量驗(yàn)收,對(duì)可能存在的繼電器、電壓傳感器等批量問(wèn)題,密切關(guān)注其他電壓傳感器的運(yùn)用情況,及時(shí)采取有效措施。

(2)對(duì)電子板件的返修件加強(qiáng)驗(yàn)收管理,密切關(guān)注電子板件電容等元件老化引起的系統(tǒng)性故障。

(3)對(duì)采購(gòu)的備件加強(qiáng)驗(yàn)收把關(guān)和故障統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)有集中爆發(fā)問(wèn)題的趨勢(shì)時(shí)及時(shí)采取有效措施。

(4)加強(qiáng)分部故障判斷、處理能力建設(shè),避免出現(xiàn)車輛重復(fù)故障。