引言

電壓傳感器在列車運營過程中采集車輛實時供電電壓狀態(tài),其性能的穩(wěn)定與否將直接影響地鐵能否正常運行。廣州地鐵一號線A1型車牽引系統(tǒng)使用的電壓傳感器,自2017年下半年以來故障呈爆發(fā)性增長趨勢,給地鐵運營造成了一定的安全隱患。針對此情況,對電壓傳感器故障高發(fā)的原因進行了調查,并提出了應對措施。

1運用情況

廣州地鐵一號線A1型車牽引系統(tǒng)使用的電壓傳感器為寧波時代電氣生產(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16個該型電壓傳感器。自2017年下半年以來,電壓傳感器故障呈爆發(fā)性增長趨勢,如圖1所示,半年內共計發(fā)生17起sP5型電壓傳感器故障,遠高于2016一2017年同期的故障數(shù)量。

2017年8月至2018年初共計出現(xiàn)了17起電壓傳感器故障,統(tǒng)計使用批次,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間僅21.6個月(最長39個月,最短8.9個月):另外5起為2009年4月出廠,其中3個為2017年1月裝車(2728車),二次架修裝車時已超過出廠日期7年,使用時間僅為7.8個月、9.4個月、12.8個月即報出故障。故障的17個電壓傳感器平均使用壽命僅為22.3個月,遠不能滿足一個大修期(5年)更換的需求。

2故障原因調查分析

2.1試驗平臺分析

利用電壓傳感器測試平臺對17個故障件進行測量,測試電壓設置為1000V,測試時長為120min,通過信號電流數(shù)值及波形反映測試結果。測試結果表明,2個電壓傳感器測試結果正常(占比12%),15個電壓傳感器出現(xiàn)故障,其中2個電壓傳感器信號電流值偏低(占比12%),13個在測試的120min內發(fā)生信號電流突變(占比76%)。

電壓傳感器測試的電流信號波形圖中,每個通道為1個電壓傳感器的測試波形,1000V的輸入電壓對應25A的電流檢測值,通過波形可以看出,大部分電壓傳感器測試過程中電流測試值發(fā)生了突變,也有1個電流值一直顯示為0。因此車輛的該類故障經(jīng)常表現(xiàn)為時有時無,通過測試平臺的測試,反映出輸出信號電流突變是電壓傳感器故障的主要原因。

如圖2所示,將一個正常的電壓傳感器與故障的電壓傳感器做對比測試,發(fā)現(xiàn)藍色線條的波形顯示正常,而綠色線條的波形一直無法穩(wěn)定,變化較大,無法正確輸出電壓檢測值,導致報出故障。

如圖3所示,將一個正常的電壓傳感器與兩個故障的電壓傳感器做對比測試,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法穩(wěn)定,波形變化較大,無法正確輸出電壓檢測值:藍色線條的波形一直為1mA左右,即1000V的電壓輸入,僅檢測到有40V左右的電壓。

2.2拆解分析

寧波時代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實現(xiàn)磁電轉換,其線性感應電壓產(chǎn)生微電流,再被原邊驅動線圈驅動放大,原邊電流Ip產(chǎn)生的磁場與副邊線圈產(chǎn)生的副邊磁補償電流Is相平衡,該磁補償電流可以精確反映原邊電壓?；魻栯妷簜鞲衅魈攸c:可測量DC、AC、脈沖及混合信號,原邊、副邊電隔離能力強,響應頻率范圍寬,響應時間短,結構簡單、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,拆除電壓傳感器內部絕緣膠,如圖4所示。

對其內部元件進行分析,限流電阻從輸入的高壓正負極,依次串聯(lián)限流,測量其阻值均為480Ω左右,檢查其他模塊外觀未見異常,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測試,以判斷故障的具體模塊。但將絕緣膠分離,各模塊拆分出來測試時,電壓測量值正常,如圖6所示。

電壓傳感器因需要引入高電壓,殼體內又有高電壓又有低電壓,在傳感器有限的殼體空間內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需灌入絕緣材料。

在塑封器件失效案例中,因絕緣膠異常導致的失效問題較隱蔽,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電流通路,但如果絕緣膠存在異常,其絕緣性能下降,會導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)級塑封器件中,絕緣膠產(chǎn)生空洞、摻有金屬雜質等異常情況會導致絕緣膠異常,使得器件在溫度和濕度應力下產(chǎn)生漏電,甚至導致器件功能失效。在器件高可靠性設計時,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,最主要的缺點就是對潮氣比較敏感。

根據(jù)其結構原理及拆分測試結果,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,且存放時間較長,天氣潮濕炎熱,致輸入端與地之間產(chǎn)生漏電,電壓測量值突變。

3結語

目前已將問題反饋至基地維修部門,并寄回廠家進行原因調查分析,同時改進其塑封工藝成型的設計。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)密切關注其他電壓傳感器的運用情況,及時采取如下有效措施:

(1)后續(xù)需加強對車輛架大修后的質量驗收,對可能存在的繼電器、電壓傳感器等批量問題,密切關注其他電壓傳感器的運用情況,及時采取有效措施。

(2)對電子板件的返修件加強驗收管理,密切關注電子板件電容等元件老化引起的系統(tǒng)性故障。

(3)對采購的備件加強驗收把關和故障統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)有集中爆發(fā)問題的趨勢時及時采取有效措施。

(4)加強分部故障判斷、處理能力建設,避免出現(xiàn)車輛重復故障。