广州地铁一号线电压传感器故障高发原因分析

引言

电压传感器在列车运营过程中采集车辆实时供电电压状态,其性能的稳定与否将直接影响地铁能否正常运行。广州地铁一号线A1型车牵引系统使用的电压传感器,自2017年下半年以来故障呈爆发性增长趋势,给地铁运营造成了一定的安全隐患。针对此情况,对电压传感器故障高发的原因进行了调查,并提出了应对措施。

1运用情况

广州地铁一号线A1型车牵引系统使用的电压传感器为宁波时代电气生产的"NV100-2000V/sP5"型电压传感器,包括网压传感器U1、电容电压传感器U2、相电压传感器Uab/Ubc,每列车共计16个该型电压传感器。自2017年下半年以来,电压传感器故障呈爆发性增长趋势,如图1所示,半年内共计发生17起sP5型电压传感器故障,远高于2016一2017年同期的故障数量。

2017年8月至2018年初共计出现了17起电压传感器故障,统计使用批次,2012年11月出厂的故障数量有12起,占到70.6%,2012年的平均装车使用时间仅21.6个月(最长39个月,最短8.9个月):另外5起为2009年4月出厂,其中3个为2017年1月装车(2728车),二次架修装车时已超过出厂日期7年,使用时间仅为7.8个月、9.4个月、12.8个月即报出故障。故障的17个电压传感器平均使用寿命仅为22.3个月,远不能满足一个大修期(5年)更换的需求。

2故障原因调查分析

2.1试验平台分析

利用电压传感器测试平台对17个故障件进行测量,测试电压设置为1000V,测试时长为120min,通过信号电流数值及波形反映测试结果。测试结果表明,2个电压传感器测试结果正常(占比12%),15个电压传感器出现故障,其中2个电压传感器信号电流值偏低(占比12%),13个在测试的120min内发生信号电流突变(占比76%)。

电压传感器测试的电流信号波形图中,每个通道为1个电压传感器的测试波形,1000V的输入电压对应25A的电流检测值,通过波形可以看出,大部分电压传感器测试过程中电流测试值发生了突变,也有1个电流值一直显示为0。因此车辆的该类故障经常表现为时有时无,通过测试平台的测试,反映出输出信号电流突变是电压传感器故障的主要原因。

如图2所示,将一个正常的电压传感器与故障的电压传感器做对比测试,发现蓝色线条的波形显示正常,而绿色线条的波形一直无法稳定,变化较大,无法正确输出电压检测值,导致报出故障。

如图3所示,将一个正常的电压传感器与两个故障的电压传感器做对比测试,发现红色线条的波形显示正常,而紫色线条的波形一直无法稳定,波形变化较大,无法正确输出电压检测值:蓝色线条的波形一直为1mA左右,即1000V的电压输入,仅检测到有40V左右的电压。

2.2拆解分析

宁波时代sP5型电压传感器采用霍尔电压传感器,该类传感器原边利用霍尔效应实现磁电转换,其线性感应电压产生微电流,再被原边驱动线圈驱动放大,原边电流Ip产生的磁场与副边线圈产生的副边磁补偿电流Is相平衡,该磁补偿电流可以精确反映原边电压。霍尔电压传感器特点:可测量DC、AC、脉冲及混合信号,原边、副边电隔离能力强,响应频率范围宽,响应时间短,结构简单、体积小,在中低压产品中广泛使用。

电压传感器由外壳、限流电阻、变压器、信号输出模块四部分组成。拆解部分故障的电压传感器,拆除电压传感器内部绝缘胶,如图4所示。

对其内部元件进行分析,限流电阻从输入的高压正负极,依次串联限流,测量其阻值均为480Ω左右,检查其他模块外观未见异常,如图5所示。

将故障的电压传感器各子模块从绝缘胶中拆分出来测试,以判断故障的具体模块。但将绝缘胶分离,各模块拆分出来测试时,电压测量值正常,如图6所示。

电压传感器因需要引入高电压,壳体内又有高电压又有低电压,在传感器有限的壳体空间内高低电压间需要保证足够的绝缘阻值,故电压传感器壳体内需灌入绝缘材料。

在塑封器件失效案例中,因绝缘胶异常导致的失效问题较隐蔽,不易被发现,主要表现为失效情况不稳定、受环境应力的影响较大、失效器件数量多和不易筛选剔除等现象。

一般情况下,绝缘胶能有效隔离电位,即输入端与地之间无电流通路,但如果绝缘胶存在异常,其绝缘性能下降,会导致输入端与地之间产生漏电,从而影响器件的性能。在部分工业级塑封器件中,绝缘胶产生空洞、掺有金属杂质等异常情况会导致绝缘胶异常,使得器件在温度和湿度应力下产生漏电,甚至导致器件功能失效。在器件高可靠性设计时,需要着重考虑绝缘胶不是理想绝缘的情况[2]。塑封材料主要失效模式为开路、短路、参数漂移、烧毁。由于塑封器件是非气密性封装,在封装方面就存在一些缺点,最主要的缺点就是对潮气比较敏感。

根据其结构原理及拆分测试结果,初步判断电压传感器故障率高的主要原因是绝缘胶性能下降,且存放时间较长,天气潮湿炎热,致输入端与地之间产生漏电,电压测量值突变。

3结语

目前已将问题反馈至基地维修部门,并寄回厂家进行原因调查分析,同时改进其塑封工艺成型的设计。另外,要求禁止2009年出厂的电压传感器在架大修期间装车,后续密切关注其他电压传感器的运用情况,及时采取如下有效措施:

(1)后续需加强对车辆架大修后的质量验收,对可能存在的继电器、电压传感器等批量问题,密切关注其他电压传感器的运用情况,及时采取有效措施。

(2)对电子板件的返修件加强验收管理,密切关注电子板件电容等元件老化引起的系统性故障。

(3)对采购的备件加强验收把关和故障统计分析,发现有集中爆发问题的趋势时及时采取有效措施。

(4)加强分部故障判断、处理能力建设,避免出现车辆重复故障。