动车组能量计故障的分析

动车组能量计故障的分析

张宗灿 朱海松

中车长春轨道客车股份有限公司 吉林长春 130062

引言：

随着经济快速的发展，我国高铁事业达到了新的高度，随着动车组服役年限不断增加，故障率也逐年递增，其相应的检修压力也随之加大，本文对动车组司机室HMI显示能量计故障，更换能量计控制板板卡后故障消除进行具体分析。仅供参考。

1.故障原因分析

1.1原理分析

1.1.1 电源转换电路原理分析

控制板上电源转换电路原理如下图所示：

图1 DC110V输入电源转换电路原理图

DC110V电源经过NTC热敏电阻，防反二极管D8,进入滤波电容C99-C112与差模L3/L4与共模电感L5组成的滤波网络后，送到DC/DC转换模块U24输入端口。U24将DC110V电源转换为12V为控制板卡与核心板供电。

滤波电路中滤波电容耐压值一般选择电容两端最高电压的1.5~2倍范围，因电源输入额定电压DC110V，输入DC110V滤波电容，选择为额定电压250V电容，输入滤波电容耐压值选型满足要求。

1.2现车调查分析情况

现场司机室HMI显示能量计故障。售后人员更换能量计控制板后，故障消除，能量计正常工作。

1.3地面调查分析情况

1.3.1地面测试

A、故障板卡外观检查

对返厂的故障板卡进行外观检查，发现输入滤波回路的C100电容外观有损伤开裂现象，如下图所示。

图2 故障板卡外观检查

B、故障件通电测试

对故障件进行通电测试：设置电源电压DC110V,电流1A时，启动电源输出，电源瞬间降低至6.6V，输出电流1A。能量计故障件内部电源回路有短路现象，导致将DC110V输入电源拉低至6.6V。

将有故障电容C100拆下后，DC110V输入回路电阻值恢复到12.03K，短路现象消除。

因此可以判定是C100电容短路，使输入电源回路阻抗变小，最终导致电气柜内22-F06空开保护跳闸。

C、控制板恢复后测试

更换一个新的C100电容后：外接DC110V电源输入，能量计恢复工作，外部DC110V电源也工作正常，无输出短路现象。

D、控制板电源质量分析测量

测量控制板电源电路在输入DC110V电压启动与关断过程中，电容两端的电压与电流波形。

通过观察能量计在启动与关断时电容两端的电压波形，未发现有瞬态过电压现象（尖峰电压）。能量计在启动瞬间峰值电流0.216A，稳态电流只有0.082A，故在电源输入，能量计启动时，无大的冲击电流。

E、电容失效分析

电容常见的失效模式有：短路、开路、参数飘移（包括电容量、损耗、漏电流等）等。

陶瓷电容的失效机理：多层陶瓷电容本身的可靠性较高，可以长时间稳定使用。但如果器件本身存在缺陷或在组装过程引入缺陷，则会对其可靠性产生严重的影响。陶瓷电容常见的失效机理主要有以下几种： 

1)电容本身质量缺陷

a）陶瓷介质内空洞：介质内的空洞容易导致漏电，介电强度降低。

b）分层：多层陶瓷电容的烧结为多层材料堆叠共烧，烧结温度可高达 1000℃以上，烧结工艺的不良容易导致分层的发生，分层和空洞、裂纹的危害相似，都是多层陶瓷电容重要的内在缺陷。

2)温度冲击及机械应力产生的裂纹

电容焊接过程中会存在温度冲击。

多层陶瓷电容的特点是能够承受较大的压应力，但抵抗弯曲能力较差。电容在组装过程中产生弯曲变形的操作，可能导致电容开裂。

线路板焊接或安装过程可能存在操作失误导致局部高温或机械应力产生裂纹，导致电容失效。

3)浪涌电流

过强的电流超过了介质局部区域的瞬时功率耗散能力，就会引起热失控状态，导致电容烧毁。

4)介质击穿

介质击穿可能是由于过压状态或者电容本身来料缺陷引起的。

通过厂内与第三方的测试，所有测试电容无损坏现象，测试过程中并未发现测试电容有质量问题。我们分析认为可以排除浪涌电流或过电压击穿的故障原因。电容自身批次质量缺陷问题可能性也相对较小。

从故障电容外观上有开裂缺角的现象，我们分析认为电容可能存在焊接温度或安装过程中的机械应力导致的电容产生裂纹，导致的电容失效。该电容封装为2220大封装陶瓷贴片电容，同时发生故障的电容位置均在板卡背面，在板卡生产、测试、装配过程，背面磕碰，线路板弯曲变形的机械应力，也可能导致电容损伤。

1.4分析结论

 发生故障短路的电容封装为2220大封装陶瓷贴片电容，并焊接在板卡的背面，在器件焊接与线路板安装过程中产生的应力，使大封装陶瓷贴片电容容易发生内部裂纹，最终导致电容失效短路。

当DC110V回路滤波电容发生短路，会使DC110V电源直接短路，导致输入电源的断路器保护跳闸。

2.整治方案

2.1整治措施

将原方案中大封装陶瓷贴片电容改为电解电容，其电路参考电源模块的EMC推荐方案进行设计，电解电容采用长寿命型。

图3 DC/DC转换输入滤波推荐电路

2.2方案验证

2.2.1电源质量测试

控制板输入滤波电容改为电解电容后，控制板DC110V的启动电流、稳态输入电流、板卡内部+12V测试。

控制板DC110V供电时启动电流为184mA，符合启动电流不大于450mA的要求。

控制板DC110V供电后能量计正常运行后的工作电流为67mA，符合稳态电流不大于450mA的要求。

能量计正常运行后，板卡内部DC12V电源波形平滑，无毛刺、尖峰等现象，满足能量计内部供电需求。

2.2.2瞬时供电中断试验

将整改后的板卡，模拟外部DC110V供电瞬时10ms中断测试。在能量计输入侧串联定时装置，在供电回路接通过程中瞬间断开10ms后，立即恢复供电。

控制板外部供电DC110V（黄色）瞬时10ms供电中断后，对板卡上的DC12V（蓝色）供电无影响，如下图所示。

图4 DC110V瞬时供电中断测试波形

2.2.3耐电压冲击测试

测量条件：DC150V电源通过PLC定时通电5分钟，断开5分钟循环模式供电。

测量方法：将整改后的板卡，将控制电源调至DC150V，施加到控制板输入端，进行控制板电源通断冲击试验；

按照上述试验方法，持续运行48小时，电容未出现短路击穿或损坏现象。

2.2.4高温试验

将整改后的7块控制板放置在高温试验箱内，在环境温度85度下，通过PLC循环通断控制电源试验（工作5分钟，停止5分钟），连续工作48小时，电容未出现短路击穿或损坏现象。

2.2.5输入电压波动试验

将整改后的板卡，模拟输入电压波动试验。将外部电源分别调整在DC110V的60%（66V）与140%（154V），能量计在最低与最高电压下，均能正常工作。

3.结论

通过对能量计控制板系统原理、现车故障调查以及地面故障件测试结果分析得出该故障为控制板电容选型不当进而触发硬件类变导致，后续完善硬件电路板卡设计技术要求规范，要求严禁使用1206和1812 及以上的大封装陶瓷贴片电容，预防出现在板卡生产、测试、装配过程中易产生机械应力导致大封装陶瓷贴片电容故障引发板卡硬件类变等问题。

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