某型電磁式水下發(fā)射裝置充電柜輸出短路故障與排除

孫 霖，王明明

應(yīng)用研究

某型電磁式水下發(fā)射裝置充電柜輸出短路故障與排除

孫 霖，王明明

（海裝武漢局，武漢 430000）

某艇電磁式水下發(fā)射裝置充電柜在進(jìn)行出廠試驗(yàn)過程中出現(xiàn)輸出端短路故障，充電柜內(nèi)多處元器件損毀，影響較大。該文具體闡述了處理該問題時(shí)的過程現(xiàn)象、故障定位，利用故障樹方式進(jìn)行原因分析，最終采取有效的糾正措施及舉一反三情況。

充電柜 輸出端 短路 問題處理

1 問題描述

某型電磁式水下發(fā)射裝置充電柜（左舷）進(jìn)行出廠前試驗(yàn)期間，在正常充電試驗(yàn)過程中，發(fā)生了短路故障，現(xiàn)象如下：

1）充電柜部分器件損毀（圖1紅色標(biāo)識(shí)），具體情況：

a、充電單元1輸出端負(fù)母排靠近絕緣件和正母排處出現(xiàn)熔蝕缺口，標(biāo)識(shí)為N1；且N1正下方安裝底板出現(xiàn)燒蝕痕跡；

b、充電單元1輸出端熔斷器13（315A）熔斷且炸裂，且炸裂缺口和N1相對(duì)應(yīng)；

c、充電單元1輸出端防反二極管13陰陽極有短路燒蝕痕跡，標(biāo)識(shí)分別為A1和K1；

d、充電單元2輸出端負(fù)母排上出現(xiàn)銅水鋪蓋痕跡，標(biāo)識(shí)為N2，且和K1相對(duì)應(yīng)；

e、充電單元2輸出端熔斷器23（315A）熔斷；

f、充電單元2輸出端防反二極管23外殼裂開，陰極連接銅排熔斷（標(biāo)識(shí)為K2），散熱底板安裝螺孔及螺釘燒蝕（二極管23陰極側(cè)）。

2）充電柜器件異常情況（圖1橙色標(biāo)識(shí)）

a、帶電操斷路器S11和S21分閘；

b、斷路器S12、 S13、S22和S23脫扣。

3）本地調(diào)試界面顯示故障情況

a、母線電容電壓Ubus1和Ubus2硬件過壓（保護(hù)閾值為840 V）；

b、母線電容電壓Ubus1和Ubus2軟件過壓（保護(hù)閾值為840 V）[1]；

c、Buck電感電流Ibk11、Ibk12、Ibk21和Ibk22軟件過流（保護(hù)閾值為248 A）[2]。

4）儲(chǔ)能柜故障情況

儲(chǔ)能單元2熔斷器Fs2（1250 A）熔斷。故障充電柜回廠后進(jìn)行了檢測(cè)，核心部件功率單元均正常，兩個(gè)充電單元的BUCK電路輸出防反二極管均正常[3]。

圖1 充電柜主電路拓?fù)鋱D

2 故障定位

充電柜主輸入電路未見異常，功率單元和BUCK電路輸出防反二極管經(jīng)檢測(cè)均正常，說明從主輸入電路到BUCK電路輸出防反二極管之間的電路均正常。充電柜損毀的器件集中在輸出端口，且故障時(shí)刻示波器測(cè)量到充電單元1輸出電流I1_s反向，因此可以把故障范圍縮小到充電柜輸出端口，結(jié)合上述故障現(xiàn)象，判定輸出電路發(fā)生了短路故障。

3 原因分析

從故障現(xiàn)象描述“充電單元1輸出端負(fù)母排靠近絕緣件和正母排處出現(xiàn)熔蝕缺口，標(biāo)識(shí)為RN1；且RN1正下方安裝底板出現(xiàn)燒蝕痕跡”可以推斷RN1發(fā)生了對(duì)地短路。

從“充電單元2輸出端防反二極管D23炸裂，陰極連接銅排熔斷（標(biāo)識(shí)為RK2），散熱底板安裝螺孔及螺釘燒蝕（二極管D23陰極側(cè)）”可以推斷RK2發(fā)生了對(duì)地短路。

從“充電單元1輸出端防反二極管D13兩端連接銅排靠近充電單元2負(fù)母排側(cè)出現(xiàn)熔蝕缺口，標(biāo)識(shí)分別為RA1和RK1”可以推斷出，RA1和RK1通過電弧直接導(dǎo)通，將二極管D13陰極和陽極直接短路，故二極管D13未損壞。

3.1 對(duì)充電柜及儲(chǔ)能柜出現(xiàn)的故障及異常現(xiàn)象分析

3.1.1充電柜器件損毀情況

1）“充電單元1輸出端負(fù)母排靠近絕緣件和正母排處出現(xiàn)熔蝕缺口，標(biāo)識(shí)為RN1；且RN1正下方安裝底板出現(xiàn)燒蝕痕跡”：因此RN1是短路點(diǎn)之一，且短路電流I1和I2均流過RN1，該處銅排出現(xiàn)熔蝕缺口，且RN1正下方安裝底板出現(xiàn)燒蝕痕跡，說明燒蝕缺口處與安裝底板間有大電流通過；

2）“充電單元1輸出端熔斷器F13（315 A）熔斷且炸裂，且炸裂缺口和RN1相對(duì)應(yīng)”：短路電流Isc1流過熔斷器F13，所以熔斷器F13熔斷；

3）“充電單元1輸出端防反二極管D13兩端陰陽極連接銅排燒蝕，標(biāo)識(shí)分別為RA1和RK1”：短路電流Isc1以電弧為導(dǎo)通路徑流過RA1和RK1；

4）“充電單元2輸出端負(fù)母排上出現(xiàn)銅水鋪蓋痕跡，標(biāo)識(shí)為TN2，且和RK1相對(duì)應(yīng)”：溶蝕缺口RK1正對(duì)著TN2，RK1在電弧放電過程中產(chǎn)生的電弧逸出物灑落在TN2處；

5）“充電單元2輸出端熔斷器F23（315 A）熔斷”：短路電流I1流過熔斷器F23；

6）“充電單元2輸出端防反二極管D23炸裂，陰極連接銅排熔斷（標(biāo)識(shí)為RK2），散熱底板安裝螺孔及螺釘燒蝕（二極管D23陰極側(cè)）”：因RK2是短路點(diǎn)之一，且短路電流I1和I2均流過RK2；根據(jù)仿真得出充電單元2輸出端防反二極管D23短路點(diǎn)的短路電流為32 kA，防反二極管上熔斷部分的銅排尺寸約為25 mm（寬）×3 mm（厚）×10 mm（長）。

熔斷部分銅排（紫銅）熔點(diǎn)1083℃，熔斷時(shí)間為100 ms，設(shè)防反二極管陰極銅排通過電弧與的平均電弧電阻為Rsc，根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

△=I2

上式中各參數(shù)含義如下：

：紫銅比熱容，取394 J/(kg℃）；

：紫銅密度，取8900 kg/m3；

：防反二極管上熔斷部分的銅排尺寸為25 mm（寬）×3 mm（厚）×10 mm（長），取7.5×10-7m3；

△：紫銅熔斷溫度差，紫銅熔點(diǎn)1083℃，環(huán)境溫度按25℃考慮，取1058℃；

I：短路電流，取32 kA；

：短路時(shí)間，取0.1 s。

由于時(shí)間極短，熔斷部分銅排發(fā)熱過程先按絕熱考慮，代入各參數(shù)計(jì)算出平均電弧電阻R為2.7×10-5Ω，而熔斷部分銅排的電阻為2.4×10-6Ω，平均電弧電阻比銅排熔斷部分電阻大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此短路電流產(chǎn)生的熱量主要消耗在電弧部分，而實(shí)際情況是熔斷部分銅排在未熔斷前的溫度上升過程中會(huì)將熱量向周邊傳導(dǎo)，也就是實(shí)際產(chǎn)生的熱量要大于熔斷部分銅排消耗的熱量，從而可以判定實(shí)際的平均電弧電阻值Rsc比計(jì)算值要大，較大的電弧電阻與與較小的銅排電阻串聯(lián)，使熱量主要集中在電弧電阻，從而導(dǎo)致防反二極管陰極銅排出現(xiàn)高溫?zé)g并熔斷的現(xiàn)象。

圖2 充電柜故障樹

3.1.2充電柜器件異常情況

1）“帶電操斷路器S11和S21分閘”：出現(xiàn)短路時(shí)，斷路器S11和S21受控分閘；

2）“斷路器S12、 S13、S22和S23脫扣”：S13和S23是因?yàn)榱鬟^短路電流導(dǎo)致脫扣分閘，S12和S22是因?yàn)槌潆妴卧妮敵鲭娏鬟^大，導(dǎo)致脫扣分閘。

3.1.3 儲(chǔ)能柜故障情況

“儲(chǔ)能單元2熔斷器Fs2（1250 A）熔斷”：充電單元2短路電流I2較大，峰值超過20000 A，根據(jù)熔斷器的熔斷特性，熔斷時(shí)間小于20 ms[4]。儲(chǔ)能單元1熔斷器Fs1（1250 A）流過的短路電流I1較小，持續(xù)100 ms的短路時(shí)間根據(jù)熔斷特性，熔斷時(shí)間需要500 ms以上，不足以熔斷，故儲(chǔ)能單元1熔斷器Fs1未熔斷[5]。

3.2 故障原因分析

根據(jù)上述的輸出短路故障現(xiàn)象，依據(jù)《故障分析指南》GJBZ768A-1998對(duì)故障原因進(jìn)行故障樹分析，得到如圖2所示的故障樹，以下對(duì)故障樹中各可能因素逐一分析。

3.2.1元器件故障

1）二極管模塊故障

二極管模塊的型號(hào)為DZ600N-14，額定電流為600 A，反向阻斷電壓為1400 V，其內(nèi)部電氣間隙如圖5-10所示，圖中可以看出陰極銅排與接地的螺釘之間尺寸為5 mm，預(yù)計(jì)可承受5 kV電壓，產(chǎn)品規(guī)格書給出的數(shù)據(jù)為3 kVrms（50 Hz，1 min），充電柜正常運(yùn)行的最大電壓為660VDC。根據(jù)發(fā)生故障時(shí)的輸出電壓波形判斷，二極管模塊未受到大于5 kV的電壓沖擊，對(duì)二極管模塊進(jìn)行拆解分析，內(nèi)部芯片無燒蝕，萬用表檢測(cè)無異常，故而二極管模塊故障導(dǎo)致輸出短路的可能性可以排除。

2）輸出斷路器故障

充電柜返廠后測(cè)試輸出斷路器的正負(fù)極間電阻為無窮大，說明輸出斷路器未發(fā)生故障。

3）輸出濾波電容故障

發(fā)生故障約2小時(shí)后，測(cè)試輸出濾波電容上的存在120 V左右電壓，充電柜回廠后測(cè)試電容值正常，說明輸出濾波電容無故障。

4）輸出熔斷器故障

輸出熔斷器的非導(dǎo)電部分為陶瓷外殼，安裝后距離安裝底板的高度約30 mm，當(dāng)電路中的故障電流超過熔斷器的熔斷限值后僅陶瓷外殼內(nèi)部的熔絲熔斷，故不存在輸出熔斷器故障引起的輸出短路故障。

3.2.2 輸出電路絕緣擊穿

負(fù)母排對(duì)安裝底板的電氣間隙為30 mm，能夠承受約90 kV對(duì)地電壓，充電柜按3kVDC耐壓設(shè)計(jì)，若負(fù)極母排上產(chǎn)生了超過90 kV電壓，會(huì)引發(fā)更大面積的電路故障，故實(shí)際不可能產(chǎn)生如此高的電壓，因而不會(huì)發(fā)生負(fù)極母排直接擊穿空氣對(duì)安裝底板放電的現(xiàn)象。

3.2.3 外部導(dǎo)電異物進(jìn)入

1）充電柜試驗(yàn)期間前門板處于敞開狀態(tài)，而充電柜柜內(nèi)經(jīng)清查無零部件缺失，據(jù)此推斷存在外部進(jìn)入的導(dǎo)電異物引發(fā)了短路故障；

2）根據(jù)之前的分析，負(fù)母排與安裝底板間發(fā)生了放電，而根據(jù)故障樹中第（2）項(xiàng)原因分析，排除了負(fù)母排通過空氣直接與安裝底板放電的可能性，據(jù)此推斷負(fù)母排與安裝底板間存在導(dǎo)電異物作為放電媒介；

3）熔斷器裂口無電弧熏黑痕跡，經(jīng)熔斷器廠家分析，得出的結(jié)論為異物撞擊導(dǎo)致熔斷器開裂，而非熔斷器分?jǐn)嗄芰Σ蛔銓?dǎo)致熔斷器炸裂；

4）充電柜內(nèi)輸入斷路器的電操機(jī)構(gòu)在分合閘過程中會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，存在導(dǎo)電異物初始位置距負(fù)母排稍遠(yuǎn)而經(jīng)過幾次充電運(yùn)行后將導(dǎo)電異物振到離負(fù)母排稍近處的可能性。

根據(jù)上述4項(xiàng)分析，推斷外部導(dǎo)電異物最初位于負(fù)母排旁邊，經(jīng)過幾次充電運(yùn)行后，因輸入斷路器的電操機(jī)構(gòu)振動(dòng)導(dǎo)致外部導(dǎo)電異物靠近負(fù)母排，在充電電壓達(dá)到某個(gè)空氣擊穿臨界值后（約550 V），先引發(fā)負(fù)母排通過外部導(dǎo)電異物對(duì)安裝底板斷續(xù)放電，導(dǎo)致充電電流波形振蕩，幾次斷續(xù)放電過程中加熱了負(fù)母排與導(dǎo)電異物間的空氣，使空氣電離形成連續(xù)電弧放電通道，在負(fù)母排與導(dǎo)電異物間產(chǎn)生小電流電焊放電效應(yīng)，電弧放電過程中產(chǎn)生少量的金屬蒸汽在充電柜輸入輸出電路倉室的狹小空間內(nèi)急速散開，引發(fā)防反二極管D23陰極銅排通過內(nèi)部散熱器對(duì)安裝底板放電，使輸出電路的正負(fù)極間形成短路，進(jìn)而引發(fā)大電流放電，放電產(chǎn)生的大電流使導(dǎo)電異物受到巨大的電動(dòng)力，將與負(fù)母排正對(duì)的正母排上熔斷器擊裂，并使熔斷器出現(xiàn)缺口，然后反彈出充電柜，同時(shí)，大電流放電過程中產(chǎn)生高熱的氣體將熔化的銅水炸開，飄灑在充電單元2的負(fù)母排TN2處。

綜合上述故障樹原因分析，充電柜輸出短路故障是由外部導(dǎo)電異物引起的負(fù)極母排對(duì)安裝底板異常放電，進(jìn)而引發(fā)一系列的過壓過流故障。

4 糾正措施

根據(jù)故障現(xiàn)象和故障原因分析，發(fā)生短路的主要原因是異物進(jìn)入，且由于異物體積較小，短路故障過程將異物燒溶或炸開，最后未能在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)找到該異物，因此為防止此問題再次發(fā)生，后續(xù)采取以下措施：

1）清潔并修復(fù)柜體，更換損壞的電氣和結(jié)構(gòu)件，將充電柜還原到出廠標(biāo)準(zhǔn)；

2）充電柜出廠前進(jìn)行全面清潔和異物檢查；

3）完善管理措施，凡是在試驗(yàn)期間進(jìn)行了柜門拆裝、接線、維護(hù)、檢修等操作，均需要相關(guān)人員檢驗(yàn)確認(rèn)，確保清潔無異物。

4）充電柜恢復(fù)后，按出廠試驗(yàn)實(shí)施細(xì)則完成了所有出廠試驗(yàn)項(xiàng)目，在此基礎(chǔ)上按課題組要求，額外進(jìn)行了各種工況下的可靠性試驗(yàn)（試驗(yàn)次數(shù)57次），試驗(yàn)結(jié)果合格。

5 舉一反三

第7條船充電柜（右舷）在461廠已完成35次充電，充電功能正常，波形一致性較好。結(jié)合此前1臺(tái)可靠性樣機(jī)及已交付的14臺(tái)充電柜產(chǎn)品運(yùn)行均正常的情況看，也充分說明了充電柜運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

6 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)充電柜發(fā)生的故障現(xiàn)象，判斷出因外部導(dǎo)電異物導(dǎo)致了負(fù)母排對(duì)安裝底板放電引發(fā)的過流故障。

通過對(duì)恢復(fù)后的充電柜進(jìn)行的出廠試驗(yàn)和額外新增的可靠性試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了充電柜電氣功能的穩(wěn)定性和可靠性；為避免再次發(fā)生類似故障采取了有效措施。

本次充電柜輸出短路故障定位準(zhǔn)確，機(jī)理分析清楚，糾正措施具有針對(duì)性并行之有效。同時(shí)對(duì)充電柜（右舷）和電能變換器進(jìn)行了排查，未發(fā)現(xiàn)類似問題。

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Output short circuit fault and elimination of charging cabinet of electromagnetic underwater launcher

Sun lin, Wang Mingming

（Naval equipment in Wuhan area, Wuhan 430000, China）

TM910.6

A

1003-4862（2022）12-0038-04

2022-10-27

孫霖（1979-），男，高級(jí)工程師。研究方向：艦船機(jī)電專業(yè)。E-mail: 34333654@qq.com