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），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)識為N2，且和K1相對應(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）

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）儲能柜故障情況

儲能單元2熔斷器Fs2（1250 A）熔斷。故障充電柜回廠后進(jìn)行了檢測，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 對充電柜及儲能柜出現(xiàn)的故障及異?，F(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)識為TN2，且和RK1相對應(yīng)”：溶蝕缺口RK1正對著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，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 儲能柜故障情況

“儲能單元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，測試輸出濾波電容上的存在120 V左右電壓，充電柜回廠后測試電容值正常，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)母排對安裝底板的電氣間隙為30 mm，能夠承受約90 kV對地電壓，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，因而不會發(fā)生負(fù)極母排直接擊穿空氣對安裝底板放電的現(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)在分合閘過程中會產(chǎn)生較大的振動，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力，將與負(fù)母排正對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臺可靠性樣機(jī)及已交付的14臺充電柜產(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)母排對安裝底板放電引發(fā)的過流故障。

通過對恢復(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，糾正措施具有針對性并行之有效。同時(shí)對充電柜（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，高級工程師。研究方向：艦船機(jī)電專業(yè)。E-mail: 34333654@qq.com