车辆低压配电系统断电故障分析.pdf

使用维修41与车辆2023年第4期移动电源车辆低压配电系统断电故障分析廖吉春林茜段卓琳胡永红黄惠芬（北京航天发射技术研究所，北京，10 0 0 7 6）摘要：本文分析车辆低压配电系统前后级电路断电问题。通过对故障现象进行分析和排查，定位故障原因，提出解决和优化措施，经过近两年来产品运行验证，证明故障分析正确，处理措施有效。关键词：IoT；备用电源；智慧云网Doi:110.3969/j.issn.1003-4250.2023.04.0010中图分类号：TM624文献标志码：A文章编号：10 0 3-42 50（2 0 2 3）0 4-0 0 41-0 51引言车辆低压配电系统主要用于将车载机组电源进行分配，为车上的交流负载提供交流电，主要由发电机组及控制柜、总配电箱和二级配电箱组成，各类车载设备从二级配电箱获得交流电源。配电系统需要保证供电安全可靠，配电系统采用双回路穴余供电模式，即发电机组输出电源时，分两路电路接入总配电箱，总配电箱按每路输入电源配置若干个断路器，再将断路器输出端分别接入不同的二级配电箱，二级配电箱内也配置若干个断路器，从每个断路器输出端，连接线缆到配电箱底部电连接器，再通过电连接器输出端连接供电电缆，向后端交流设备供电。车辆低压配电系统连接关系示意图如图1所示。车辆高压配电系统路供电电缆交流设备1发电机组二级配电箱总配电箱及控制柜路供电电缆交流设备车辆低压配电系统路供电电维交流设备1发电机组总配电箱二级配电箱及控制柜一路供电电缆交流设备图1车辆低压配电系统示意图系统在提高供电可靠性同时，由于车载负载分布位置和用电功率大小等均不同，导致配电系统网络变得比较复杂，从而使得系统的短路电流水平也出现大小和分布的不规则变化1，不管是采用传统的短路电流计算方法，还是建立在诸多模型和不同假设条件下进行短路电流计算，都不能有效地对实际运行过程中的短路电流进行在线计算2 ，因此，在车载配电系统中，没有对配电系统各节点的短路电流进行预测。2车辆低压配电系统断电问题的分析车辆在静止或在平整度较好的路面行驶时，车辆状态正常，低压配电系统工作也正常，当车辆通过路面有较大的坑或者突起障碍时，偶尔会出现个别设备工作电源断电的现象。对供配电设备进行检查时，发现前端为掉电设备供电的二级配电箱和总配电箱内各有一个断路器跳闸，其余断路器都处在闭合位置，状态正常，再次检测断电回路各段电缆时，电缆通断正常，电缆对地绝缘正常。车辆低压配电系统典型供电回路如图2 所示，在问题发生后，图中绿色框标示的电源工作正常，红色框标示的电源掉电，红色字体标示的二路0#断路器和二路3#断路器是发生跳闸保护动作的断路器。由于工作条件和配电系统安装空间结构所限，不能及时对供电回路进行拆除检查，为了定位故障位置，分别在二级配电箱内二路3#断路器的输入端和输出端分线器后安装霍尔电流传感器，监测和存储跳闸断路器输入端和输出端各供电支路的电压、电流值，电压、电流值可通过监控软件进行回放，各霍尔电流传感器装在图2 中红三角标示处。与车辆2023年第4期42移动电源门路0#断路器总配电箱路0#断路器路路一路二级路二路路1#23#配电箱1#2#3#断路器断路器断路器断路器断路器浙路器1#负载2#负载分线器1#负载2#负载分线器路电一路电二路电二路电源源源源3#负载4#负载 5#负载3#负载负载5#负载一路电一路电路电路电二路电二路电源源源源源源图2 低压配电系统典型供电回路示意图车辆经过一段时间行驶，电压、电流值均正常，当在崎呕路面行驶时，再次出现同样的掉电现象，经电流监测系统回读数据，得到数据如下：1）二级配电箱内二路3#断路器输出端经分线器后，3#负载二路电源和4#负载二路电源回路的火线电流无明显变化，如图3所示；-50m-750m-1.25-1.5-1.752-2.25-2.5-2.753-3.253.53.750.25030.5040.450.4980.050.10.150.24泉车图33#、4#负载的二路电源火线电流波形2）二级配电箱内二路3#断路器输出端经分线器后，5#负载二路电源的火线电流明显存在尖峰，峰值约1.13kA，如图4所示；21.1aI.Btd20025图45#负载二路电源火线电流波形3）二级配电箱内二路3#断路器的输入端火线（连接总配电箱内二路O#断路器的A相输出火线）电流也存在明显尖峰，峰值约1.6 9kA，如图5所示。100400图5二级配电箱内二路3#断路器输入火线电流波形通过以上监测到的电流数据可知，在故障发生时，5#负载二路电源的火线存在大电流。根据断电故障现象和电流监测情况，从以下几个方面进行排查。2.1输出负载短路或过流5#负载二路电源后端负载如果发生短路或过流等情况则会导致二路3#断路器跳闸。由于5#负载二路电源负载在用电过程中无明显增大用电功率的工况，对该路负载的供电输入电缆和打开负载箱体进行排查，未发现多余物或者明显烧蚀痕迹，对负载重新上电排查，负载工作正常，可排除输出负载短路或过流的可能，2.2断路器内部脱扣机构动作跳闸在特别崎岖的路面行驶过程中，存在着强烈的振动工况，断路器内部脱扣机构可能会在振动情况下产生跳闸。1）断路器脱扣机构故障断路器主触点闭合后，脱扣机构的主要作用是将主触点锁在合闸位置上。路面平整度较好时，断43与车辆移动电源2023年第4期路器均工作正常，出现断电故障后停车检查断路器通断动作，断路器工作也正常，所以断路器脱扣机构的锁定功能正常，可以排除脱扣机构故障。2）振动工作环境崎岖路面的偶发强振动环境，会对机械结构或存在位置变化的结构造成影响，甚至无法正常工作，因此振动工作环境造成断路器故障的可能性不能排除。3）振动环境和断路器脱扣机构故障的共同作用在振动环境中，可能会造成断路器跳闸，具体是指断路器内部脱扣机构（由弹簧、脱扣杆等组成）因振动原因由合闸位振到了脱扣位，自动跳闸。由于总配电箱和二级配电箱均按设计要求采取了减振措施，通过了振动试验考核，可以排除振动环境和断路器脱扣机构故障共同作用造成行车过程中断路器跳闸的可能性。2.3配电箱内部短路或过流剧烈的振动工况可能会引发静态下存在一定间距的导体在振动环境下短路、导致断路器跳闸。1）配电箱内部存在间距过近的导体在静态时，均对总配电箱和二级配电箱进行了状态检查，包括多余物、烧蚀痕迹、绝缘电阻（线线之间、线地之间）、导通状态等，均无异常，说明静态下配电箱内部不存在短路点，但不能排除存在间距过近的导体。2）配电箱内部间距过近的导体和振动环境的共同作用间距过近的电缆与金属导体在强烈的振动工况下，会发生磕碰、摩擦，导致线缆绝缘层破坏，造成配电箱内部短路或过流，从而引起跳闸。将发生跳闸现象的断路器送专业检测机构进行失效分析，检查发现断路器内部存在烧蚀痕迹，表明确实存在异常电应力导致断路器发生跳闸。对存在大电流的电源回路进行全面的排查，拆解二路3#断路器到5#负载二路电源插座之间的导线、分线器等连接线路。在拆除线束捆绑鱼线、剥离线束与箱体插座临近位置的黄腊管时，发现其中线束外部有烧蚀痕迹、黄腊管局部位置已磨穿，连接5#负载二路电源的火线导线外皮破损、局部线芯烧蚀明显。经拆除上边黄腊管包裹的线束后，箱体底部一个插座的安装螺钉有烧蚀痕迹，可推断在车辆发生剧烈振动时，贴近机箱底部的黄腊管包裹的线束中，5#负载二路电源的火线与该螺钉有短接情况。图6线束拆解后因此，不能排除间距过近的电缆与金属导体在强烈的振动造成行车过程中配电箱内部短路或过流的可能性。通过上述分析，断电故障问题定位于车辆发生剧烈振动时，二级配电箱内贴近机箱底部的用于包裹防护线束的黄腊管与安装插座的螺钉发生挤压、磨损，造成连接5#负载二路电源的火线导线外皮破损，金属线芯与与安装螺钉发生短路，造成二级配电箱内的二路3#断路器跳闸保护。2.4两级断路器同时跳闸出现断电故障时，二级配电箱内的二路3#断路器和总配电箱内的二路0#断路器同时发生跳闸保护动作，为了验证断路器后端短路时上下级存在同时跳闸的可能性，对同类型断路器进行了串联短路模拟试验（采用4块蓄电池串、并联组成DC24V电源供电），试验现场如图7 所示，试验结果表明当短路电流达到约940 A时，上下级断路器同时跳闸，跳闸响应时间0.3ms，完全动作时间1.7 ms左右，电流波形图如图8 所示。图7 短路试验现场图与车辆442023年第4期移动电源安-582.8700s.Y1(CK2)0.909A2-582.37010sY2(CH2)0.03KA-30:U1S:AY-0.96A58386A.9u5-0.400AVX-3.3323Hhz-578864.9stopel3EaigeCh2图8 短路电流波形图试验表明，总配电箱内的二路断路器和二级配电箱内的二路3#断路器脱扣特性相同时，存在同时跳闸的可能性。3机理分析3.1断路器工作原理小型断路器结构如图9所示。中心支架由扭簧作用紧靠在动触头支架上，而动触头嵌在动触头支架上，因此可以将中心支架、动触头支架和动触头看作一个刚体，绕着壳体上的固定轴旋转。锁扣与脱扣杆各自绕中心支架上的两个固定轴旋转。当用手将手柄从断开位置扳向闭合位置时，锁扣会勾住脱扣杆，从而使锁扣、脱扣杆、中心支架形成一个整体，整个机构实际上成为了一个四连杆机构。手柄旋转过死点后，动触头最终紧靠在静触头上。双金风片及联动机构新路腰闭台状态触头铁定机构短路保护短路保护板锁图9小型断路器内部结构断路器过载保护功能的实现是利用双金属片随着温度升高而定向按规律弯曲的原理：当线路出现一般性过载时，当达到过载电流（1.45倍额定电流ln），双金属片弯曲角度变大而触动脱扣机构，从而使断路器跳闸起到过载保护的作用。断路器短路保护的功能是通过电磁螺线管实现，短路电流很大，使电磁体产生足够大的磁力，拉动脱扣机构动作跳闸从而实现短路保护的作用。车载低压配电系统所选用断路器的脱扣特性均为C型，瞬时脱扣范围为（5 10）倍额定电流In，其脱扣特性如图10 所示3。3006010.110-1ABCD.10.0111234568:102030401.ABCDL(t1h)1.131113/11311.13/L2(1h)1.4511.4511.4511.451.14(t20,1s)213x151,10 x116(t0.15)31n51,101元201h图10 小型断路器脱扣特性曲线3.2车辆低压配电系统断路器跳闸机理分析线束中连接X5的火线导线与插座X1的安装螺钉短路后形成的异常回路，示意图如图11所示。二路0 斯路器二路二路Q1二路2 饼02断路器陈路器三三12断路器9价9TN1124X5安装婚钉导致趣路图11连接X5的线束与插座X1的安装螺钉短路回路示意图图11中，绿线和蓝线表示正常回路、红线表（下转第49页）;tem45与车辆移动电源2023年第4期示异常搭接。红线表示的异常回路形成后，将直接造成2 2 0 V火线（对应三相输入的A相）与零线短路，造成总配电箱内的二路0#断路器和二级配电箱内的二路3#断路器跳闸，这一情况与电流监测系统记录和回放的结果相符。在每次行车前后，均用50 0 V绝缘电阻表对配电箱输出线线之间、线地之间进行了检查，绝缘电阻均大于2 0 MQ，结合前述现象分析，表明在静态下，5#负载二路电源供电回路中，连接X5的火线导线外皮尽管破损，但与二级配电箱底部插座的安装螺钉间存在间隙，不会发生短路，但是，在行车过程中发生剧烈振动时，连接X5的火线导线和零线会在被插座X1的安装螺钉磨破之后造成瞬间接触短路的情况，从造成断路器跳闸，并由于前后级断路器的脱扣特性相同，从而造成前后两级断路器同时跳闸。4解决措施及试验验证4.1解决措施1）在配电箱内安装螺钉的尾端增加非金属盖形螺母；2）完善制作工艺，增加走线要求，所有线束通过固线夹进行可靠固定；3）在机箱类产品装配前，确认产品使用时安装方向，明确线束固定方法，确保线束紧贴实际安装底面，避免线束在使用中产生位移；4）低压配电系统前级断路器选用脱扣特性比后级断路器脱扣特性更高的断路器，以便在发生短路故障时，尽量减小断电范围。4.2措施验证恢复低压配电系统后，在近两年的行车过程中，即使在崎路面发生剧烈振动，低压配电系统工作正常，状态稳定。5结束语车辆低压配电系统前后级电路断电问题，定位于在空间紧凑条件下只采用黄腊管对连接供电插座的导线线束进行包扎防护，并跨越其它供电插座，虽然静态时线束与插座螺钉之间有空隙，但在振动条件下与安装螺钉产生了接触，并在剧烈振动时被安装螺钉磨破黄腊管，继而磨破火线和零线导线外皮，造成火线和零线通过安装螺钉与地短路，导致该供电支路前端两级断路器跳闸。该问题定位准确，机理清楚，措施有效。低压配电系统的前级断路器选择脱扣特性比后级断路器脱扣特性等级更高的断路器，并在制作过程中对导线走线进行明确规定，并牢固固定在箱体地面，避免产生位移，发生短路风险。参考文献：1周文越，吕飞鹏，廖小君(ZhouWenyue,LiFeipeng,LiaoXiaojun).基于人工蜂群算法的分布式电源规划(Optimal planning of distributed generation based on artificialbeecolonyalgorithm).电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA),2014,26(5):39-43.2 黄旭，何洪英,罗滇生，曹一家,何志军(HuangXu,He Hongying,Luo Diansheng,Cao Yijia,He Zhijun).一种新的短路电流预测方法（ANovel Prediction Method ofShort-circuitCurrent).电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA),2017,29(1):24-29.3Si e me n s.新一代SENTRON5SY系列小型断路器EB.2013作者简介：廖吉春（197 5-），男，汉族，四川人，硕士，工程师，主要研究方向为车载供配电系统设计。Analysis of Power Failure in Vehicle Low Voltage Distribution SysLIAO Ji-chun,LIN Xi,HU Yong-hong,HUANG Hui-fen（上接第45页）-.-.-.-.-49移动电源与车辆2023年第4期向，每个轴向补做2 min振动试验。4.2.3试验结束后，灌封胶性能正常，未出现不合格现象。5结束语通过灌封试验与常规试验可以发现4112 双组份RTV缩合型灌封硅橡胶固化后表面质软有弹性、透明度良好、附着性能良好、外观光滑、无气孔、无拉尖、无杂质，所以选择此型号灌封胶作为调速控制器灌封胶。使用选定的灌封胶对电路板进行灌封后，在随本型号移动电站进行的一系列试验中均未再次出现问题，有效的解决了本次故障，为军品型号的按时交付提供了保障，为公司增加经济效益做出了较大贡献。参考文献：1赵峰俊.环氧树脂灌封胶材料性能研究D.广东工业大学，2 0 0 7.2颜渊巍.高性能聚氨酯灌封胶的研究J.绝缘材料，2 0 19.0 7.3邱浩孟.室温固化加成型有机硅灌封胶粘接性能研究J.广东化工，2 0 17 第17 期.作者简介：孙浩棋（1991-），男（汉族），河南郑州人，机械工程师，主要从事电站类工艺工作及工艺装备的设计工作。Fault Analysis of Sppeed Regulation in a Mobile Power StationSUN Hao-qi,SHI Hong-li,DONG Lei,CHAI Zuo-ru,HE Jin-jinZhengzhou Jinyang Electric Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan 450000,ChinaAbstract:After investigation,it was found that encapsulating circuit boards can effectively improve their reliability.Circuitboard potting refers to the process of injecting one or more potting materials such as polyurethane potting adhesive,organic siliconpotting adhesive,epoxy resin potting adhesive,etc.into the circuit board using equipment or manual methods,and curing them atroom temperature or heating conditions to form thermosetting polymer insulation materials with excellent performance,therebyachieving the goals of moisture-proof protection,waterproof protection,impact protection,vibration resistance protection,corrosionresistance protection,and insulation protection.Key words:circuit board;Potting;Silicone potting adhesive(Beijing Institute of Space Launch Technology,Beijing,100076)Abstract:This paper analyzes the power failure of front-end circuit in vehicle low voltage distribution system.Through theanalysis and trouble shooting of the fault phenomenon,confirm failure cause,given treatment measures,launch test and verify,Andafter nearly two years to vehicle running,the practice proves the fault analysis properly,the fault treatment measures are effective.Key words:Distribution system Power failure Fault-analysis Treatment measures