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一颗电容引发的对船舶电气管理的思考
发布时间:2021-2-5 14:53:00       阅读次数:473    发表人:sun
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一、概论

电容,以其名字可知道-- “装电的容器”,是一种容纳电荷的器件,英文名“Capacitor”。其作用主要是滤波,储能,隔离,耦合,能量转换,控制等方面,其与电阻,电感并称电子元件三长老,是电子设备中大量使用的电子元件之一,广泛应用于电路中,电容的在现在电子技术中扮演着举足轻重的低位,按类型又可分为电解电容,独石电容,陶瓷电容,瓷片电容等,之所以本文将电容和电气管理一起提及,是因为在日常电气管理中,电容器是电子电路中故障率较高的元器件,具有较高的讨论价值,有电容引发的电气故障也是排在故障元凶的第一位, 虽然电容种类繁多,但是这里主要讨论电解电容,因为其他种类电容较电解电容出现的故障比例几乎可以忽略不计。

二、电容种类

电解电容主要介绍液态电解质电容和固态电解质电容,

液态铝电解质电容器,一种用浸有糊状电解质的吸水纸夹在两片薄铝片中间卷绕而成,薄的氧化膜作为介质的电容器,因为氧化膜有单项导电性质,所以电解电容器具有极性,需要区分正负极;优点:容量大,能耐受大的脉动电流,成本低;缺点:误差大,泄露电流大,普通的不适用于高频和低温下应用,且不适应在高频中。

固态铝电解质电容器,使用固体导电高分子材料取代电解液作为阴极;优点:温度特性、频率特性高,漏电电流小,储存性好,寿命长,容量误差小,低ESR 和高额定纹波电流;缺点:价格较液态电解电容高,低频响应不如液态电解电容好。

三、常见故障

电容故障现象:电解电容损坏比较轻的表现为失容。据统计,电解电容平均寿命为十年左右;因为其内部有糊状电解质,由于长时间高温更容易导致电解质失去活性,容量减小,加剧电容的老化;由于在电路中,电解电容主要还是用作储能滤波,如容量减小,会影响电路的稳定性,比较明显的现象为工作不稳定,使用温度高的时候能正常工作,使用温度低的时候,电路就开始出现故障,待环境温度升高,又能正常工作。测量电压时会发现电压偏低或者不稳定,这种故障一般肉眼不容易发现,需要借助万用表测量电压,或使用示波器查看波形。

严重的故障:一般严重的故障为鼓包,炸裂,这种故障多发生在使用时间比较长,且工作电流或者电压超出额定值引起;如发生这种情况,电气设备多出现无法开机,无法带负载,电压无输出或者输出电压低。

四、本船案例

以下就以近期处理的故障器件为例来简单介绍电解电容故障的判断、分析及

处理。

案例一

用作西门子 PLC 扩展通讯使用的 SIMATIC ET200M 153-2 扩展子模块,备件号:6ES7153-2AA02-0XB0

故障现象为环境温度低时,频繁出现【SF】,及【BF】故障指示灯,OS 站警报显示相对应的SCU 箱通讯故障。选择此件作为案例,一是因为此类故障比较常见,在公司的两条 20000 吨级半潜船泰安口和康盛口上比较常见,且保有量高(大概在用的有超 30 块),由于已经服役十几年,因此故障件也较多。二是因为此型号已经停产,更换新的模块需要连带背板总线一起更换,需要增减额外的成本。三是故障具有参考性,出现故障的位置都是同一处。ET200MIM153-2 模块电路图如图一(拆机过程不再描述)

拆开后仔细观察无明显损毁,单模块通电后观察指示灯亮,用手触摸各元件无明显发热,用万用表测量各点电压值,判断故障部位,查得图一所指处电容电压有细微变动,但是不是太明显,于是用示波器测量,测量波纹如图二所示,波纹呈现出抖动状态,测量数据显示峰值电压 Vp=5.4V,最低电压-Vp=4.6V ,差值Vp-p=800mv,电压平均值 Vrms =4.8V,测量数据说明正常值为 5V 的直流电压,波动达到 0.8V,正常的直流波纹应呈一条直线,如图三,于是更换电容后再次测量的数据,此时 Vp-p 为 80mv,电压平均值恢复至 5.3V,由此判断电压不稳导致的故障,结合模块已经使用较长年限,所以首先考虑电解电容失效,于是更换对应的电解电容后,将修复后的故障模块装机测试,再无报警,且温度较低时亦正常工作,测试使用三个月,故障没有出现,判断电路板故障排除。

故障总结:由于平时温度较高,故障电容勉强能用,但到了温度较低的地方, 电容本身容量不足,再天冷加剧电容电解质活性减弱,导致单元电路出现供电不足,所以出现间接性故障。关键因素:长期高温,低温出现故障,使用年限长。

案例二

ALFA LACAL 分油机 OP 操作面板,型号:EPC-50,拆下后如下图四

OP 操作面板,主要作用是监控分油机运行参数,控制和设置分油机参数等,选择此案例,是因为 OP 面板长期工作在高温状态下,且同样损坏数量较多,故障表现和故障位置相同,具有参考价值。
分油机 OP 面板,起初故障是通电状态下显示 WAIT,等待几秒钟后,面板熄灭, 重新显示 WAIT,说明面板重启了,等待数分钟,依然是来回重启,故拆下,单板通电测试,用万用表查看电路板各供电电压,均有输出,用示波器查看各电压是否稳定,当测量图三红圈所示位置电容时,发现电容测量波形严重畸形(见图五), 参考图五的电压峰值+Vp 为 13.8V,而-Vp 为 6.2V,也就是说明均压(Vrms)应为8.8Vdc 的直流电,波动达到 7.6V,由此可判断电路供电不稳,首要判断故障是由电容引起的,更换电容后测量恢复正常,测量电容两端电压波形如图六,呈一条平顺直线,Vp-p 差值为 400mv,既为 0.4V,在允许范围之内,通电测试面板不再重启,因为当时轻油分油机面板故障而又无新的可用 OP 面板备件,一直停用, 于是将修复后的板装回测试,已运行三个月,故障没有再出现,判断故障排除。同时将交班时留存的数块故障板翻出来检修,发现故障为同一处,说明为此板的通病,经过同样的处理更换后均测试正常,留存备用。

故障总结:分油机正常情况下都是处于高温状态,加速电容老化,待老化达到一定程度时,便无法正常工作。反复重启,待航经温度低的区域时,便出现故障,说明故障原因受温度影响,首先判断是否由某个元件温度比较敏感,换下后可对电路进行通电,对电路板小范围风枪加热或者酒精被动冷却,判断锁定故障位置,笔者曾维修过驾驶一台 APC 的 UPS,故障是航行在天热的地带时正常工作,一经进入寒冷地带,UPS 出现警报,出现电源故障指示灯,无法从主电源切换至内部电瓶逆变供电,后通过局部加热来锁定故障位置,最后发现是由于一颗小的电解电容引起的,加热时能正常工作,待撤掉加热,几分钟后便出现故障,更换电容后恢复正常。关键因素:使用年限长,经常性冷热交替。

案例三

EAS 主站通讯模块,CP343-1,订单号:343-1BA00-OXE0

故障现象:不能开机。选取此案例是因为此件已经停产,由于船舶保有量低,所以无常备备件,此模块故障,关系到延伸警报。

与之前两个案例不同,此板故障为通电无反应,测量为电源电路无电压输出,先前测量无输出,于是重点检修开关电源电路,查看发现开关电源驱动UC3845 有供电电压输入,但无参考电压输出,无驱动信号输出,所以从报废电脑电源中拆一个驱动 IC替换,通电测试,有电压输出,但不稳定,于是查看各点工作电压,发现给 UC3845 供电滤波的电容波形不稳定,于是更换,更换后测试电压稳定,后装机后模块指示灯亮起,将模块装复后测试正常,故障排除。推测由于芯片供电不稳定,导致芯片损坏,继而导致模块无供电。


总结:综合上述原因及以往碰到的各类电路板维修的实战经验,功能电路中80%的故障来自于电源电路,而元器件故障中,电容故障导致电路工作不正常的比例也达到了 80%以上,在替换方面需要注意的是,电解电容需要区分耐压值, 容量值,正负极,更换时,耐压值需要等于或者高于原电解电容耐压值,容量值可选择相同容量值或者稍大一点,不可超过太多,如故障电容为 10V330uF,可以使用 16V330uF,或者 10V440uF,安装时需要区分正负极,如果正负极装反,或者耐压值低于原耐压值可能导致电容炸裂,电路板故障维修并不困难,只需分清各电路板中各片区域的功能,及各元件不同组合所达到的不同功能,再通过功能电路的输入输出参数进行判断,可类比于普通控制柜,电路板上也有电源,定时, 继电器,指示灯,控制芯片,这类比于普通控制柜中的电源变压器,定时器,接触器,指示灯,控制器等,

此类故障排除具有可复制性,经过修复后统计,案例一中的同型号模块修复20 块(图八,部分模块已经上机使用中),案例二中的面板修复8 块(图九,另外两块已经上机使用),都是同一位置故障。且同为电容失容故障,通过简单的更换电容,便可让故障器件重新投入工作,节约备件费用。

五、对电气管理的建议:

1.建立对废旧电路板及贵重电路板的存放机制,对故障电路板采取留存故障描述、原因、更换时间及更换负责人记录,建立跟踪机制,这样可以在管理人员更换后,对设备故障有更多的了解,有经验可查,且方便以后送修时故障位置的快速判断。将故障备件单独存放保存,并造册登记,对于同类故障的器件,经济价值较高的器件,及时间久远已经停产的电器件进行保存。

2.对船舶建立方便的元器件供应渠道,对常用元器件,如常用电容,电阻, 电源管理芯片,放大器芯片等进行常备;有时电气管理人员发现某器件出现问题是由具体的某个元器件故障导致,由于船舶管理的固有特性,元器件无法供应,也导致了放弃维修。

3.对于电气设备的故障,如果是由于电路板引起的,可从多方面着手,传统电气管理人员的思路是发现故障,更换故障备件。此方法如果碰到无备件可用, 且航行于茫茫大海之中,或者备件已经停产,往往会造成被动局面。如果从另一个思路考虑,是否可以通过维修来解决,这就给后续岸基支持提供了充足的解决

时间。如案例三中修复的EAS 通讯模块,由于备件停产,新上的备件需要重新组态编程才能正常使用,故障申请岸基支持后,由于新上备件的不兼容,且解决需要申请另外的新模块,短时间不能得到很好的解决。

4.对数量较多且同类备件损坏,且故障原因相同的,应重点保存,往往同类电路板故障现象又相同的,故障点往往也是同一处,电气备件往往价格高,有时一块电路板动辄数万,少则几千,能维修再利用,能节省不少的备件费用。

电机员 汪灿

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