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控制系统接插件失效机理分析及防范措施
 
慧聪网   2005年12月26日9时55分   信息来源:电器元件论坛    

关键词:控制系统 接插件 故障原因 防范措施
  
  
  一 控制系统接插件故障情况
  
    接插件是控制系统重要的配套元器件,从系统、分系统、机柜、印刷电路板到每个可更换的独立单元,成千上万的接插件如同人的神经系统分布于各个系统和部位,担负着控制系统的电能传输、信号控制与传递任务。任何一个接插件故障都将导致整个控制系统或某一控制设备无法正常工作或停役。因此,有效预防控制系统接插件故障对确保发电机组的安全、稳定、经济运行具有重要意义。表1列出了1996~2003年上海电力系统发电机组因控制系统接插件故障引起的9次停机停炉事件。
  
  二 控制系统接插件常见故障
  
    控制系统接插件是一种为电缆(包括通信电缆)和电缆端头提供快速接通和断开的连接器件。通常要求接触部位该导通的地方不仅必须导通,且必须接触可靠;对绝缘部位不该导通的地方必须可靠绝缘。现结合工作中碰到和参与的几起接插件故障原因分析情况,概括出3种接插件常见故障。
  
  1. 接触不良
  
    接触件是接插件的核心零件,也是其导电部分,它将来自接插件的插头(或插座)尾部所连接的电线或信号线的电压或电流信号传递到与其相配的接插件插座(或插头)对应的接触件上。故接触件须具备优良的结构、稳定可靠的接触保持力和良好的导电性能。由于接触件结构设计不合理、材料选用不当、机械加工尺寸超差、表面粗糙,热处理、胶接及表面处理等工艺不合理,储存使用环境恶劣和操作使用不当等原因,都会在接插件的接触部位和端接部位造成接触不良。
  

    表1中案例1、2为某电厂2台机组因通信接插件接触不良造成的2次MFT动作;案例9为某电厂因DEH电源插头接插件接触不良引起的跳机动作。通过对这3个接插件的现场模拟试验发现,一旦稍有振动,个别插针接触电阻就会发生跳变,同一接插件中插针的插拔力差别较大,解体检查发现部分插孔孔径明显偏大,插拔力减小。遂取消此接插件而直接改为焊接式连接,彻底消除了这一隐患。
    案例5则是由于潮湿、腐蚀性气体作用,结果在接插件表面生成了一层氧化薄膜,增加了接插件的接触电阻,造成控制系统工作电源电压降至额定允许工作电压值以下,导致控制系统无法正常工作跳机。
  
  2. 绝缘不良
  
    绝缘体的作用是使接触件保持正确的位置固定、排列,并使接触件与接触件之间、接触件与壳体之间相互绝缘,故绝缘体须具备优良的电器、机械和工艺成型性能。特别是随着高密度、小型化接插件的广泛采用,有些插针间距接近1mm甚至更小(达0.5mm),这对绝缘体材料、注塑模具精确度和成型工艺等提出更高要求。如绝缘体表面或内部存在金属多余物、表面尘埃、焊剂以及长霉、绝缘材料老化等缺陷,都会出现短路、漏电、击穿、绝缘电阻降低等绝缘不良现象。如对表1中案例4进行现场测试,发现某点插针与外壳间有短路现象。解体观察发现,插座外引出线的个别焊接线开始腐蚀,个别插针与屏蔽线间有多余金属层剥落物,短路原因系剥落的金属多余物粘连在一起而引起。
    另外,2001年在某电厂锅炉汽包水位保护系统调试过程中发现3取2保护逻辑失效。经反复检查测试发现是因接插件异常引起,测试表明部分插针间的绝缘电阻只有几十欧姆。遂对CT-24插头进行解体检查,结果发现,由于在焊接连接导线时因电烙铁停留时间过长,使部分固定插针的塑料绝缘体熔化变形,使得原本插针间很小的间隙变得更小,有的几乎处于短路状态,出现了插针间绝缘电阻极小现象,后重新更换接插件并小心焊接后恢复正常。
  
  3. 固定不良
  
    壳体是接插件的外罩。插合的一对连接器壳体通常也为伸出的接触件提供精确的对位、对中和保护,同时还具有安装定位、锁紧固定在设备上的功能。固定不良,轻者影响可靠接触而造成瞬间断开,重者会使连接器解体。解体是指接插件在插合状态下,由于材料、设计、工艺等原因在振动、冲击等环境条件下导致插头与插座、绝缘体与壳体或插针与插孔之间的不正常分离,造成控制信号的抖动丢失或中断。表1中案例3、6、7、8就是由于TSI(汽轮机监测保护系统)使用的小型圆形插头在使用中因振动导致插头和插座之间出现轻微分离,造成测量信号抖动丢失引起的。对于这类看起来微不足道的卡圈、弹簧及紧固件等也要定期进行检查和维护,切不可因小失大。
    上述3种类型的致命失效是控制系统接插件的隐性缺陷,必须采取有效措施加以预防。此外,壳体涂层起皮、碰伤,绝缘体毛刺,接触件加工粗糙、变形、定位锁紧配合不严、总分离力过大等现象,也是接插件的常见病、多发病,这种显性缺陷只要在使用前进行仔细检查,通常能及时发现并剔除。
  
  三 防止接插件故障的对策
  
  1. 开展“零缺陷”质量管理
  
    质量管理的最高境界是“零缺陷”,开展“零缺陷”质量管理要求做到控制不漏项,并依据工作标准要求严格检查、检验和把关。近年来西方一些知名企业开始实施“6s”质量管理策略。其含义是“对于缺陷(差错)数,6s就是要求将缺陷(差错)率控制在百万分之3.4内”,即每操作1百万次或抽查1百万个产品,其差错或不合格率只允许为3~4个,这是近乎完美的目标。6s管理是保持和获得企业经营上的成功并将其营业额最大化的综合管理体系和发展战略,它能严格、集中、高效地改善企业质量管理策略的实施,以“零缺陷”为完美追求目标,带动质量成本的大幅度降低。
  
  2. 做好接插件故障原因分析
  
    要积极开展和加强接插件的可靠性研究、试验和统计工作,力求掌握接插件的可靠性指标,不断提高控制系统的可靠性。为此要培养和造就一批具有丰富经验的故障原因分析技术人员,不仅能准确分析、定位生产过程中出现的各种问题,且能及时采取相应预防措施。对使用中发生的质量和可靠性问题(包括时间、地点、环境、故障现象、故障部位等)应有正确、可靠记录并及时进行反馈,以便通过故障分析找出原因,采取有效预防措施,这是提高接插件可靠性最有效方法。
  
  3. 抓好工艺装备和检测设备的技术改造
  
    通过对近几年控制系统接插件故障原因的分析发现,要提高接插件质量水平,单凭增加人力投入是不行的,须采用先进生产工艺装备和检测设备,为生产接插件服务。如灌胶工序采用针筒手工操作,灌胶量和均匀度都很难控制,局部过量加压后若渗入接触件的插合界面,极易造成接触不良。为此应采用自动点胶机完成这一工序,自动点胶机可作X、Y、Z三轴平面及立交运行,涂胶时间和行走速度通过可编程控制器进行设定。另外不少制造厂总分离力用砝码测定,单孔分离力利用标准插针加法码测定,压接导线拉脱力用吊砝码测定,机械寿命用手工插拔。这些检验项目均可用全自动插拔力试验机完成,它可准确控制插拔行程、速度、次数、暂停时间等参数,能高精确度进行单孔分离力、总分离力、机械寿命和压接导线拉脱力等试验。
  
  4. 做好质量验收和检验工作
  
    接插件质量验收项目很多,对用户来说有些项目很难进行,因此要求接插件厂家提供详细出厂检验报告,以便用户进行验收确认。但对绝缘电阻和接触电阻等,用户可在现场进行测试,一旦发现满足不了规定的技术指标和要求,就应坚决剔除,以免留下隐患造成不可弥补的损失。表2给出典型接插件主要技术指标。
  
  
  四 接插件可靠性检验/测试
  
    为确保控制系统接插件的质量和可靠性,预防致命失效的发生,应做好如下预防性检验/测试。
  
  1. 预防接触不良
  
    (1)导通检测
    由于条件限制,此项试验用户大多不做,用户装机后一般常用蜂鸣器、万用表或指示灯等测试仪器手工逐点进行导通检查,由于繁琐枯燥、易疲劳,还需对照接线表、芯线号,极易造成漏检/错检。建议借助导通检测仪对接插件进行100%的导通检测。如NAC公司NM-SP导通仪具有迅速判明每个接点是否断路、短路、误配线和防止漏检等功能,只要漏掉一点,就不会发出合格声光指示信号。
    (2)瞬间检测
    控制系统接插件有不少在动态振动环境下使用,试验证明仅进行静态接触电阻检验是否合格并不能保证动态环境下使用时的可靠接触,因为往往接触电阻合格的接插件在振动、冲击等模拟环境试验时仍出现信号瞬间中断现象,建议进行100%动态振动试验,考核其接触可靠性。NAC公司NM-11A导通仪配有便携式小型电动振动台有10个平行独立回路,可按产品技术条件规定设定监测的瞬间中断时间(ms级),可模拟产生100Hz以内的低频振动,因此可用于接插件瞬间动态接触检测。
    (3)单孔分离力监测
    单孔分离力是指在插合状态下接触件由静止变为运动的分离力,用来表征插针和插孔正在接触。实验表明,单孔分离力过小,在受振动、冲击载荷时有可能造成信号瞬断。用测单孔分离力的方法检查接触可靠性比测接触电阻有效。检查发现单孔分离力超差的插孔,测量接触电阻往往仍合格。为此,建议生产厂家应对关键接插件进行自动插拔力测试,防止因个别插孔松弛而造成的信号瞬断。
  
  2. 预防绝缘不良
  
    目前国内许多接插件生产厂由于资金原因仍采用早期单参数电性能测试仪,如耐压测试仪、绝缘电阻测试仪和接触电阻测试仪等,需多次插拔变换仪器,操作较繁琐。而NAC公司、CIRRIS公司的多功能自动电性能检测仪采用自动逻辑切换电路,一次插合即可快速、准确地完成导通、绝缘、耐压和瞬断等参数的自动检测;还可以在计算机中设定试验电压、试验时间、漏电流、绝缘电阻阈值等参数,能将被检接插件与记忆的内存样品信息进行比较,判断是否合格。
  
  3. 预防互换性不良
  
    互换性检查是一种动态检查,它要求同一系列相配的插头和插座都能进行相互插配连接。通过互换性检查可发现是否由于壳体、绝缘体、接触件和橡胶垫等零件尺寸超差、缺装或装配不到位等原因造成无法插合、正确定位和锁紧等缺陷。互换性检查另一作用是通过螺纹、卡口等插拔连接,及时发现是否有影响接插件绝缘性能的金属多余物,以免系统工作时造成通信故障等隐患发生。
  
  4. 尽量少用插头、插座式接插件
  
    接插件是控制信号及电源连接的重要器件,具有连接牢固、操作方便的特点,但是如选用不当或使用时间一长,经常会出现如接触不良、脱落、腐蚀等问题,尤其在有振动的地方更应慎重。在必须使用接插件连接的地方应注意:(1)能用少量多芯插头时,绝不用大量单芯插头;(2)为防止连接松动,尽量采用自锁式结构,不用金属丝系结;(3)必须定期维护、检查,发现异常及时更换。这些措施对改善接插件的可靠性、提高控制系统的安全性意义重大,也是彻底消除因接插件原因引起控制系统故障并导致停炉跳机事件发生的重要手段。
  
  五 结束语
  
    近年来,由于控制系统接插件故障引起的停炉跳机事件时有发生,这就提醒人们一方面要重视控制系统接插件的质量指标和维护保养,尽可能选用高可靠性接插件(如柔性插合,接触稳定可靠的接插件);另一方面要尽可能利用DCS强大的逻辑判断功能,一旦检测到信号抖动、突变、丢失等异常状态,立即将其隔离、报警并保持此前信号的原有状态,以减少因接插件异常等原因引起的停炉跳机事件的发生,确保机组安全、经济运行。
 
 
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