电梯电气系统失效分析

电梯电气系统失效分析

薛阳

江苏省特种设备安全监督检验研究院常州分院江苏常州213000

摘要：电梯是一种自动化程度很高的机电一体运输工具，它拥有大量电气系统，如控制、执行、信息采集和传输等等。电梯的正常运行依赖各个分系统乃至每一个部件的正常工作。随着电梯的控制功能越来越复杂以及各种安全保护装置越来越多，电梯的各种故障形式也呈现增加的趋势。因此有必要对电梯的电气系统的失效进行科学有效的分析。

关键词：电梯；电气系统；连接失效

GB5226.1-2002《机械安全机械电气设备第1部分：通用技术条件》关于失效和故障的有明确的定义，失效（failure）：执行某项规定功能能力的终结；故障（fault）：不能执行某规定功能的一种特征状态，它不包括在预防性维护或其他有计划的行动期间，以及因缺乏外部资源条件下不能执行规定的功能。

失效是一个事件，而故障是一种状态，失效会导致故障，而故障可能在失效之前就已经发生。故而这里探讨的失效分析主要是针对失效发生的原因和过程。由于历史原因，下文中的“故障”与“失效”可替换使用。据统计，电梯的电气系统失效主要分三种形式：电气连接失效、电气绝缘失效、电器元件失效。

一、电气连接失效

电气链接失效又可细分为该通不通式（如断路和接触不良）和不该通却通式（如短路）。

（一）断路是指由于自然灾害、人为破坏等外部因素导致的线路损坏，这是一种比较直观的失效形式，判断和确定都比较方便。只要做好防护措施及日常维护，可以大大降低断路的发生几率。

（二）接触不良产生原因则相对复杂，一是在不同导体的链接处由于接触面积过小或接触压力不足造成接触电阻过大，二是由于接触导体的腐蚀氧化等原因造成的接触电阻过大。接触不良会造成能量的损耗和信号的丢失，而能量损耗会造成动力输出不稳定，信号丢失则会造成控制系统误判。在发生接触不良的情况是，因为接触导体没有完全分开，所以检查和判断存在一定难度。对于接触不良的预防主要从两点着手，一要规范接线方式，即采用合理的连接件，施加足够的预紧力等；二要选用合适的导体材料，如在有高温环境中不能使用易热氧化的铝导体，潮湿环境不能使用铁制导体等。

（三）短路主要是由于异物进入导体之间造成错误的链接，短路会造成很多严重的故障，如烧毁电气元件、控制系统误判。电梯上常见的造成短路的原因有进水受潮、导电垃圾、小型动物误触及在维修过程中的人为短接等。防止短路的发生就是要从上述原因着手，如防止渗水和漏水，保证电气防护外壳的完好等。

二、电气绝缘失效

电气绝缘失效是电气设备所有失效中导致后果最为严重的，轻则造成整机设备的损坏，重则导致人体受伤甚至死亡。因此，为提高设备的绝缘性能，其结构设计应考虑绝缘零件结构、绝缘零件材料选择、接点中心距（绝缘有效间隔）、连接器应用环境条件等因素。

（一）绝缘结构是指一种或几种绝缘材料的组合，根据电气设备的特点和尺寸要求，将它与导体部件设计成为一个整体，用以支撑、隔绝有电位差的导电部分。绝缘结构应保证在规定的气候环境应力作用下达到或超过规定指标的能力和工作的稳定性，杜绝导体绝缘介质严生漏电、发热、电晕、击穿等现象。绝缘件结构设计主要是保证两导电体间的绝缘间隙（即两导电零件之间最短的空间距离）和爬电距离（即两导电零件之间沿绝缘体表面的最短距离）足够承受所要求的耐电压值。

（二）绝缘材料失效形式包括电气老化、机械老化、热老化、生物化学老化及受潮等。这里所谓的老化是指绝缘材料在电场、机械震动和弯曲、热作用、潮湿及生物化学腐蚀的一种或几种方式作用下导致材料性质发生变化，其绝缘阻值或击穿电压明显下降。防止绝缘材料失效就是要防止材料老化，也就是要认识到电梯各部分绝缘材料主要面临的老化方式，如制动线圈的高温、随行电缆的弯曲、电机线圈的周期震动等等。

三、电器元件失效

电器元件失效是最为复杂和形式多样的，既有可能是元件本身原因导致失效，也有可能是上述链接失效或绝缘失效进而造成元件失效。电器元件是接通和断开电路或调节、控制和保护电路及电气设备用的电工器具，电梯的电器元件可分为动态元件和固态元件。动态元件有接触器、继电器、断路器、按钮和旋转开关、各类安全开关，固态元件有熔断器、变频器、变压器、开关电源等。

（一）继电器、接触器故障。继电器和接触器的触点在电梯长久频繁工作中很容易出现短路或断路的问题。一方面，电梯电气系统中的电弧或者大电流容易烧蚀这些元件的触点而使其出现黏连现象，从而使得电气系统出现短路；另一方面，空气中的尘埃堆积或弹簧片的弹性减弱容易阻断这些元件的触点而使其出现断路现象，导致整个电气系统控制环节不能正常运行。

（二）按钮或旋钮（拨杆）开关故障。这一类电器元件是人对电梯施加直接控制的主要媒介，一般不会有大电流通过，它们的主要故障表现在使用过程中由于机械运动造成的接线松动和触点接触不良。

（三）安全开关故障。安全开关是保证电梯安全运行的重要元件，它们分布在底坑、井道和机房的各个位置，安全开关是由安全触点和带动触点分合的机械机构组成。安全开关一般为常闭式，其设计不考虑粘连的发生，主要问题是触点由于电弧烧蚀或氧化造成的接触不良，以及触点簧片由于机械疲劳而断裂或虚接。

（四）变压器故障。电梯中的变压器主要是为安全回路及门锁回路提供电源，更早期的电梯中也常用变压器为控制系统提供电源，由于变压器故障导致电梯无法使用是很常见的。小型变压器常见故障的原因有端头松动、垫块松动、焊接不良、铁心绝缘不良、抗短路强度不足等。

（五）开关电源故障。开关电源是一种直流稳压电源，目前广泛应用于电梯控制系统供电，其常见故障表现为无输出、内部保险烧断、输出电压过高或过低。开关电源较为复杂，其故障原因判断需要较强的专业知识和实践经验，一般来说，开关电源的输入部分工作在高压大电流状态下，失效概率最高，如整流二极管、滤波电容、开关功率管等元件较易损坏。其次就是输出整流部分的整流二极管、保护二极管及限流电阻等较易损坏。

（六）变频器故障。变频器是驱动元件，它由主要部分有整流、滤波、逆变三大块，辅以制动单元、驱动单元、反馈单元、微处理单元等组成功能完整的变频器。可以说一台变频器本身就是一个完整而复杂的系统，但是电梯行业习惯把变频器作为单一元件来看待。变频器整流桥的损坏是变频器的常见故障之一，早期生产的变频器整流块均以二极管整流为主，目前部分整流块采用晶闸管的整流方式。整流模块一般为三相全波整流，承担着变频器所有输出电能的整流，易过热，也易击穿。变频器充电电阻也是易损件之一，如主回路接触器吸合不好时，造成通流时间过长而烧坏；或充电电流太大而烧坏电阻。变频器的输出电压和频率最终都是逆变单元产生的，因此逆变单元可以说是变频器的核心。现代变频器的逆变单元是由IGBT晶体管模块组成的，IGBT元器件在过电压或过电流的情况下会烧毁，严重时会发生炸裂。其它的就是变频器的辅助电路的故障，如驱动电路、保护信号检测及处理电路、脉冲发生及信号处理电路等控制电路等等。

除此之外电梯电气系统电磁干扰的类型主要有以下种类，即输入线噪声、电源噪声、静电噪声：

（1）输入线噪声干扰是由于输入线和电气系统具有公共地线，使得输入线噪声会侵入电气系统，从而导致电梯电气系统出现误操作或运行错误；（2）电源噪声干扰主要凭借电源线侵入整个电梯电气系统，并且在电梯电气系统和其他大型交变负载共用一个电源时表现得更为明显。另外，电源电压在较长的电源引线里传输时会出现压降，而出现的电磁感应现象会对电气系统产生较大的噪声干扰，导致微机数据的丢失以及电气控制系统的误操作或运行差错；（3）静电噪声干扰一般是由电梯电气系统摩擦产生的静电引起的。这些静电电流虽然十分微小，甚至可以忽略不计，但是这些静电的电压很高，甚至可能达到数万伏，所以一旦操作员或乘坐人员接触微机面板，人体的高电位电荷就会迅速地转移到带有低电位电荷的电梯电气系统，这会导致放电现象的发生，进而引发极大的放电电流噪声干扰。这会极大降低整个电气系统的运行效率，甚至会导致电梯电气系统元器件出现失效、损坏等问题。

四、结束语

通过对电梯电气系统的失效分析，我们可以建立起电梯电气系统的失效模型，对电梯电气系统状态检测评价和预测评估及故障诊断提供科学依据，并最终使得电梯能更加安全可靠的运行。这是一个相当大的系统工程，本文篇幅有限，不再展开。

参考文献：

1.GB5226.1-2002《机械安全机械电气设备第1部分：通用技术条件》.

2.《电气设备故障诊断与维修手册》，赵继光，人民邮电出版社.

3.《变频器选型、安装与维修》，孙余凯、吴鸣山等，中国电力出版社.