電力機車110V控制電源系統存在問題與改進措施

俞 偉 上海鐵路局杭州職工培訓基地

近年來，隨著鐵路電氣化建設的快速發展，電力機車在鐵路牽引運輸中所占的比重不斷提高，對電力機車各系統運行可靠性提出了更高的要求，通過對運用中出現設備故障問題的深入分析，不斷提出技術改進措施，并在實踐中檢驗完善，是提高機車設備質量的有效途徑。

電力機車蓄電池故障引發的控制電源故障，在近幾年的電車機車使用中出現的頻率相對較高，機車控制電源出現故障，輕則引起故障警告，重則導致機破，對鐵路運輸安全暢通影響較大。以南京東機務段HXD3為例，2008年就發生了110 V電源故障和蓄電池虧電故障42件，其中包括110 V電源故障19件，蓄電池虧電故障23件。目前電力機車用蓄電池為閥控密封式鉛酸蓄電池，具有體積小、使用安全性高、放電性能好、維護量小等特點，很多人稱其為免維護電池，設計壽命一般大于5年，最長可以達到20年以上，可為什么在使用過程中會頻繁發生蓄電池的早期失效損壞呢？

1 系統現狀

電力機車用110 V電源系統一般由110 V電源電路和蓄電池組組成，蓄電池組直接與110 V電源并聯，工作方式主要是浮充工作制。機車正常運行情況下，電源電路為機車提供穩定的110 V電源，蓄電池同時接受110 V電壓浮充電。在降弓情況下，蓄電池供機車作低壓試驗和照明用。在機車運行中過分相主斷路器分斷時，機車控制電路完全依靠蓄電池供電，蓄電池向控制電路供電，保證控制電路正常工作。

2 存在問題

2.1 蓄電池與110 V直接并聯

交直電力機車110 V電源常用電路為晶閘管半控橋式整流穩壓電路，電源頻率為50 Hz，電源輸出端含有較大的脈動，蓄電池并聯在輸出端作平滑濾波作用，脈動過電壓消耗在蓄電池上導致了蓄電池發熱加劇。溫度升高時，蓄電池的極板腐蝕將加劇，同時將消耗更多的水，從而使電池壽命縮短。

蓄電池與110 V直接并聯對蓄電池的充電帶來較大問題。蓄電池電壓較低，同時110 V電源負荷較輕時，會產生較大的充電電流。由于閥控鉛酸蓄電池采用貧液設計，電池中灌注的電解液都吸附在玻璃纖維板上，當充電電流增大時，就需要通過安全閥來釋放氣體，因而造成了蓄電池失水、內阻增大、容量衰減并在充電過程中產生大量的熱量，這些熱量如來不及擴散使溫度劇增，就會形成熱失控。在熱失控嚴重的情況下如果放電，有可能使蓄電池瞬間電壓驟降和蓄電池殼體溫度上升至70～80℃。

以HXD3機車為例，110 V電源裝置的輸出容量是在25℃時為55 A，而機車的控制系統正常工作時需要30 A以上的電流，因此一旦蓄電池發生虧電后，再次充電的開始時充電電流往往也大于30 A，所以也會造成PSU的輸出保護，或者110 V電源裝置始終工作在限流區內，造成裝置的損壞。110 V電源負荷較重時，110 V電源輸出特性為限流恒壓，在輸出電流大于55 A時候，輸出電壓下降，110 V電源電路過流保護，使蓄電池得不到足夠的充電電流，電池長期處于虧電狀態下而極板硫化失效。110 V電源電路長期工作在過流狀態下而損壞。

蓄電池長期與110 V電源并聯，工作方式主要是浮充工作制，110 V電壓不能完全滿足對蓄電池組最佳浮充電壓的要求。以HXD3機車一組49個電池，溫度補償為－3mV/℃為例，可計算得表1數據。

表1 環境溫度和充電電壓對照表

由表1中數據可知，在環境溫度較高時，110 V輸出電壓與蓄電池預期的浮充電壓有較大的差距。環境溫度越高，110 V電源電壓和蓄電池的要求浮充電壓的差值越大，充電電流也越大；蓄電池在高溫下長期處于過充狀態，電池工作在浮充下過充狀態時，沒有純化學反應，幾乎所有過充的能量都轉化成熱能。當再化合反應熱量升高率超過了散熱率，電池的溫度就會升高并且需要更大的電流來維持浮充電壓。而額外的電流又引起更多的化合反應和熱量產生，從而進一步使電流溫度升高，并如此往復。這種純效應加速電池干涸和內部壓力的升高，嚴重時會造成電池熔化或爆炸起火。而在蓄電池低溫下則長期處于欠充狀態，極柵外露，板柵腐蝕加速，使板柵變薄，加速電池的腐蝕，影響蓄電池的壽命。

2.2 蓄電池缺少相應的保護裝置

蓄電池只有一個簡單的電壓表，根據電壓簡單來判定蓄電池的工作狀態，容易發生錯誤判斷。很多時候，蓄電池過放電時，沒有明顯的警示標志，機車蓄電池在虧電狀態下出庫，短時間運行下不能得到充分的充電，蓄電池的輸出達不到控制電路所需電流，蓄電池電壓快速下降導致控制電路失電。

2.3 蓄電池工作環境極差

大部分機車的電源柜位于機車內部，夏天機車運行時溫度很高。以南京東機務段配屬的HXD3機車為例，經夏季現場檢測，電源柜溫度高達60℃以上。環境溫度過高對閥控蓄電池使用壽命的影響很大。溫度升高時，蓄電池的極板腐蝕將加劇，同時將消耗更多的水，從而使電池壽命縮短。環境溫度升高，使充入電流陡升，氣體再化合效率隨充電電流增大而變小，如圖1所示，在0.05C時復合率為90%，當電流在0.1C時，氣體再化合效率近似為零。由于過充電將使產生的氣體不可能完全被再化合，從而引起電池內部壓力增加，當到達一定壓力時，安全閥打開，氫氣和氧氣逸出，同時帶出酸霧，消耗了有限的電解液，導致電池容量下降或早期失效。其次，在長期過充電狀態下，H+增加，從而導致正極附近酸度增加，板柵腐蝕加速，使板柵變薄，加速電池的腐蝕，使電池容量降低，從而影響蓄電池的壽命。

圖1 充電電壓和氣體吸收效率間的關系

3 改進措施

3.1 改進110 V電源電路

淘汰常用晶閘管移相穩壓電路，改為比較成熟的高頻逆變電源，給控制電路供電，減少電源的波紋系數，改善電源的響應速度。由于蓄電池預期的浮充電壓隨環境溫度變化而變化，與110 V電源輸出電壓不能匹配，可以考慮用如下兩個方法來解決。110 V電源與蓄電池隔離，110 V電源不再承擔蓄電池的充電功能。增加單獨的蓄電池充電電路，蓄電池充電電路選用高質量的高頻開關電源或相控電源，要求具有較低紋波系數、較高穩壓精度和穩流精度。充電方式采用常用的先恒流充電后恒壓再恒流的三段充電式方法，充電電路浮充電壓根據環境溫度進行補償。

3.2 增加保護裝置和檢測模塊

如果電力機車在庫內停留時間過長，或者由于充電電路故障不能給蓄電池充電，蓄電池放電到一定程度，電壓達到設定電壓，保護裝置低電壓警告指示燈亮。

檢測模塊定期對蓄電池進行內阻測試。蓄電池的內阻是反映運行中蓄電池健康狀態的一項重要的參數，內阻值如明顯變化，表明單體電池的性能也發生明顯的變化。在運行中應定期進行測試，當內阻值與基準值偏差超過30%時就要引起注意，應采用容量測試等更精確的措施來確定蓄電池的健康狀態。對蓄電池的電壓過高，內阻過大，個別電池短路、深度放電時個別電池電壓過低等重要故障應能及時檢測并發出告警，以便及時采取措施。電源系統模塊組成如圖2所示。

圖2 電源系統模塊組成

3.3 改善蓄電池工作環境

經過分析可知，高溫是影響蓄電池的壽命的主要因素。由于機車內部發熱單元較多，導致機車運行時內部溫度大大高于外部環境溫度，同時，蓄電池放置于車體內部，其充電過程中產生的酸霧擴散可能腐蝕機車的精密電子模塊，可以考慮把蓄電池放置在機車車體下方，使蓄電池工作環境溫度不大于40℃。

4 實際應用

蓄電池電路通過二極管與110 V電源電路并聯，110 V電源電路輸出和蓄電池相互隔離，在機車過分相時可以做到110 V電源和蓄電池間輸出無縫切換，保證了機車110 V電源電路的可靠性。經過以上措施，將大大改善機車110 V電源系統的工作狀況，徹底改變蓄電池的工作狀態，大大延長蓄電池的使用壽命，達到降低電力機車蓄電池的故障率，提高機車運用可靠性的目的。