廣州地鐵五號線車輛蓄電池欠壓保護(hù)電路分析及改進(jìn)方案

韋義林

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510380）

0 引言

地鐵車輛蓄電池是車輛輔助供電系統(tǒng)設(shè)備的一部分，主要用于在列車啟動前激活列車[1]，在輔助逆變器工作后對110 V控制電源起濾波作用，以降低控制電源的紋波系數(shù)，提高控制電源的品質(zhì)。在列車因故障而失去高壓或輔助逆變器故障的緊急情況下，蓄電池將為應(yīng)急照明、緊急通風(fēng)以及所有與安全有關(guān)的控制系統(tǒng)的緊急負(fù)載提供供電[2]。由于蓄電池在列車控制中是不可或缺的重要的供電設(shè)備，因此在車輛輔助系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計者對蓄電池控制電路增加欠壓保護(hù)措施以保障蓄電池的性能，保障蓄電池的供電可靠性。城軌車輛目前主要采用鎘鎳蓄電池[3]，在緊急狀況下，蓄電池的供電時間的長短以及供電過程中的可靠性直接關(guān)系到列車正線運(yùn)營的安全[4-6]，因此需定期測試。廣州地鐵五號線地鐵車輛在進(jìn)行蓄電池供電時長進(jìn)行試驗時，發(fā)現(xiàn)欠壓保護(hù)失效。本文主要針對蓄電池欠壓保護(hù)失效現(xiàn)象進(jìn)行分析并給出改進(jìn)方案。

1 列車蓄電池及供電時長試驗

廣州地鐵五號線列車為六節(jié)編組，編組形式為-A+B+B1+B2=B3+A-。根據(jù)此形式分為三個單元，每個單元含一個蓄電池組給全列車供電，分別安裝在B車、B1車和B3車。

根據(jù)列車的設(shè)計需求，列車在無網(wǎng)壓輸入時，全列車蓄電池的容量能夠供給列車全部緊急照明、外部車燈、通信設(shè)備（包括列車廣播、車輛無線電等）、開關(guān)門一次、緊急通風(fēng)等負(fù)載工作45分鐘。當(dāng)網(wǎng)壓恢復(fù)時，蓄電池輸出能保證輔助逆變器的起動。為避免蓄電池在運(yùn)用中出現(xiàn)過放電而損壞，在蓄電池控制中加入施密特的欠壓繼電器，在電壓降到83 V以下后切斷負(fù)載。

蓄電池供電時長試驗，用于驗證蓄電池在無充電情況下，蓄電池是否能滿足應(yīng)急負(fù)載工作45分鐘以上欠壓繼電器才失電。此項試驗在列車檢修中進(jìn)行，首先利用SIV輔助逆變器將蓄電池電量充滿，然后將高壓斷開使SIV停止工作，讓蓄電池作為應(yīng)急電源單獨(dú)工作。

2 蓄電池欠壓保護(hù)失效情況

在對廣州地鐵五號線023024車進(jìn)行蓄電池應(yīng)急供電時長試驗中，檢修人員發(fā)現(xiàn)在蓄電池電壓持續(xù)消耗48分34秒后，其B車在工作電壓到達(dá)83 V欠壓繼電器失電，隨后其他兩個繼電器沒有出現(xiàn)跳斷，B1車和B3車的蓄電池電壓快速下降，兩蓄電池組承擔(dān)原來三個蓄電池組的輸出電流，并且無停止放電跡象。為避免出現(xiàn)蓄電池虧電現(xiàn)象，重新將受電弓升起，利用SIV對蓄電池進(jìn)行充電。

為分析蓄電池欠壓保護(hù)出現(xiàn)此異常現(xiàn)象的原因，下面給出SIV停止工作45至50分鐘的蓄電池組輸出數(shù)據(jù)如表1，以及三組蓄電池的輸出特性曲線如圖1。

表1 023034車蓄電池組輸出數(shù)據(jù)

3 電路工作原理及失效原因分析

3.1 蓄電池欠壓保護(hù)原理

圖1 023024車蓄電池供電特性曲線

廣州地鐵五號線使用排氣式鎳鎘堿性蓄電池，每組蓄電池由13個蓄電池單體構(gòu)成，每個蓄電池單體由6節(jié)構(gòu)成公稱電壓是7.2 V。根據(jù)鎳鎘電池的放電終止電壓和放電速率的關(guān)系，蓄電池單體理論上的放電終止電壓為1 V[8]。為了防止蓄電池過放電，設(shè)計人員將蓄電池組的保護(hù)電壓設(shè)置為83 V。蓄電池欠壓保護(hù)電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，三組蓄電池A、B、C向蓄電池控制回路送電，KC1為欠壓繼電器，通過蓄電池投入控制線的母線電壓大小來實(shí)現(xiàn)繼電器的控制，欠壓繼電器觸點(diǎn)控制蓄電池接觸器控制開關(guān)的得電與失電，來接通和切斷蓄電池和負(fù)載的聯(lián)系。

圖2 蓄電池欠壓保護(hù)電路

3.2 失效原因分析

欠壓繼電器的工作原理為當(dāng)線圈電壓低于截止值Uoff后，觸點(diǎn)斷開，直到線圈兩端電壓再次達(dá)到導(dǎo)通值Uon后，觸點(diǎn)吸合。在廣州地鐵五號線蓄電池采用施密特的UMD-81-KC欠壓繼電器，其截止值Uoff=83 V，導(dǎo)通值Uon=91 V。

從上述的表1中可以看出，023024車B車的蓄電池是在83 V以后切斷負(fù)載的。在蓄電池控制回路中的三個欠壓繼電器采集的同一電壓值，原則上是三個設(shè)置相同欠壓值的繼電器應(yīng)同時切斷所屬蓄電池負(fù)載，但實(shí)際上列車上的繼電器沒有同時斷開。檢查欠壓繼電器發(fā)現(xiàn)其狀態(tài)良好，但是每個欠壓繼電器失電臨界點(diǎn)存在差值，這是導(dǎo)致三個欠壓繼電器不能同步失電斷開的原因。根據(jù)蓄電池的輸出特性，在切斷負(fù)載后蓄電池的電壓回升，B車蓄電池電壓回升至88 V給電池投入控制的母線供電。此時其余兩個沒有跳開的繼電器檢測到的電壓值始終大于83 V，因此無法切斷所屬蓄電池的負(fù)責(zé)導(dǎo)致蓄電池出現(xiàn)過放電的情況。

因此列車三個欠壓繼電器監(jiān)控同一母線，但繼電器斷開臨界點(diǎn)不一致是導(dǎo)致列車欠壓保護(hù)回路失效的原因，最終造成蓄電池過放電，為避免此情況需制定切實(shí)有效的保護(hù)措施。

4 改進(jìn)方案

列車蓄電池系統(tǒng)在欠壓保護(hù)失效后無法斷開負(fù)載，導(dǎo)致蓄電池持續(xù)供電而造成過放電。蓄電池過放電是導(dǎo)致蓄電池提前損壞或報廢的直接原因，同時也直接影響儀器使用壽命[7]。要解決這個問題，就必須使蓄電池端電壓達(dá)到放電終止電壓時，停止放電[8]。

廣州地鐵五號線列車蓄電池欠壓保護(hù)失效的原因有兩點(diǎn)：一是欠壓繼電器的截止電壓不一致；二是欠壓繼電器監(jiān)控的為控制回路，而非所屬單元蓄電池電壓。本章將主要針對這兩種原因，提出改進(jìn)方案，以杜絕因人為操作失誤造成的蓄電池欠壓虧電。

4.1 繼電器換型

目前廣州地鐵五號線使用的繼電器為免維護(hù)的欠壓繼電器，檢修人員無法對其欠壓值進(jìn)行調(diào)整。由于欠壓繼電器的設(shè)計誤差，導(dǎo)致其不同批次的繼電器的欠壓值存在差異。如果將欠壓值存在差異的繼電器安裝到同一列車上，就會造成三個繼電器對同一電壓值進(jìn)行檢測卻不能同時斷開的故障。

針對現(xiàn)車的電路設(shè)計，為避免繼電器的設(shè)計誤差給欠壓保護(hù)造成的影響，需更換為可調(diào)節(jié)的欠壓繼電器。在日常檢修過程中，檢修人員可通過對欠壓保護(hù)值進(jìn)行校準(zhǔn)，保證同一列車的欠壓繼電器欠壓值為同一值。

4.2 電路設(shè)計改進(jìn)

現(xiàn)有的電路設(shè)計中蓄電池欠壓繼電器電壓采集存在設(shè)計缺陷，需進(jìn)行電路改造，以達(dá)到欠壓繼電器監(jiān)控各單元蓄電池電壓。改進(jìn)后的控制電路如圖3所示，在原有的基礎(chǔ)上增加一個常規(guī)繼電器。在進(jìn)行改造后，通過蓄電池激活開關(guān)SC5投入，新增繼電器的觸點(diǎn)將各單元蓄電池輸出端與所屬的欠壓繼電器相連接，欠壓繼電器開始進(jìn)行蓄電池電壓的監(jiān)控。若蓄電池電壓滿足欠壓繼電器的要求時，欠壓繼電器觸點(diǎn)將閉合使QC1接觸器的線圈得電，從而控制負(fù)載輸出。

圖3 改進(jìn)方案

5 結(jié)論

蓄電池在列車上起著至關(guān)重要的作用，是地鐵車輛的安全關(guān)鍵點(diǎn)。本文主要對廣州地鐵五號線車輛蓄電池的欠壓保護(hù)工作原理及失效原因進(jìn)行分析，并給出防止因繼電器內(nèi)部欠壓保護(hù)值的偏差而導(dǎo)致的失效的改進(jìn)方案。兩種方案在廣州地鐵五號線現(xiàn)有列車上進(jìn)行驗證，均能有效的實(shí)現(xiàn)列車蓄電池在低于欠壓設(shè)計值83 V后斷開負(fù)載。改進(jìn)后的電路能有效的避免蓄電池過放電導(dǎo)致蓄電池性能降低、壽命縮短甚至損壞。

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