牽引蓄電池工程車庫內充電插座燒損故障分析及解決措施

(中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412001)

0 引言

中國鐵路已實現跨越式發展，機車、動車組、地鐵車輛等已成功實現了向電力牽引模式的轉換，與之配套的調車機車也將不可逆轉地向環保型的電力牽引型車輛轉換。蓄電池電力機車是軌道工程車領域的一名后起之秀，近幾年來獲得了快速發展，其主要的技術特點之一利用牽引蓄電池作為整車儲備電源，在接觸網不供電的情況下，為整車提供牽引力。

而目前，國內外有關牽引蓄電池工程車在其庫內充電過程中頻繁地出現庫內插座燒損事件，導致牽引蓄電池不能正常地進行充電，從而影響其牽引力的發揮作用。因此，如何保障牽引蓄電池工程車在庫內充電過程中庫內插座不被燒損，實現其正常的充放電，將顯得尤為重要。

本文基于某工程車牽引蓄電池庫內充電電路結構，分析其結構特點，找出其庫內充電插座易燒損原因。為防止該工程車庫內充電插座發生燒損，結合其易發生庫內充電插座燒損故障原因分析，優化該工程車庫內充電電路結構，并對其優化后的電路結構特點進行說明。

1 關于某工程車的庫內充電插座易燒損故障分析

經分析大多數庫內插座、插頭燒損事件原因，最終均是基于庫內充電電源所提供的輸入電流大于庫內插座所能承受的最大電流。本文將結合具體地牽引蓄電池庫內充電電路結構，對其進行分析。選取某工程車庫內充電電路方案為例，其電路結構圖如圖1所示。

圖1某工程車牽引蓄電池庫內充電電路圖

在庫內充電模式下，庫內AC380 V電源經過庫內充電插座、牽引蓄電池斬波充電模塊、接觸器向牽引蓄電池充電。

根據圖1可知，庫內電源所提供的輸入電流主要應用于輔助負載供電和牽引蓄電池充電，其中I1表示給定的庫內電源輸入電流值，I2表示提供給牽引蓄電池充電電流值，I3表示提供給輔助負載電流值，P2表示提供給牽引蓄電池充電功率值，P3表示提供給輔助負載功率值。從圖1中可以看出：

I3+I2=I1

(1)

而目前某工程車庫內電源輸入功率不做限制，庫內充電插座最大限流值125 A。為保證庫內插座不被燒損，其重點需考慮到牽引蓄電池充電功率最大情況下，即電流I2 max與輔助負載電流I3之和要小于或等于庫內插座最大限流值125 A。因此需確定牽引蓄電池充電電流I2 max與輔助負載電流I3的大小。

1.1 牽引蓄電池最大充電電流值計算

牽引蓄電池由第三軌或庫內電源供電時，一般利用牽引蓄電池充電機對蓄電池進行充電，其正常充電過程中包括3個階段：恒流充電階段、恒壓充電階段、浮充充電階段。其曲線變化如圖2所示。

圖2 牽引蓄電池庫內充電曲線

1)恒流充電階段：充電機工作后進入充電狀態或蓄電池放電狀態進入充電狀態后，首先采用IL1限流充電，充電電流被限制在≤IL1的范圍內，充電機輸出電壓上升。

2)恒壓充電階段：當充電機輸出電壓上升到UL1時，維持在UL1，蓄電池的充電電流開始下降。

3)浮充充電階段：當電流下降到IL2時，充電機輸出電壓跳轉到浮充電壓UL2，進入蓄電池的浮充狀態。

4)其他：維持IL1的時間不應超過tL1，維持UL1的時間不超過tL2，當充電時間超過規定閥值時，充電機停止輸出。

結合某型牽引蓄電池工程車，其采用的蓄電池為鉛酸電池，具體充電曲線如圖3所示。

根據圖3可知，當牽引蓄電池充電功率最大時，牽引蓄電池最大充電電流值為64 A，蓄電池單體最大電壓值為2.35 V，此時I2值也將最大。一般牽引蓄電池充電機效率、變壓器效率系數在0.8～1，我們選取系數為0.9 ，牽引蓄電池單體個數為392。經計算可知：

圖3 原牽引蓄電池庫內充電曲線

1.2 輔助負載電流值計算

其中廈門1號線庫內充電過程中時，操作手冊中要求關閉以下輔助負載：平車供電、壓縮機、暖風機、窗加熱、五孔插座。但仍需要考慮的輔助負載見表1。

表1 庫內充電時必須考慮的輔助負載計算

根據表中結果可知輔助負載消耗的功率約10kW。

因此可計算出

1.3 庫內充電插座易燒損故障分析

根據前面對牽引蓄電池最大充電電流值、輔助負載電流值的計算結果，可知：

I1 max=I2 max+I3=110.6+16.9=127.5

因此可得I1 max=127.5≥125，即該時刻庫內電源輸入電流值大于庫內插座最大限流值125 A，因為時間較短并不會造成庫內插座燒損，因此設計上也是可接受的；但如果在牽引蓄電池充電功率較大時刻，輔助負載中空調等其他負載工作，I3值將增大，導致I1值將有可能較長時間大于125 A，造成庫內充電插座燒損。降至56 A。

2 某工程車庫內充電電路優化設計

結合前面對某工程車的庫內充電插座易燒損的原因分析，以該工程車庫內充電電路為例，在其設計過程中做了更進一步的優化設計，其電路結構如圖4所示。

圖4 某工程車優化后的庫內充電電路結構圖

根據圖4可知，某工程車在其庫內充電電路結構上進一步優化設計的主要內容有以下幾項。

1)某工程車庫內充電輸入遷至輔助負載前端。

2)同時在庫內充電插座與輔助負載間，增加了輔助負載功率監測電流傳感器，其目的可實時計算出輔助負載所消耗功率大小。

3)利用監測出的輔助負載消耗功率大小，結合公式(1)，可計算出最大允許充電功率/電流。

4)進而可利用牽引蓄電池充電機對充電功率/電流進行可控調節。

根據前面某工程車最大限流值為125 A，結合某工程車庫內充電電路優化后的設計，即在該工程車庫內充電插座與輔助負載間，增加了輔助負載監測電流傳感器，可實時測出輔助負載電流值I3，因此可計算出牽引蓄電池允許的充電電流值I2。如下所示：

I2 MAX+I3≤125

(2)

I2 MAX≤125-I3

(3)

根據公式(3)中牽引蓄電池允許的最大充電電流值I2 MAX≤125-I3，其中I3可進行實時測算出，且因輔助負載中控制蓄電池充電機等功率會具有變化性，從而測出的I3值也會實時發生的變化，最終I2MAX也會進行相應改變，并能實時測算出來。

3 結語

本文針對某工程車牽引蓄電池庫內充電電路結構，分析其結構特點，認為造成其燒損原因為輔助負載與蓄電池充電機所消耗的電流量大于庫內插座最大限流值是其庫內插座燒損原因之一。結合該工程車電路結構特點，進行了針對性的優化，在庫內插座與輔助負載間加入了電流傳感器，起到對庫內電源輸入電流進行監控，當檢測電流過大時，可采取關閉部分輔助負載等相應措施以降低流經庫內插座中的電流，防止庫內插座燒損，進而可保證牽引蓄電池進行正常地庫內充電作用。