地鐵車輛蓄電池典型故障分析及優化整改措施

代 磊

(西安市軌道交通集團有限公司運營分公司 陜西 西安 710016)

0 引言

蓄電池作為列車的應急電源，其重要性不言而喻。為保障運營安全，在失去接觸網供電的情況下，蓄電池可為電客車提供45 min緊急負載，包括客室的緊急通風、乘客信息系統、司機室的通信監控功能等[1]。列車在正線運營的時候，若發生受電弓意外降下且蓄電池也無法投入使用的情況，會引發乘客恐慌或造成踩踏事件，嚴重時會導致乘客窒息并造成人員傷亡，對地鐵運營造成難以預估的負面影響。因此，蓄電池檢修經驗的積累以及優化，對于地鐵運營安全至關重要。

1 蓄電池工作原理及結構

蓄電池是充電后將電能轉化為化學能，放電時將化學能轉化為電能，通過可逆的化學反應實現電能與化學能轉換的儲能設備。

西安地鐵二號線每列車配備2個蓄電池箱，位于Tc車(帶司機室的拖車)下，用以裝載蓄電池組。蓄電池組由78個固定式鎳鎘蓄電池單體串聯組成(FNC 160，F—Fiber N—Ni C—Cd；160—容量為160 Ah)，蓄電池單體電解液為氫氧化鉀溶液，屬于堿性蓄電池。78個蓄電池單體又分為42個單體和36個單體組成的兩個蓄電池小車，單體與單體之間用短連片連接。每個蓄電池單體的結構分別由加液塞、正極柱、負極柱、外殼、蓋板、正極耳、負極耳、正極板、負極板組成，如圖1所示。

圖1 蓄電池結構示意圖

2 蓄電池典型故障分析

自西安地鐵開通運營以來，在鎳鎘蓄電池的實際檢修維護過程中，檢修人員發現多起蓄電池故障，有常見的共性現象，也有偶發性的故障。較為典型的有電解液失水、燒蝕、爬堿、單體電壓不均，機械方面存在單體瓶蓋與接線支座干涉的問題。針對這5類問題，進行故障原因及影響分析。

(1)電解液失水

導致蓄電池電解液失水的原因可能有兩個方面：一是蓄電池單體外殼破損引發漏液，導致蓄電池液面降低；二是由于該類型蓄電池為非封閉式，充電過程是將電能儲存為化學能，該過程在一定程度上會電解水分子產生氫氣和氧氣，且隨著蓄電池溫度升高，水分會蒸發，造成電解液水分流失。

(2)燒蝕

由于蓄電池的長期使用，內部正負極板間的絕緣性能下降嚴重，出現短路，瞬間的大電流發熱導致極板和外殼被燒蝕，整組蓄電池功能失效，嚴重者出現大量漏液，蓄電池單體電解液干涸，導致蓄電池單體溫度過高燒灼、內部支架坍塌，并燒毀相關線路，使列車無法正常啟動，甚至引發列車火災，并伴隨濃煙，造成不可挽回的嚴重運營安全事故。

(3)爬堿

由于車輛的運行工況非完全平穩狀態，過彎道時車輛發生側傾，若蓄電池液面過高則會發生電解液溢出，干涸后堿性物質附著于氣閥上；另一方面蓄電池在進行充放電的過程中電解液可能沸騰，蒸汽附著于氣閥上，干涸后堿性物質附著于氣閥上，以上兩種情況均會導致爬堿現象的出現，如圖2所示，該現象會降低單體電解液密度，導致單體電壓不均，嚴重者可能引發蓄電池短路隱患。

圖2 單體爬堿

(4)單體電壓不均

由于蓄電池在多次充放電后各單體容量、內阻、電解液比重等均會有不同，各單體極板上活性物質狀態不同，在長時間靜置后仍不能恢復，導致蓄電池單體電壓不均。電壓較高的單體會使得其內部電解水的能力高于其他單體，電解水反應放出的熱量高于電極反應放出的熱量，使得蓄電池組整體溫度上升，同時造成的單體液面下降也越多。

(5)單體瓶蓋與接線支座干涉

二號線蓄電池箱內部存在單體瓶蓋與接線支座干涉問題，導致每組蓄電池有1～2個單體瓶蓋正常無法打開，對檢修造成困難。部分單體液面無法測量，無法確定其電解液失水程度以及液面高度，對電客車運營造成一定的風險。

3 蓄電池日常維護現狀

為了避免上述問題的出現，在蓄電池的檢修過程中，檢修人員嚴格按照廠家提供的維護方法進行檢修。目前進行的主要維保措施有外觀檢查、蓄電池單體液面測量、單體及蓄電池組電壓、絕緣阻值測量、蓄電池能力測試等。

(1)外觀檢查。

蓄電池外觀檢查主要包括箱體內部檢查和蓄電池托盤、 導軌的檢查， 箱體內部檢查主要是拆下蓄電池單體上的防護罩， 確認其無破損， 目視蓄電池單體之間的接線板無腐蝕，表面有無漏液、 爬堿等異常情況； 蓄電池托盤、 導軌的檢查主要是手動試拉蓄電池托盤， 檢查電池盤、 導輪運行良好， 蝴蝶鎖功能良好。

(2)蓄電池單體液面測量。

在日常修程中進行單體液面測量，可以有效防止單體電解液燒干、短路等情況。蓄電池單體外殼標有MAX刻度線，測試管上刻有與MAX平齊的刻線，測量時用測試管伸至底部，在單體液面高于極板20～40 mm的范圍時，如果液面低于極板以上20 mm處，應加注蒸餾水至極板以上35～40 mm范圍。

(3)單體及蓄電池組電壓、絕緣阻值測量。

用數字萬用表接觸單體正負極的端子進行電壓測量，該措施可有效避免單體電壓不均的情況出現。測蓄電池組電壓時分別測兩組蓄電池小車電壓然后相加，單體電壓與平均電壓(平均電壓為蓄電池組電壓除以單體個數)的偏差要求在50 mV之內；用絕緣電阻測試儀或者搖表，在500 V電壓下測量蓄電池組與蓄電池小車之間的電阻不小于2 MΩ。

(4)蓄電池能力測試。

在升弓狀態下，將空調設置為通風模式，客室照明打開，隨后降弓，確認無高壓后按下控制柜中的EPSB應急電源啟動按鈕，確認應急照明與應急通風正常開啟并維持45 min以上，保證兩端蓄電池的容量滿足列車應急時的規定需求。蓄電池能力正常，可確保在正線發生高壓故障情況下，提供應急通風、應急照明、應急廣播以及開關門一次，保證乘客的生命安全。

4 蓄電池維保優化措施

基于上述的日常維保措施，為了提高蓄電池的使用壽命及可靠度，降低電客車運營風險，在檢修中采取了以下優化措施，對維保策略進行調整。

(1)對蓄電池箱接線支座進行改造

針對二號線車輛蓄電池箱內的接線支座阻擋蓄電池單體瓶蓋問題，對接線支座進行改造，將小車所有支架原來長度為81 mm的管接頭槽切掉，改為一個長度為51 mm的管接頭槽，采用螺栓連接固定，管接頭槽實際縮短30 mm，有效地避免了蓄電池上方管接頭槽的遮擋，如圖3所示。改造完成后，蓄電池接線支座下部的單體瓶蓋可完全打開及關閉，為檢修工作提供了便利，進一步保障了電客車的運營安全。

圖3 蓄電池箱接線支座改造示意圖

(2)維保周期優化

根據鎳鎘蓄電池的使用情況，在檢修過程中注意以下事項：①持續開展以3個月為周期的常規檢查，例如外觀檢查、測量單體液面高度、電壓以及溫度，以避免失水、燒蝕、爬堿等情況出現；②每年進行一次調試性充放電，蓄電池長時間存放，會發生自放電現象，導致蓄電池容量不滿足使用要求，因此需要進行調試性充放電以確保使用時的狀態；③每3年進行一次深度清潔以及蓄電池容量測試，有利于蓄電池容量和壽命的提升，更為檢修人員掌握蓄電池的狀態提供了數據參考。

(3)設置跟蹤周期

常規的維保無法兼顧到每一塊蓄電池單體，在蓄電池的使用中不能排除個別單體由于受到某種外部因素導致的損傷，同時在出廠時個別單體的質量問題未被發現，而在后期的使用中才會暴露出來。針對該情況，檢修人員在日常維保中發現此類問題后，進行跟蹤觀察，跟蹤周期設置為15～30天，期間加大跟蹤密度，直至完全排除單體故障或者對單體進行更換。

(4)增設周轉備件

受運營前期預想不足、備件采購周期長等因素影響，目前二號線車輛僅有1組蓄電池周轉備件，故障時整組進行更換，以避免僅更換單體而不做均衡性處理對蓄電池性能造成損傷。為提高電客車運用情況，計劃將二號線車輛周轉備件數量增加至3組，兩組用于容量恢復時周轉件的使用，另一組蓄電池作為故障替換件，在日常維護中發現個別單體過分耗水或電壓不均時直接替換，將故障件統一收集以便進行深度維護。

5 結束語

通過以上措施，提高了檢修效率以及蓄電池的使用壽命和可靠度，為電客車的平安運營提供了有力的保障[2]。 后期對蓄電池的維保管理思路主要從以下2個方面展開：

(1)為了便于蓄電池的充放電維護，降低備件儲備，考慮將蓄電池組在公司范圍內集中管理，統一充放電，備件集中儲備，問題蓄電池集中容量恢復，報廢蓄電池集中處理；

(2)考慮將蓄電池進行在線監測，對蓄電池溫度、單體電壓、內阻、液面高度進行實時監測，使設備可以提示蓄電池正常或故障，縮短檢修工作時間，降低檢修工作的安全隱患，提高蓄電池監測的精準度。