电力机车110V控制电源系统存在问题与改进措施

俞 伟 上海铁路局杭州职工培训基地

近年来，随着铁路电气化建设的快速发展，电力机车在铁路牵引运输中所占的比重不断提高，对电力机车各系统运行可靠性提出了更高的要求，通过对运用中出现设备故障问题的深入分析，不断提出技术改进措施，并在实践中检验完善，是提高机车设备质量的有效途径。

电力机车蓄电池故障引发的控制电源故障，在近几年的电车机车使用中出现的频率相对较高，机车控制电源出现故障，轻则引起故障警告，重则导致机破，对铁路运输安全畅通影响较大。以南京东机务段HXD3为例，2008年就发生了110 V电源故障和蓄电池亏电故障42件，其中包括110 V电源故障19件，蓄电池亏电故障23件。目前电力机车用蓄电池为阀控密封式铅酸蓄电池，具有体积小、使用安全性高、放电性能好、维护量小等特点，很多人称其为免维护电池，设计寿命一般大于5年，最长可以达到20年以上，可为什么在使用过程中会频繁发生蓄电池的早期失效损坏呢？

1 系统现状

电力机车用110 V电源系统一般由110 V电源电路和蓄电池组组成，蓄电池组直接与110 V电源并联，工作方式主要是浮充工作制。机车正常运行情况下，电源电路为机车提供稳定的110 V电源，蓄电池同时接受110 V电压浮充电。在降弓情况下，蓄电池供机车作低压试验和照明用。在机车运行中过分相主断路器分断时，机车控制电路完全依靠蓄电池供电，蓄电池向控制电路供电，保证控制电路正常工作。

2 存在问题

2.1 蓄电池与110 V直接并联

交直电力机车110 V电源常用电路为晶闸管半控桥式整流稳压电路，电源频率为50 Hz，电源输出端含有较大的脉动，蓄电池并联在输出端作平滑滤波作用，脉动过电压消耗在蓄电池上导致了蓄电池发热加剧。温度升高时，蓄电池的极板腐蚀将加剧，同时将消耗更多的水，从而使电池寿命缩短。

蓄电池与110 V直接并联对蓄电池的充电带来较大问题。蓄电池电压较低，同时110 V电源负荷较轻时，会产生较大的充电电流。由于阀控铅酸蓄电池采用贫液设计，电池中灌注的电解液都吸附在玻璃纤维板上，当充电电流增大时，就需要通过安全阀来释放气体，因而造成了蓄电池失水、内阻增大、容量衰减并在充电过程中产生大量的热量，这些热量如来不及扩散使温度剧增，就会形成热失控。在热失控严重的情况下如果放电，有可能使蓄电池瞬间电压骤降和蓄电池壳体温度上升至70～80℃。

以HXD3机车为例，110 V电源装置的输出容量是在25℃时为55 A，而机车的控制系统正常工作时需要30 A以上的电流，因此一旦蓄电池发生亏电后，再次充电的开始时充电电流往往也大于30 A，所以也会造成PSU的输出保护，或者110 V电源装置始终工作在限流区内，造成装置的损坏。110 V电源负荷较重时，110 V电源输出特性为限流恒压，在输出电流大于55 A时候，输出电压下降，110 V电源电路过流保护，使蓄电池得不到足够的充电电流，电池长期处于亏电状态下而极板硫化失效。110 V电源电路长期工作在过流状态下而损坏。

蓄电池长期与110 V电源并联，工作方式主要是浮充工作制，110 V电压不能完全满足对蓄电池组最佳浮充电压的要求。以HXD3机车一组49个电池，温度补偿为－3mV/℃为例，可计算得表1数据。

表1 环境温度和充电电压对照表

由表1中数据可知，在环境温度较高时，110 V输出电压与蓄电池预期的浮充电压有较大的差距。环境温度越高，110 V电源电压和蓄电池的要求浮充电压的差值越大，充电电流也越大；蓄电池在高温下长期处于过充状态，电池工作在浮充下过充状态时，没有纯化学反应，几乎所有过充的能量都转化成热能。当再化合反应热量升高率超过了散热率，电池的温度就会升高并且需要更大的电流来维持浮充电压。而额外的电流又引起更多的化合反应和热量产生，从而进一步使电流温度升高，并如此往复。这种纯效应加速电池干涸和内部压力的升高，严重时会造成电池熔化或爆炸起火。而在蓄电池低温下则长期处于欠充状态，极栅外露，板栅腐蚀加速，使板栅变薄，加速电池的腐蚀，影响蓄电池的寿命。

2.2 蓄电池缺少相应的保护装置

蓄电池只有一个简单的电压表，根据电压简单来判定蓄电池的工作状态，容易发生错误判断。很多时候，蓄电池过放电时，没有明显的警示标志，机车蓄电池在亏电状态下出库，短时间运行下不能得到充分的充电，蓄电池的输出达不到控制电路所需电流，蓄电池电压快速下降导致控制电路失电。

2.3 蓄电池工作环境极差

大部分机车的电源柜位于机车内部，夏天机车运行时温度很高。以南京东机务段配属的HXD3机车为例，经夏季现场检测，电源柜温度高达60℃以上。环境温度过高对阀控蓄电池使用寿命的影响很大。温度升高时，蓄电池的极板腐蚀将加剧，同时将消耗更多的水，从而使电池寿命缩短。环境温度升高，使充入电流陡升，气体再化合效率随充电电流增大而变小，如图1所示，在0.05C时复合率为90%，当电流在0.1C时，气体再化合效率近似为零。由于过充电将使产生的气体不可能完全被再化合，从而引起电池内部压力增加，当到达一定压力时，安全阀打开，氢气和氧气逸出，同时带出酸雾，消耗了有限的电解液，导致电池容量下降或早期失效。其次，在长期过充电状态下，H+增加，从而导致正极附近酸度增加，板栅腐蚀加速，使板栅变薄，加速电池的腐蚀，使电池容量降低，从而影响蓄电池的寿命。

图1 充电电压和气体吸收效率间的关系

3 改进措施

3.1 改进110 V电源电路

淘汰常用晶闸管移相稳压电路，改为比较成熟的高频逆变电源，给控制电路供电，减少电源的波纹系数，改善电源的响应速度。由于蓄电池预期的浮充电压随环境温度变化而变化，与110 V电源输出电压不能匹配，可以考虑用如下两个方法来解决。110 V电源与蓄电池隔离，110 V电源不再承担蓄电池的充电功能。增加单独的蓄电池充电电路，蓄电池充电电路选用高质量的高频开关电源或相控电源，要求具有较低纹波系数、较高稳压精度和稳流精度。充电方式采用常用的先恒流充电后恒压再恒流的三段充电式方法，充电电路浮充电压根据环境温度进行补偿。

3.2 增加保护装置和检测模块

如果电力机车在库内停留时间过长，或者由于充电电路故障不能给蓄电池充电，蓄电池放电到一定程度，电压达到设定电压，保护装置低电压警告指示灯亮。

检测模块定期对蓄电池进行内阻测试。蓄电池的内阻是反映运行中蓄电池健康状态的一项重要的参数，内阻值如明显变化，表明单体电池的性能也发生明显的变化。在运行中应定期进行测试，当内阻值与基准值偏差超过30%时就要引起注意，应采用容量测试等更精确的措施来确定蓄电池的健康状态。对蓄电池的电压过高，内阻过大，个别电池短路、深度放电时个别电池电压过低等重要故障应能及时检测并发出告警，以便及时采取措施。电源系统模块组成如图2所示。

图2 电源系统模块组成

3.3 改善蓄电池工作环境

经过分析可知，高温是影响蓄电池的寿命的主要因素。由于机车内部发热单元较多，导致机车运行时内部温度大大高于外部环境温度，同时，蓄电池放置于车体内部，其充电过程中产生的酸雾扩散可能腐蚀机车的精密电子模块，可以考虑把蓄电池放置在机车车体下方，使蓄电池工作环境温度不大于40℃。

4 实际应用

蓄电池电路通过二极管与110 V电源电路并联，110 V电源电路输出和蓄电池相互隔离，在机车过分相时可以做到110 V电源和蓄电池间输出无缝切换，保证了机车110 V电源电路的可靠性。经过以上措施，将大大改善机车110 V电源系统的工作状况，彻底改变蓄电池的工作状态，大大延长蓄电池的使用寿命，达到降低电力机车蓄电池的故障率，提高机车运用可靠性的目的。