地铁车辆蓄电池典型故障分析及优化整改措施

代 磊

(西安市轨道交通集团有限公司运营分公司 陕西 西安 710016)

0 引言

蓄电池作为列车的应急电源，其重要性不言而喻。为保障运营安全，在失去接触网供电的情况下，蓄电池可为电客车提供45 min紧急负载，包括客室的紧急通风、乘客信息系统、司机室的通信监控功能等[1]。列车在正线运营的时候，若发生受电弓意外降下且蓄电池也无法投入使用的情况，会引发乘客恐慌或造成踩踏事件，严重时会导致乘客窒息并造成人员伤亡，对地铁运营造成难以预估的负面影响。因此，蓄电池检修经验的积累以及优化，对于地铁运营安全至关重要。

1 蓄电池工作原理及结构

蓄电池是充电后将电能转化为化学能，放电时将化学能转化为电能，通过可逆的化学反应实现电能与化学能转换的储能设备。

西安地铁二号线每列车配备2个蓄电池箱，位于Tc车(带司机室的拖车)下，用以装载蓄电池组。蓄电池组由78个固定式镍镉蓄电池单体串联组成(FNC 160，F—Fiber N—Ni C—Cd；160—容量为160 Ah)，蓄电池单体电解液为氢氧化钾溶液，属于碱性蓄电池。78个蓄电池单体又分为42个单体和36个单体组成的两个蓄电池小车，单体与单体之间用短连片连接。每个蓄电池单体的结构分别由加液塞、正极柱、负极柱、外壳、盖板、正极耳、负极耳、正极板、负极板组成，如图1所示。

图1 蓄电池结构示意图

2 蓄电池典型故障分析

自西安地铁开通运营以来，在镍镉蓄电池的实际检修维护过程中，检修人员发现多起蓄电池故障，有常见的共性现象，也有偶发性的故障。较为典型的有电解液失水、烧蚀、爬碱、单体电压不均，机械方面存在单体瓶盖与接线支座干涉的问题。针对这5类问题，进行故障原因及影响分析。

(1)电解液失水

导致蓄电池电解液失水的原因可能有两个方面：一是蓄电池单体外壳破损引发漏液，导致蓄电池液面降低；二是由于该类型蓄电池为非封闭式，充电过程是将电能储存为化学能，该过程在一定程度上会电解水分子产生氢气和氧气，且随着蓄电池温度升高，水分会蒸发，造成电解液水分流失。

(2)烧蚀

由于蓄电池的长期使用，内部正负极板间的绝缘性能下降严重，出现短路，瞬间的大电流发热导致极板和外壳被烧蚀，整组蓄电池功能失效，严重者出现大量漏液，蓄电池单体电解液干涸，导致蓄电池单体温度过高烧灼、内部支架坍塌，并烧毁相关线路，使列车无法正常启动，甚至引发列车火灾，并伴随浓烟，造成不可挽回的严重运营安全事故。

(3)爬碱

由于车辆的运行工况非完全平稳状态，过弯道时车辆发生侧倾，若蓄电池液面过高则会发生电解液溢出，干涸后碱性物质附着于气阀上；另一方面蓄电池在进行充放电的过程中电解液可能沸腾，蒸汽附着于气阀上，干涸后碱性物质附着于气阀上，以上两种情况均会导致爬碱现象的出现，如图2所示，该现象会降低单体电解液密度，导致单体电压不均，严重者可能引发蓄电池短路隐患。

图2 单体爬碱

(4)单体电压不均

由于蓄电池在多次充放电后各单体容量、内阻、电解液比重等均会有不同，各单体极板上活性物质状态不同，在长时间静置后仍不能恢复，导致蓄电池单体电压不均。电压较高的单体会使得其内部电解水的能力高于其他单体，电解水反应放出的热量高于电极反应放出的热量，使得蓄电池组整体温度上升，同时造成的单体液面下降也越多。

(5)单体瓶盖与接线支座干涉

二号线蓄电池箱内部存在单体瓶盖与接线支座干涉问题，导致每组蓄电池有1～2个单体瓶盖正常无法打开，对检修造成困难。部分单体液面无法测量，无法确定其电解液失水程度以及液面高度，对电客车运营造成一定的风险。

3 蓄电池日常维护现状

为了避免上述问题的出现，在蓄电池的检修过程中，检修人员严格按照厂家提供的维护方法进行检修。目前进行的主要维保措施有外观检查、蓄电池单体液面测量、单体及蓄电池组电压、绝缘阻值测量、蓄电池能力测试等。

(1)外观检查。

蓄电池外观检查主要包括箱体内部检查和蓄电池托盘、 导轨的检查， 箱体内部检查主要是拆下蓄电池单体上的防护罩， 确认其无破损， 目视蓄电池单体之间的接线板无腐蚀，表面有无漏液、 爬碱等异常情况； 蓄电池托盘、 导轨的检查主要是手动试拉蓄电池托盘， 检查电池盘、 导轮运行良好， 蝴蝶锁功能良好。

(2)蓄电池单体液面测量。

在日常修程中进行单体液面测量，可以有效防止单体电解液烧干、短路等情况。蓄电池单体外壳标有MAX刻度线，测试管上刻有与MAX平齐的刻线，测量时用测试管伸至底部，在单体液面高于极板20～40 mm的范围时，如果液面低于极板以上20 mm处，应加注蒸馏水至极板以上35～40 mm范围。

(3)单体及蓄电池组电压、绝缘阻值测量。

用数字万用表接触单体正负极的端子进行电压测量，该措施可有效避免单体电压不均的情况出现。测蓄电池组电压时分别测两组蓄电池小车电压然后相加，单体电压与平均电压(平均电压为蓄电池组电压除以单体个数)的偏差要求在50 mV之内；用绝缘电阻测试仪或者摇表，在500 V电压下测量蓄电池组与蓄电池小车之间的电阻不小于2 MΩ。

(4)蓄电池能力测试。

在升弓状态下，将空调设置为通风模式，客室照明打开，随后降弓，确认无高压后按下控制柜中的EPSB应急电源启动按钮，确认应急照明与应急通风正常开启并维持45 min以上，保证两端蓄电池的容量满足列车应急时的规定需求。蓄电池能力正常，可确保在正线发生高压故障情况下，提供应急通风、应急照明、应急广播以及开关门一次，保证乘客的生命安全。

4 蓄电池维保优化措施

基于上述的日常维保措施，为了提高蓄电池的使用寿命及可靠度，降低电客车运营风险，在检修中采取了以下优化措施，对维保策略进行调整。

(1)对蓄电池箱接线支座进行改造

针对二号线车辆蓄电池箱内的接线支座阻挡蓄电池单体瓶盖问题，对接线支座进行改造，将小车所有支架原来长度为81 mm的管接头槽切掉，改为一个长度为51 mm的管接头槽，采用螺栓连接固定，管接头槽实际缩短30 mm，有效地避免了蓄电池上方管接头槽的遮挡，如图3所示。改造完成后，蓄电池接线支座下部的单体瓶盖可完全打开及关闭，为检修工作提供了便利，进一步保障了电客车的运营安全。

图3 蓄电池箱接线支座改造示意图

(2)维保周期优化

根据镍镉蓄电池的使用情况，在检修过程中注意以下事项：①持续开展以3个月为周期的常规检查，例如外观检查、测量单体液面高度、电压以及温度，以避免失水、烧蚀、爬碱等情况出现；②每年进行一次调试性充放电，蓄电池长时间存放，会发生自放电现象，导致蓄电池容量不满足使用要求，因此需要进行调试性充放电以确保使用时的状态；③每3年进行一次深度清洁以及蓄电池容量测试，有利于蓄电池容量和寿命的提升，更为检修人员掌握蓄电池的状态提供了数据参考。

(3)设置跟踪周期

常规的维保无法兼顾到每一块蓄电池单体，在蓄电池的使用中不能排除个别单体由于受到某种外部因素导致的损伤，同时在出厂时个别单体的质量问题未被发现，而在后期的使用中才会暴露出来。针对该情况，检修人员在日常维保中发现此类问题后，进行跟踪观察，跟踪周期设置为15～30天，期间加大跟踪密度，直至完全排除单体故障或者对单体进行更换。

(4)增设周转备件

受运营前期预想不足、备件采购周期长等因素影响，目前二号线车辆仅有1组蓄电池周转备件，故障时整组进行更换，以避免仅更换单体而不做均衡性处理对蓄电池性能造成损伤。为提高电客车运用情况，计划将二号线车辆周转备件数量增加至3组，两组用于容量恢复时周转件的使用，另一组蓄电池作为故障替换件，在日常维护中发现个别单体过分耗水或电压不均时直接替换，将故障件统一收集以便进行深度维护。

5 结束语

通过以上措施，提高了检修效率以及蓄电池的使用寿命和可靠度，为电客车的平安运营提供了有力的保障[2]。 后期对蓄电池的维保管理思路主要从以下2个方面展开：

(1)为了便于蓄电池的充放电维护，降低备件储备，考虑将蓄电池组在公司范围内集中管理，统一充放电，备件集中储备，问题蓄电池集中容量恢复，报废蓄电池集中处理；

(2)考虑将蓄电池进行在线监测，对蓄电池温度、单体电压、内阻、液面高度进行实时监测，使设备可以提示蓄电池正常或故障，缩短检修工作时间，降低检修工作的安全隐患，提高蓄电池监测的精准度。