廣州地鐵五號線車輛蓄電池欠壓保護電路分析及改進方案

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行蓄電池供電時長進行試驗時，發(fā)現(xiàn)欠壓保護失效。本文主要針對蓄電池欠壓保護失效現(xiàn)象進行分析并給出改進方案。

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)等負載工作45分鐘。當網(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)急電源單獨工作。

2 蓄電池欠壓保護失效情況

在對廣州地鐵五號線023024車進行蓄電池應(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對蓄電池進行充電。

為分析蓄電池欠壓保護出現(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電壓設(shè)置為83 V。蓄電池欠壓保護電路結(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現(xiàn)繼電器的控制，欠壓繼電器觸點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載的聯(lián)系。

圖2 蓄電池欠壓保護電路

3.2 失效原因分析

欠壓繼電器的工作原理為當線圈電壓低于截止值Uoff后，觸點斷開，直到線圈兩端電壓再次達到導(dǎo)通值Uon后，觸點吸合。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載，但實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不一致是導(dǎo)致列車欠壓保護回路失效的原因，最終造成蓄電池過放電，為避免此情況需制定切實有效的保護措施。

4 改進方案

列車蓄電池系統(tǒng)在欠壓保護失效后無法斷開負載，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失效的原因有兩點：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的欠壓繼電器，檢修人員無法對其欠壓值進行調(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值進行校準，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

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，需進行電路改造，以達到欠壓繼電器監(jiān)控各單元蓄電池電壓。改進后的控制電路如圖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，欠壓繼電器觸點將閉合使QC1接觸器的線圈得電，從而控制負載輸出。

圖3 改進方案

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。本文主要對廣州地鐵五號線車輛蓄電池的欠壓保護工作原理及失效原因進行分析，并給出防止因繼電器內(nèi)部欠壓保護值的偏差而導(dǎo)致的失效的改進方案。兩種方案在廣州地鐵五號線現(xiàn)有列車上進行驗證，均能有效的實現(xiàn)列車蓄電池在低于欠壓設(shè)計值83 V后斷開負載。改進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。

［1］ 查小菲，唐朝輝.地鐵車輛供電蓄電池合理選型分析［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2000（3）：148-149.

［2］黃志華，劉東廣.城軌車輛110V回路蓄電池欠壓保護設(shè)計［J］.科協(xié)論壇，2012，（5）：47-48.

［3］朱士友.城車輛檢修工［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2009.

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［5］李云，趙清良.上海中低速磁浮列車輔助電源系統(tǒng)［J］.電力機車與城軌車輛，2008，31（6）：15-18.

［6］鄧嘉.國產(chǎn)地鐵輔助供電系統(tǒng)及蓄電池的選擇［J］.鐵道車輛，2000（21）：89-90.

［7］楊維國，劉恩臣，孫樹旺，等.預(yù)防蓄電池過放電保護電路［J］.鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，21（2）：58-60.

［8］ 于吉濱，王善哲，王俊榜.客車蓄電池過放電原因及其保護初探 ［J］.鐵道車輛，1988，36（12）：62-63.