防止電力機車蓄電池虧電措施及PSU 改造探究

王建強，馮彥凱，楊 健

（中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100860）

造成機車蓄電池虧電的原因有多種，如ATU 故障、PSU 故障、線路干擾故障、蓄電池故障、操作使用不當(dāng)?shù)?。因此，?dāng)發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓低時，應(yīng)在確認機車牽引控制回路無故障的情況下，進行分析處理。如果檢修人員在機車整備作業(yè)中或乘務(wù)員在機車運行中能及時發(fā)現(xiàn)蓄電池虧電的初期表現(xiàn)形式，采取必要的防止措施，便能夠減少機車因蓄電池虧電造成故障、機破、堵塞區(qū)間的情況。

蓄電池充電器是電力機車重要電氣部件之一，主要用于給機車蓄電池充電，另外提供直流110V電源用于機車的控制系統(tǒng)，其內(nèi)部擁有兩組完全相同的電源模塊Power Supply Unit（簡稱PSU）,應(yīng)用IGBT 元件。通常情況只有一組處于工作狀態(tài)，當(dāng)故障時另外一組會啟動，繼續(xù)供電。PSU 性能好壞會直接影響到機車正常的運行。針對蓄電池充電器PSU 頻繁報故障，進行了統(tǒng)計分析，有針對性改造，可提高其質(zhì)量特性。

1 機車蓄電池虧電時表現(xiàn)特點

機車蓄電池虧電故時，在機車運用中不是突然發(fā)生的。在蓄電池虧電初期，可通過LV 柜蓄電池電壓表或司機室控制電壓表和微機屏觀察虧電情況，也可通過機車故障信息屏，發(fā)現(xiàn)蓄電池虧電的表現(xiàn)形式。如沒有及時發(fā)現(xiàn)并處理，蓄電池就會因虧電造成機車控制系統(tǒng)癱瘓，TCMS 執(zhí)行低電壓保護，故障顯示屏?xí)@示“DC110V 運轉(zhuǎn)停止”。此時無論采取何種方法，均不能繼續(xù)充電。機車蓄電池故障后信息顯示屏顯示故障過程（N=1；2；3；4；5；6）如圖1 所示。

圖1 顯示屏顯示故障過程

2 防止HXD3 電力機車蓄電池虧電的措施

2.1 整備機車作業(yè)時

1）整備機車作業(yè)時，作業(yè)人員可檢查并記錄機車蓄電池的電壓和PSU 裝置充電的電壓值，輕載試驗的蓄電池放電狀況，查看機車故障信息，試驗PSU裝置的雙組工作轉(zhuǎn)換情況。

2）每半年一次，檢查機車蓄電池的聯(lián)接線，測量單節(jié)電池的空載電壓，檢查蓄電池箱體的漏液情況。

3）機車整備完畢、庫內(nèi)停留及短備期間，應(yīng)斷開機車總控制電源；機車臨修或改造期間，應(yīng)使用地面電源，嚴禁使用機車控制電源；機車長期停放時，應(yīng)檢查蓄電池電壓，防止蓄電池虧電。

4）機車蓄電池電壓低于規(guī)定值時，應(yīng)進行補充電。

2.2 機車運行中蓄電池狀態(tài)的檢查

1）乘務(wù)員接班后，通過司機室網(wǎng)壓、控制電壓表，確認機車蓄電池電壓在規(guī)定值范圍內(nèi)。

2）機車升弓合閘后，應(yīng)檢查PSU 裝置充電的電壓，額定輸出電壓為110±1%。允許在105V～110V充電狀態(tài)下運行，最終充電電壓應(yīng)達到110V，且充電時長不允許超過10min。

3）機車運行過程中，應(yīng)注意觀察機車的控制電壓值。當(dāng)發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓始終低干110V 時，說明PSU 裝置或蓄電池自身有故障，可關(guān)閉機車照明及其它輔助電報設(shè)備電源，減小蓄電池的負載。

4）機車運行到分相區(qū)在斷開主斷路器之前，應(yīng)確認機車控制電壓，機車過分相區(qū)重新合閘之后，應(yīng)再次確認機車充電電壓。

2.3 車運行中蓄電池虧電后的應(yīng)急故障處理

機車運行中控制電壓低于110V 時，在確認機車牽引無故障的情況下，從微機屏機器狀態(tài)到輔助電源，檢查PSU1 和PSU2 的工作狀態(tài)：

1）有1 組亮紅燈，另一組亮綠燈。只要充電裝置有一組顯示綠燈，就可維持運用，注意觀察控制電壓是否繼續(xù)下降，下降可到前方車站后停車救援，如保持不變可繼續(xù)運行。

2）有1 組亮紅燈，另一組無顯示（或2 組均無顯示）。說明PSU 裝置不能正常轉(zhuǎn)換，人為斷一次充電裝置控制電源的脫扣開關(guān)，待微機屏報警后重新通電，只要充電裝置有一組顯示綠燈，充電電壓上升就可維持運用。如故障沒有消除，就關(guān)閉機車內(nèi)部照明電源，維持到前方車站后停車救援。

3）如果兩組全亮紅燈。首先檢查機車LV 柜充電裝置控制電源的脫扣開關(guān)有沒有跳閘；然后人為斷開主斷路器，斷開1、2 微機控制電源，斷充電裝置控制電源，重新通電后看故障是否排除，如故障沒有消除，就關(guān)閉機車內(nèi)部照明電源，維持到前方車站后停車救援。

4）機車運行中控制電壓在105～110V 間。無論微機屏是否報警和顯示，在確認機車牽引無故障的情況下，機車可以維持運行，但要觀察控制電壓是否繼續(xù)下降，如保持不變可繼續(xù)運行，如還下降可到前方車站后救援。

3 HXD3 蓄電池充電器問題分析

蓄電池充電器PSU 頻繁出現(xiàn)故障，已經(jīng)嚴重影響了機車的正常運行，甚至更換PSU 已經(jīng)形成了常態(tài)化。由于大部分HXD3 機車已經(jīng)超過保修期，運用部門只能購買備件進行替換，無形中增加了很大成本。針對此情況對PSU 模塊進行了分析，發(fā)現(xiàn)其存在一些問題。

3.1 抗干擾能力差，無保護

驅(qū)動設(shè)計一定問題，抗干擾能力差，驅(qū)動容易受到干擾，從而引起元件短路和誤導(dǎo)通，影響充電器的正常運行。原驅(qū)動板沒有過壓、過流保護功能，由于網(wǎng)壓波動易造成IGBT 燒損。

3.2 工作環(huán)境惡劣，易燒損

設(shè)備長期處于高溫運行狀態(tài)，且驅(qū)動模塊經(jīng)過環(huán)氧灌封，散熱效率較低。導(dǎo)致驅(qū)動模塊內(nèi)部電容等元件提前老化，最終造成驅(qū)動波形失真，IGBT 過流損壞。IGBT 損壞后由于柵極處于短路狀態(tài)，驅(qū)動板的工作條件進一步惡化，最終因局部過熱造成驅(qū)動板徹底損壞，并燒焦開裂。

4 PSU 設(shè)計改進方案

針對HXD3 蓄電池充電器PSU 存在問題，進行了創(chuàng)新設(shè)計具有以下特點：增加IGBT 短路、過壓、過流保護功能；對輸入信號深度濾波，增強抗干擾能力；散熱性能良好，耐溫度系數(shù)為-40～80℃；用原裝進口的高品質(zhì)IGBT 替換原有的IGBT，并引入額外的防浪涌器件對IGBT 及相關(guān)器件進行保護。提高了PSU 質(zhì)量特性，能滿足機車運用需求。驅(qū)動板波形對比，如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動板波形對比

5 PSU 設(shè)計改進前后波形對比

原機車驅(qū)動板下的波形是不規(guī)則失真的方形波，此種波形在高頻狀態(tài)下對IGBT 是有害的，易引起元器件短路和誤導(dǎo)通，影響充電器的正常運行，進而影響機車運行。通過改進設(shè)計后，使機車鉛酸蓄電池充電電流更加接近理想的脈沖式，可使鉛酸蓄電池擁有較充分的化學(xué)反應(yīng)時間，從而減少了充電過程中鉛酸蓄電池的析氣量，提高了鉛酸蓄電池的充電電流可接受能力。

6 結(jié)束語

蓄電池是能夠貯存化學(xué)能量，并且在必要時放出電能的一種電氣化學(xué)設(shè)備。放電后，能夠用充電方式使內(nèi)部活性物質(zhì)再生——把電能儲存為化學(xué)能；需要放電時再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。電力機車的蓄電池是機車上直流電源的輔助電源，并兼作可控硅穩(wěn)壓電源的濾波原件。有效地防止HXD3 電力機車蓄電池虧電措施以及提高蓄電池充電性能，是確保機車運行安全的關(guān)鍵因素之一。