電力機車蓄電池欠壓保護裝置設(shè)計研究

嚴駿， 熊良岳

（中國鐵路武漢局集團有限公司武昌南機務(wù)段，湖北武漢 430064）

0 引言

電力機車控制系統(tǒng)采用DC 110 V 電源供電，控制系統(tǒng)設(shè)備的標準工作電壓范圍為+DC 77.0～137.5 V。電力機車充電機投入工作前，控制系統(tǒng)電源由車載蓄電池組提供，若蓄電池虧電，控制系統(tǒng)則無法工作。此時只有通過地面充電裝置對機車蓄電池進行充電，若虧電機車位置無地面充電設(shè)備，只能掛運至指定地點進行充電。同時，機車蓄電池若經(jīng)多次虧電工作，對蓄電池工作壽命將產(chǎn)生不可逆影響［1-3］?？梢?，機車蓄電池虧電故障會對機車正常運用和生產(chǎn)組織帶來嚴重影響。

近年來，各鐵路局集團公司轄屬機務(wù)段運用電力機車因蓄電池虧電而影響機車正常運用事故頻發(fā)，給各機務(wù)段帶來巨大經(jīng)濟損失。同時，虧電電力機車給運用單位增加了大量運用、檢修人力投入，嚴重干擾了鐵路正常運輸秩序和機務(wù)段運用、檢修生產(chǎn)組織［4-5］。為減少運用機車蓄電池虧電故障的發(fā)生，部分機車在出廠設(shè)計上具有蓄電池組電壓低于88 V 報警提示功能，但不具備對蓄電池輸出進行欠壓切斷控制，仍會造成機車蓄電池組過放電，電壓低于77 V 后導(dǎo)致控制電路、微機、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等不能正常工作［6-8］。

鑒于目前電力機車的實際設(shè)計及機車蓄電池虧電對運用單位產(chǎn)生的影響，加強對電力機車蓄電池工作管理及監(jiān)測、智能保護控制輸出極其必要。

1 方案設(shè)計

基于實際需求，中國鐵路武漢局集團有限公司武昌南機務(wù)段提出一種電力機車蓄電池欠壓保護方案，通過對既有電力機車蓄電池輸出電路進行局部調(diào)整，可實現(xiàn)對機車蓄電池組電壓進行監(jiān)控和報警、顯示提示，并在機車蓄電池組電壓低于設(shè)定最低保護門檻電壓時對蓄電池輸出進行切斷保護。同時，為了提高設(shè)備有效性、可靠性和安全性，保護裝置對動作接觸器進行狀態(tài)監(jiān)控，并對接觸器控制回路進行冗余設(shè)計。

現(xiàn)有電力機車蓄電池輸出由空氣自動開關(guān)控制，在蓄電池輸出自動開關(guān)閉合后，蓄電池組經(jīng)各負載回路獨立的空氣自動開關(guān)給機車控制系統(tǒng)設(shè)備供電，蓄電池輸出自動開關(guān)的切斷完全由手動控制。

蓄電池欠壓保護裝置方案在原機車蓄電池輸出回路上增加蓄電池輸出接觸器，并通過保護控制裝置對蓄電池進行監(jiān)測，控制輸出接觸器閉合、斷開，達到自動保護目的（見圖1）。

蓄電池欠壓保護裝置電路組成：機車蓄電池欠壓保護控制盒、控制盒獨立供電自動開關(guān)、應(yīng)急供電旁路自動開關(guān)、蓄電池輸出接觸器、欠壓保護控制旁路開關(guān)、復(fù)位按鈕、司機室報警閃光蜂鳴器及相關(guān)電路。

蓄電池欠壓保護裝置控制原理：在原機車蓄電池輸出回路上，蓄電池輸出自動開關(guān)與負載間增加蓄電池輸出接觸器K1，閉合機車蓄電池輸出自動開關(guān)1QA、控制盒獨立供電自動開關(guān)2QA，應(yīng)急供電旁路自動開關(guān)3QA 斷開位，此時K1 未閉合，蓄電池?zé)o輸出，機車控制系統(tǒng)不工作。欠壓保護控制盒上電工作，并采集、檢測蓄電池組電壓，蓄電池組電壓高于設(shè)定保護門限值時，控制盒輸出指令，使K1 工作線圈得電，接觸器主觸頭閉合，蓄電池組向機車控制系統(tǒng)正常供電；控制盒檢測蓄電池組電壓低于設(shè)定保護門限值時，智能判斷并實施分級保護，報警提醒或禁止K1 閉合，實現(xiàn)蓄電池虧電斷電保護目的。

2 設(shè)計特點

（1）控制盒對蓄電池組進行分級監(jiān)控、保護，設(shè)定兩級保護門限值。控制盒采集、檢測蓄電池組電壓低于一級保護門限值時進行報警提醒，并延時斷開K1，禁止蓄電池輸出；如操作自復(fù)位按鈕，則允許蓄電池應(yīng)急投入使用直至二級欠壓保護。控制盒采集、檢測蓄電池組電壓低于二級保護門限值時，則立即斷開K1，禁止蓄電池輸出。

（2）保護門限值可調(diào)設(shè)計。各型機車蓄電池組負載輸出不同，蓄電池組放電狀態(tài)可持續(xù)工作時間不同；蓄電池組使用時間不同，性能差別很大，放電狀態(tài)可持續(xù)工作時間不同。欠壓保護系統(tǒng)對一級、二級保護電壓進行可調(diào)設(shè)計，可調(diào)的保護電壓可根據(jù)各型機車控制系統(tǒng)負載大小、蓄電池組容量差別，滿足不同性能蓄電池的個性化保護需求，在最大限度保證蓄電池不虧電的同時，確保機車可靠運用。

（3）防止電力機車控制系統(tǒng)失電掉分相設(shè)計。機車正常運行中，蓄電池充電裝置與蓄電池組并聯(lián)運行，向機車控制系統(tǒng)供電，在異常情況時斷開，蓄電池輸出被切斷，機車充電裝置可繼續(xù)給機車控制系統(tǒng)供電，如乘務(wù)員未發(fā)現(xiàn)，機車過分相時將導(dǎo)致控制系統(tǒng)失電，機車制動機自動減壓制動，有掉分相風(fēng)險。保護系統(tǒng)設(shè)計上，控制盒采集K1 輔助觸點信號，監(jiān)測到接觸器異常斷開時進行報警提示，提醒乘務(wù)員提前采取措施，避免機車非正常停在分相區(qū)。

（4）故障應(yīng)急冗余設(shè)計。①報警后應(yīng)急維持供電輸出按鈕S1 的設(shè)計。機車運用中充電裝置故障，控制系統(tǒng)使用蓄電池組供電維持運行，蓄電池組電壓下降至一級報警門限時，按壓一次S1，則保護系統(tǒng)一級保護不觸發(fā)斷電保護，蓄電池組保持輸出，機車可維持運用。②機車蓄電池欠壓保護控制旁路開關(guān)S2的設(shè)計。機車運用中，控制盒輸出控制指令故障情況下，閉合S2，使K1 得電，維持向機車控制系統(tǒng)供電，同時保留控制盒監(jiān)測、報警提示功能。③蓄電池輸出接觸器并聯(lián)自動開關(guān)3QA 旁路設(shè)計。機車運行中K1 故障時，通過手動閉合旁路的3QA 自動開關(guān)，此時切除了蓄電池欠壓保護功能，確保機車正常運用。④新增蓄電池組電壓檢測支路由新增自動開關(guān)2QA 控制，2QA 和3QA配合使用實現(xiàn)新增欠壓保護裝置的投入和切除，確保裝置故障后機車可維持正常運用。

上述蓄電池欠壓保護裝置設(shè)計所具有的技術(shù)特點，結(jié)合機車既有設(shè)計結(jié)構(gòu)，并充分考慮機車運用、檢修等具體要求進行的方案設(shè)計，對機車蓄電池供電回路進行優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合運用實際，確保機車運用安全、可靠。

3 裝置設(shè)計與選型

3.1 欠壓保護控制盒設(shè)計

單片機外圍接口：1路顯示信號，用于狀態(tài)信息顯示；2 路I/O 輸出，1 路用于控制聲光報警，1 路用于控制蓄電池輸出接觸器通斷；3路I/O輸入，1路用于檢測機車蓄電池欠壓保護旁路開關(guān)S2 的通斷，1 路檢測輸出接觸器控制電路通斷，1 路檢測接觸器工作狀態(tài)；1路I2C接口，用于AD轉(zhuǎn)換芯片數(shù)據(jù)通信；1路RTC 時鐘供電鋰電池，用于RTC 時鐘掉電保持工作；1 路UART，用于調(diào)試?？刂坪邢到y(tǒng)框圖見圖2。

圖2 蓄電池欠壓保護控制盒系統(tǒng)框圖

主電源模塊選用隔離型10 W 電源模塊TLE10/110S05，該模塊輸出為DC 5.1 V，最大電流能力2 A，工作溫度-40～85 ℃，輸入輸出隔離電壓AC 1500 V，具有短路、過流等保護功能?？刂坪性O(shè)計接口如下：

電壓檢測采用分壓電路后，經(jīng)AD 采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過數(shù)字隔離芯片與單片機通信。

按鈕開關(guān)、繼電器和接觸器輔助聯(lián)鎖的通斷狀態(tài)通過光耦隔離后進行檢測。

接觸器線圈通過繼電器進行控制。

4 個普通功能按鍵可操作設(shè)置V1/V2參數(shù)、查看信息等。

1個應(yīng)急供電自復(fù)位按鍵，當(dāng)電壓低于V1參數(shù)，需要應(yīng)急維持供電時，可通過緊急復(fù)位按鍵控制接觸器線圈通電，蓄電池繼續(xù)供電，同時取消聲光報警狀態(tài)。

1個UART串口調(diào)試接口。

聲光報警電路采用繼電器進行控制通斷。

RTC 時鐘用于掉電后保持時間，保證操作日記記錄時間。

對控制盒進行集成設(shè)計，將應(yīng)急維持供電輸出按鈕S1、蓄電池欠壓保護控制旁路開關(guān)S2 集成到控制盒（見圖3）上，減少外部電路布線及電器安裝。

圖3 蓄電池欠壓保護控制盒

3.2 其他主要部件選型設(shè)計

除自制蓄電池欠壓保護智能控制盒外，其他主要部件選型見表1。

表1 其他主要部件選型

4 報警保護門限值選擇

蓄電池組作為機車控制電路備用電源，在機車未升弓取電前或機車直流穩(wěn)壓電源故障時向機車控制系統(tǒng)供電，保障機車控制系統(tǒng)正常工作，在升弓后也起到機車直流穩(wěn)壓電源濾波環(huán)節(jié)作用。電力機車普遍采用DM-170 型閥控式密封鉛酸蓄電池組，蓄電池組由48 個蓄電池串聯(lián)組成，每個蓄電池的標稱電壓為2 V，容量為170 Ah，總標稱電壓為96 V。機車庫內(nèi)未及時斷電或運用中直流穩(wěn)壓電源故障，蓄電池組放電狀態(tài)工作，造成蓄電池組單節(jié)電壓不斷下降。蓄電池組單節(jié)放電終止電壓為1.8 V，在不考慮各單節(jié)差異性情況下，對應(yīng)機車蓄電池組放電終止電壓為86.4 V。根據(jù)蓄電池維護要求及放電特性，在單節(jié)電壓降到1.8 V 時，如繼續(xù)放電，會降低蓄電池容量，縮短蓄電池壽命，甚至直接導(dǎo)致蓄電池損壞而報廢。同時，早期電力機車控制系統(tǒng)電器可靠工作最低電壓為88 V，蓄電池組電壓低于88 V會導(dǎo)致機車控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

綜合機車蓄電池使用維護要求和控制系統(tǒng)可靠工作要求，蓄電池欠壓保護裝置分級報警保護設(shè)定如下：

（1）機車蓄電池投入工作后，保護裝置開始投入使用，檢測蓄電池組電壓并對蓄電池輸出進行控制。

（2）一級報警保護：機車蓄電池組電壓低于V1（設(shè)定值95 V，可調(diào)）時，控制盒報警器動作，司機室蜂鳴器閃光報警提示，提示T1時間（3 min）后，無人工干預(yù)則斷開機車蓄電池輸出；人工干預(yù)按下應(yīng)急供電自復(fù)位按鈕，則允許蓄電池繼續(xù)輸出，直至蓄電池組電壓下降觸發(fā)二級報警保護。

（3）二級報警保護：機車蓄電池組電壓低于V2（設(shè)定值88 V，可調(diào)，V1＞V2），控制盒立即切斷蓄電池輸出并進行報警提示。

5 技術(shù)方案實施及優(yōu)化

2017年4 月，在武昌南機務(wù)段采用上述技術(shù)設(shè)計方案對HXD1D0001 機車完成試改造（見圖4、圖5），改造后蓄電池供電回路電氣原理見圖6。

圖4 接觸器安裝

圖5 控制盒安裝

圖6 HXD1D0001機車改造后電氣原理

改造完成后，通過調(diào)試串口，對蓄電池欠壓保護裝置的保護功能、接觸器保護動作、蜂鳴器報警提示以及開關(guān)、按鈕和旁路設(shè)計的功能進行逐一驗證，可滿足保護功能要求。

蓄電池欠壓保護裝置裝車后，機車上線進行運用試驗，觀察裝置運用情況。運用多趟后，發(fā)現(xiàn)一級報警電壓V1的設(shè)定值與機車運用實際存在差距。乘務(wù)員庫內(nèi)接車時，需經(jīng)常使用輔助壓縮機泵風(fēng)（蓄電池供電），蓄電池組放電電流最大28 A，在泵風(fēng)過程中蓄電池組總電壓會出現(xiàn)降至95 V 甚至更低現(xiàn)象，此時裝置報警并延時切斷蓄電池輸出，影響機車正常作業(yè)。對其他和諧型電力機車進行同樣狀態(tài)的放電試驗：HXD1D型機車控制系統(tǒng)正常工作，輔助壓縮機泵風(fēng)時，蓄電池放電電流28 A左右，泵風(fēng)時間6～8 min；HXD3C型機車控制系統(tǒng)正常工作，輔助壓縮機泵風(fēng)時，蓄電池放電電流32 A左右，泵風(fēng)時間6～10 min。使用輔助壓縮機泵風(fēng)時，蓄電池組總電壓下降至95 V左右比較普遍。

根據(jù)機車蓄電池運用實際情況，為保證機車正常運用需要，且在發(fā)生一級報警后預(yù)留充裕時間進行處置，對分級報警設(shè)定值進行調(diào)整：一級報警保護電壓V1調(diào)整為93 V，提示時間T1調(diào)整為10 min；二級報警保護電壓V2維持88 V。

分級報警設(shè)定值調(diào)整后，機車蓄電池組電壓低于V1時，控制盒報警器動作，司機室蜂鳴器閃光報警提示，提示T1時間后，無人工干預(yù)則斷開機車蓄電池輸出；機車蓄電池組電壓低于V1后，人工干預(yù)按下應(yīng)急供電自復(fù)位按鈕，則允許蓄電池繼續(xù)輸出，直至蓄電池組電壓降至V2，裝置立即切斷蓄電池輸出并進行報警提示。

分級報警設(shè)定值調(diào)整后，HXD1D0001 機車運用中未發(fā)生乘務(wù)員庫內(nèi)正常接車時系統(tǒng)誤報警情況。

6 結(jié)束語

針對電力機車蓄電池虧電使用的實際情況及電力機車虧電使用產(chǎn)生的嚴重影響，提出一種電力機車蓄電池欠壓保護裝置方案。該裝置充分考慮了電力機車實際技術(shù)情況、運用單位使用習(xí)慣及運用單位對蓄電池欠壓保護的實際需求，同時進行了高安全性、高可靠性特點的分級保護和冗余功能設(shè)計，具有較強實用性，可以滿足電力機車蓄電池虧電保護的目的。目前該裝置已完成1臺機車的試改造并運用考核2年，機車運用36萬多km，裝置正常投入使用，運用穩(wěn)定可靠。