地鐵車輛蓄電池典型故障分析及優(yōu)化整改措施

代 磊

(西安市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司 陜西 西安 710016)

0 引言

蓄電池作為列車的應(yīng)急電源，其重要性不言而喻。為保障運(yùn)營(yíng)安全，在失去接觸網(wǎng)供電的情況下，蓄電池可為電客車提供45 min緊急負(fù)載，包括客室的緊急通風(fēng)、乘客信息系統(tǒng)、司機(jī)室的通信監(jiān)控功能等[1]。列車在正線運(yùn)營(yíng)的時(shí)候，若發(fā)生受電弓意外降下且蓄電池也無(wú)法投入使用的情況，會(huì)引發(fā)乘客恐慌或造成踩踏事件，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致乘客窒息并造成人員傷亡，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)造成難以預(yù)估的負(fù)面影響。因此，蓄電池檢修經(jīng)驗(yàn)的積累以及優(yōu)化，對(duì)于地鐵運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要。

1 蓄電池工作原理及結(jié)構(gòu)

蓄電池是充電后將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，放電時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)能設(shè)備。

西安地鐵二號(hào)線每列車配備2個(gè)蓄電池箱，位于Tc車(帶司機(jī)室的拖車)下，用以裝載蓄電池組。蓄電池組由78個(gè)固定式鎳鎘蓄電池單體串聯(lián)組成(FNC 160，F(xiàn)—Fiber N—Ni C—Cd；160—容量為160 Ah)，蓄電池單體電解液為氫氧化鉀溶液，屬于堿性蓄電池。78個(gè)蓄電池單體又分為42個(gè)單體和36個(gè)單體組成的兩個(gè)蓄電池小車，單體與單體之間用短連片連接。每個(gè)蓄電池單體的結(jié)構(gòu)分別由加液塞、正極柱、負(fù)極柱、外殼、蓋板、正極耳、負(fù)極耳、正極板、負(fù)極板組成，如圖1所示。

圖1 蓄電池結(jié)構(gòu)示意圖

2 蓄電池典型故障分析

自西安地鐵開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，在鎳鎘蓄電池的實(shí)際檢修維護(hù)過(guò)程中，檢修人員發(fā)現(xiàn)多起蓄電池故障，有常見(jiàn)的共性現(xiàn)象，也有偶發(fā)性的故障。較為典型的有電解液失水、燒蝕、爬堿、單體電壓不均，機(jī)械方面存在單體瓶蓋與接線支座干涉的問(wèn)題。針對(duì)這5類問(wèn)題，進(jìn)行故障原因及影響分析。

(1)電解液失水

導(dǎo)致蓄電池電解液失水的原因可能有兩個(gè)方面：一是蓄電池單體外殼破損引發(fā)漏液，導(dǎo)致蓄電池液面降低；二是由于該類型蓄電池為非封閉式，充電過(guò)程是將電能儲(chǔ)存為化學(xué)能，該過(guò)程在一定程度上會(huì)電解水分子產(chǎn)生氫氣和氧氣，且隨著蓄電池溫度升高，水分會(huì)蒸發(fā)，造成電解液水分流失。

(2)燒蝕

由于蓄電池的長(zhǎng)期使用，內(nèi)部正負(fù)極板間的絕緣性能下降嚴(yán)重，出現(xiàn)短路，瞬間的大電流發(fā)熱導(dǎo)致極板和外殼被燒蝕，整組蓄電池功能失效，嚴(yán)重者出現(xiàn)大量漏液，蓄電池單體電解液干涸，導(dǎo)致蓄電池單體溫度過(guò)高燒灼、內(nèi)部支架坍塌，并燒毀相關(guān)線路，使列車無(wú)法正常啟動(dòng)，甚至引發(fā)列車火災(zāi)，并伴隨濃煙，造成不可挽回的嚴(yán)重運(yùn)營(yíng)安全事故。

(3)爬堿

由于車輛的運(yùn)行工況非完全平穩(wěn)狀態(tài)，過(guò)彎道時(shí)車輛發(fā)生側(cè)傾，若蓄電池液面過(guò)高則會(huì)發(fā)生電解液溢出，干涸后堿性物質(zhì)附著于氣閥上；另一方面蓄電池在進(jìn)行充放電的過(guò)程中電解液可能沸騰，蒸汽附著于氣閥上，干涸后堿性物質(zhì)附著于氣閥上，以上兩種情況均會(huì)導(dǎo)致爬堿現(xiàn)象的出現(xiàn)，如圖2所示，該現(xiàn)象會(huì)降低單體電解液密度，導(dǎo)致單體電壓不均，嚴(yán)重者可能引發(fā)蓄電池短路隱患。

圖2 單體爬堿

(4)單體電壓不均

由于蓄電池在多次充放電后各單體容量、內(nèi)阻、電解液比重等均會(huì)有不同，各單體極板上活性物質(zhì)狀態(tài)不同，在長(zhǎng)時(shí)間靜置后仍不能恢復(fù)，導(dǎo)致蓄電池單體電壓不均。電壓較高的單體會(huì)使得其內(nèi)部電解水的能力高于其他單體，電解水反應(yīng)放出的熱量高于電極反應(yīng)放出的熱量，使得蓄電池組整體溫度上升，同時(shí)造成的單體液面下降也越多。

(5)單體瓶蓋與接線支座干涉

二號(hào)線蓄電池箱內(nèi)部存在單體瓶蓋與接線支座干涉問(wèn)題，導(dǎo)致每組蓄電池有1～2個(gè)單體瓶蓋正常無(wú)法打開(kāi)，對(duì)檢修造成困難。部分單體液面無(wú)法測(cè)量，無(wú)法確定其電解液失水程度以及液面高度，對(duì)電客車運(yùn)營(yíng)造成一定的風(fēng)險(xiǎn)。

3 蓄電池日常維護(hù)現(xiàn)狀

為了避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)，在蓄電池的檢修過(guò)程中，檢修人員嚴(yán)格按照廠家提供的維護(hù)方法進(jìn)行檢修。目前進(jìn)行的主要維保措施有外觀檢查、蓄電池單體液面測(cè)量、單體及蓄電池組電壓、絕緣阻值測(cè)量、蓄電池能力測(cè)試等。

(1)外觀檢查。

蓄電池外觀檢查主要包括箱體內(nèi)部檢查和蓄電池托盤、 導(dǎo)軌的檢查， 箱體內(nèi)部檢查主要是拆下蓄電池單體上的防護(hù)罩， 確認(rèn)其無(wú)破損， 目視蓄電池單體之間的接線板無(wú)腐蝕，表面有無(wú)漏液、 爬堿等異常情況； 蓄電池托盤、 導(dǎo)軌的檢查主要是手動(dòng)試?yán)铍姵赝斜P， 檢查電池盤、 導(dǎo)輪運(yùn)行良好， 蝴蝶鎖功能良好。

(2)蓄電池單體液面測(cè)量。

在日常修程中進(jìn)行單體液面測(cè)量，可以有效防止單體電解液燒干、短路等情況。蓄電池單體外殼標(biāo)有MAX刻度線，測(cè)試管上刻有與MAX平齊的刻線，測(cè)量時(shí)用測(cè)試管伸至底部，在單體液面高于極板20～40 mm的范圍時(shí)，如果液面低于極板以上20 mm處，應(yīng)加注蒸餾水至極板以上35～40 mm范圍。

(3)單體及蓄電池組電壓、絕緣阻值測(cè)量。

用數(shù)字萬(wàn)用表接觸單體正負(fù)極的端子進(jìn)行電壓測(cè)量，該措施可有效避免單體電壓不均的情況出現(xiàn)。測(cè)蓄電池組電壓時(shí)分別測(cè)兩組蓄電池小車電壓然后相加，單體電壓與平均電壓(平均電壓為蓄電池組電壓除以單體個(gè)數(shù))的偏差要求在50 mV之內(nèi)；用絕緣電阻測(cè)試儀或者搖表，在500 V電壓下測(cè)量蓄電池組與蓄電池小車之間的電阻不小于2 MΩ。

(4)蓄電池能力測(cè)試。

在升弓狀態(tài)下，將空調(diào)設(shè)置為通風(fēng)模式，客室照明打開(kāi)，隨后降弓，確認(rèn)無(wú)高壓后按下控制柜中的EPSB應(yīng)急電源啟動(dòng)按鈕，確認(rèn)應(yīng)急照明與應(yīng)急通風(fēng)正常開(kāi)啟并維持45 min以上，保證兩端蓄電池的容量滿足列車應(yīng)急時(shí)的規(guī)定需求。蓄電池能力正常，可確保在正線發(fā)生高壓故障情況下，提供應(yīng)急通風(fēng)、應(yīng)急照明、應(yīng)急廣播以及開(kāi)關(guān)門一次，保證乘客的生命安全。

4 蓄電池維保優(yōu)化措施

基于上述的日常維保措施，為了提高蓄電池的使用壽命及可靠度，降低電客車運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，在檢修中采取了以下優(yōu)化措施，對(duì)維保策略進(jìn)行調(diào)整。

(1)對(duì)蓄電池箱接線支座進(jìn)行改造

針對(duì)二號(hào)線車輛蓄電池箱內(nèi)的接線支座阻擋蓄電池單體瓶蓋問(wèn)題，對(duì)接線支座進(jìn)行改造，將小車所有支架原來(lái)長(zhǎng)度為81 mm的管接頭槽切掉，改為一個(gè)長(zhǎng)度為51 mm的管接頭槽，采用螺栓連接固定，管接頭槽實(shí)際縮短30 mm，有效地避免了蓄電池上方管接頭槽的遮擋，如圖3所示。改造完成后，蓄電池接線支座下部的單體瓶蓋可完全打開(kāi)及關(guān)閉，為檢修工作提供了便利，進(jìn)一步保障了電客車的運(yùn)營(yíng)安全。

圖3 蓄電池箱接線支座改造示意圖

(2)維保周期優(yōu)化

根據(jù)鎳鎘蓄電池的使用情況，在檢修過(guò)程中注意以下事項(xiàng)：①持續(xù)開(kāi)展以3個(gè)月為周期的常規(guī)檢查，例如外觀檢查、測(cè)量單體液面高度、電壓以及溫度，以避免失水、燒蝕、爬堿等情況出現(xiàn)；②每年進(jìn)行一次調(diào)試性充放電，蓄電池長(zhǎng)時(shí)間存放，會(huì)發(fā)生自放電現(xiàn)象，導(dǎo)致蓄電池容量不滿足使用要求，因此需要進(jìn)行調(diào)試性充放電以確保使用時(shí)的狀態(tài)；③每3年進(jìn)行一次深度清潔以及蓄電池容量測(cè)試，有利于蓄電池容量和壽命的提升，更為檢修人員掌握蓄電池的狀態(tài)提供了數(shù)據(jù)參考。

(3)設(shè)置跟蹤周期

常規(guī)的維保無(wú)法兼顧到每一塊蓄電池單體，在蓄電池的使用中不能排除個(gè)別單體由于受到某種外部因素導(dǎo)致的損傷，同時(shí)在出廠時(shí)個(gè)別單體的質(zhì)量問(wèn)題未被發(fā)現(xiàn)，而在后期的使用中才會(huì)暴露出來(lái)。針對(duì)該情況，檢修人員在日常維保中發(fā)現(xiàn)此類問(wèn)題后，進(jìn)行跟蹤觀察，跟蹤周期設(shè)置為15～30天，期間加大跟蹤密度，直至完全排除單體故障或者對(duì)單體進(jìn)行更換。

(4)增設(shè)周轉(zhuǎn)備件

受運(yùn)營(yíng)前期預(yù)想不足、備件采購(gòu)周期長(zhǎng)等因素影響，目前二號(hào)線車輛僅有1組蓄電池周轉(zhuǎn)備件，故障時(shí)整組進(jìn)行更換，以避免僅更換單體而不做均衡性處理對(duì)蓄電池性能造成損傷。為提高電客車運(yùn)用情況，計(jì)劃將二號(hào)線車輛周轉(zhuǎn)備件數(shù)量增加至3組，兩組用于容量恢復(fù)時(shí)周轉(zhuǎn)件的使用，另一組蓄電池作為故障替換件，在日常維護(hù)中發(fā)現(xiàn)個(gè)別單體過(guò)分耗水或電壓不均時(shí)直接替換，將故障件統(tǒng)一收集以便進(jìn)行深度維護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上措施，提高了檢修效率以及蓄電池的使用壽命和可靠度，為電客車的平安運(yùn)營(yíng)提供了有力的保障[2]。 后期對(duì)蓄電池的維保管理思路主要從以下2個(gè)方面展開(kāi)：

(1)為了便于蓄電池的充放電維護(hù)，降低備件儲(chǔ)備，考慮將蓄電池組在公司范圍內(nèi)集中管理，統(tǒng)一充放電，備件集中儲(chǔ)備，問(wèn)題蓄電池集中容量恢復(fù)，報(bào)廢蓄電池集中處理；

(2)考慮將蓄電池進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)蓄電池溫度、單體電壓、內(nèi)阻、液面高度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使設(shè)備可以提示蓄電池正?；蚬收?，縮短檢修工作時(shí)間，降低檢修工作的安全隱患，提高蓄電池監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度。