神華號HXD1型交流機車虧電問題的原因分析和解決措施

喬小平

摘 要：機車蓄電池虧電嚴重時會導致受電弓不能升起，從而造成機破事故。神華號HXD1型交流機車在神朔線運行以來一直存在慣性蓄電池虧電問題，嚴重影響著機車運行安全。本文對神華號HXD1型機車虧電問題的原因進行了系統分析，并提出解決措施以及實施方法，解決了普遍存在的交流機車蓄電池虧電的難題，確保了神華號HXD1型交流機車的行車安全。

關鍵詞：神華號HXD1型機車；蓄電池虧電；原因分析；解決措施

中圖分類號：U269 文獻標識碼：A

1 引言

自2013年1月份起神華號HXD1交流機車陸續到神朔鐵路投入運營，截止目前配屬神朔鐵路機務段的神華號機車共有76臺。神華號HXD1交流機車上線后，機車蓄電池虧電問題一直較為突出。據統計，機車上線至2015年1月底因蓄電池虧電造成機車區間停車5件、臨修10件、碎修上百件，嚴重干擾著神朔線的正常運輸生產。

2 原因分析

2.1 神華號HXD1型機車蓄電池參數及充電機充電特性介紹

2.1.1 蓄電池參數

單體額定電壓：2V

10小時率容量（終止電壓1.8V/單體）：170Ah

5小時率容量（終止電壓1.75V/單體）：140Ah

1小時率容量（終止電壓1.7V/單體）：102Ah

荷電保持能力：按TB/T3061-2002試驗時，完全充電的蓄電池放置28天后，其容量損失率不大于4%

浮充電壓：2.25V/單體（溫度以25℃為基準，上升及下降時，浮充電壓相應下調及上調0.003V/℃）

均充電壓：2.35～2.4V/單體（溫度以25℃為基準，上升及下降時，均充電壓相應下調及上調0.003V/℃）

最佳充電電流：23.8A≤充電電流≤25.5A

最大放電電流：510A

電磁敏感性：無影響

電磁干涉：無

安全距離：0.3m

防護等級：IP00

火災保護：電池殼體的上蓋采用了阻燃塑料蓋

溫度：可在-40℃～+70℃的環境溫度下使用

振動和沖擊：蓄電池滿足TB/T3061-2002標準規定的振動和沖擊要求

空氣濕度：≤95%

空氣壓力：允許在海拔高度5000m以內使用

風力：風力不對蓄電池本身的使用造成影響

化學和生物影響：強酸強堿環境下使用將對電池壽命造成較大影響，生物的侵襲將增加事故發生概率

灰塵：允許在有灰塵的環境下使用，但要注意及時清掃積塵

2.1.2 充電機充電特性

（1）充電機技術參數

額定輸入電壓：3AC440V（60Hz）允差%

額定輸出電壓：

快速充電電壓：DC112.8V±1%

浮充電壓：DC110V±1%

直流24V：DC24V±2%

最大持續輸出電流：

DC110V：150A

DC24V：42A

蓄電池最大充電電流：DC34A

防護等級：IP20

（2）充電機充電模式

當蓄電池電壓（帶機車負載）≥96V且上次充電狀態不為快充模式時，進入浮充模式，電源柜以恒壓110V（2.29V/單節），限流0.15C進行充電，以環境溫度25℃為標準，并按每單節-3mV/℃進行溫度補償；當蓄電池電壓（帶機車負載）小于96V或上次充電狀態為快充狀態，進入快速充電模式，電源柜以恒流值0.2C進行充電，以環境溫度25℃為標準，并按每單節-4mV/℃進行溫度補償，充電電壓上升到112.8V時，以112.8V進行恒壓充電，當電流值≤0.15C時結束快速充電，轉入浮充模式；機車運用3個月進行一次均衡充電，電源柜以電壓112.8V（2.35V/單節），限流0.1C進行24小時的充電。（蓄電池組共48節，容量是 170A/h）

充電模式進入條件說明：

當監控模塊第一次啟動時（即監控模塊斷電后啟動的第一次），判斷蓄電池電壓大于96V則進入110V充電（浮充），否則進入112.8V充電（均充）。

電源柜啟動后以110V充電時（浮充），在限流充電的工作狀態下蓄電池以最大電流為25.5A充電，若出現蓄電池電壓小于96V連續2s時，進入112.8V（均充）充電。

電源柜啟動后以112.8V充電時（均充），在限流充電的工作狀態下蓄電池以最大電流為34A充電，當蓄電池充電電流小于25.5A時，轉到以110V充電（浮充），進行浮充充電狀態時，若蓄電池電壓小于96V連續2s時，重新進入112.8V（均充）充電。

2.2 神華號HXD1型機車蓄電池負載電流大

在斷主斷路器、降弓狀態下，SS4B、SS4G機車蓄電池放電電流為5A～6A；HXD2型機車蓄電池放電電流為9A～11A；神華號HXD1型機車蓄電池放電電流為12A～14A。HXD1型機車蓄電池的放電電流確實比SS4B、SS4G型機車和HXD2型機車大。經過實測神華號HXD1機車蓄電池充滿情況下連續放電6～7個小時蓄電池電壓即到88V以下，再繼續放電不到1小時即到77V以下，此時已不能控制升起受電弓。

2.3 蓄電池本身性能會有差異

機車電池組中的單節電池性能會有差異，單節電池性能差會導致蓄電池整體性能下降，但是神華號HXD1型機車的虧電慣性問題不可能全部是蓄電池性能差導致。同樣的蓄電池在SS4B、SS4G機車和HXD2型機車就不存在虧電慣性問題，再則SS4B、SS4G機車使用近20年了，單節性能差的電池會更多，但是也沒有出現虧電慣性問題。

經過試驗發現神華號HXD1型機車已經虧了電的電池，經過地面三充兩放維護后裝車使用后并不容易出現虧電慣性問題。對HXD1型機車隨便抽取一臺車在庫內升弓進行充放電試驗，蓄電池可以充滿，放電時間也正常。充分證明慣性蓄電池虧電是神華號HXD1型機車沒有將蓄電池充好，而不是蓄電池本身原因造成虧電。

2.4 蓄電池使用環境及使用方法的影響

神朔線上行牽引重車線路有多處長大上坡道（最大坡度12‰）牽引區段，經測算3臺神華號HXD1型機車的牽引力才能滿足牽引需求，目前神朔線采用神華號HXD1型機車“2+1”牽引萬噸列車方式運行。下行時一臺神華號HXD1型機車牽引力即可滿足牽引需求，下行多采用3+0牽引列車的方式運行，為保證運行安全，乘務員有時會選擇讓下行二位、三位機車保持降弓運行，此運行方式勢必造成機車蓄電池長期處于未充滿電運行狀態或虧電狀態。

2.5 蓄電池硫化

2.5.1 硫化的生成

蓄電池放電以后，極板上的一部分或大部分二氧化鉛和鉛變成了硫酸鉛。這種硫酸鉛是一種比較細小的顆粒狀結晶，如果及時進行補充充電，則應很容易變成二氧化鉛和鉛。如果充電不及時，由于硫酸鉛是一種非常容易結晶的物質，當蓄電池電解液中的硫酸鉛濃度過高，或靜態閑置時間過長時，就會結成小晶體。這些小晶體再吸引周圍的硫酸鉛，就會像滾雪球一樣形成大的惰性結晶。結晶后的硫酸鉛在充電時不但不能再還原成氧化鉛，還會沉淀附著在電極板上，造成電極板工作面積減小，這一現象叫硫酸鹽化（簡稱硫化），也就是常說的老化。

2.5.2 硫化的表象

硫化后，電池內阻增大，充電較未硫化前電壓提前到達充電終止電壓，電流越大越明顯。酸液密度低于正常值。放電容量下降，放電電流越大容量下降越明顯。充電時有產生氣泡，充電溫升增快，嚴重時可導致充不進電。

2.5.3 硫化的預防

每次放電后及時補充電且要充足電，尤其是大電流放電后一定要及時補充電。在小電流放電時盡量控制放電深度，小電流深放電產生的硫酸鉛過于致密，放電后充電采取小電流長時間。對于低溫大電流放電后，要采取多充電量30%來恢復容量。長期擱置的電池，要先充足電后再擱置，在擱置每兩個月適當補充電一次。

3 解決措施

因神華號HXD1型機車蓄電池負載電流大造成天窗點機車蓄電池易虧電的故障，經過試驗神華號HXD1型機車不升弓狀態下耗電量最大的負載是機車微機控制系統，微機系統耗電電流占機車總耗電電流的80%以上，特規定在天窗點乘務員必須斷開神華號HXD1型機車蓄電池微機電源開關，此方案既不影響機車電臺及監控的使用又保證蓄電池不發生虧電。

因神華號HXD1型機車蓄電池個體差異造成放電時間短的問題，特規定將蓄電池劃分為3類，蓄電池下車進行三充二放時，在第二次放電3小時后測量蓄電池單體電壓，電壓≥1.95V的標記為A類蓄電池，≥1.9V<1.95V的標記為B類蓄電池，≥1.8V<1.9V的標記為C類電池，C類電池不能在神華號HXD1型機車上使用。

神華號HXD1型機車蓄電池使用環境及使用方法造成蓄電池易虧電的故障，特規定神華號HXD1型機車運用中可升弓時乘務員需盡量升弓充電，蓄電池電壓低于93V時乘務員必須升弓充電。

因神華號HXD1型機車蓄電池硫化造成蓄電池虧電的故障，特規定神華號HXD1型機車回段整備轉臨修、預備或其他原因不使用機車時，斷蓄電池電源前必須先將蓄電池充滿電，充電電流由大到小降至4A后判定為充滿電，長期不運用機車定期打溫時需將蓄電池補充滿電。

另外為解決因蓄電池維護不當造成易虧電的問題，特規定運用機車發生虧電需要更換蓄電池時必須整節車更換，更換下的電池及修程機車互換電池車下充電必須嚴格執行三充二放充電工藝。

4 解決措施實施效果

以上解決措施我段自2015年1月下發開始實施，經過十個多月的使用，神朔線再未發生因蓄電池虧電造成機車區停，發生蓄電池虧電造成臨修2件，虧電原因均為個別蓄電池完全失效，電壓為0伏，屬蓄電池本身質量問題造成。

結語

通過分析神華號HXD1型機車虧電問題的原因，提出了相應的解決措施，取得了較好的效果，解決了神華號HXD1型機車蓄電池虧電慣性問題。從實際運用情況來看，采取的措施有力地保障了神朔線鐵路運輸正常秩序。

參考文獻

[1]榮林.神華八軸交流電力機車[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

[2]神華十二軸大功率交流傳動電力機車檢修手冊.南車株洲電力機車有限公司[Z].