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、操作使用不當等。因此，當發現蓄電池電壓低時，應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中或乘務員在機車運行中能及時發現蓄電池虧電的初期表現形式，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，其內部擁有兩組完全相同的電源模塊Power Supply Unit（簡稱PSU）,應用IGBT 元件。通常情況只有一組處于工作狀態，當故障時另外一組會啟動，繼續供電。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，進行了統計分析，有針對性改造，可提高其質量特性。

1 機車蓄電池虧電時表現特點

機車蓄電池虧電故時，在機車運用中不是突然發生的。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，發現蓄電池虧電的表現形式。如沒有及時發現并處理，蓄電池就會因虧電造成機車控制系統癱瘓，TCMS 執行低電壓保護，故障顯示屏會顯示“DC110V 運轉停止”。此時無論采取何種方法，均不能繼續充電。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 整備機車作業時

1）整備機車作業時，作業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裝置的雙組工作轉換情況。

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

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

4）機車蓄電池電壓低于規定值時，應進行補充電。

2.2 機車運行中蓄電池狀態的檢查

1）乘務員接班后，通過司機室網壓、控制電壓表，確認機車蓄電池電壓在規定值范圍內。

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

3）機車運行過程中，應注意觀察機車的控制電壓值。當發現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，可關閉機車照明及其它輔助電報設備電源，減小蓄電池的負載。

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

2.3 車運行中蓄電池虧電后的應急故障處理

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，從微機屏機器狀態到輔助電源，檢查PSU1 和PSU2 的工作狀態：

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下降，下降可到前方車站后停車救援，如保持不變可繼續運行。

2）有1 組亮紅燈，另一組無顯示（或2 組均無顯示）。說明PSU 裝置不能正常轉換，人為斷一次充電裝置控制電源的脫扣開關，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，就關閉機車內部照明電源，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，就關閉機車內部照明電源，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下降，如保持不變可繼續運行，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 頻繁出現故障，已經嚴重影響了機車的正常運行，甚至更換PSU 已經形成了常態化。由于大部分HXD3 機車已經超過保修期，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，發現其存在一些問題。

3.1 抗干擾能力差，無保護

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

3.2 工作環境惡劣，易燒損

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

4 PSU 設計改進方案

針對HXD3 蓄電池充電器PSU 存在問題，進行了創新設計具有以下特點：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，耐溫度系數為-40～80℃；用原裝進口的高品質IGBT 替換原有的IGBT，并引入額外的防浪涌器件對IGBT 及相關器件進行保護。提高了PSU 質量特性，能滿足機車運用需求。驅動板波形對比，如圖2 所示。

圖2 驅動板波形對比

5 PSU 設計改進前后波形對比

原機車驅動板下的波形是不規則失真的方形波，此種波形在高頻狀態下對IGBT 是有害的，易引起元器件短路和誤導通，影響充電器的正常運行，進而影響機車運行。通過改進設計后，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反應時間，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 結束語

蓄電池是能夠貯存化學能量，并且在必要時放出電能的一種電氣化學設備。放電后，能夠用充電方式使內部活性物質再生——把電能儲存為化學能；需要放電時再次把化學能轉換為電能。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鍵因素之一。