牽引蓄電池工程車庫(kù)內(nèi)充電插座燒損故障分析及解決措施

(中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001)

0 引言

中國(guó)鐵路已實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，機(jī)車、動(dòng)車組、地鐵車輛等已成功實(shí)現(xiàn)了向電力牽引模式的轉(zhuǎn)換，與之配套的調(diào)車機(jī)車也將不可逆轉(zhuǎn)地向環(huán)保型的電力牽引型車輛轉(zhuǎn)換。蓄電池電力機(jī)車是軌道工程車領(lǐng)域的一名后起之秀，近幾年來(lái)獲得了快速發(fā)展，其主要的技術(shù)特點(diǎn)之一利用牽引蓄電池作為整車儲(chǔ)備電源，在接觸網(wǎng)不供電的情況下，為整車提供牽引力。

而目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)牽引蓄電池工程車在其庫(kù)內(nèi)充電過(guò)程中頻繁地出現(xiàn)庫(kù)內(nèi)插座燒損事件，導(dǎo)致?tīng)恳铍姵夭荒苷５剡M(jìn)行充電，從而影響其牽引力的發(fā)揮作用。因此，如何保障牽引蓄電池工程車在庫(kù)內(nèi)充電過(guò)程中庫(kù)內(nèi)插座不被燒損，實(shí)現(xiàn)其正常的充放電，將顯得尤為重要。

本文基于某工程車牽引蓄電池庫(kù)內(nèi)充電電路結(jié)構(gòu)，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出其庫(kù)內(nèi)充電插座易燒損原因。為防止該工程車庫(kù)內(nèi)充電插座發(fā)生燒損，結(jié)合其易發(fā)生庫(kù)內(nèi)充電插座燒損故障原因分析，優(yōu)化該工程車庫(kù)內(nèi)充電電路結(jié)構(gòu)，并對(duì)其優(yōu)化后的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

1 關(guān)于某工程車的庫(kù)內(nèi)充電插座易燒損故障分析

經(jīng)分析大多數(shù)庫(kù)內(nèi)插座、插頭燒損事件原因，最終均是基于庫(kù)內(nèi)充電電源所提供的輸入電流大于庫(kù)內(nèi)插座所能承受的最大電流。本文將結(jié)合具體地牽引蓄電池庫(kù)內(nèi)充電電路結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行分析。選取某工程車庫(kù)內(nèi)充電電路方案為例，其電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1某工程車牽引蓄電池庫(kù)內(nèi)充電電路圖

在庫(kù)內(nèi)充電模式下，庫(kù)內(nèi)AC380 V電源經(jīng)過(guò)庫(kù)內(nèi)充電插座、牽引蓄電池?cái)夭ǔ潆娔K、接觸器向牽引蓄電池充電。

根據(jù)圖1可知，庫(kù)內(nèi)電源所提供的輸入電流主要應(yīng)用于輔助負(fù)載供電和牽引蓄電池充電，其中I1表示給定的庫(kù)內(nèi)電源輸入電流值，I2表示提供給牽引蓄電池充電電流值，I3表示提供給輔助負(fù)載電流值，P2表示提供給牽引蓄電池充電功率值，P3表示提供給輔助負(fù)載功率值。從圖1中可以看出：

I3+I2=I1

(1)

而目前某工程車庫(kù)內(nèi)電源輸入功率不做限制，庫(kù)內(nèi)充電插座最大限流值125 A。為保證庫(kù)內(nèi)插座不被燒損，其重點(diǎn)需考慮到牽引蓄電池充電功率最大情況下，即電流I2 max與輔助負(fù)載電流I3之和要小于或等于庫(kù)內(nèi)插座最大限流值125 A。因此需確定牽引蓄電池充電電流I2 max與輔助負(fù)載電流I3的大小。

1.1 牽引蓄電池最大充電電流值計(jì)算

牽引蓄電池由第三軌或庫(kù)內(nèi)電源供電時(shí)，一般利用牽引蓄電池充電機(jī)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，其正常充電過(guò)程中包括3個(gè)階段：恒流充電階段、恒壓充電階段、浮充充電階段。其曲線變化如圖2所示。

圖2 牽引蓄電池庫(kù)內(nèi)充電曲線

1)恒流充電階段：充電機(jī)工作后進(jìn)入充電狀態(tài)或蓄電池放電狀態(tài)進(jìn)入充電狀態(tài)后，首先采用IL1限流充電，充電電流被限制在≤IL1的范圍內(nèi)，充電機(jī)輸出電壓上升。

2)恒壓充電階段：當(dāng)充電機(jī)輸出電壓上升到UL1時(shí)，維持在UL1，蓄電池的充電電流開(kāi)始下降。

3)浮充充電階段：當(dāng)電流下降到IL2時(shí)，充電機(jī)輸出電壓跳轉(zhuǎn)到浮充電壓UL2，進(jìn)入蓄電池的浮充狀態(tài)。

4)其他：維持IL1的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)tL1，維持UL1的時(shí)間不超過(guò)tL2，當(dāng)充電時(shí)間超過(guò)規(guī)定閥值時(shí)，充電機(jī)停止輸出。

結(jié)合某型牽引蓄電池工程車，其采用的蓄電池為鉛酸電池，具體充電曲線如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，當(dāng)牽引蓄電池充電功率最大時(shí)，牽引蓄電池最大充電電流值為64 A，蓄電池單體最大電壓值為2.35 V，此時(shí)I2值也將最大。一般牽引蓄電池充電機(jī)效率、變壓器效率系數(shù)在0.8～1，我們選取系數(shù)為0.9 ，牽引蓄電池單體個(gè)數(shù)為392。經(jīng)計(jì)算可知：

圖3 原牽引蓄電池庫(kù)內(nèi)充電曲線

1.2 輔助負(fù)載電流值計(jì)算

其中廈門1號(hào)線庫(kù)內(nèi)充電過(guò)程中時(shí)，操作手冊(cè)中要求關(guān)閉以下輔助負(fù)載：平車供電、壓縮機(jī)、暖風(fēng)機(jī)、窗加熱、五孔插座。但仍需要考慮的輔助負(fù)載見(jiàn)表1。

表1 庫(kù)內(nèi)充電時(shí)必須考慮的輔助負(fù)載計(jì)算

根據(jù)表中結(jié)果可知輔助負(fù)載消耗的功率約10kW。

因此可計(jì)算出

1.3 庫(kù)內(nèi)充電插座易燒損故障分析

根據(jù)前面對(duì)牽引蓄電池最大充電電流值、輔助負(fù)載電流值的計(jì)算結(jié)果，可知：

I1 max=I2 max+I3=110.6+16.9=127.5

因此可得I1 max=127.5≥125，即該時(shí)刻庫(kù)內(nèi)電源輸入電流值大于庫(kù)內(nèi)插座最大限流值125 A，因?yàn)闀r(shí)間較短并不會(huì)造成庫(kù)內(nèi)插座燒損，因此設(shè)計(jì)上也是可接受的；但如果在牽引蓄電池充電功率較大時(shí)刻，輔助負(fù)載中空調(diào)等其他負(fù)載工作，I3值將增大，導(dǎo)致I1值將有可能較長(zhǎng)時(shí)間大于125 A，造成庫(kù)內(nèi)充電插座燒損。降至56 A。

2 某工程車庫(kù)內(nèi)充電電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合前面對(duì)某工程車的庫(kù)內(nèi)充電插座易燒損的原因分析，以該工程車庫(kù)內(nèi)充電電路為例，在其設(shè)計(jì)過(guò)程中做了更進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 某工程車優(yōu)化后的庫(kù)內(nèi)充電電路結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖4可知，某工程車在其庫(kù)內(nèi)充電電路結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有以下幾項(xiàng)。

1)某工程車庫(kù)內(nèi)充電輸入遷至輔助負(fù)載前端。

2)同時(shí)在庫(kù)內(nèi)充電插座與輔助負(fù)載間，增加了輔助負(fù)載功率監(jiān)測(cè)電流傳感器，其目的可實(shí)時(shí)計(jì)算出輔助負(fù)載所消耗功率大小。

3)利用監(jiān)測(cè)出的輔助負(fù)載消耗功率大小，結(jié)合公式(1)，可計(jì)算出最大允許充電功率/電流。

4)進(jìn)而可利用牽引蓄電池充電機(jī)對(duì)充電功率/電流進(jìn)行可控調(diào)節(jié)。

根據(jù)前面某工程車最大限流值為125 A，結(jié)合某工程車庫(kù)內(nèi)充電電路優(yōu)化后的設(shè)計(jì)，即在該工程車庫(kù)內(nèi)充電插座與輔助負(fù)載間，增加了輔助負(fù)載監(jiān)測(cè)電流傳感器，可實(shí)時(shí)測(cè)出輔助負(fù)載電流值I3，因此可計(jì)算出牽引蓄電池允許的充電電流值I2。如下所示：

I2 MAX+I3≤125

(2)

I2 MAX≤125-I3

(3)

根據(jù)公式(3)中牽引蓄電池允許的最大充電電流值I2 MAX≤125-I3，其中I3可進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)算出，且因輔助負(fù)載中控制蓄電池充電機(jī)等功率會(huì)具有變化性，從而測(cè)出的I3值也會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)生的變化，最終I2MAX也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)改變，并能實(shí)時(shí)測(cè)算出來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某工程車牽引蓄電池庫(kù)內(nèi)充電電路結(jié)構(gòu)，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，認(rèn)為造成其燒損原因?yàn)檩o助負(fù)載與蓄電池充電機(jī)所消耗的電流量大于庫(kù)內(nèi)插座最大限流值是其庫(kù)內(nèi)插座燒損原因之一。結(jié)合該工程車電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了針對(duì)性的優(yōu)化，在庫(kù)內(nèi)插座與輔助負(fù)載間加入了電流傳感器，起到對(duì)庫(kù)內(nèi)電源輸入電流進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)電流過(guò)大時(shí)，可采取關(guān)閉部分輔助負(fù)載等相應(yīng)措施以降低流經(jīng)庫(kù)內(nèi)插座中的電流，防止庫(kù)內(nèi)插座燒損，進(jìn)而可保證牽引蓄電池進(jìn)行正常地庫(kù)內(nèi)充電作用。