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有限公司運營分公司 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。為保障運營安全，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)、司機室的通信監(jiān)控功能等[1]。列車在正線運營的時候，若發(fā)生受電弓意外降下且蓄電池也無法投入使用的情況，會引發(fā)乘客恐慌或造成踩踏事件，嚴(yán)重時會導(dǎo)致乘客窒息并造成人員傷亡，對地鐵運營造成難以預(yù)估的負(fù)面影響。因此，蓄電池檢修經(jīng)驗的積累以及優(yōu)化，對于地鐵運營安全至關(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，放電時將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)電能與化學(xué)能轉(zhuǎn)換的儲能設(shè)備。

西安地鐵二號線每列車配備2個蓄電池箱，位于Tc車(帶司機室的拖車)下，用以裝載蓄電池組。蓄電池組由78個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個蓄電池單體又分為42個單體和36個單體組成的兩個蓄電池小車，單體與單體之間用短連片連接。每個蓄電池單體的結(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

自西安地鐵開通運營以來，在鎳鎘蓄電池的實際檢修維護過程中，檢修人員發(fā)現(xiàn)多起蓄電池故障，有常見的共性現(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，機械方面存在單體瓶蓋與接線支座干涉的問題。針對這5類問題，進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，充電過程是將電能儲存為化學(xué)能，該過程在一定程度上會電解水分子產(chǎn)生氫氣和氧氣，且隨著蓄電池溫度升高，水分會蒸發(fā)，造成電解液水分流失。

(2)燒蝕

由于蓄電池的長期使用，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高燒灼、內(nèi)部支架坍塌，并燒毀相關(guān)線路，使列車無法正常啟動，甚至引發(fā)列車火災(zāi)，并伴隨濃煙，造成不可挽回的嚴(yán)重運營安全事故。

(3)爬堿

由于車輛的運行工況非完全平穩(wěn)狀態(tài)，過彎道時車輛發(fā)生側(cè)傾，若蓄電池液面過高則會發(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行充放電的過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，以上兩種情況均會導(dǎo)致爬堿現(xiàn)象的出現(xiàn)，如圖2所示，該現(xiàn)象會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、電解液比重等均會有不同，各單體極板上活性物質(zhì)狀態(tài)不同，在長時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

二號線蓄電池箱內(nèi)部存在單體瓶蓋與接線支座干涉問題，導(dǎo)致每組蓄電池有1～2個單體瓶蓋正常無法打開，對檢修造成困難。部分單體液面無法測量，無法確定其電解液失水程度以及液面高度，對電客車運營造成一定的風(fēng)險。

3 蓄電池日常維護現(xiàn)狀

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

(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罩， 確認(rèn)其無破損， 目視蓄電池單體之間的接線板無腐蝕，表面有無漏液、 爬堿等異常情況； 蓄電池托盤、 導(dǎo)軌的檢查主要是手動試?yán)铍姵赝斜P， 檢查電池盤、 導(dǎo)輪運行良好， 蝴蝶鎖功能良好。

(2)蓄電池單體液面測量。

在日常修程中進行單體液面測量，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，測試管上刻有與MAX平齊的刻線，測量時用測試管伸至底部，在單體液面高于極板20～40 mm的范圍時，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、絕緣阻值測量。

用數(shù)字萬用表接觸單體正負(fù)極的端子進行電壓測量，該措施可有效避免單體電壓不均的情況出現(xiàn)。測蓄電池組電壓時分別測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數(shù))的偏差要求在50 mV之內(nèi)；用絕緣電阻測試儀或者搖表，在500 V電壓下測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，隨后降弓，確認(rèn)無高壓后按下控制柜中的EPSB應(yīng)急電源啟動按鈕，確認(rèn)應(yīng)急照明與應(yīng)急通風(fēng)正常開啟并維持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，降低電客車運營風(fēng)險，在檢修中采取了以下優(yōu)化措施，對維保策略進行調(diào)整。

(1)對蓄電池箱接線支座進行改造

針對二號線車輛蓄電池箱內(nèi)的接線支座阻擋蓄電池單體瓶蓋問題，對接線支座進行改造，將小車所有支架原來長度為81 mm的管接頭槽切掉，改為一個長度為51 mm的管接頭槽，采用螺栓連接固定，管接頭槽實際縮短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及關(guān)閉，為檢修工作提供了便利，進一步保障了電客車的運營安全。

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，在檢修過程中注意以下事項：①持續(xù)開展以3個月為周期的常規(guī)檢查，例如外觀檢查、測量單體液面高度、電壓以及溫度，以避免失水、燒蝕、爬堿等情況出現(xiàn)；②每年進行一次調(diào)試性充放電，蓄電池長時間存放，會發(fā)生自放電現(xiàn)象，導(dǎo)致蓄電池容量不滿足使用要求，因此需要進行調(diào)試性充放電以確保使用時的狀態(tài)；③每3年進行一次深度清潔以及蓄電池容量測試，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別單體由于受到某種外部因素導(dǎo)致的損傷，同時在出廠時個別單體的質(zhì)量問題未被發(fā)現(xiàn)，而在后期的使用中才會暴露出來。針對該情況，檢修人員在日常維保中發(fā)現(xiàn)此類問題后，進行跟蹤觀察，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單體進行更換。

(4)增設(shè)周轉(zhuǎn)備件

受運營前期預(yù)想不足、備件采購周期長等因素影響，目前二號線車輛僅有1組蓄電池周轉(zhuǎn)備件，故障時整組進行更換，以避免僅更換單體而不做均衡性處理對蓄電池性能造成損傷。為提高電客車運用情況，計劃將二號線車輛周轉(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，在日常維護中發(fā)現(xiàn)個別單體過分耗水或電壓不均時直接替換，將故障件統(tǒng)一收集以便進行深度維護。

5 結(jié)束語

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

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

(2)考慮將蓄電池進行在線監(jiān)測，對蓄電池溫度、單體電壓、內(nèi)阻、液面高度進行實時監(jiān)測，使設(shè)備可以提示蓄電池正常或故障，縮短檢修工作時間，降低檢修工作的安全隱患，提高蓄電池監(jiān)測的精準(zhǔn)度。