广州地铁五号线车辆蓄电池欠压保护电路分析及改进方案

韦义林

（广州市地下铁道总公司，广东广州 510380）

0 引言

地铁车辆蓄电池是车辆辅助供电系统设备的一部分，主要用于在列车启动前激活列车[1]，在辅助逆变器工作后对110 V控制电源起滤波作用，以降低控制电源的纹波系数，提高控制电源的品质。在列车因故障而失去高压或辅助逆变器故障的紧急情况下，蓄电池将为应急照明、紧急通风以及所有与安全有关的控制系统的紧急负载提供供电[2]。由于蓄电池在列车控制中是不可或缺的重要的供电设备，因此在车辆辅助系统设计中，设计者对蓄电池控制电路增加欠压保护措施以保障蓄电池的性能，保障蓄电池的供电可靠性。城轨车辆目前主要采用镉镍蓄电池[3]，在紧急状况下，蓄电池的供电时间的长短以及供电过程中的可靠性直接关系到列车正线运营的安全[4-6]，因此需定期测试。广州地铁五号线地铁车辆在进行蓄电池供电时长进行试验时，发现欠压保护失效。本文主要针对蓄电池欠压保护失效现象进行分析并给出改进方案。

1 列车蓄电池及供电时长试验

广州地铁五号线列车为六节编组，编组形式为-A+B+B1+B2=B3+A-。根据此形式分为三个单元，每个单元含一个蓄电池组给全列车供电，分别安装在B车、B1车和B3车。

根据列车的设计需求，列车在无网压输入时，全列车蓄电池的容量能够供给列车全部紧急照明、外部车灯、通信设备（包括列车广播、车辆无线电等）、开关门一次、紧急通风等负载工作45分钟。当网压恢复时，蓄电池输出能保证辅助逆变器的起动。为避免蓄电池在运用中出现过放电而损坏，在蓄电池控制中加入施密特的欠压继电器，在电压降到83 V以下后切断负载。

蓄电池供电时长试验，用于验证蓄电池在无充电情况下，蓄电池是否能满足应急负载工作45分钟以上欠压继电器才失电。此项试验在列车检修中进行，首先利用SIV辅助逆变器将蓄电池电量充满，然后将高压断开使SIV停止工作，让蓄电池作为应急电源单独工作。

2 蓄电池欠压保护失效情况

在对广州地铁五号线023024车进行蓄电池应急供电时长试验中，检修人员发现在蓄电池电压持续消耗48分34秒后，其B车在工作电压到达83 V欠压继电器失电，随后其他两个继电器没有出现跳断，B1车和B3车的蓄电池电压快速下降，两蓄电池组承担原来三个蓄电池组的输出电流，并且无停止放电迹象。为避免出现蓄电池亏电现象，重新将受电弓升起，利用SIV对蓄电池进行充电。

为分析蓄电池欠压保护出现此异常现象的原因，下面给出SIV停止工作45至50分钟的蓄电池组输出数据如表1，以及三组蓄电池的输出特性曲线如图1。

表1 023034车蓄电池组输出数据

3 电路工作原理及失效原因分析

3.1 蓄电池欠压保护原理

图1 023024车蓄电池供电特性曲线

广州地铁五号线使用排气式镍镉碱性蓄电池，每组蓄电池由13个蓄电池单体构成，每个蓄电池单体由6节构成公称电压是7.2 V。根据镍镉电池的放电终止电压和放电速率的关系，蓄电池单体理论上的放电终止电压为1 V[8]。为了防止蓄电池过放电，设计人员将蓄电池组的保护电压设置为83 V。蓄电池欠压保护电路结构图如图2所示，三组蓄电池A、B、C向蓄电池控制回路送电，KC1为欠压继电器，通过蓄电池投入控制线的母线电压大小来实现继电器的控制，欠压继电器触点控制蓄电池接触器控制开关的得电与失电，来接通和切断蓄电池和负载的联系。

图2 蓄电池欠压保护电路

3.2 失效原因分析

欠压继电器的工作原理为当线圈电压低于截止值Uoff后，触点断开，直到线圈两端电压再次达到导通值Uon后，触点吸合。在广州地铁五号线蓄电池采用施密特的UMD-81-KC欠压继电器，其截止值Uoff=83 V，导通值Uon=91 V。

从上述的表1中可以看出，023024车B车的蓄电池是在83 V以后切断负载的。在蓄电池控制回路中的三个欠压继电器采集的同一电压值，原则上是三个设置相同欠压值的继电器应同时切断所属蓄电池负载，但实际上列车上的继电器没有同时断开。检查欠压继电器发现其状态良好，但是每个欠压继电器失电临界点存在差值，这是导致三个欠压继电器不能同步失电断开的原因。根据蓄电池的输出特性，在切断负载后蓄电池的电压回升，B车蓄电池电压回升至88 V给电池投入控制的母线供电。此时其余两个没有跳开的继电器检测到的电压值始终大于83 V，因此无法切断所属蓄电池的负责导致蓄电池出现过放电的情况。

因此列车三个欠压继电器监控同一母线，但继电器断开临界点不一致是导致列车欠压保护回路失效的原因，最终造成蓄电池过放电，为避免此情况需制定切实有效的保护措施。

4 改进方案

列车蓄电池系统在欠压保护失效后无法断开负载，导致蓄电池持续供电而造成过放电。蓄电池过放电是导致蓄电池提前损坏或报废的直接原因，同时也直接影响仪器使用寿命[7]。要解决这个问题，就必须使蓄电池端电压达到放电终止电压时，停止放电[8]。

广州地铁五号线列车蓄电池欠压保护失效的原因有两点：一是欠压继电器的截止电压不一致；二是欠压继电器监控的为控制回路，而非所属单元蓄电池电压。本章将主要针对这两种原因，提出改进方案，以杜绝因人为操作失误造成的蓄电池欠压亏电。

4.1 继电器换型

目前广州地铁五号线使用的继电器为免维护的欠压继电器，检修人员无法对其欠压值进行调整。由于欠压继电器的设计误差，导致其不同批次的继电器的欠压值存在差异。如果将欠压值存在差异的继电器安装到同一列车上，就会造成三个继电器对同一电压值进行检测却不能同时断开的故障。

针对现车的电路设计，为避免继电器的设计误差给欠压保护造成的影响，需更换为可调节的欠压继电器。在日常检修过程中，检修人员可通过对欠压保护值进行校准，保证同一列车的欠压继电器欠压值为同一值。

4.2 电路设计改进

现有的电路设计中蓄电池欠压继电器电压采集存在设计缺陷，需进行电路改造，以达到欠压继电器监控各单元蓄电池电压。改进后的控制电路如图3所示，在原有的基础上增加一个常规继电器。在进行改造后，通过蓄电池激活开关SC5投入，新增继电器的触点将各单元蓄电池输出端与所属的欠压继电器相连接，欠压继电器开始进行蓄电池电压的监控。若蓄电池电压满足欠压继电器的要求时，欠压继电器触点将闭合使QC1接触器的线圈得电，从而控制负载输出。

图3 改进方案

5 结论

蓄电池在列车上起着至关重要的作用，是地铁车辆的安全关键点。本文主要对广州地铁五号线车辆蓄电池的欠压保护工作原理及失效原因进行分析，并给出防止因继电器内部欠压保护值的偏差而导致的失效的改进方案。两种方案在广州地铁五号线现有列车上进行验证，均能有效的实现列车蓄电池在低于欠压设计值83 V后断开负载。改进后的电路能有效的避免蓄电池过放电导致蓄电池性能降低、寿命缩短甚至损坏。

［1］ 查小菲，唐朝辉.地铁车辆供电蓄电池合理选型分析［J］.中国新技术新产品，2000（3）：148-149.

［2］黄志华，刘东广.城轨车辆110V回路蓄电池欠压保护设计［J］.科协论坛，2012，（5）：47-48.

［3］朱士友.城车辆检修工［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2009.

［4］ 王鑫，赵清良，曾明高，等.北京地铁国产列车辅助电源系统及其改进［J］.机车车辆工艺，2007（2）：26-29.

［5］李云，赵清良.上海中低速磁浮列车辅助电源系统［J］.电力机车与城轨车辆，2008，31（6）：15-18.

［6］邓嘉.国产地铁辅助供电系统及蓄电池的选择［J］.铁道车辆，2000（21）：89-90.

［7］杨维国，刘恩臣，孙树旺，等.预防蓄电池过放电保护电路［J］.郑州工业大学学报，2000，21（2）：58-60.

［8］ 于吉滨，王善哲，王俊榜.客车蓄电池过放电原因及其保护初探 ［J］.铁道车辆，1988，36（12）：62-63.