防止电力机车蓄电池亏电措施及PSU 改造探究

王建强，冯彦凯，杨 健

（中国铁路北京局集团有限公司，北京 100860）

造成机车蓄电池亏电的原因有多种，如ATU 故障、PSU 故障、线路干扰故障、蓄电池故障、操作使用不当等。因此，当发现蓄电池电压低时，应在确认机车牵引控制回路无故障的情况下，进行分析处理。如果检修人员在机车整备作业中或乘务员在机车运行中能及时发现蓄电池亏电的初期表现形式，采取必要的防止措施，便能够减少机车因蓄电池亏电造成故障、机破、堵塞区间的情况。

蓄电池充电器是电力机车重要电气部件之一，主要用于给机车蓄电池充电，另外提供直流110V电源用于机车的控制系统，其内部拥有两组完全相同的电源模块Power Supply Unit（简称PSU）,应用IGBT 元件。通常情况只有一组处于工作状态，当故障时另外一组会启动，继续供电。PSU 性能好坏会直接影响到机车正常的运行。针对蓄电池充电器PSU 频繁报故障，进行了统计分析，有针对性改造，可提高其质量特性。

1 机车蓄电池亏电时表现特点

机车蓄电池亏电故时，在机车运用中不是突然发生的。在蓄电池亏电初期，可通过LV 柜蓄电池电压表或司机室控制电压表和微机屏观察亏电情况，也可通过机车故障信息屏，发现蓄电池亏电的表现形式。如没有及时发现并处理，蓄电池就会因亏电造成机车控制系统瘫痪，TCMS 执行低电压保护，故障显示屏会显示“DC110V 运转停止”。此时无论采取何种方法，均不能继续充电。机车蓄电池故障后信息显示屏显示故障过程（N=1；2；3；4；5；6）如图1 所示。

图1 显示屏显示故障过程

2 防止HXD3 电力机车蓄电池亏电的措施

2.1 整备机车作业时

1）整备机车作业时，作业人员可检查并记录机车蓄电池的电压和PSU 装置充电的电压值，轻载试验的蓄电池放电状况，查看机车故障信息，试验PSU装置的双组工作转换情况。

2）每半年一次，检查机车蓄电池的联接线，测量单节电池的空载电压，检查蓄电池箱体的漏液情况。

3）机车整备完毕、库内停留及短备期间，应断开机车总控制电源；机车临修或改造期间，应使用地面电源，严禁使用机车控制电源；机车长期停放时，应检查蓄电池电压，防止蓄电池亏电。

4）机车蓄电池电压低于规定值时，应进行补充电。

2.2 机车运行中蓄电池状态的检查

1）乘务员接班后，通过司机室网压、控制电压表，确认机车蓄电池电压在规定值范围内。

2）机车升弓合闸后，应检查PSU 装置充电的电压，额定输出电压为110±1%。允许在105V～110V充电状态下运行，最终充电电压应达到110V，且充电时长不允许超过10min。

3）机车运行过程中，应注意观察机车的控制电压值。当发现蓄电池电压始终低干110V 时，说明PSU 装置或蓄电池自身有故障，可关闭机车照明及其它辅助电报设备电源，减小蓄电池的负载。

4）机车运行到分相区在断开主断路器之前，应确认机车控制电压，机车过分相区重新合闸之后，应再次确认机车充电电压。

2.3 车运行中蓄电池亏电后的应急故障处理

机车运行中控制电压低于110V 时，在确认机车牵引无故障的情况下，从微机屏机器状态到辅助电源，检查PSU1 和PSU2 的工作状态：

1）有1 组亮红灯，另一组亮绿灯。只要充电装置有一组显示绿灯，就可维持运用，注意观察控制电压是否继续下降，下降可到前方车站后停车救援，如保持不变可继续运行。

2）有1 组亮红灯，另一组无显示（或2 组均无显示）。说明PSU 装置不能正常转换，人为断一次充电装置控制电源的脱扣开关，待微机屏报警后重新通电，只要充电装置有一组显示绿灯，充电电压上升就可维持运用。如故障没有消除，就关闭机车内部照明电源，维持到前方车站后停车救援。

3）如果两组全亮红灯。首先检查机车LV 柜充电装置控制电源的脱扣开关有没有跳闸；然后人为断开主断路器，断开1、2 微机控制电源，断充电装置控制电源，重新通电后看故障是否排除，如故障没有消除，就关闭机车内部照明电源，维持到前方车站后停车救援。

4）机车运行中控制电压在105～110V 间。无论微机屏是否报警和显示，在确认机车牵引无故障的情况下，机车可以维持运行，但要观察控制电压是否继续下降，如保持不变可继续运行，如还下降可到前方车站后救援。

3 HXD3 蓄电池充电器问题分析

蓄电池充电器PSU 频繁出现故障，已经严重影响了机车的正常运行，甚至更换PSU 已经形成了常态化。由于大部分HXD3 机车已经超过保修期，运用部门只能购买备件进行替换，无形中增加了很大成本。针对此情况对PSU 模块进行了分析，发现其存在一些问题。

3.1 抗干扰能力差，无保护

驱动设计一定问题，抗干扰能力差，驱动容易受到干扰，从而引起元件短路和误导通，影响充电器的正常运行。原驱动板没有过压、过流保护功能，由于网压波动易造成IGBT 烧损。

3.2 工作环境恶劣，易烧损

设备长期处于高温运行状态，且驱动模块经过环氧灌封，散热效率较低。导致驱动模块内部电容等元件提前老化，最终造成驱动波形失真，IGBT 过流损坏。IGBT 损坏后由于栅极处于短路状态，驱动板的工作条件进一步恶化，最终因局部过热造成驱动板彻底损坏，并烧焦开裂。

4 PSU 设计改进方案

针对HXD3 蓄电池充电器PSU 存在问题，进行了创新设计具有以下特点：增加IGBT 短路、过压、过流保护功能；对输入信号深度滤波，增强抗干扰能力；散热性能良好，耐温度系数为-40～80℃；用原装进口的高品质IGBT 替换原有的IGBT，并引入额外的防浪涌器件对IGBT 及相关器件进行保护。提高了PSU 质量特性，能满足机车运用需求。驱动板波形对比，如图2 所示。

图2 驱动板波形对比

5 PSU 设计改进前后波形对比

原机车驱动板下的波形是不规则失真的方形波，此种波形在高频状态下对IGBT 是有害的，易引起元器件短路和误导通，影响充电器的正常运行，进而影响机车运行。通过改进设计后，使机车铅酸蓄电池充电电流更加接近理想的脉冲式，可使铅酸蓄电池拥有较充分的化学反应时间，从而减少了充电过程中铅酸蓄电池的析气量，提高了铅酸蓄电池的充电电流可接受能力。

6 结束语

蓄电池是能够贮存化学能量，并且在必要时放出电能的一种电气化学设备。放电后，能够用充电方式使内部活性物质再生——把电能储存为化学能；需要放电时再次把化学能转换为电能。电力机车的蓄电池是机车上直流电源的辅助电源，并兼作可控硅稳压电源的滤波原件。有效地防止HXD3 电力机车蓄电池亏电措施以及提高蓄电池充电性能，是确保机车运行安全的关键因素之一。