电力机车蓄电池欠压保护装置设计研究

严骏， 熊良岳

（中国铁路武汉局集团有限公司武昌南机务段，湖北武汉 430064）

0 引言

电力机车控制系统采用DC 110 V 电源供电，控制系统设备的标准工作电压范围为+DC 77.0～137.5 V。电力机车充电机投入工作前，控制系统电源由车载蓄电池组提供，若蓄电池亏电，控制系统则无法工作。此时只有通过地面充电装置对机车蓄电池进行充电，若亏电机车位置无地面充电设备，只能挂运至指定地点进行充电。同时，机车蓄电池若经多次亏电工作，对蓄电池工作寿命将产生不可逆影响［1-3］。可见，机车蓄电池亏电故障会对机车正常运用和生产组织带来严重影响。

近年来，各铁路局集团公司辖属机务段运用电力机车因蓄电池亏电而影响机车正常运用事故频发，给各机务段带来巨大经济损失。同时，亏电电力机车给运用单位增加了大量运用、检修人力投入，严重干扰了铁路正常运输秩序和机务段运用、检修生产组织［4-5］。为减少运用机车蓄电池亏电故障的发生，部分机车在出厂设计上具有蓄电池组电压低于88 V 报警提示功能，但不具备对蓄电池输出进行欠压切断控制，仍会造成机车蓄电池组过放电，电压低于77 V 后导致控制电路、微机、网络控制系统等不能正常工作［6-8］。

鉴于目前电力机车的实际设计及机车蓄电池亏电对运用单位产生的影响，加强对电力机车蓄电池工作管理及监测、智能保护控制输出极其必要。

1 方案设计

基于实际需求，中国铁路武汉局集团有限公司武昌南机务段提出一种电力机车蓄电池欠压保护方案，通过对既有电力机车蓄电池输出电路进行局部调整，可实现对机车蓄电池组电压进行监控和报警、显示提示，并在机车蓄电池组电压低于设定最低保护门槛电压时对蓄电池输出进行切断保护。同时，为了提高设备有效性、可靠性和安全性，保护装置对动作接触器进行状态监控，并对接触器控制回路进行冗余设计。

现有电力机车蓄电池输出由空气自动开关控制，在蓄电池输出自动开关闭合后，蓄电池组经各负载回路独立的空气自动开关给机车控制系统设备供电，蓄电池输出自动开关的切断完全由手动控制。

蓄电池欠压保护装置方案在原机车蓄电池输出回路上增加蓄电池输出接触器，并通过保护控制装置对蓄电池进行监测，控制输出接触器闭合、断开，达到自动保护目的（见图1）。

蓄电池欠压保护装置电路组成：机车蓄电池欠压保护控制盒、控制盒独立供电自动开关、应急供电旁路自动开关、蓄电池输出接触器、欠压保护控制旁路开关、复位按钮、司机室报警闪光蜂鸣器及相关电路。

蓄电池欠压保护装置控制原理：在原机车蓄电池输出回路上，蓄电池输出自动开关与负载间增加蓄电池输出接触器K1，闭合机车蓄电池输出自动开关1QA、控制盒独立供电自动开关2QA，应急供电旁路自动开关3QA 断开位，此时K1 未闭合，蓄电池无输出，机车控制系统不工作。欠压保护控制盒上电工作，并采集、检测蓄电池组电压，蓄电池组电压高于设定保护门限值时，控制盒输出指令，使K1 工作线圈得电，接触器主触头闭合，蓄电池组向机车控制系统正常供电；控制盒检测蓄电池组电压低于设定保护门限值时，智能判断并实施分级保护，报警提醒或禁止K1 闭合，实现蓄电池亏电断电保护目的。

2 设计特点

（1）控制盒对蓄电池组进行分级监控、保护，设定两级保护门限值。控制盒采集、检测蓄电池组电压低于一级保护门限值时进行报警提醒，并延时断开K1，禁止蓄电池输出；如操作自复位按钮，则允许蓄电池应急投入使用直至二级欠压保护。控制盒采集、检测蓄电池组电压低于二级保护门限值时，则立即断开K1，禁止蓄电池输出。

（2）保护门限值可调设计。各型机车蓄电池组负载输出不同，蓄电池组放电状态可持续工作时间不同；蓄电池组使用时间不同，性能差别很大，放电状态可持续工作时间不同。欠压保护系统对一级、二级保护电压进行可调设计，可调的保护电压可根据各型机车控制系统负载大小、蓄电池组容量差别，满足不同性能蓄电池的个性化保护需求，在最大限度保证蓄电池不亏电的同时，确保机车可靠运用。

（3）防止电力机车控制系统失电掉分相设计。机车正常运行中，蓄电池充电装置与蓄电池组并联运行，向机车控制系统供电，在异常情况时断开，蓄电池输出被切断，机车充电装置可继续给机车控制系统供电，如乘务员未发现，机车过分相时将导致控制系统失电，机车制动机自动减压制动，有掉分相风险。保护系统设计上，控制盒采集K1 辅助触点信号，监测到接触器异常断开时进行报警提示，提醒乘务员提前采取措施，避免机车非正常停在分相区。

（4）故障应急冗余设计。①报警后应急维持供电输出按钮S1 的设计。机车运用中充电装置故障，控制系统使用蓄电池组供电维持运行，蓄电池组电压下降至一级报警门限时，按压一次S1，则保护系统一级保护不触发断电保护，蓄电池组保持输出，机车可维持运用。②机车蓄电池欠压保护控制旁路开关S2的设计。机车运用中，控制盒输出控制指令故障情况下，闭合S2，使K1 得电，维持向机车控制系统供电，同时保留控制盒监测、报警提示功能。③蓄电池输出接触器并联自动开关3QA 旁路设计。机车运行中K1 故障时，通过手动闭合旁路的3QA 自动开关，此时切除了蓄电池欠压保护功能，确保机车正常运用。④新增蓄电池组电压检测支路由新增自动开关2QA 控制，2QA 和3QA配合使用实现新增欠压保护装置的投入和切除，确保装置故障后机车可维持正常运用。

上述蓄电池欠压保护装置设计所具有的技术特点，结合机车既有设计结构，并充分考虑机车运用、检修等具体要求进行的方案设计，对机车蓄电池供电回路进行优化设计，并结合运用实际，确保机车运用安全、可靠。

3 装置设计与选型

3.1 欠压保护控制盒设计

单片机外围接口：1路显示信号，用于状态信息显示；2 路I/O 输出，1 路用于控制声光报警，1 路用于控制蓄电池输出接触器通断；3路I/O输入，1路用于检测机车蓄电池欠压保护旁路开关S2 的通断，1 路检测输出接触器控制电路通断，1 路检测接触器工作状态；1路I2C接口，用于AD转换芯片数据通信；1路RTC 时钟供电锂电池，用于RTC 时钟掉电保持工作；1 路UART，用于调试。控制盒系统框图见图2。

图2 蓄电池欠压保护控制盒系统框图

主电源模块选用隔离型10 W 电源模块TLE10/110S05，该模块输出为DC 5.1 V，最大电流能力2 A，工作温度-40～85 ℃，输入输出隔离电压AC 1500 V，具有短路、过流等保护功能。控制盒设计接口如下：

电压检测采用分压电路后，经AD 采样后转换为数字信号，通过数字隔离芯片与单片机通信。

按钮开关、继电器和接触器辅助联锁的通断状态通过光耦隔离后进行检测。

接触器线圈通过继电器进行控制。

4 个普通功能按键可操作设置V1/V2参数、查看信息等。

1个应急供电自复位按键，当电压低于V1参数，需要应急维持供电时，可通过紧急复位按键控制接触器线圈通电，蓄电池继续供电，同时取消声光报警状态。

1个UART串口调试接口。

声光报警电路采用继电器进行控制通断。

RTC 时钟用于掉电后保持时间，保证操作日记记录时间。

对控制盒进行集成设计，将应急维持供电输出按钮S1、蓄电池欠压保护控制旁路开关S2 集成到控制盒（见图3）上，减少外部电路布线及电器安装。

图3 蓄电池欠压保护控制盒

3.2 其他主要部件选型设计

除自制蓄电池欠压保护智能控制盒外，其他主要部件选型见表1。

表1 其他主要部件选型

4 报警保护门限值选择

蓄电池组作为机车控制电路备用电源，在机车未升弓取电前或机车直流稳压电源故障时向机车控制系统供电，保障机车控制系统正常工作，在升弓后也起到机车直流稳压电源滤波环节作用。电力机车普遍采用DM-170 型阀控式密封铅酸蓄电池组，蓄电池组由48 个蓄电池串联组成，每个蓄电池的标称电压为2 V，容量为170 Ah，总标称电压为96 V。机车库内未及时断电或运用中直流稳压电源故障，蓄电池组放电状态工作，造成蓄电池组单节电压不断下降。蓄电池组单节放电终止电压为1.8 V，在不考虑各单节差异性情况下，对应机车蓄电池组放电终止电压为86.4 V。根据蓄电池维护要求及放电特性，在单节电压降到1.8 V 时，如继续放电，会降低蓄电池容量，缩短蓄电池寿命，甚至直接导致蓄电池损坏而报废。同时，早期电力机车控制系统电器可靠工作最低电压为88 V，蓄电池组电压低于88 V会导致机车控制系统工作不稳定。

综合机车蓄电池使用维护要求和控制系统可靠工作要求，蓄电池欠压保护装置分级报警保护设定如下：

（1）机车蓄电池投入工作后，保护装置开始投入使用，检测蓄电池组电压并对蓄电池输出进行控制。

（2）一级报警保护：机车蓄电池组电压低于V1（设定值95 V，可调）时，控制盒报警器动作，司机室蜂鸣器闪光报警提示，提示T1时间（3 min）后，无人工干预则断开机车蓄电池输出；人工干预按下应急供电自复位按钮，则允许蓄电池继续输出，直至蓄电池组电压下降触发二级报警保护。

（3）二级报警保护：机车蓄电池组电压低于V2（设定值88 V，可调，V1＞V2），控制盒立即切断蓄电池输出并进行报警提示。

5 技术方案实施及优化

2017年4 月，在武昌南机务段采用上述技术设计方案对HXD1D0001 机车完成试改造（见图4、图5），改造后蓄电池供电回路电气原理见图6。

图4 接触器安装

图5 控制盒安装

图6 HXD1D0001机车改造后电气原理

改造完成后，通过调试串口，对蓄电池欠压保护装置的保护功能、接触器保护动作、蜂鸣器报警提示以及开关、按钮和旁路设计的功能进行逐一验证，可满足保护功能要求。

蓄电池欠压保护装置装车后，机车上线进行运用试验，观察装置运用情况。运用多趟后，发现一级报警电压V1的设定值与机车运用实际存在差距。乘务员库内接车时，需经常使用辅助压缩机泵风（蓄电池供电），蓄电池组放电电流最大28 A，在泵风过程中蓄电池组总电压会出现降至95 V 甚至更低现象，此时装置报警并延时切断蓄电池输出，影响机车正常作业。对其他和谐型电力机车进行同样状态的放电试验：HXD1D型机车控制系统正常工作，辅助压缩机泵风时，蓄电池放电电流28 A左右，泵风时间6～8 min；HXD3C型机车控制系统正常工作，辅助压缩机泵风时，蓄电池放电电流32 A左右，泵风时间6～10 min。使用辅助压缩机泵风时，蓄电池组总电压下降至95 V左右比较普遍。

根据机车蓄电池运用实际情况，为保证机车正常运用需要，且在发生一级报警后预留充裕时间进行处置，对分级报警设定值进行调整：一级报警保护电压V1调整为93 V，提示时间T1调整为10 min；二级报警保护电压V2维持88 V。

分级报警设定值调整后，机车蓄电池组电压低于V1时，控制盒报警器动作，司机室蜂鸣器闪光报警提示，提示T1时间后，无人工干预则断开机车蓄电池输出；机车蓄电池组电压低于V1后，人工干预按下应急供电自复位按钮，则允许蓄电池继续输出，直至蓄电池组电压降至V2，装置立即切断蓄电池输出并进行报警提示。

分级报警设定值调整后，HXD1D0001 机车运用中未发生乘务员库内正常接车时系统误报警情况。

6 结束语

针对电力机车蓄电池亏电使用的实际情况及电力机车亏电使用产生的严重影响，提出一种电力机车蓄电池欠压保护装置方案。该装置充分考虑了电力机车实际技术情况、运用单位使用习惯及运用单位对蓄电池欠压保护的实际需求，同时进行了高安全性、高可靠性特点的分级保护和冗余功能设计，具有较强实用性，可以满足电力机车蓄电池亏电保护的目的。目前该装置已完成1台机车的试改造并运用考核2年，机车运用36万多km，装置正常投入使用，运用稳定可靠。