嚴(yán)駿， 熊良岳

（中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司武昌南機(jī)務(wù)段，湖北武漢 430064）

0 引言

電力機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)采用DC 110 V 電源供電，控制系統(tǒng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓范圍為+DC 77.0～137.5 V。電力機(jī)車(chē)充電機(jī)投入工作前，控制系統(tǒng)電源由車(chē)載蓄電池組提供，若蓄電池虧電，控制系統(tǒng)則無(wú)法工作。此時(shí)只有通過(guò)地面充電裝置對(duì)機(jī)車(chē)蓄電池進(jìn)行充電，若虧電機(jī)車(chē)位置無(wú)地面充電設(shè)備，只能掛運(yùn)至指定地點(diǎn)進(jìn)行充電。同時(shí)，機(jī)車(chē)蓄電池若經(jīng)多次虧電工作，對(duì)蓄電池工作壽命將產(chǎn)生不可逆影響［1-3］?？梢?jiàn)，機(jī)車(chē)蓄電池虧電故障會(huì)對(duì)機(jī)車(chē)正常運(yùn)用和生產(chǎn)組織帶來(lái)嚴(yán)重影響。

近年來(lái)，各鐵路局集團(tuán)公司轄屬機(jī)務(wù)段運(yùn)用電力機(jī)車(chē)因蓄電池虧電而影響機(jī)車(chē)正常運(yùn)用事故頻發(fā)，給各機(jī)務(wù)段帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，虧電電力機(jī)車(chē)給運(yùn)用單位增加了大量運(yùn)用、檢修人力投入，嚴(yán)重干擾了鐵路正常運(yùn)輸秩序和機(jī)務(wù)段運(yùn)用、檢修生產(chǎn)組織［4-5］。為減少運(yùn)用機(jī)車(chē)蓄電池虧電故障的發(fā)生，部分機(jī)車(chē)在出廠設(shè)計(jì)上具有蓄電池組電壓低于88 V 報(bào)警提示功能，但不具備對(duì)蓄電池輸出進(jìn)行欠壓切斷控制，仍會(huì)造成機(jī)車(chē)蓄電池組過(guò)放電，電壓低于77 V 后導(dǎo)致控制電路、微機(jī)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等不能正常工作［6-8］。

鑒于目前電力機(jī)車(chē)的實(shí)際設(shè)計(jì)及機(jī)車(chē)蓄電池虧電對(duì)運(yùn)用單位產(chǎn)生的影響，加強(qiáng)對(duì)電力機(jī)車(chē)蓄電池工作管理及監(jiān)測(cè)、智能保護(hù)控制輸出極其必要。

1 方案設(shè)計(jì)

基于實(shí)際需求，中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司武昌南機(jī)務(wù)段提出一種電力機(jī)車(chē)蓄電池欠壓保護(hù)方案，通過(guò)對(duì)既有電力機(jī)車(chē)蓄電池輸出電路進(jìn)行局部調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)蓄電池組電壓進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警、顯示提示，并在機(jī)車(chē)蓄電池組電壓低于設(shè)定最低保護(hù)門(mén)檻電壓時(shí)對(duì)蓄電池輸出進(jìn)行切斷保護(hù)。同時(shí)，為了提高設(shè)備有效性、可靠性和安全性，保護(hù)裝置對(duì)動(dòng)作接觸器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，并對(duì)接觸器控制回路進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有電力機(jī)車(chē)蓄電池輸出由空氣自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，在蓄電池輸出自動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合后，蓄電池組經(jīng)各負(fù)載回路獨(dú)立的空氣自動(dòng)開(kāi)關(guān)給機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)備供電，蓄電池輸出自動(dòng)開(kāi)關(guān)的切斷完全由手動(dòng)控制。

蓄電池欠壓保護(hù)裝置方案在原機(jī)車(chē)蓄電池輸出回路上增加蓄電池輸出接觸器，并通過(guò)保護(hù)控制裝置對(duì)蓄電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，控制輸出接觸器閉合、斷開(kāi)，達(dá)到自動(dòng)保護(hù)目的（見(jiàn)圖1）。

蓄電池欠壓保護(hù)裝置電路組成：機(jī)車(chē)蓄電池欠壓保護(hù)控制盒、控制盒獨(dú)立供電自動(dòng)開(kāi)關(guān)、應(yīng)急供電旁路自動(dòng)開(kāi)關(guān)、蓄電池輸出接觸器、欠壓保護(hù)控制旁路開(kāi)關(guān)、復(fù)位按鈕、司機(jī)室報(bào)警閃光蜂鳴器及相關(guān)電路。

蓄電池欠壓保護(hù)裝置控制原理：在原機(jī)車(chē)蓄電池輸出回路上，蓄電池輸出自動(dòng)開(kāi)關(guān)與負(fù)載間增加蓄電池輸出接觸器K1，閉合機(jī)車(chē)蓄電池輸出自動(dòng)開(kāi)關(guān)1QA、控制盒獨(dú)立供電自動(dòng)開(kāi)關(guān)2QA，應(yīng)急供電旁路自動(dòng)開(kāi)關(guān)3QA 斷開(kāi)位，此時(shí)K1 未閉合，蓄電池?zé)o輸出，機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)不工作。欠壓保護(hù)控制盒上電工作，并采集、檢測(cè)蓄電池組電壓，蓄電池組電壓高于設(shè)定保護(hù)門(mén)限值時(shí)，控制盒輸出指令，使K1 工作線圈得電，接觸器主觸頭閉合，蓄電池組向機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)正常供電；控制盒檢測(cè)蓄電池組電壓低于設(shè)定保護(hù)門(mén)限值時(shí)，智能判斷并實(shí)施分級(jí)保護(hù)，報(bào)警提醒或禁止K1 閉合，實(shí)現(xiàn)蓄電池虧電斷電保護(hù)目的。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）控制盒對(duì)蓄電池組進(jìn)行分級(jí)監(jiān)控、保護(hù)，設(shè)定兩級(jí)保護(hù)門(mén)限值。控制盒采集、檢測(cè)蓄電池組電壓低于一級(jí)保護(hù)門(mén)限值時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒，并延時(shí)斷開(kāi)K1，禁止蓄電池輸出；如操作自復(fù)位按鈕，則允許蓄電池應(yīng)急投入使用直至二級(jí)欠壓保護(hù)。控制盒采集、檢測(cè)蓄電池組電壓低于二級(jí)保護(hù)門(mén)限值時(shí)，則立即斷開(kāi)K1，禁止蓄電池輸出。

（2）保護(hù)門(mén)限值可調(diào)設(shè)計(jì)。各型機(jī)車(chē)蓄電池組負(fù)載輸出不同，蓄電池組放電狀態(tài)可持續(xù)工作時(shí)間不同；蓄電池組使用時(shí)間不同，性能差別很大，放電狀態(tài)可持續(xù)工作時(shí)間不同。欠壓保護(hù)系統(tǒng)對(duì)一級(jí)、二級(jí)保護(hù)電壓進(jìn)行可調(diào)設(shè)計(jì)，可調(diào)的保護(hù)電壓可根據(jù)各型機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)負(fù)載大小、蓄電池組容量差別，滿足不同性能蓄電池的個(gè)性化保護(hù)需求，在最大限度保證蓄電池不虧電的同時(shí)，確保機(jī)車(chē)可靠運(yùn)用。

（3）防止電力機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)失電掉分相設(shè)計(jì)。機(jī)車(chē)正常運(yùn)行中，蓄電池充電裝置與蓄電池組并聯(lián)運(yùn)行，向機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)供電，在異常情況時(shí)斷開(kāi)，蓄電池輸出被切斷，機(jī)車(chē)充電裝置可繼續(xù)給機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)供電，如乘務(wù)員未發(fā)現(xiàn)，機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)將導(dǎo)致控制系統(tǒng)失電，機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)自動(dòng)減壓制動(dòng)，有掉分相風(fēng)險(xiǎn)。保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，控制盒采集K1 輔助觸點(diǎn)信號(hào)，監(jiān)測(cè)到接觸器異常斷開(kāi)時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，提醒乘務(wù)員提前采取措施，避免機(jī)車(chē)非正常停在分相區(qū)。

（4）故障應(yīng)急冗余設(shè)計(jì)。①報(bào)警后應(yīng)急維持供電輸出按鈕S1 的設(shè)計(jì)。機(jī)車(chē)運(yùn)用中充電裝置故障，控制系統(tǒng)使用蓄電池組供電維持運(yùn)行，蓄電池組電壓下降至一級(jí)報(bào)警門(mén)限時(shí)，按壓一次S1，則保護(hù)系統(tǒng)一級(jí)保護(hù)不觸發(fā)斷電保護(hù)，蓄電池組保持輸出，機(jī)車(chē)可維持運(yùn)用。②機(jī)車(chē)蓄電池欠壓保護(hù)控制旁路開(kāi)關(guān)S2的設(shè)計(jì)。機(jī)車(chē)運(yùn)用中，控制盒輸出控制指令故障情況下，閉合S2，使K1 得電，維持向機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)供電，同時(shí)保留控制盒監(jiān)測(cè)、報(bào)警提示功能。③蓄電池輸出接觸器并聯(lián)自動(dòng)開(kāi)關(guān)3QA 旁路設(shè)計(jì)。機(jī)車(chē)運(yùn)行中K1 故障時(shí)，通過(guò)手動(dòng)閉合旁路的3QA 自動(dòng)開(kāi)關(guān)，此時(shí)切除了蓄電池欠壓保護(hù)功能，確保機(jī)車(chē)正常運(yùn)用。④新增蓄電池組電壓檢測(cè)支路由新增自動(dòng)開(kāi)關(guān)2QA 控制，2QA 和3QA配合使用實(shí)現(xiàn)新增欠壓保護(hù)裝置的投入和切除，確保裝置故障后機(jī)車(chē)可維持正常運(yùn)用。

上述蓄電池欠壓保護(hù)裝置設(shè)計(jì)所具有的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)車(chē)既有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并充分考慮機(jī)車(chē)運(yùn)用、檢修等具體要求進(jìn)行的方案設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)車(chē)蓄電池供電回路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合運(yùn)用實(shí)際，確保機(jī)車(chē)運(yùn)用安全、可靠。

3 裝置設(shè)計(jì)與選型

3.1 欠壓保護(hù)控制盒設(shè)計(jì)

單片機(jī)外圍接口：1路顯示信號(hào)，用于狀態(tài)信息顯示；2 路I/O 輸出，1 路用于控制聲光報(bào)警，1 路用于控制蓄電池輸出接觸器通斷；3路I/O輸入，1路用于檢測(cè)機(jī)車(chē)蓄電池欠壓保護(hù)旁路開(kāi)關(guān)S2 的通斷，1 路檢測(cè)輸出接觸器控制電路通斷，1 路檢測(cè)接觸器工作狀態(tài)；1路I2C接口，用于AD轉(zhuǎn)換芯片數(shù)據(jù)通信；1路RTC 時(shí)鐘供電鋰電池，用于RTC 時(shí)鐘掉電保持工作；1 路UART，用于調(diào)試。控制盒系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。

圖2 蓄電池欠壓保護(hù)控制盒系統(tǒng)框圖

主電源模塊選用隔離型10 W 電源模塊TLE10/110S05，該模塊輸出為DC 5.1 V，最大電流能力2 A，工作溫度-40～85 ℃，輸入輸出隔離電壓AC 1500 V，具有短路、過(guò)流等保護(hù)功能。控制盒設(shè)計(jì)接口如下：

電壓檢測(cè)采用分壓電路后，經(jīng)AD 采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)數(shù)字隔離芯片與單片機(jī)通信。

按鈕開(kāi)關(guān)、繼電器和接觸器輔助聯(lián)鎖的通斷狀態(tài)通過(guò)光耦隔離后進(jìn)行檢測(cè)。

接觸器線圈通過(guò)繼電器進(jìn)行控制。

4 個(gè)普通功能按鍵可操作設(shè)置V1/V2參數(shù)、查看信息等。

1個(gè)應(yīng)急供電自復(fù)位按鍵，當(dāng)電壓低于V1參數(shù)，需要應(yīng)急維持供電時(shí)，可通過(guò)緊急復(fù)位按鍵控制接觸器線圈通電，蓄電池繼續(xù)供電，同時(shí)取消聲光報(bào)警狀態(tài)。

1個(gè)UART串口調(diào)試接口。

聲光報(bào)警電路采用繼電器進(jìn)行控制通斷。

RTC 時(shí)鐘用于掉電后保持時(shí)間，保證操作日記記錄時(shí)間。

對(duì)控制盒進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，將應(yīng)急維持供電輸出按鈕S1、蓄電池欠壓保護(hù)控制旁路開(kāi)關(guān)S2 集成到控制盒（見(jiàn)圖3）上，減少外部電路布線及電器安裝。

圖3 蓄電池欠壓保護(hù)控制盒

3.2 其他主要部件選型設(shè)計(jì)

除自制蓄電池欠壓保護(hù)智能控制盒外，其他主要部件選型見(jiàn)表1。

表1 其他主要部件選型

4 報(bào)警保護(hù)門(mén)限值選擇

蓄電池組作為機(jī)車(chē)控制電路備用電源，在機(jī)車(chē)未升弓取電前或機(jī)車(chē)直流穩(wěn)壓電源故障時(shí)向機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)供電，保障機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)正常工作，在升弓后也起到機(jī)車(chē)直流穩(wěn)壓電源濾波環(huán)節(jié)作用。電力機(jī)車(chē)普遍采用DM-170 型閥控式密封鉛酸蓄電池組，蓄電池組由48 個(gè)蓄電池串聯(lián)組成，每個(gè)蓄電池的標(biāo)稱(chēng)電壓為2 V，容量為170 Ah，總標(biāo)稱(chēng)電壓為96 V。機(jī)車(chē)庫(kù)內(nèi)未及時(shí)斷電或運(yùn)用中直流穩(wěn)壓電源故障，蓄電池組放電狀態(tài)工作，造成蓄電池組單節(jié)電壓不斷下降。蓄電池組單節(jié)放電終止電壓為1.8 V，在不考慮各單節(jié)差異性情況下，對(duì)應(yīng)機(jī)車(chē)蓄電池組放電終止電壓為86.4 V。根據(jù)蓄電池維護(hù)要求及放電特性，在單節(jié)電壓降到1.8 V 時(shí)，如繼續(xù)放電，會(huì)降低蓄電池容量，縮短蓄電池壽命，甚至直接導(dǎo)致蓄電池?fù)p壞而報(bào)廢。同時(shí)，早期電力機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)電器可靠工作最低電壓為88 V，蓄電池組電壓低于88 V會(huì)導(dǎo)致機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

綜合機(jī)車(chē)蓄電池使用維護(hù)要求和控制系統(tǒng)可靠工作要求，蓄電池欠壓保護(hù)裝置分級(jí)報(bào)警保護(hù)設(shè)定如下：

（1）機(jī)車(chē)蓄電池投入工作后，保護(hù)裝置開(kāi)始投入使用，檢測(cè)蓄電池組電壓并對(duì)蓄電池輸出進(jìn)行控制。

（2）一級(jí)報(bào)警保護(hù)：機(jī)車(chē)蓄電池組電壓低于V1（設(shè)定值95 V，可調(diào)）時(shí)，控制盒報(bào)警器動(dòng)作，司機(jī)室蜂鳴器閃光報(bào)警提示，提示T1時(shí)間（3 min）后，無(wú)人工干預(yù)則斷開(kāi)機(jī)車(chē)蓄電池輸出；人工干預(yù)按下應(yīng)急供電自復(fù)位按鈕，則允許蓄電池繼續(xù)輸出，直至蓄電池組電壓下降觸發(fā)二級(jí)報(bào)警保護(hù)。

（3）二級(jí)報(bào)警保護(hù)：機(jī)車(chē)蓄電池組電壓低于V2（設(shè)定值88 V，可調(diào)，V1＞V2），控制盒立即切斷蓄電池輸出并進(jìn)行報(bào)警提示。

5 技術(shù)方案實(shí)施及優(yōu)化

2017年4 月，在武昌南機(jī)務(wù)段采用上述技術(shù)設(shè)計(jì)方案對(duì)HXD1D0001 機(jī)車(chē)完成試改造（見(jiàn)圖4、圖5），改造后蓄電池供電回路電氣原理見(jiàn)圖6。

圖4 接觸器安裝

圖5 控制盒安裝

圖6 HXD1D0001機(jī)車(chē)改造后電氣原理

改造完成后，通過(guò)調(diào)試串口，對(duì)蓄電池欠壓保護(hù)裝置的保護(hù)功能、接觸器保護(hù)動(dòng)作、蜂鳴器報(bào)警提示以及開(kāi)關(guān)、按鈕和旁路設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行逐一驗(yàn)證，可滿足保護(hù)功能要求。

蓄電池欠壓保護(hù)裝置裝車(chē)后，機(jī)車(chē)上線進(jìn)行運(yùn)用試驗(yàn)，觀察裝置運(yùn)用情況。運(yùn)用多趟后，發(fā)現(xiàn)一級(jí)報(bào)警電壓V1的設(shè)定值與機(jī)車(chē)運(yùn)用實(shí)際存在差距。乘務(wù)員庫(kù)內(nèi)接車(chē)時(shí)，需經(jīng)常使用輔助壓縮機(jī)泵風(fēng)（蓄電池供電），蓄電池組放電電流最大28 A，在泵風(fēng)過(guò)程中蓄電池組總電壓會(huì)出現(xiàn)降至95 V 甚至更低現(xiàn)象，此時(shí)裝置報(bào)警并延時(shí)切斷蓄電池輸出，影響機(jī)車(chē)正常作業(yè)。對(duì)其他和諧型電力機(jī)車(chē)進(jìn)行同樣狀態(tài)的放電試驗(yàn)：HXD1D型機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)正常工作，輔助壓縮機(jī)泵風(fēng)時(shí)，蓄電池放電電流28 A左右，泵風(fēng)時(shí)間6～8 min；HXD3C型機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)正常工作，輔助壓縮機(jī)泵風(fēng)時(shí)，蓄電池放電電流32 A左右，泵風(fēng)時(shí)間6～10 min。使用輔助壓縮機(jī)泵風(fēng)時(shí)，蓄電池組總電壓下降至95 V左右比較普遍。

根據(jù)機(jī)車(chē)蓄電池運(yùn)用實(shí)際情況，為保證機(jī)車(chē)正常運(yùn)用需要，且在發(fā)生一級(jí)報(bào)警后預(yù)留充裕時(shí)間進(jìn)行處置，對(duì)分級(jí)報(bào)警設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整：一級(jí)報(bào)警保護(hù)電壓V1調(diào)整為93 V，提示時(shí)間T1調(diào)整為10 min；二級(jí)報(bào)警保護(hù)電壓V2維持88 V。

分級(jí)報(bào)警設(shè)定值調(diào)整后，機(jī)車(chē)蓄電池組電壓低于V1時(shí)，控制盒報(bào)警器動(dòng)作，司機(jī)室蜂鳴器閃光報(bào)警提示，提示T1時(shí)間后，無(wú)人工干預(yù)則斷開(kāi)機(jī)車(chē)蓄電池輸出；機(jī)車(chē)蓄電池組電壓低于V1后，人工干預(yù)按下應(yīng)急供電自復(fù)位按鈕，則允許蓄電池繼續(xù)輸出，直至蓄電池組電壓降至V2，裝置立即切斷蓄電池輸出并進(jìn)行報(bào)警提示。

分級(jí)報(bào)警設(shè)定值調(diào)整后，HXD1D0001 機(jī)車(chē)運(yùn)用中未發(fā)生乘務(wù)員庫(kù)內(nèi)正常接車(chē)時(shí)系統(tǒng)誤報(bào)警情況。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電力機(jī)車(chē)蓄電池虧電使用的實(shí)際情況及電力機(jī)車(chē)虧電使用產(chǎn)生的嚴(yán)重影響，提出一種電力機(jī)車(chē)蓄電池欠壓保護(hù)裝置方案。該裝置充分考慮了電力機(jī)車(chē)實(shí)際技術(shù)情況、運(yùn)用單位使用習(xí)慣及運(yùn)用單位對(duì)蓄電池欠壓保護(hù)的實(shí)際需求，同時(shí)進(jìn)行了高安全性、高可靠性特點(diǎn)的分級(jí)保護(hù)和冗余功能設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)實(shí)用性，可以滿足電力機(jī)車(chē)蓄電池虧電保護(hù)的目的。目前該裝置已完成1臺(tái)機(jī)車(chē)的試改造并運(yùn)用考核2年，機(jī)車(chē)運(yùn)用36萬(wàn)多km，裝置正常投入使用，運(yùn)用穩(wěn)定可靠。