1、城轨车辆蓄电池供电系统在不同电导率污水下的性能研究崔宪伟，孙士杰，李文荣，段国辉，孙福元（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 ）摘要：针对近期发生的雨水倒灌城轨线路并淹没车辆的现象，对城轨车辆蓄电池供电系统中典型蓄电池箱、蓄电池及供电线路结构进行阐述，并通过理论分析和试验验证的方式，对不同电导率的污水淹没蓄电池箱对供电系统产生的影响进行分析，同时对蓄电池供电系统的设计和维护提供相应的参考建议。理论计算和试验结果表明，尽管常规雨水或者生活污水淹没蓄电池箱，在列车 应急供电情况下，也不会对供电系统产生影响，供电系统能够保持正常运行。关键词：污水；城轨车辆；电导率；蓄电池；供电系统；设计和维护
2、中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：崔宪伟（），高级工程师，从事城轨车辆辅助供电系统研究工作。引言蓄电池是城轨供电系统的重要组成部分，是城轨应急供电的重要保障，其在第三轨停电或辅助电源装置单元故障时，为通信、照明及紧急换气等系统提供电源，因此蓄电池的可靠性会影响城轨行车安全。目前城轨车辆蓄电池供电系统多为 供电系统，且供电系统负线直接接地或者经过小电阻接地。随着城轨运营时长的增加，蓄电池故障率也逐渐提高，而通过对以往城轨供电系统蓄电池的故障原因进行分析可知，其中多数故障都与蓄电池恶劣的工作环境相关，如蓄电池工作温度、浮充电压、通风条件、机械振动等，这些因素会影响城轨蓄电池性能，使得
3、 蓄 电 池 的 使 用 寿 命 和 工 作 效 率 大 幅 度 降低，更甚者会导致蓄电池在城轨运行过程中发生故障乃至失效，威胁车辆行车安全，严重影响城轨车辆的正常运维 。在城轨列车中，蓄电池安装在蓄电池箱中，根据蓄电池种类和特性的不同，蓄电池箱的密封等级也不尽相同。在蓄电池供电系统中，蓄电池多采用碱性镍镉蓄电池、铅酸蓄电池和锂离子蓄电池，其中铅酸蓄电池和锂离子蓄电池为密封式蓄电池，而碱性镍镉蓄电池属于开口式蓄电池，其壳体存在能够将蓄电池产生的氢气排到空气中的排气孔。许多城轨车辆都安装有碱性镍镉蓄电池，为了保证人身安全，通常会将蓄电池箱体接地。然而，部分地区会发生雨水倒灌城轨线路的现象，更有甚
4、者，积水将淹没车辆，当出现污水漫过箱体进入蓄电池箱内部时，蓄电池及主箱体内部接线端子将被水浸泡，污水可能会沿着排气孔流入镍镉蓄电池内部，造成电解液被破坏，带来安全隐患。为此，探究污水对蓄电池供电系统的影响，分析污水对蓄电池电气性能与可靠性的影响，对蓄电池箱体防水设计、提高特殊工况下列车辅助供电系统的可靠性研究有电工技术电力设备 着重大的意义。本文将考虑蓄电池箱不防水的极端工况，围绕蓄电池单体、大线径端子排和小线径端子排等电池箱内部电气部件，对发生水灾后污水对蓄电池供电系统产生的影响进行研究。蓄电池箱设计蓄电池箱一般包含蓄电池主箱体和控制箱。对于碱性镍镉蓄电池和铅酸蓄电池，蓄电池主箱体设有通风孔
5、，用来排出蓄电池充电产生的气体。而控制箱一般是密封的，密封等级至少达到标准 中规定的 。蓄电池主箱体设计蓄电池固定在蓄电池托盘中，且蓄电池托盘通过特殊结构固定在蓄电池箱体内。在主箱体中，蓄电池通过串联实现输出电压满足 的供电需求，因此在主箱体内主要的裸露电气部件为蓄电池极柱、短连片和接线端子。整个蓄电池主箱体的典型设计如图所示。图蓄电池主箱体典型设计 蓄电池控制箱设计在蓄电池控制箱内，设置了蓄电池相关的控制电路，内部电气部件包含轨道交通车辆专用的继电器、接触器、连接器和端子排等。蓄电池控制箱内部电气部件排布情况如图所示，相关器件通过电缆进行连接以实现蓄电池控制功能。蓄电池控制箱整体防尘防水等级
6、能够达到标准 中规定的 等级，而控制箱与外界电缆连接使用的连接器或者格兰头所满足的防尘防水等级应达到 。图 蓄电池控制箱典型设计污水对电池特性的影响由于铅酸蓄电池和锂离子蓄电池为密封式设计，因此污水不能对这类电池内部产生明显影响。但是，碱性镍镉蓄电池为开口式设计，污水能够通过排气孔进入电池内部，对电解液造成污染。碱性镍镉蓄电池主要由正负极板、隔膜、极柱、电解液和外壳等组成，并在外壳上盖上装配气塞。镍镉蓄电池充电时，在电场力的作用下，正极板上的二价镍离子失去电子生成三价镍离子，氢氧根离子释放出氢离子与溶液中的氢氧根离子结合，生成水分子，氧负离子留在晶格上，负极板的氢氧化镉电离出镉离子与氢氧根离子
7、，镉离子从外电路获得电子，生成镉原子附着在极板上，蓄电池充电终了时，充电电流将使电池内发生分解水的反应，在正、负极板上将分别有大量氧气和氢气析出；放电时，负极板的镉原子失去电子变为二价镉离子，与溶液中的氢氧根离子结合生成氢氧化镉，沉积在负极板上，正极板上的三价镍离子从外电路获得负极转移出的电子，生成二价镍离子，溶液中的水分子电离出氢离子，与晶格上的氧负离子结合成氢氧根离子，后与二价镍离子生成氢氧化镍。而蓄电池充电过程中通过气塞排出产生的气体，保证蓄电池安全可靠工作。镍镉蓄电池电解液一般为密度为 的 溶液，在蓄电池充放电过程中起到电能的传递作用，若污水从排气口进入，则会导致电解液进入其他导电离子
8、，如果存在较多的酸根离子，那么酸碱中和将使电解液的导电性能受到较大影响，降低蓄电池的可用容量，且容量无法恢复到初始状态，电池使用寿命将会缩短。但正负极板间存在隔膜，隔膜一般为耐碱性的合成树脂纤维与合成树脂薄膜，为多层构造，其将正极板与负极板隔离，防止短路，同时让电子及电解液通过，使极板产生化学反应。由于隔膜的存在，尽管污水中存在其他的导电离子，也不会造成电池内部短路而引发灾害。不同电导率污水对电气部件的影响家庭用自来水的电导率在 ，生活中未经处理的污水电导率一般在 ，而海水的电导率一般在 。不同电导率的水源对电气部件的绝缘性能有着至关重要的影响。电阻和电导率的计算公式为：（）式中，为电阻；为长
9、度；为面积；为电导率。由式（）可以看出，当电气部件结构一定，即污水的导电截面积和距离固定时，电导率越大，电阻越小，引发短路的风险就越大。电气部件放电路径分析如果电气部件通过污水进行放电，那么电流会按照最小电阻导通路径进行放电。本文选取了不同线径的线缆端子排进行对比试验，表中数据为典型结构中相邻的小线径 线缆端子排（简称工况）和大线径 线缆端子排（简称工况）电源接线点电气参数。由于器件的通用性，每个端子排接线范围涵盖 线缆和 线缆，因此小线径端子排中心距离需要按照 电力设备电工技术线缆进行核实。根据 标准，线缆外径最大为 ，如果再加上端子排开孔尺寸余量和端子排塑料外壳尺寸，那么工况中心距离 基本
10、是各厂家实际产品尺寸的近似值，同时也是产品的实际测量值。工况中，线缆会通过接线端子连接，端子宽度为 ，再考虑间隙和隔板距离，中心距离达到，这能够代表一般尺寸，同时也是产品的实际测量值。由于电气部件的结构固定，有效导电面积为定值，因此放电路径中的导通电阻主要由距离决定，中心距离越长，放电电流越小。表 典型电气部件参数工况中心距离 导电面积 工况 工况 不同电导率污水对放电电流的影响由于不同电导率的污水电阻不一致，因此对于相同电气结构的电气部件，其放电路径中的放电电流不一致。假设 表示普通自来水导电率，生活污水导电率取 ，海水导电率明显高于前两者，假设取值为 。表为额定电压 情况下，工况与工况中电
11、气部件在不同电导率污水中理论计算出相应的放电电流，由于实际电气部件中有绝缘隔板，因此实际放电电流要小于理论计算值。表 不同电导率污水中放电电流计算表电导率（）放电电流工况 工况 结果分析通过以上的计算分析可见，对于普通自来水和生活污水，工况 与工况下的放电电流较小，其中在中心距离较大的工况，普通自来水和生活污水下的放电电流分别为 和 。表中的数据为蓄电池及端子排能够承受的电流限值，因此该幅值放电电流对蓄电池箱内的电气部件及蓄电池几乎无影响。而在电导率较大的海水中，工况的放电电流在 ，工况的放电电流为 ，该放电电流幅值较大，容易引发蓄电池供电系统短路故障，因此在进行供电系统各类线缆布置设计时，正
12、负极端子布置应留有一定间隔。表 不同电气部件能承受的电流限值器件名称承载额定电流备注蓄电池 依据 标准，中倍率蓄电池最大放电电流为 倍额定容量续表器件名称承载额定电流备注 线缆端子排 标准规定的 导线额定工作电流 线缆端子排 标准规定的 导线额定工作电流注：蓄电池按照额定容量为 进行计算。试验验证为了验证电气部件在不同电导率污水中的实际放电电流以及碱性镍镉蓄电池在污水中的容量衰减程度，下面进行相关的模拟试验。碱性镍镉蓄电池容量测试将只 碱性镍镉蓄电池平均分成组，编号分别为和，在室温条件（）下分别对组蓄电池进行放电试验，试验方法及步骤如图所示（根据标准 ，为蓄电池标称容量）。图碱性镍镉蓄电池对比
13、试验经过对组蓄电池的测试，对图中步骤五的放电时间和容量进行统计，组蓄电池在浸水前后的数据见表。表 碱性镍镉蓄电池对比试验结果参数组浸水前浸水后 组浸水前浸水后 由表测试数据可看出，浸泡后进行容量测试的蓄电池和浸泡后直接进行容量测试的蓄电池放电时间相差 ；对放电后电池容量进行测试，前后差异较小。根据标准 ，在室温环境下，以 进行放电，时间长于 就证明蓄电池是满足要求的，可以看电工技术电力设备 出镍镉蓄电池浸泡污水后，短时间内电气性能未受到显著影响，仍然可以保证列车正常供电。电气部件在不同电导率水源中的放电电流测试为了测试电气部件在不同电导率水源中实际的放电电流，进行了种工况下蓄电池放电电流测试。
14、工况设置见表，试验流程如图所示。图不同电导率污水中的电气部件放电电流测试流程步骤一：在水箱中注入一定量的自来水。步骤二：将个大线径 线缆端子排相邻放置、个小线径 线缆端子排相邻放置，并将端子排浸没在水中。步骤三：相邻的大线径端子排接上线缆，其中一个端子排接 ，另外一个端子排接 。步骤四：相邻的小线径端子排接上线缆，其中一个端子排接 ，另外一个端子排接 。步骤五：循环给大线径端子排、小线径端子排通电，测量相应线缆中的电流。步骤六：为了得到不同电导率的水源，试验通过在初始水源中加入不同重量的食盐（主要成分为氯化钠）以改变水源电导率，增加加入的食盐量，则相当于增大电导率，改变水的电导率后重复步骤五内
15、容。整体试验测试如图所示，测试过程中记录电导率和放电电流，测试结果见表。图不同电导率污水中的电气部件放电电流测试图表电气部件在不同电导率污水中的实际放电电流电导率（）放电电流工况 工况 将表中种工况下电导率和放电电流的关系进行可视化，曲线如图所示，可以看出电导率和放电电流呈线性关系。考虑到实际测量误差，进行线性拟合后舍去线性表达式的截距，可以得出放电电流和电导率的关系。图 电导率和放电电流的关系工况：（）工况：（）式中，和分别为工况和工况下的放电电流；为水源电导率。依据式（）、式（），可推算得到电导率为 的海水，在工况的放电电流为，在工况的放电电流为。由于车辆在污水中浸泡时，所有电由蓄电池提供
16、，而端子排应当承受线缆的最大额定电流。每种器件至少能够承受的电流限值见表，从这些放电电流值可以看出，各类工况下的放电电流在安全放电电流值内。由于直流电源功率的限制，当放电电流大于 后，电源输出电压会下降，因此工况 的最后一次试验中的放电电流数据无指导意义，应遭到舍弃。综上试验可见，供电系统若长时间浸泡在较高电导率的水源中，则易出现故障，因此在进行蓄电池控制箱设计时要尽可能保证箱体满足 等级的密封程度。结语经过本文的理论分析和试验验证，得出如下结论。（）对于轨道交通城轨车辆用的碱性镍镉蓄电池，尽管污水会对电解液产生一定的影响，但是分析短时间浸泡污水前后蓄电池电气性能试验数据可以发现，放电前后蓄电池容量未见明显异常，蓄电池可以正常进行放电。（）无论是小线径端子排还是大线径端子排，在常规生活污水中，放电电流较小，该幅值电流对供电系统无任何明显影响。另一方面，如果污水导电率很高，比如海水，那么较高的导电率会导致蓄电池放电电流较大，从而影响车辆供电系统的正常运行。（）在试验过程中，尽管蓄电池在常规生活污水中放电力设备电工技术电电流很小，但是端子排和水已经发生了电解反应，如果导电的金属部件太薄或者