電力蓄電池工程車BMS采集板燒損故障分析

摘要：針對(duì)廣州地鐵電力蓄電池工程車在應(yīng)用過程中，由蓄電池供電模式轉(zhuǎn)換為第三軌供電模式時(shí)，BMS采集線破損使線芯對(duì)箱體放電造成采集板燒損的故障，深入查找了故障原因，為類似故障處理提供了參考，以免影響地鐵電力蓄電池工程車的正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：工程車;BMS;放電;采集板燒損

1 蓄電池控制原理

1.1? ? 蓄電池管理系統(tǒng)

廣州地鐵的電力蓄電池工程車采用接觸網(wǎng)、第三軌及牽引蓄電池3種供電模式運(yùn)行，并配備有蓄電池管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱BMS），利用數(shù)據(jù)采集模塊檢測(cè)牽引蓄電池各單體的電壓、電流、溫度參數(shù)，并通過顯示屏顯示實(shí)時(shí)信息和故障信息，為相關(guān)工作人員提供數(shù)據(jù)參考。

1.2? ? 蓄電池接地保護(hù)

接地保護(hù)故障原理如圖1所示。電力蓄電池工程車的牽引蓄電池由8箱（=11-G01～G08，每箱48節(jié)）蓄電池單體通過串聯(lián)形式組成。在蓄電池供電模式下，為保護(hù)主電路系統(tǒng)，牽引蓄電池負(fù)極設(shè)置有負(fù)極接地檢測(cè)電路，用于檢測(cè)蓄電池是否出現(xiàn)接地故障。負(fù)極接地檢測(cè)回路由電流傳感器（=11-B12）和檢測(cè)電阻（=11-R01）組成。當(dāng)牽引蓄電池組正極出現(xiàn)接地故障時(shí)，蓄電池正極與負(fù)極檢測(cè)回路之間形成回路，電流傳感器（=11-B12）檢測(cè)到牽引蓄電池供電回路的漏電流，并報(bào)“牽引蓄電池接地故障”。

工程車由蓄電池供電模式轉(zhuǎn)換為接觸網(wǎng)或第三軌供電模式時(shí)，在出現(xiàn)牽引蓄電池接地等故障情況下，將導(dǎo)致正負(fù)極電流產(chǎn)生差異，通過差分電流傳感器可判斷正負(fù)極電流的差值，按故障等級(jí)報(bào)“差動(dòng)電流大于1 A”或“差動(dòng)電流大于50 A”。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

2.1? ? 蓄電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

BMS顯示屏報(bào)“蓄電池單體欠壓”故障，此時(shí)查看具體參數(shù)：第1箱蓄電池第1～20節(jié)電壓顯示為0 V;第21～24節(jié)電壓異常，分別為0.32 V、1.75 V、3.09 V、3.25 V。工程車回庫(kù)后使用萬(wàn)用表測(cè)量蓄電池電壓均在2.00～2.20 V標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且自身無(wú)燒損痕跡，說(shuō)明蓄電池運(yùn)行狀態(tài)正常。

筆者檢查發(fā)現(xiàn)第1箱蓄電池對(duì)應(yīng)的BMS采集板支架燒穿，采集板連接器X2和X3的采集線線束斷股，如圖2所示。其中，第1～20節(jié)的數(shù)據(jù)采集連接器為X2，第21～24節(jié)的數(shù)據(jù)采集連接器為X3。

筆者進(jìn)一步對(duì)BMS系統(tǒng)記錄電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

（1）第1～20蓄電池節(jié)單體電壓為0 V，此數(shù)據(jù)表明數(shù)據(jù)采集插頭的采集線全部燒斷。

（2）第21節(jié)蓄電池單體有微弱電壓，此數(shù)據(jù)表明該節(jié)蓄電池采集線未完全燒斷。

（3）第22節(jié)蓄電池單體顯示欠電壓，該節(jié)電池采集線與帶有電壓的箱體粘連，導(dǎo)致該節(jié)采集線雖熔斷但仍有電壓信號(hào)顯示。

（4）第23～24節(jié)蓄電池單體顯示過電壓，采集線已經(jīng)熔斷，采集觸點(diǎn)觸碰箱體或者其他部分，導(dǎo)致該采集精度已失效。

2.2? ? 故障記錄的數(shù)據(jù)分析

筆者通過解析工程車故障記錄數(shù)據(jù)，還原該故障發(fā)生及發(fā)展的過程，故障記錄數(shù)據(jù)如圖3所示，故障記錄分析如圖4所示。

（1）2019-06-01T00：20：56，事件記錄顯示此刻機(jī)車采用第三軌供電模式升靴成功（升靴信號(hào)為高電平1），而在此之前為蓄電池供電模式，未出現(xiàn)異常情況。

（2）2019-06-01T00：20：58，系統(tǒng)首先檢測(cè)主回路差分電流大于1 A報(bào)警后，又瞬間檢測(cè)到差分電流大于50 A報(bào)警，同時(shí)主電路接地報(bào)警;出于工程車自身防護(hù)需要，系統(tǒng)控制受流器自動(dòng)降靴，且該時(shí)刻的牽引蓄電池電壓值從804 V驟降至674 V?？赏茢啻丝虨楣收习l(fā)生初始點(diǎn)，第1箱部分蓄電池單體已出現(xiàn)放電現(xiàn)象。

（3）2019-06-01T00：20：59—00：21：01，該時(shí)間段主電路仍然檢測(cè)到差分電流大于1 A報(bào)警，差分電流大于50 A報(bào)警，主電路接地故障消失;牽引蓄電池電壓從674 V逐漸回升至794 V，可推斷該時(shí)間段放電故障已結(jié)束。

3 故障分析

3.1? ? 連接器X2、X3采集線燒損故障分析

筆者檢查現(xiàn)場(chǎng)第1箱牽引蓄電池箱的X2、X3連接器布線路徑，連接器X2線纜整股燒斷，X3連接器3根線（ZD420415、ZD420416、ZD420418）沒有完全斷開，同時(shí)采集線ZD420417燒熔后緊貼在了采集盒安裝板與箱體側(cè)邊之間，初步判斷線纜燒損的原因是采集線ZD420417經(jīng)過長(zhǎng)期使用，振動(dòng)摩擦導(dǎo)致線纜外部絕緣層破損，破損的線芯與蓄電池箱箱體直接接觸，導(dǎo)致蓄電池供電回路短路或線芯對(duì)箱體放電。

（1）若采集線ZD420417線芯直接與箱體接觸，將導(dǎo)致第1箱第23節(jié)蓄電池正極與第8箱第48節(jié)牽引蓄電池的負(fù)極短接，并造成后續(xù)所有蓄電池短路放電欠壓故障，但從BMS顯示的數(shù)據(jù)來(lái)看，第25節(jié)及后續(xù)所有單體蓄電池電壓正常，且整組蓄電池電壓在故障時(shí)間點(diǎn)僅降至674 V，可判定該次故障不是采集線ZD420417與箱體直接接觸導(dǎo)致。

（2）若采集線ZD420417線芯被支架夾扁磨損導(dǎo)致線纜破損，線芯裸露對(duì)箱體放電，瞬間產(chǎn)生的電弧將使得與采集線ZD420417相鄰走線的X2連接器的采集線燒損。采集線束燒損絕緣層破壞后，將導(dǎo)致該線束的多節(jié)蓄電池之間短接放電，瞬間的放電電流計(jì)算可達(dá)660 A左右，高溫使該線束瞬間完全燒斷，與故障現(xiàn)象吻合。

3.2? ? 蓄電池報(bào)警故障分析

牽引蓄電池在蓄電池供電模式下運(yùn)行正常，而在轉(zhuǎn)換為第三軌供電模式時(shí)產(chǎn)生放電故障，通過電路圖及軟件邏輯分析，在蓄電池供電模式下，接觸網(wǎng)/第三軌供電模式接觸器（=11-K01）觸點(diǎn)為斷開狀態(tài)，牽引蓄電池自身可形成供電回路，未與車體接地，因此線纜破損處未與車體產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

在切換為第三軌供電模式時(shí)，接觸網(wǎng)/第三軌供電模式接觸器（=11-K01）觸點(diǎn)閉合，使集電靴1 500 V正極回路在對(duì)牽引蓄電池充電的同時(shí)，牽引蓄電池負(fù)極與工程車軸端接地形成回流，如圖5所示。此時(shí)，牽引蓄電池通過線纜破損處與車體產(chǎn)生放電現(xiàn)象，電壓迅速下降導(dǎo)致出現(xiàn)蓄電池單體欠壓及差動(dòng)電流異常故障。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過以上分析，確認(rèn)本次故障的原因?yàn)锽MS采集線ZD420417絕緣層破損，在第三軌供電模式下，線芯對(duì)蓄電池箱箱體放電，瞬間產(chǎn)生的電弧將附近線纜和支架燒毀。在電力蓄電池工程車的日常維護(hù)保養(yǎng)過程中，工作人員應(yīng)重點(diǎn)檢查BMS采集線線纜安裝及絕緣情況，發(fā)生此類故障后，在確保非蓄電池自身故障或現(xiàn)場(chǎng)故障范圍未進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，可斷開牽引蓄電池隔離開關(guān)后，根據(jù)線路條件采用接觸網(wǎng)或第三軌供電模式返回地鐵車輛段內(nèi)做進(jìn)一步處理。

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收稿日期：2020-08-13

作者簡(jiǎn)介：林欽海（1991—），男，廣東廣州人，助理工程師，研究方向：城軌車輛維保。