徐 彪，王 波，劉 濤，宋忠凱

雙源無軌電車集電頭帶電現(xiàn)象分析

徐 彪，王 波，劉 濤，宋忠凱

（中通客車控股股份有限公司，山東 聊城 252000）

分析雙源無軌電車集電頭帶有高壓電的現(xiàn)象，結(jié)合雙源無軌電車高壓電氣原理和在線式絕緣檢測儀的工作原理，發(fā)現(xiàn)集電頭帶電是由于觸發(fā)絕緣檢測儀工作引起的，不會影響整車系統(tǒng)和高壓用電安全。

雙源無軌電車；集電頭；帶電；絕緣檢測

隨著全球石油能源的逐漸枯竭和居住環(huán)境的逐漸惡化，新能源市場受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，新能源公共交通工具得到了迅猛的發(fā)展[1]。目前在北京、上海、廣州、濟南、青島、洛陽等城市正在使用雙源無軌電車，其中北京擁有1 000余輛、濟南擁有100余輛，并且規(guī)模在逐步擴大。在日本、西歐和北美等發(fā)達(dá)國家，雙源無軌電車也很受歡迎，甚至是很多知名宜居城市的名片[2]。

公交公司電車維修人員更換某雙源無軌電車集電頭的碳刷時，徒手接觸到集電頭碳刷時有觸電感。此時車輛狀態(tài)為降桿脫網(wǎng)，沒有斷開整車24 V低壓電源，鑰匙處于打開狀態(tài)。使用萬用表測量發(fā)現(xiàn)，觸頭對車身有±180 V左右電壓，而同樣狀態(tài)下，對比測量其他雙源無軌電車沒有發(fā)現(xiàn)高電壓。本文針對上述觸頭與車身之間存在電壓的原因以及是否存在安全隱患進(jìn)行分析。

1 集電桿觸頭帶電分析

1.1 雙源無軌電車高壓系統(tǒng)架構(gòu)分析

雙源無軌電車供電系統(tǒng)既可以使用架空線網(wǎng)，也可以使用車載動力電池[3]。在無架空線網(wǎng)區(qū)段使用車載動力電池為整車供電，因此能夠降下集電桿脫網(wǎng)行駛；在有架空線網(wǎng)的區(qū)段，升起集電桿搭接線網(wǎng)，再繼續(xù)掛網(wǎng)行駛，還可利用車載充電器為車載動力電池組充電及時補充動力電池組消耗能量。

圖1為一般雙源無軌電車高壓系統(tǒng)架構(gòu)簡圖，其線網(wǎng)電源和車載動力電池采用手動切換模式，即采用線網(wǎng)電源時，關(guān)閉車載動力電池；當(dāng)降桿或線網(wǎng)電源丟失后，需要手動按動輔源切換開關(guān)K3切換到車載電池上。該系統(tǒng)車輛的K0接觸器可以實現(xiàn)和車載動力電池K3接觸器的互鎖。掛網(wǎng)狀態(tài)車輛不具備制動能量回收功能，整車制動能量依靠制動電阻消耗，整車能耗相對較高。

圖1 雙源無軌電車高壓電氣原理簡圖

圖1 中去掉虛線框內(nèi)K0部分，則為本文涉及的雙源無軌電車高壓系統(tǒng)架構(gòu)簡圖。其線網(wǎng)電源和車載動力電池采用自動切換模式。該系統(tǒng)具備制動能量回收功能，在運行過程中可以實現(xiàn)制動能量回收降低整車能耗，減少制動電阻的使用頻率，提高能量利用率。該功能要求即使在掛網(wǎng)狀態(tài)運行，動力電池接觸器K3也需要始終閉合，否則回收的電能無法儲存到車載動力電池內(nèi)。

經(jīng)過市場調(diào)研，圖1中的兩種方式為目前國內(nèi)雙源無軌電車使用的兩個主流高壓電氣原理，其主要區(qū)別在于集電頭前端有無一個雙極接觸器K0，但兩者的控制方式及工作機制有較大的差異。

1.2 集電桿觸頭帶電原因分析

圖1使用線網(wǎng)接觸器K0，降桿后K0接觸器自動斷開，這樣能徹底保證線網(wǎng)集電頭不帶電，而本文涉及的雙源無軌電車沒有線網(wǎng)接觸器K0。但是行業(yè)內(nèi)對上述兩種雙源無軌電車高壓電氣系統(tǒng)的絕緣檢測，常用觸發(fā)機制是整車低壓上電檢測30 s停止工作，因此在整車低壓上電脫網(wǎng)狀態(tài)下，整車低壓上電30 s后集電頭上也就不會有電壓。

圖1中兩種狀態(tài)的雙源無軌電車高壓電氣架構(gòu)，均搭載同一款絕緣檢測儀，用于檢測整車高壓系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)。所采用的絕緣檢測儀是基于低頻交流信號注入原理的在線式絕緣電阻測量裝置，其設(shè)計注入信號的峰值Vp≤30 V，信號的有效值Vrms≤22 V，直流內(nèi)阻為4.7 MΩ，交流內(nèi)阻為2.35 MΩ。

維修人員檢修雙源無軌電車集電頭有觸電感的條件為：降桿脫網(wǎng)，沒有斷開整車24 V低壓電源，鑰匙處于打開狀態(tài)。所述條件即為該雙源無軌電車絕緣檢測儀觸發(fā)工作的條件，該雙源無軌電車絕緣檢測儀觸發(fā)機制不同于行業(yè)內(nèi)常用方法，盡可能的延長絕緣檢測儀的工作時間，不受固定檢測時長限制，提高整車安全系數(shù)，該車高壓系統(tǒng)包含絕緣檢測儀的電氣原理如圖2所示。

圖2 低壓上電脫網(wǎng)絕緣檢測電氣原理圖

檢修雙源無軌電車時絕緣檢測儀處于工作狀態(tài)，使用萬用表測量集電桿對車體的電壓，無論是正觸頭還是負(fù)觸頭，都是180 V左右的電壓，關(guān)閉整車鑰匙電之后，萬用表測量沒有發(fā)現(xiàn)存在電壓。對集電頭帶電現(xiàn)象原因分析如下：根據(jù)絕緣檢測儀信號注入法工作原理，需在高壓系統(tǒng)對地之間注入低頻低幅值的信號，根據(jù)相關(guān)響應(yīng)信號計算出系統(tǒng)的絕緣電阻，如圖2所示，絕緣檢測儀其中一個接地信號線與車身進(jìn)行搭接，車載動力電池的正負(fù)極為絕緣檢測儀的另外兩個信號采樣點。觸發(fā)絕緣檢測儀工作后車載動力電池正負(fù)極與車身之間便形成含有大電阻的高壓回路，回路中的絕緣檢測儀內(nèi)阻Rp、Rn形成一個分壓，使絕緣檢測儀在車載動力電池正負(fù)極與車身搭鐵之間形成電位差，進(jìn)而通過整車高壓系統(tǒng)回路導(dǎo)致集電桿正極觸頭和集電桿負(fù)極觸頭與車身之間存在電位差，產(chǎn)生集電頭帶電現(xiàn)象。

2 雙源無軌電車絕緣電阻檢測系統(tǒng)

2.1 雙源無軌電車絕緣檢測模型

電動客車高壓回路的故障診斷與安全監(jiān)測程序整體的設(shè)計思想是，要保證純電動汽車在上電、運行、斷電全過程的高壓用電安全，并且為了充分解決電動汽車所面臨的各類安全問題，要確保電動汽車的高壓用電安全[4-6]。我國已對電動汽車高壓電路設(shè)計和布置提出了嚴(yán)格的設(shè)計和檢測要求，傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的B級電壓電路應(yīng)當(dāng)擁有足夠的絕緣電阻[7-10]。

圖3 雙源無軌電車在網(wǎng)模式絕緣檢測簡化模型

掛網(wǎng)狀態(tài)時，雙源無軌電車具備車載動力電池和線網(wǎng)電源兩種動力源，動力電池系統(tǒng)與車身二級絕緣，而線網(wǎng)為中性點接地系統(tǒng)，車載絕緣電阻檢測儀測量到的是線網(wǎng)接地電阻和車身高壓絕緣電阻的并聯(lián)值，構(gòu)成的絕緣系統(tǒng)簡易模型如圖3所示。但是線網(wǎng)接地電阻遠(yuǎn)低于車身高壓系統(tǒng)的絕緣電阻值，因此接入線網(wǎng)之后絕緣檢測儀測試到的絕緣值受線網(wǎng)系統(tǒng)的影響，不能準(zhǔn)確地反映出整車的絕緣狀態(tài)，所以無軌電車搭接線網(wǎng)之后不會進(jìn)行絕緣檢測，只有在脫網(wǎng)模式下才能觸發(fā)絕緣檢測功能。

2.2 雙源無軌電車絕緣檢測控制策略

根據(jù)雙源無軌電車絕緣檢測儀觸發(fā)工作的條件，整車低壓上電后，首先判斷車輛是否搭接線網(wǎng)，線網(wǎng)電壓檢測模塊將檢測到的線網(wǎng)電壓值數(shù)據(jù)發(fā)送給整車控制器，整車控制器判斷整車工作模式是在網(wǎng)模式還是脫網(wǎng)模式，在網(wǎng)模式下絕緣檢測儀不能工作，脫網(wǎng)模式下觸發(fā)絕緣檢測儀工作模式。脫網(wǎng)模式下絕緣檢測儀分別采集高壓配電回路中的動力電池正極電路和動力電池負(fù)極電路同車身之間的絕緣數(shù)值，并將采集所得的數(shù)值發(fā)送給整車控制器，整車控制器對兩個絕緣值進(jìn)行分析比較，取其中的較小值來作為判斷整車高壓回路絕緣狀態(tài)是否滿足設(shè)計要求的依據(jù)。具體控制方法如下：

1）整車低壓上電，線網(wǎng)電壓檢測模塊檢測線網(wǎng)電壓值，線網(wǎng)電壓檢測模塊檢測線網(wǎng)電壓值為V_Line，整車控制器控制策略設(shè)定在網(wǎng)工作模式的電壓值為V。當(dāng)V_Line＞V時為在網(wǎng)工作模式；當(dāng)V_Line＜V時為脫網(wǎng)工作模式。

2）脫網(wǎng)模式下觸發(fā)在線式絕緣檢測儀工作，絕緣檢測儀工作原理簡圖如圖4所示，取R1、R2中的較小值Rmin作為整車B級電壓電路的絕緣電阻。圖4中的R1、R2物理定義與圖3中的相同。

圖4 雙源無軌電車脫網(wǎng)模式絕緣檢測簡化模型

3）將檢測到的絕緣值傳遞給整車控制器進(jìn)行判斷，設(shè)定整車絕緣電阻合格數(shù)值為R_I。若Rmin≥R_I，則整車絕緣檢測合格；否則整車控制器根據(jù)絕緣值判定絕緣故障等級，并對電池、電機、集成電源高壓部件控制器發(fā)出對應(yīng)故障等級的控制指令，同時發(fā)出相對應(yīng)故障等級的聲光提示信息。

3 集電觸頭帶電的安全性分析

雖然使用萬用表測量集電桿對車體有電壓，根據(jù)整車絕緣檢測系統(tǒng)的電氣原理圖可以得出，此電壓由絕緣檢測儀內(nèi)阻分壓而來。如圖5所示，當(dāng)人體觸碰時實際電流為-72 uA～-75 uA，其中實線框內(nèi)示波器數(shù)據(jù)為測量集電桿正極觸頭對車身時的電流值（-72 uA），虛框內(nèi)示波器數(shù)據(jù)為測量集電桿負(fù)極觸頭對車身時的電流值（-75 uA）。

圖5 人體觸碰集電桿觸頭時電流

上述電流值也可以根據(jù)電池電壓和絕緣檢測儀的內(nèi)阻計算得來。從表1可以看出，在線式直流絕緣電阻檢測儀接入車載高壓系統(tǒng)后高壓系統(tǒng)本身的安全情況，當(dāng)人體直接觸碰在高壓正和車體或者高壓負(fù)和車體之間，母線電壓為600 V時最大的觸碰電流僅約0.1 mA，母線電壓為300 V時最大觸碰電流僅約0.06 mA。

表1 極端情況觸碰電流的測量值 mA

GB/T 18384.1-2015[9]中規(guī)定在最大工作電壓下，直流電路絕緣電阻的最小值至少大于100 Ω/V，交流電路至少大于500 Ω/V，即直流回路的觸碰電流小于10 mA，交流回路的觸碰電流小于2 mA。

4 結(jié)論

1）絕緣檢測是高壓電氣安全必不可少的一個部件，正常情況下集電頭帶電是由于觸發(fā)絕緣檢測儀工作引起的。但是由絕緣檢測儀的內(nèi)阻接入系統(tǒng)后,在極端情況下產(chǎn)生的觸碰電流低于國標(biāo)要求的100倍和20倍，不會對整車系統(tǒng)和人身安全帶來嚴(yán)重影響。

2）新一代雙源無軌電車車載動力電池和線網(wǎng)電源能夠自動切換，無需人工操作切換，且能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回收，降低整車能耗，具有明顯的先進(jìn)性。

3）采用脫網(wǎng)模式即觸發(fā)絕緣檢測儀工作的方式，不受固定檢測時長的限制，能盡可能延長絕緣電阻測量的工作時間，提高整車安全系數(shù)，降低風(fēng)險隱患。

4）所有涉及到B級電壓電器部件和高壓線束的操作都要關(guān)閉高、低壓電源，不能徒手操作高壓線及高壓器件內(nèi)部，并嚴(yán)格按照正確的檢修規(guī)程，切斷整車所有高低壓電源。

[1]邊耀章.汽車新能源技術(shù)[M].北京：人民交通出版社.2003.

[2]豪彥.無軌電車發(fā)展方向在哪里[J].汽車與配件,2008（39）:40-41.

[3]王小磊.提高無軌電車集電桿自動下降系統(tǒng)可靠性的研究[J].城市公共交通,2002（6）:18-20.

[4]馮雷,李松,丁富強.電動汽車高壓安全管理系統(tǒng)設(shè)計[J].科技與企業(yè),2012（11）:124-125.

[5]朱建新,鄭榮良,卓斌,等.電動汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究[J].汽車工程,2007,29（4）:308-312.

[6]張俊，謝偉東.純電動汽車高壓回路安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].機電工程，2013,30（3）:364-367.

[7]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電動汽車安全要求第1部分：車載可充電儲能系統(tǒng)：GB/T 18384.1-2015[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015:5.

[8]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電動汽車安全要求第2部分：操作安全和故障防護：GB/T 18384.2-2015[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015:5.

[9]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電動汽車安全要求第3部分：人員觸電防護：GB/T 18384.3-2015[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015:5.

[10]建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)化委員會.無軌電車技術(shù)條件：CJ/T 5007-1993[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1993:8.

Analysis of Electrification Phenomenon for a Dual-source Trolleybus Collector Head

Xu Biao,Wang Bo,Liu Tao,Song Zhongkai
(Zhongtong Bus Holding Co.,Ltd,Liaocheng 252000,China)

The authors analyze the high-voltage electrification phenomenon of a dual-source trolleybus collector head,combinethehigh-voltageelectricalprincipleofdual-sourcetrolleybusand theworkingmechanism of insulation detector,theyfind outthattheelectrification phenomenon of trolley bus collector head is caused by the triggering of the insulation detector work,which doesnotaffectthesafetyofthevehiclesystem and high voltageelectricity.

trolleybus;collector head;electrification;insulation monitoring

U469.72

A

1006-3331（2017）05-0009-03

徐 彪（1990-），男，主要從事新能源客車高壓配電與高壓安全研究工作。

修改稿日期:2017-04-07