雙源無(wú)軌電車(chē)集電頭帶電現(xiàn)象分析

徐 彪，王 波，劉 濤，宋忠凱

雙源無(wú)軌電車(chē)集電頭帶電現(xiàn)象分析

徐 彪，王 波，劉 濤，宋忠凱

（中通客車(chē)控股股份有限公司，山東 聊城 252000）

分析雙源無(wú)軌電車(chē)集電頭帶有高壓電的現(xiàn)象，結(jié)合雙源無(wú)軌電車(chē)高壓電氣原理和在線式絕緣檢測(cè)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(cè)儀工作引起的，不會(huì)影響整車(chē)系統(tǒng)和高壓用電安全。

雙源無(wú)軌電車(chē)；集電頭；帶電；絕緣檢測(cè)

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(chǎng)受到了國(guó)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(jì)南、青島、洛陽(yáng)等城市正在使用雙源無(wú)軌電車(chē)，其中北京擁有1 000余輛、濟(jì)南擁有100余輛，并且規(guī)模在逐步擴(kuò)大。在日本、西歐和北美等發(fā)達(dá)國(guó)家，雙源無(wú)軌電車(chē)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(chē)維修人員更換某雙源無(wú)軌電車(chē)集電頭的碳刷時(shí)，徒手接觸到集電頭碳刷時(shí)有觸電感。此時(shí)車(chē)輛狀態(tài)為降桿脫網(wǎng)，沒(méi)有斷開(kāi)整車(chē)24 V低壓電源，鑰匙處于打開(kāi)狀態(tài)。使用萬(wàn)用表測(cè)量發(fā)現(xiàn)，觸頭對(duì)車(chē)身有±180 V左右電壓，而同樣狀態(tài)下，對(duì)比測(cè)量其他雙源無(wú)軌電車(chē)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)高電壓。本文針對(duì)上述觸頭與車(chē)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(wú)軌電車(chē)高壓系統(tǒng)架構(gòu)分析

雙源無(wú)軌電車(chē)供電系統(tǒng)既可以使用架空線網(wǎng)，也可以使用車(chē)載動(dòng)力電池[3]。在無(wú)架空線網(wǎng)區(qū)段使用車(chē)載動(dòng)力電池為整車(chē)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(chē)載充電器為車(chē)載動(dòng)力電池組充電及時(shí)補(bǔ)充動(dòng)力電池組消耗能量。

圖1為一般雙源無(wú)軌電車(chē)高壓系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)圖，其線網(wǎng)電源和車(chē)載動(dòng)力電池采用手動(dòng)切換模式，即采用線網(wǎng)電源時(shí)，關(guān)閉車(chē)載動(dòng)力電池；當(dāng)降桿或線網(wǎng)電源丟失后，需要手動(dòng)按動(dòng)輔源切換開(kāi)關(guān)K3切換到車(chē)載電池上。該系統(tǒng)車(chē)輛的K0接觸器可以實(shí)現(xiàn)和車(chē)載動(dòng)力電池K3接觸器的互鎖。掛網(wǎng)狀態(tài)車(chē)輛不具備制動(dòng)能量回收功能，整車(chē)制動(dòng)能量依靠制動(dòng)電阻消耗，整車(chē)能耗相對(duì)較高。

圖1 雙源無(wú)軌電車(chē)高壓電氣原理簡(jiǎn)圖

圖1 中去掉虛線框內(nèi)K0部分，則為本文涉及的雙源無(wú)軌電車(chē)高壓系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)圖。其線網(wǎng)電源和車(chē)載動(dòng)力電池采用自動(dòng)切換模式。該系統(tǒng)具備制動(dòng)能量回收功能，在運(yùn)行過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收降低整車(chē)能耗，減少制動(dòng)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(yùn)行，動(dòng)力電池接觸器K3也需要始終閉合，否則回收的電能無(wú)法儲(chǔ)存到車(chē)載動(dòng)力電池內(nèi)。

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，圖1中的兩種方式為目前國(guó)內(nèi)雙源無(wú)軌電車(chē)使用的兩個(gè)主流高壓電氣原理，其主要區(qū)別在于集電頭前端有無(wú)一個(gè)雙極接觸器K0，但兩者的控制方式及工作機(jī)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(dòng)斷開(kāi)，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(wú)軌電車(chē)沒(méi)有線網(wǎng)接觸器K0。但是行業(yè)內(nèi)對(duì)上述兩種雙源無(wú)軌電車(chē)高壓電氣系統(tǒng)的絕緣檢測(cè)，常用觸發(fā)機(jī)制是整車(chē)低壓上電檢測(cè)30 s停止工作，因此在整車(chē)低壓上電脫網(wǎng)狀態(tài)下，整車(chē)低壓上電30 s后集電頭上也就不會(huì)有電壓。

圖1中兩種狀態(tài)的雙源無(wú)軌電車(chē)高壓電氣架構(gòu)，均搭載同一款絕緣檢測(cè)儀，用于檢測(cè)整車(chē)高壓系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)。所采用的絕緣檢測(cè)儀是基于低頻交流信號(hào)注入原理的在線式絕緣電阻測(cè)量裝置，其設(shè)計(jì)注入信號(hào)的峰值Vp≤30 V，信號(hào)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(wú)軌電車(chē)集電頭有觸電感的條件為：降桿脫網(wǎng)，沒(méi)有斷開(kāi)整車(chē)24 V低壓電源，鑰匙處于打開(kāi)狀態(tài)。所述條件即為該雙源無(wú)軌電車(chē)絕緣檢測(cè)儀觸發(fā)工作的條件，該雙源無(wú)軌電車(chē)絕緣檢測(cè)儀觸發(fā)機(jī)制不同于行業(yè)內(nèi)常用方法，盡可能的延長(zhǎng)絕緣檢測(cè)儀的工作時(shí)間，不受固定檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)限制，提高整車(chē)安全系數(shù)，該車(chē)高壓系統(tǒng)包含絕緣檢測(cè)儀的電氣原理如圖2所示。

圖2 低壓上電脫網(wǎng)絕緣檢測(cè)電氣原理圖

檢修雙源無(wú)軌電車(chē)時(shí)絕緣檢測(cè)儀處于工作狀態(tài)，使用萬(wàn)用表測(cè)量集電桿對(duì)車(chē)體的電壓，無(wú)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(chē)鑰匙電之后，萬(wàn)用表測(cè)量沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存在電壓。對(duì)集電頭帶電現(xiàn)象原因分析如下：根據(jù)絕緣檢測(cè)儀信號(hào)注入法工作原理，需在高壓系統(tǒng)對(duì)地之間注入低頻低幅值的信號(hào)，根據(jù)相關(guān)響應(yīng)信號(hào)計(jì)算出系統(tǒng)的絕緣電阻，如圖2所示，絕緣檢測(cè)儀其中一個(gè)接地信號(hào)線與車(chē)身進(jìn)行搭接，車(chē)載動(dòng)力電池的正負(fù)極為絕緣檢測(cè)儀的另外兩個(gè)信號(hào)采樣點(diǎn)。觸發(fā)絕緣檢測(cè)儀工作后車(chē)載動(dòng)力電池正負(fù)極與車(chē)身之間便形成含有大電阻的高壓回路，回路中的絕緣檢測(cè)儀內(nèi)阻Rp、Rn形成一個(gè)分壓，使絕緣檢測(cè)儀在車(chē)載動(dòng)力電池正負(fù)極與車(chē)身搭鐵之間形成電位差，進(jìn)而通過(guò)整車(chē)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(chē)身之間存在電位差，產(chǎn)生集電頭帶電現(xiàn)象。

2 雙源無(wú)軌電車(chē)絕緣電阻檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 雙源無(wú)軌電車(chē)絕緣檢測(cè)模型

電動(dòng)客車(chē)高壓回路的故障診斷與安全監(jiān)測(cè)程序整體的設(shè)計(jì)思想是，要保證純電動(dòng)汽車(chē)在上電、運(yùn)行、斷電全過(guò)程的高壓用電安全，并且為了充分解決電動(dòng)汽車(chē)所面臨的各類(lèi)安全問(wèn)題，要確保電動(dòng)汽車(chē)的高壓用電安全[4-6]。我國(guó)已對(duì)電動(dòng)汽車(chē)高壓電路設(shè)計(jì)和布置提出了嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和檢測(cè)要求，傳導(dǎo)連接到電網(wǎng)的B級(jí)電壓電路應(yīng)當(dāng)擁有足夠的絕緣電阻[7-10]。

圖3 雙源無(wú)軌電車(chē)在網(wǎng)模式絕緣檢測(cè)簡(jiǎn)化模型

掛網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，雙源無(wú)軌電車(chē)具備車(chē)載動(dòng)力電池和線網(wǎng)電源兩種動(dòng)力源，動(dòng)力電池系統(tǒng)與車(chē)身二級(jí)絕緣，而線網(wǎng)為中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，車(chē)載絕緣電阻檢測(cè)儀測(cè)量到的是線網(wǎng)接地電阻和車(chē)身高壓絕緣電阻的并聯(lián)值，構(gòu)成的絕緣系統(tǒng)簡(jiǎn)易模型如圖3所示。但是線網(wǎng)接地電阻遠(yuǎn)低于車(chē)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(cè)儀測(cè)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(chē)的絕緣狀態(tài)，所以無(wú)軌電車(chē)搭接線網(wǎng)之后不會(huì)進(jìn)行絕緣檢測(cè)，只有在脫網(wǎng)模式下才能觸發(fā)絕緣檢測(cè)功能。

2.2 雙源無(wú)軌電車(chē)絕緣檢測(cè)控制策略

根據(jù)雙源無(wú)軌電車(chē)絕緣檢測(cè)儀觸發(fā)工作的條件，整車(chē)低壓上電后，首先判斷車(chē)輛是否搭接線網(wǎng)，線網(wǎng)電壓檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的線網(wǎng)電壓值數(shù)據(jù)發(fā)送給整車(chē)控制器，整車(chē)控制器判斷整車(chē)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(cè)儀不能工作，脫網(wǎng)模式下觸發(fā)絕緣檢測(cè)儀工作模式。脫網(wǎng)模式下絕緣檢測(cè)儀分別采集高壓配電回路中的動(dòng)力電池正極電路和動(dòng)力電池負(fù)極電路同車(chē)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(chē)控制器，整車(chē)控制器對(duì)兩個(gè)絕緣值進(jìn)行分析比較，取其中的較小值來(lái)作為判斷整車(chē)高壓回路絕緣狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求的依據(jù)。具體控制方法如下：

1）整車(chē)低壓上電，線網(wǎng)電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)線網(wǎng)電壓值，線網(wǎng)電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)線網(wǎng)電壓值為V_Line，整車(chē)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(shí)為在網(wǎng)工作模式；當(dāng)V_Line＜V時(shí)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(cè)儀工作，絕緣檢測(cè)儀工作原理簡(jiǎn)圖如圖4所示，取R1、R2中的較小值Rmin作為整車(chē)B級(jí)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(wú)軌電車(chē)脫網(wǎng)模式絕緣檢測(cè)簡(jiǎn)化模型

3）將檢測(cè)到的絕緣值傳遞給整車(chē)控制器進(jìn)行判斷，設(shè)定整車(chē)絕緣電阻合格數(shù)值為R_I。若Rmin≥R_I，則整車(chē)絕緣檢測(cè)合格；否則整車(chē)控制器根據(jù)絕緣值判定絕緣故障等級(jí)，并對(duì)電池、電機(jī)、集成電源高壓部件控制器發(fā)出對(duì)應(yīng)故障等級(jí)的控制指令，同時(shí)發(fā)出相對(duì)應(yīng)故障等級(jí)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(wàn)用表測(cè)量集電桿對(duì)車(chē)體有電壓，根據(jù)整車(chē)絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的電氣原理圖可以得出，此電壓由絕緣檢測(cè)儀內(nèi)阻分壓而來(lái)。如圖5所示，當(dāng)人體觸碰時(shí)實(shí)際電流為-72 uA～-75 uA，其中實(shí)線框內(nèi)示波器數(shù)據(jù)為測(cè)量集電桿正極觸頭對(duì)車(chē)身時(shí)的電流值（-72 uA），虛框內(nèi)示波器數(shù)據(jù)為測(cè)量集電桿負(fù)極觸頭對(duì)車(chē)身時(shí)的電流值（-75 uA）。

圖5 人體觸碰集電桿觸頭時(shí)電流

上述電流值也可以根據(jù)電池電壓和絕緣檢測(cè)儀的內(nèi)阻計(jì)算得來(lái)。從表1可以看出，在線式直流絕緣電阻檢測(cè)儀接入車(chē)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(chē)體或者高壓負(fù)和車(chē)體之間，母線電壓為600 V時(shí)最大的觸碰電流僅約0.1 mA，母線電壓為300 V時(shí)最大觸碰電流僅約0.06 mA。

表1 極端情況觸碰電流的測(cè)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(cè)是高壓電氣安全必不可少的一個(gè)部件，正常情況下集電頭帶電是由于觸發(fā)絕緣檢測(cè)儀工作引起的。但是由絕緣檢測(cè)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(guó)標(biāo)要求的100倍和20倍，不會(huì)對(duì)整車(chē)系統(tǒng)和人身安全帶來(lái)嚴(yán)重影響。

2）新一代雙源無(wú)軌電車(chē)車(chē)載動(dòng)力電池和線網(wǎng)電源能夠自動(dòng)切換，無(wú)需人工操作切換，且能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量回收，降低整車(chē)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(cè)儀工作的方式，不受固定檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)的限制，能盡可能延長(zhǎng)絕緣電阻測(cè)量的工作時(shí)間，提高整車(chē)安全系數(shù)，降低風(fēng)險(xiǎn)隱患。

4）所有涉及到B級(jí)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(chē)所有高低壓電源。

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

[2]豪彥.無(wú)軌電車(chē)發(fā)展方向在哪里[J].汽車(chē)與配件,2008（39）:40-41.

[3]王小磊.提高無(wú)軌電車(chē)集電桿自動(dòng)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(qiáng).電動(dòng)汽車(chē)高壓安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技與企業(yè),2012（11）:124-125.

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

[6]張俊，謝偉東.純電動(dòng)汽車(chē)高壓回路安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2013,30（3）:364-367.

[7]全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電動(dòng)汽車(chē)安全要求第1部分：車(chē)載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)：GB/T 18384.1-2015[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015:5.

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

[9]全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電動(dòng)汽車(chē)安全要求第3部分：人員觸電防護(hù)：GB/T 18384.3-2015[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015:5.

[10]建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).無(wú)軌電車(chē)技術(shù)條件：CJ/T 5007-1993[S].北京：中國(guó)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(chē)高壓配電與高壓安全研究工作。

修改稿日期:2017-04-07