雙源無(wú)軌電車電安全性研究

周紅麗

(上海汽車商用車技術(shù)中心 大客車分中心，上海 200100)

在城市空氣污染加重和石油對(duì)外依存度越來(lái)越高的嚴(yán)峻形勢(shì)下，國(guó)家開始大力推廣新能源城市客車。由于純電動(dòng)城市客車購(gòu)車成本過(guò)高，新一代雙源無(wú)軌電車應(yīng)運(yùn)而生。與傳動(dòng)無(wú)軌電車相比，雙源無(wú)軌電車的改進(jìn)是使用架空電線網(wǎng)和自身加裝低電量的電池雙源供電[1]。在有電線網(wǎng)的路段可依靠電線網(wǎng)和集電桿相連給整車供電，同時(shí)可對(duì)電池進(jìn)行充電，沒(méi)有線網(wǎng)的時(shí)候則靠電池中儲(chǔ)存的電量運(yùn)行[2]。

目前雙源無(wú)軌電車上高壓部件的安裝有兩種方式：一種是最先采用的附加絕緣安裝方式，即都要與車身之間通過(guò)絕緣子絕緣；另一種是隔離型DC/DC采用附加絕緣安裝方式，而其他高壓部件僅采用基本絕緣安裝方式，即混合安裝方式[3]。用哪一種更好，還存在爭(zhēng)議。

本文對(duì)比分析以上兩種安裝方式下不同的觸電風(fēng)險(xiǎn)。

1 雙源無(wú)軌電車與純電動(dòng)車的電源安全機(jī)制

1.1 純電動(dòng)車的電源安全機(jī)制

純電動(dòng)車由車載動(dòng)力電池提供動(dòng)力，采用兩線制，電源正負(fù)極與車身和大地都是懸浮隔離狀態(tài)。純電動(dòng)車由以下兩點(diǎn)來(lái)保證整車電安全：

1) 如動(dòng)力電源的正極或者負(fù)極漏電至車身，乘客在車內(nèi)沒(méi)有機(jī)會(huì)觸碰到另一極，無(wú)法形成回路，乘客不會(huì)觸電；如果正負(fù)極同時(shí)漏電到車身，正負(fù)極將會(huì)短路，母線上的保險(xiǎn)將會(huì)觸發(fā)進(jìn)行保護(hù)，乘客也不會(huì)有觸電危險(xiǎn)。

2) 根據(jù)GB 18384—2020《電動(dòng)汽車安全要求》[4]，整車上的高壓設(shè)備與車身等電位連接，任何相鄰2.5 m距離以內(nèi)的高壓設(shè)備殼體之間的電阻不應(yīng)超過(guò)0.2 Ω。人員身體能觸及的地方等電位無(wú)壓差，從而保證人員即使在觸摸到有漏電的殼體也不會(huì)發(fā)生觸電危險(xiǎn)。

1.2 雙源無(wú)軌電車的電源安全機(jī)制

如1.1所述，純電動(dòng)車整車高壓設(shè)備等電位安裝有標(biāo)準(zhǔn)[4]要求，但目前雙源無(wú)軌電車還沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確要求整車高壓設(shè)備的安裝方式。因此，目前整車高壓設(shè)備有的采用附加絕緣安裝方式，有的采用混合絕緣安裝方式。

1.2.1 附加絕緣安裝方式

雙源無(wú)軌電車與純電動(dòng)車不同，供電的直流線網(wǎng)是由變電站整流而來(lái)，線網(wǎng)負(fù)極在變電站與大地有電勢(shì)差或者是接地狀態(tài)[5]。一旦線網(wǎng)正極與車身絕緣不好，有漏電壓或者漏電流的情況，上下車乘客和維修人員成為跨接在大地和車身之間的電阻，并構(gòu)成了電回路，這些人員就有觸電風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了保證人員足夠安全，一開始業(yè)內(nèi)對(duì)雙源無(wú)軌電車都采用大家認(rèn)為安全性可能更好的附加絕緣安裝方式，如圖1所示。所謂附加絕緣是指帶B級(jí)危險(xiǎn)電壓的零部件除了有基本絕緣外，再設(shè)置獨(dú)立的絕緣子。附加絕緣安裝方式是將帶基本絕緣的高壓設(shè)備再通過(guò)圖1中所示的小絕緣子安裝在車架或車頂上，其用意是進(jìn)一步提高高壓設(shè)備與車身之間的耐壓等級(jí)。采用附加絕緣安裝方式的高壓電器的耐壓要求為3 500 VAC[2]。

圖1 所有高壓設(shè)備附加絕緣安裝方式示意圖

后來(lái)通過(guò)研究和使用發(fā)現(xiàn)，附加絕緣安裝方式有以下弊端：隔離型DC/DC通過(guò)附加絕緣安裝可以提高其耐壓等級(jí)，達(dá)到3 500 VAC。但其他部分高壓設(shè)備卻不行，還是只能達(dá)到基本絕緣安裝的2 500 VAC。因?yàn)楦綦x型DC/DC使用的低壓與整車蓄電池電壓也是經(jīng)過(guò)隔離的，不跟整車相通。因此，附加絕緣子能起到將隔離型DC/DC殼體與車架進(jìn)一步絕緣的作用。其他部分高壓設(shè)備(如動(dòng)力電池、電機(jī)控制器等)雖然已經(jīng)通過(guò)附加的絕緣子附加絕緣安裝，但實(shí)際上無(wú)法實(shí)現(xiàn)這些高壓設(shè)備外殼與車架真正的絕緣，主要是因?yàn)檫@些高壓設(shè)備使用的低壓供電回路負(fù)極與其殼體相通而等電位，而低壓回路單線制，其負(fù)極又與車架搭鐵相通，使得這些高壓設(shè)備即使通過(guò)附加絕緣子附加絕緣安裝在車架上，設(shè)備殼體始終還是通過(guò)低壓供電回路負(fù)極與車架搭鐵，并不是真正地處于隔離狀態(tài)。如輔助設(shè)備和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等設(shè)備的低壓供電回路與其殼體非等電位設(shè)計(jì)，自然其殼體與車架也非相通狀態(tài)。因此，通過(guò)絕緣子安裝可以將其殼體與車架實(shí)現(xiàn)絕緣。

通過(guò)上述分析，圖1中安裝于車架上的其他高壓設(shè)備能達(dá)到的實(shí)際絕緣效果是：部分設(shè)備如輔助設(shè)備、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等的外殼與車架實(shí)現(xiàn)了絕緣，附加絕緣子能起到使其殼體與車架絕緣的目的，其耐壓等級(jí)可以到達(dá)3 500 VAC；而動(dòng)力電池、電機(jī)控制器等高壓設(shè)備外殼與車架相通而等電位(等同于基本絕緣安裝)，這些安裝的絕緣子未起到作用，其耐壓等級(jí)只能達(dá)到2 500 VAC。該部分絕緣實(shí)際效果如圖2所示。雖然輔助設(shè)備、電機(jī)等的絕緣性更好，但也因此導(dǎo)致了其外殼與動(dòng)力電池、電機(jī)控制器的外殼電位不等，如有設(shè)備漏電，人員觸電風(fēng)險(xiǎn)更大，第2部分詳細(xì)說(shuō)明。

圖2 其他高壓設(shè)備附加絕緣安裝實(shí)際絕緣效果圖

1.2.2 混合絕緣安裝方式

由于附加絕緣安裝方式存在以上弊端，并未完全達(dá)到當(dāng)初用意，因此后來(lái)部分企業(yè)又采用了一種混合安裝方式，即隔離型DC/DC仍采用附加絕緣安裝方式，而其他高壓部件則采用基本絕緣方式，簡(jiǎn)化了安裝方式和成本。所謂基本絕緣是指帶B級(jí)危險(xiǎn)電壓的零部件自帶的基本絕緣保護(hù)；安裝方式是將自帶基本絕緣的高壓設(shè)備直接通過(guò)螺栓安裝在車架上，使高壓設(shè)備(如動(dòng)力電池等)的外殼和車架保證等電位，如圖3中不帶小三角附加絕緣子的安裝方式。由于這些電器使用電壓與電線網(wǎng)隔離，因此類似純電動(dòng)車，可以采用純電動(dòng)車的耐壓2 500 VAC的要求[2]?；窘^緣的弊端是耐壓等級(jí)只能到2 500 VAC，沒(méi)法提高，輔助設(shè)備和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的耐壓等級(jí)沒(méi)有附加絕緣安裝方式高(即其絕緣性沒(méi)有附加絕緣安裝方式好)。但因這些高壓設(shè)備已經(jīng)跟電網(wǎng)隔離了，用的不是電網(wǎng)電壓，這就已類似于純電動(dòng)車，純電動(dòng)車用的2 500 VAC耐壓已經(jīng)滿足要求。

圖3 混合安裝方式示意圖

以上兩種安裝方式，究竟用哪一種好，目前業(yè)內(nèi)還存在爭(zhēng)論。

2 多漏電點(diǎn)對(duì)比危害分析

本文從雙源無(wú)軌電車實(shí)際運(yùn)營(yíng)情景出發(fā)，分析多種漏電情況，以及整車各個(gè)漏電點(diǎn)可能產(chǎn)生的對(duì)車內(nèi)乘客、上下車乘客、維修人員等的觸電風(fēng)險(xiǎn)。只從電路本身來(lái)考慮電安全，暫不考慮絕緣監(jiān)測(cè)儀和接地鏈的防護(hù)作用[6-7]。

2.1 隔離型DC/DC原邊漏電

1) 隔離型DC/DC原邊漏電，但其絕緣子正常。隔離型DC/DC原邊直接與電網(wǎng)連接，在其本身的基本絕緣失效情況下，電網(wǎng)的電漏到殼體；但由于其絕緣子的絕緣功能仍然完好，隔離型DC/DC殼體漏電不會(huì)漏到車身上。所以上述相關(guān)人員不會(huì)有觸電風(fēng)險(xiǎn)。

2) 隔離型DC/DC原邊漏電，絕緣子也損壞。在此情況下，隔離型DC/DC殼體漏電會(huì)漏到車身上，使車身帶電。

3) 電網(wǎng)直接漏電到車身上。這種漏電情況比較少，通常發(fā)生在多樹或其他障礙的路段。整車經(jīng)過(guò)時(shí)，樹枝被卡在電網(wǎng)上，電網(wǎng)和車身通過(guò)樹枝成了一個(gè)電回路，電壓直接跨過(guò)隔離型DC/DC將電網(wǎng)電傳遞到車身上。

以上2)和3)兩種情況，無(wú)論是基本絕緣安裝還是附加絕緣安裝，車內(nèi)乘客均無(wú)觸電風(fēng)險(xiǎn)；上下車乘客和維修人員因?yàn)檐嚿砼c大地有壓差，在同時(shí)觸碰到車身和大地時(shí)，這兩類人員成為車身與大地之間的導(dǎo)電體，有觸電風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 隔離型DC/DC副邊漏電

1) 隔離型DC/DC副邊漏電，但是其絕緣子完好。此種情況下，隔離型DC/DC殼體會(huì)帶電，但由于其絕緣子的隔離作用，殼體電壓不會(huì)傳遞到車身上，三類人員都沒(méi)有觸電風(fēng)險(xiǎn)。

2) 隔離型DC/DC副邊漏電，同時(shí)其絕緣子損壞。此種情況下，隔離型DC/DC殼體的電壓會(huì)傳遞到車身。但由于隔離型DC/DC的副邊電壓已經(jīng)經(jīng)過(guò)變壓器與電網(wǎng)隔離，跟大地?zé)o電勢(shì)差。三類人員的觸電風(fēng)險(xiǎn)等同于以下2.3節(jié)分析。

2.3 隔離型DC/DC后端高壓設(shè)備漏電

1) 隔離型DC/DC后端高壓設(shè)備單極漏電(正極或負(fù)極漏電至車架上)。這種情形下，基本絕緣安裝和附加絕緣安裝對(duì)車內(nèi)人員和上下車乘客都沒(méi)有觸電風(fēng)險(xiǎn)；而維修人員在附加絕緣安裝情況下，如果同時(shí)觸摸到兩個(gè)不等電位有壓差的殼體，如動(dòng)力電池殼體與輔助設(shè)備殼體，就會(huì)有觸電風(fēng)險(xiǎn)。相反，如果高壓設(shè)備都是等電位安裝(即基本絕緣安裝)，維修人員觸摸到的都是等電位的殼體，無(wú)壓差，則無(wú)觸電風(fēng)險(xiǎn)[8]。

2) 隔離型DC/DC后端高壓設(shè)備兩極漏電。即正極和負(fù)極都漏電到車架上。此種情況下，無(wú)論基本絕緣安裝還是附加絕緣安裝，車內(nèi)人員和上下車乘客都無(wú)觸電風(fēng)險(xiǎn)；而維修人員在高壓設(shè)備附加絕緣安裝情況下，如果同時(shí)觸摸到不完全等電位的兩個(gè)殼體，如動(dòng)力電池殼體與輔助設(shè)備殼體，就會(huì)有觸電風(fēng)險(xiǎn)。相反，如果高壓設(shè)備都是等電位安裝(即基本絕緣安裝)，正負(fù)極都漏電到車架上，則等同于正負(fù)極短路。這時(shí)會(huì)觸發(fā)正負(fù)極母線上的熔斷器，使熔斷器熔斷實(shí)現(xiàn)保護(hù)，從而使維修人員不會(huì)有觸電風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 對(duì)比結(jié)論

從以上分析可以看出，雙源無(wú)軌電車隔離型DC/DC后端高壓設(shè)備如采用絕緣子和車架附加絕緣安裝方式，對(duì)整車電安全特別是三類人員的觸電防護(hù)沒(méi)有起到更好的防護(hù)作用，反而在特定的漏電情況下，比基本絕緣安裝方式有更高的觸電風(fēng)險(xiǎn)[9]。

3 結(jié)束語(yǔ)

GB 18384—2020[4]要求整車上所有高壓設(shè)備殼體必須等電位連接安裝，這與本文分析的高壓設(shè)備不等電位安裝帶來(lái)的觸電風(fēng)險(xiǎn)分析一致。國(guó)外無(wú)軌電車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)EN 50502[5]和ECE R107[10]都已要求如果頂上采用隔離型DC/DC(即整車后端其他高壓設(shè)備不直接接入電網(wǎng))，則整車后端高壓設(shè)備應(yīng)采用本文所述的基本絕緣安裝方式，從而實(shí)現(xiàn)整車后端高壓設(shè)備等電位無(wú)壓差風(fēng)險(xiǎn)。相信國(guó)內(nèi)雙源無(wú)軌電車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該會(huì)相應(yīng)跟進(jìn)，結(jié)束目前業(yè)內(nèi)整車其他高壓設(shè)備是否要附加絕緣安裝的爭(zhēng)論。