双源无轨电车集电头带电现象分析

徐 彪，王 波，刘 涛，宋忠凯

双源无轨电车集电头带电现象分析

徐 彪，王 波，刘 涛，宋忠凯

（中通客车控股股份有限公司，山东 聊城 252000）

分析双源无轨电车集电头带有高压电的现象，结合双源无轨电车高压电气原理和在线式绝缘检测仪的工作原理，发现集电头带电是由于触发绝缘检测仪工作引起的，不会影响整车系统和高压用电安全。

双源无轨电车；集电头；带电；绝缘检测

随着全球石油能源的逐渐枯竭和居住环境的逐渐恶化，新能源市场受到了国内外的广泛关注，新能源公共交通工具得到了迅猛的发展[1]。目前在北京、上海、广州、济南、青岛、洛阳等城市正在使用双源无轨电车，其中北京拥有1 000余辆、济南拥有100余辆，并且规模在逐步扩大。在日本、西欧和北美等发达国家，双源无轨电车也很受欢迎，甚至是很多知名宜居城市的名片[2]。

公交公司电车维修人员更换某双源无轨电车集电头的碳刷时，徒手接触到集电头碳刷时有触电感。此时车辆状态为降杆脱网，没有断开整车24 V低压电源，钥匙处于打开状态。使用万用表测量发现，触头对车身有±180 V左右电压，而同样状态下，对比测量其他双源无轨电车没有发现高电压。本文针对上述触头与车身之间存在电压的原因以及是否存在安全隐患进行分析。

1 集电杆触头带电分析

1.1 双源无轨电车高压系统架构分析

双源无轨电车供电系统既可以使用架空线网，也可以使用车载动力电池[3]。在无架空线网区段使用车载动力电池为整车供电，因此能够降下集电杆脱网行驶；在有架空线网的区段，升起集电杆搭接线网，再继续挂网行驶，还可利用车载充电器为车载动力电池组充电及时补充动力电池组消耗能量。

图1为一般双源无轨电车高压系统架构简图，其线网电源和车载动力电池采用手动切换模式，即采用线网电源时，关闭车载动力电池；当降杆或线网电源丢失后，需要手动按动辅源切换开关K3切换到车载电池上。该系统车辆的K0接触器可以实现和车载动力电池K3接触器的互锁。挂网状态车辆不具备制动能量回收功能，整车制动能量依靠制动电阻消耗，整车能耗相对较高。

图1 双源无轨电车高压电气原理简图

图1 中去掉虚线框内K0部分，则为本文涉及的双源无轨电车高压系统架构简图。其线网电源和车载动力电池采用自动切换模式。该系统具备制动能量回收功能，在运行过程中可以实现制动能量回收降低整车能耗，减少制动电阻的使用频率，提高能量利用率。该功能要求即使在挂网状态运行，动力电池接触器K3也需要始终闭合，否则回收的电能无法储存到车载动力电池内。

经过市场调研，图1中的两种方式为目前国内双源无轨电车使用的两个主流高压电气原理，其主要区别在于集电头前端有无一个双极接触器K0，但两者的控制方式及工作机制有较大的差异。

1.2 集电杆触头带电原因分析

图1使用线网接触器K0，降杆后K0接触器自动断开，这样能彻底保证线网集电头不带电，而本文涉及的双源无轨电车没有线网接触器K0。但是行业内对上述两种双源无轨电车高压电气系统的绝缘检测，常用触发机制是整车低压上电检测30 s停止工作，因此在整车低压上电脱网状态下，整车低压上电30 s后集电头上也就不会有电压。

图1中两种状态的双源无轨电车高压电气架构，均搭载同一款绝缘检测仪，用于检测整车高压系统的绝缘状态。所采用的绝缘检测仪是基于低频交流信号注入原理的在线式绝缘电阻测量装置，其设计注入信号的峰值Vp≤30 V，信号的有效值Vrms≤22 V，直流内阻为4.7 MΩ，交流内阻为2.35 MΩ。

维修人员检修双源无轨电车集电头有触电感的条件为：降杆脱网，没有断开整车24 V低压电源，钥匙处于打开状态。所述条件即为该双源无轨电车绝缘检测仪触发工作的条件，该双源无轨电车绝缘检测仪触发机制不同于行业内常用方法，尽可能的延长绝缘检测仪的工作时间，不受固定检测时长限制，提高整车安全系数，该车高压系统包含绝缘检测仪的电气原理如图2所示。

图2 低压上电脱网绝缘检测电气原理图

检修双源无轨电车时绝缘检测仪处于工作状态，使用万用表测量集电杆对车体的电压，无论是正触头还是负触头，都是180 V左右的电压，关闭整车钥匙电之后，万用表测量没有发现存在电压。对集电头带电现象原因分析如下：根据绝缘检测仪信号注入法工作原理，需在高压系统对地之间注入低频低幅值的信号，根据相关响应信号计算出系统的绝缘电阻，如图2所示，绝缘检测仪其中一个接地信号线与车身进行搭接，车载动力电池的正负极为绝缘检测仪的另外两个信号采样点。触发绝缘检测仪工作后车载动力电池正负极与车身之间便形成含有大电阻的高压回路，回路中的绝缘检测仪内阻Rp、Rn形成一个分压，使绝缘检测仪在车载动力电池正负极与车身搭铁之间形成电位差，进而通过整车高压系统回路导致集电杆正极触头和集电杆负极触头与车身之间存在电位差，产生集电头带电现象。

2 双源无轨电车绝缘电阻检测系统

2.1 双源无轨电车绝缘检测模型

电动客车高压回路的故障诊断与安全监测程序整体的设计思想是，要保证纯电动汽车在上电、运行、断电全过程的高压用电安全，并且为了充分解决电动汽车所面临的各类安全问题，要确保电动汽车的高压用电安全[4-6]。我国已对电动汽车高压电路设计和布置提出了严格的设计和检测要求，传导连接到电网的B级电压电路应当拥有足够的绝缘电阻[7-10]。

图3 双源无轨电车在网模式绝缘检测简化模型

挂网状态时，双源无轨电车具备车载动力电池和线网电源两种动力源，动力电池系统与车身二级绝缘，而线网为中性点接地系统，车载绝缘电阻检测仪测量到的是线网接地电阻和车身高压绝缘电阻的并联值，构成的绝缘系统简易模型如图3所示。但是线网接地电阻远低于车身高压系统的绝缘电阻值，因此接入线网之后绝缘检测仪测试到的绝缘值受线网系统的影响，不能准确地反映出整车的绝缘状态，所以无轨电车搭接线网之后不会进行绝缘检测，只有在脱网模式下才能触发绝缘检测功能。

2.2 双源无轨电车绝缘检测控制策略

根据双源无轨电车绝缘检测仪触发工作的条件，整车低压上电后，首先判断车辆是否搭接线网，线网电压检测模块将检测到的线网电压值数据发送给整车控制器，整车控制器判断整车工作模式是在网模式还是脱网模式，在网模式下绝缘检测仪不能工作，脱网模式下触发绝缘检测仪工作模式。脱网模式下绝缘检测仪分别采集高压配电回路中的动力电池正极电路和动力电池负极电路同车身之间的绝缘数值，并将采集所得的数值发送给整车控制器，整车控制器对两个绝缘值进行分析比较，取其中的较小值来作为判断整车高压回路绝缘状态是否满足设计要求的依据。具体控制方法如下：

1）整车低压上电，线网电压检测模块检测线网电压值，线网电压检测模块检测线网电压值为V_Line，整车控制器控制策略设定在网工作模式的电压值为V。当V_Line＞V时为在网工作模式；当V_Line＜V时为脱网工作模式。

2）脱网模式下触发在线式绝缘检测仪工作，绝缘检测仪工作原理简图如图4所示，取R1、R2中的较小值Rmin作为整车B级电压电路的绝缘电阻。图4中的R1、R2物理定义与图3中的相同。

图4 双源无轨电车脱网模式绝缘检测简化模型

3）将检测到的绝缘值传递给整车控制器进行判断，设定整车绝缘电阻合格数值为R_I。若Rmin≥R_I，则整车绝缘检测合格；否则整车控制器根据绝缘值判定绝缘故障等级，并对电池、电机、集成电源高压部件控制器发出对应故障等级的控制指令，同时发出相对应故障等级的声光提示信息。

3 集电触头带电的安全性分析

虽然使用万用表测量集电杆对车体有电压，根据整车绝缘检测系统的电气原理图可以得出，此电压由绝缘检测仪内阻分压而来。如图5所示，当人体触碰时实际电流为-72 uA～-75 uA，其中实线框内示波器数据为测量集电杆正极触头对车身时的电流值（-72 uA），虚框内示波器数据为测量集电杆负极触头对车身时的电流值（-75 uA）。

图5 人体触碰集电杆触头时电流

上述电流值也可以根据电池电压和绝缘检测仪的内阻计算得来。从表1可以看出，在线式直流绝缘电阻检测仪接入车载高压系统后高压系统本身的安全情况，当人体直接触碰在高压正和车体或者高压负和车体之间，母线电压为600 V时最大的触碰电流仅约0.1 mA，母线电压为300 V时最大触碰电流仅约0.06 mA。

表1 极端情况触碰电流的测量值 mA

GB/T 18384.1-2015[9]中规定在最大工作电压下，直流电路绝缘电阻的最小值至少大于100 Ω/V，交流电路至少大于500 Ω/V，即直流回路的触碰电流小于10 mA，交流回路的触碰电流小于2 mA。

4 结论

1）绝缘检测是高压电气安全必不可少的一个部件，正常情况下集电头带电是由于触发绝缘检测仪工作引起的。但是由绝缘检测仪的内阻接入系统后,在极端情况下产生的触碰电流低于国标要求的100倍和20倍，不会对整车系统和人身安全带来严重影响。

2）新一代双源无轨电车车载动力电池和线网电源能够自动切换，无需人工操作切换，且能够实现制动能量回收，降低整车能耗，具有明显的先进性。

3）采用脱网模式即触发绝缘检测仪工作的方式，不受固定检测时长的限制，能尽可能延长绝缘电阻测量的工作时间，提高整车安全系数，降低风险隐患。

4）所有涉及到B级电压电器部件和高压线束的操作都要关闭高、低压电源，不能徒手操作高压线及高压器件内部，并严格按照正确的检修规程，切断整车所有高低压电源。

[1]边耀章.汽车新能源技术[M].北京：人民交通出版社.2003.

[2]豪彦.无轨电车发展方向在哪里[J].汽车与配件,2008（39）:40-41.

[3]王小磊.提高无轨电车集电杆自动下降系统可靠性的研究[J].城市公共交通,2002（6）:18-20.

[4]冯雷,李松,丁富强.电动汽车高压安全管理系统设计[J].科技与企业,2012（11）:124-125.

[5]朱建新,郑荣良,卓斌,等.电动汽车高压电安全诊断与控制策略的研究[J].汽车工程,2007,29（4）:308-312.

[6]张俊，谢伟东.纯电动汽车高压回路安全监测系统设计[J].机电工程，2013,30（3）:364-367.

[7]全国汽车标准化技术委员会.电动汽车安全要求第1部分：车载可充电储能系统：GB/T 18384.1-2015[S].北京：中国标准出版社,2015:5.

[8]全国汽车标准化技术委员会.电动汽车安全要求第2部分：操作安全和故障防护：GB/T 18384.2-2015[S].北京：中国标准出版社,2015:5.

[9]全国汽车标准化技术委员会.电动汽车安全要求第3部分：人员触电防护：GB/T 18384.3-2015[S].北京：中国标准出版社,2015:5.

[10]建设部标准化委员会.无轨电车技术条件：CJ/T 5007-1993[S].北京：中国标准出版社,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，主要从事新能源客车高压配电与高压安全研究工作。

修改稿日期:2017-04-07