双源无轨电车电安全性研究

周红丽

(上海汽车商用车技术中心 大客车分中心，上海 200100)

在城市空气污染加重和石油对外依存度越来越高的严峻形势下，国家开始大力推广新能源城市客车。由于纯电动城市客车购车成本过高，新一代双源无轨电车应运而生。与传动无轨电车相比，双源无轨电车的改进是使用架空电线网和自身加装低电量的电池双源供电[1]。在有电线网的路段可依靠电线网和集电杆相连给整车供电，同时可对电池进行充电，没有线网的时候则靠电池中储存的电量运行[2]。

目前双源无轨电车上高压部件的安装有两种方式：一种是最先采用的附加绝缘安装方式，即都要与车身之间通过绝缘子绝缘；另一种是隔离型DC/DC采用附加绝缘安装方式，而其他高压部件仅采用基本绝缘安装方式，即混合安装方式[3]。用哪一种更好，还存在争议。

本文对比分析以上两种安装方式下不同的触电风险。

1 双源无轨电车与纯电动车的电源安全机制

1.1 纯电动车的电源安全机制

纯电动车由车载动力电池提供动力，采用两线制，电源正负极与车身和大地都是悬浮隔离状态。纯电动车由以下两点来保证整车电安全：

1) 如动力电源的正极或者负极漏电至车身，乘客在车内没有机会触碰到另一极，无法形成回路，乘客不会触电；如果正负极同时漏电到车身，正负极将会短路，母线上的保险将会触发进行保护，乘客也不会有触电危险。

2) 根据GB 18384—2020《电动汽车安全要求》[4]，整车上的高压设备与车身等电位连接，任何相邻2.5 m距离以内的高压设备壳体之间的电阻不应超过0.2 Ω。人员身体能触及的地方等电位无压差，从而保证人员即使在触摸到有漏电的壳体也不会发生触电危险。

1.2 双源无轨电车的电源安全机制

如1.1所述，纯电动车整车高压设备等电位安装有标准[4]要求，但目前双源无轨电车还没有相关标准明确要求整车高压设备的安装方式。因此，目前整车高压设备有的采用附加绝缘安装方式，有的采用混合绝缘安装方式。

1.2.1 附加绝缘安装方式

双源无轨电车与纯电动车不同，供电的直流线网是由变电站整流而来，线网负极在变电站与大地有电势差或者是接地状态[5]。一旦线网正极与车身绝缘不好，有漏电压或者漏电流的情况，上下车乘客和维修人员成为跨接在大地和车身之间的电阻，并构成了电回路，这些人员就有触电风险。因此，为了保证人员足够安全，一开始业内对双源无轨电车都采用大家认为安全性可能更好的附加绝缘安装方式，如图1所示。所谓附加绝缘是指带B级危险电压的零部件除了有基本绝缘外，再设置独立的绝缘子。附加绝缘安装方式是将带基本绝缘的高压设备再通过图1中所示的小绝缘子安装在车架或车顶上，其用意是进一步提高高压设备与车身之间的耐压等级。采用附加绝缘安装方式的高压电器的耐压要求为3 500 VAC[2]。

图1 所有高压设备附加绝缘安装方式示意图

后来通过研究和使用发现，附加绝缘安装方式有以下弊端：隔离型DC/DC通过附加绝缘安装可以提高其耐压等级，达到3 500 VAC。但其他部分高压设备却不行，还是只能达到基本绝缘安装的2 500 VAC。因为隔离型DC/DC使用的低压与整车蓄电池电压也是经过隔离的，不跟整车相通。因此，附加绝缘子能起到将隔离型DC/DC壳体与车架进一步绝缘的作用。其他部分高压设备(如动力电池、电机控制器等)虽然已经通过附加的绝缘子附加绝缘安装，但实际上无法实现这些高压设备外壳与车架真正的绝缘，主要是因为这些高压设备使用的低压供电回路负极与其壳体相通而等电位，而低压回路单线制，其负极又与车架搭铁相通，使得这些高压设备即使通过附加绝缘子附加绝缘安装在车架上，设备壳体始终还是通过低压供电回路负极与车架搭铁，并不是真正地处于隔离状态。如辅助设备和驱动电机等设备的低压供电回路与其壳体非等电位设计，自然其壳体与车架也非相通状态。因此，通过绝缘子安装可以将其壳体与车架实现绝缘。

通过上述分析，图1中安装于车架上的其他高压设备能达到的实际绝缘效果是：部分设备如辅助设备、驱动电机等的外壳与车架实现了绝缘，附加绝缘子能起到使其壳体与车架绝缘的目的，其耐压等级可以到达3 500 VAC；而动力电池、电机控制器等高压设备外壳与车架相通而等电位(等同于基本绝缘安装)，这些安装的绝缘子未起到作用，其耐压等级只能达到2 500 VAC。该部分绝缘实际效果如图2所示。虽然辅助设备、电机等的绝缘性更好，但也因此导致了其外壳与动力电池、电机控制器的外壳电位不等，如有设备漏电，人员触电风险更大，第2部分详细说明。

图2 其他高压设备附加绝缘安装实际绝缘效果图

1.2.2 混合绝缘安装方式

由于附加绝缘安装方式存在以上弊端，并未完全达到当初用意，因此后来部分企业又采用了一种混合安装方式，即隔离型DC/DC仍采用附加绝缘安装方式，而其他高压部件则采用基本绝缘方式，简化了安装方式和成本。所谓基本绝缘是指带B级危险电压的零部件自带的基本绝缘保护；安装方式是将自带基本绝缘的高压设备直接通过螺栓安装在车架上，使高压设备(如动力电池等)的外壳和车架保证等电位，如图3中不带小三角附加绝缘子的安装方式。由于这些电器使用电压与电线网隔离，因此类似纯电动车，可以采用纯电动车的耐压2 500 VAC的要求[2]。基本绝缘的弊端是耐压等级只能到2 500 VAC，没法提高，辅助设备和驱动电机的耐压等级没有附加绝缘安装方式高(即其绝缘性没有附加绝缘安装方式好)。但因这些高压设备已经跟电网隔离了，用的不是电网电压，这就已类似于纯电动车，纯电动车用的2 500 VAC耐压已经满足要求。

图3 混合安装方式示意图

以上两种安装方式，究竟用哪一种好，目前业内还存在争论。

2 多漏电点对比危害分析

本文从双源无轨电车实际运营情景出发，分析多种漏电情况，以及整车各个漏电点可能产生的对车内乘客、上下车乘客、维修人员等的触电风险。只从电路本身来考虑电安全，暂不考虑绝缘监测仪和接地链的防护作用[6-7]。

2.1 隔离型DC/DC原边漏电

1) 隔离型DC/DC原边漏电，但其绝缘子正常。隔离型DC/DC原边直接与电网连接，在其本身的基本绝缘失效情况下，电网的电漏到壳体；但由于其绝缘子的绝缘功能仍然完好，隔离型DC/DC壳体漏电不会漏到车身上。所以上述相关人员不会有触电风险。

2) 隔离型DC/DC原边漏电，绝缘子也损坏。在此情况下，隔离型DC/DC壳体漏电会漏到车身上，使车身带电。

3) 电网直接漏电到车身上。这种漏电情况比较少，通常发生在多树或其他障碍的路段。整车经过时，树枝被卡在电网上，电网和车身通过树枝成了一个电回路，电压直接跨过隔离型DC/DC将电网电传递到车身上。

以上2)和3)两种情况，无论是基本绝缘安装还是附加绝缘安装，车内乘客均无触电风险；上下车乘客和维修人员因为车身与大地有压差，在同时触碰到车身和大地时，这两类人员成为车身与大地之间的导电体，有触电风险。

2.2 隔离型DC/DC副边漏电

1) 隔离型DC/DC副边漏电，但是其绝缘子完好。此种情况下，隔离型DC/DC壳体会带电，但由于其绝缘子的隔离作用，壳体电压不会传递到车身上，三类人员都没有触电风险。

2) 隔离型DC/DC副边漏电，同时其绝缘子损坏。此种情况下，隔离型DC/DC壳体的电压会传递到车身。但由于隔离型DC/DC的副边电压已经经过变压器与电网隔离，跟大地无电势差。三类人员的触电风险等同于以下2.3节分析。

2.3 隔离型DC/DC后端高压设备漏电

1) 隔离型DC/DC后端高压设备单极漏电(正极或负极漏电至车架上)。这种情形下，基本绝缘安装和附加绝缘安装对车内人员和上下车乘客都没有触电风险；而维修人员在附加绝缘安装情况下，如果同时触摸到两个不等电位有压差的壳体，如动力电池壳体与辅助设备壳体，就会有触电风险。相反，如果高压设备都是等电位安装(即基本绝缘安装)，维修人员触摸到的都是等电位的壳体，无压差，则无触电风险[8]。

2) 隔离型DC/DC后端高压设备两极漏电。即正极和负极都漏电到车架上。此种情况下，无论基本绝缘安装还是附加绝缘安装，车内人员和上下车乘客都无触电风险；而维修人员在高压设备附加绝缘安装情况下，如果同时触摸到不完全等电位的两个壳体，如动力电池壳体与辅助设备壳体，就会有触电风险。相反，如果高压设备都是等电位安装(即基本绝缘安装)，正负极都漏电到车架上，则等同于正负极短路。这时会触发正负极母线上的熔断器，使熔断器熔断实现保护，从而使维修人员不会有触电风险。

2.4 对比结论

从以上分析可以看出，双源无轨电车隔离型DC/DC后端高压设备如采用绝缘子和车架附加绝缘安装方式，对整车电安全特别是三类人员的触电防护没有起到更好的防护作用，反而在特定的漏电情况下，比基本绝缘安装方式有更高的触电风险[9]。

3 结束语

GB 18384—2020[4]要求整车上所有高压设备壳体必须等电位连接安装，这与本文分析的高压设备不等电位安装带来的触电风险分析一致。国外无轨电车相关标准EN 50502[5]和ECE R107[10]都已要求如果顶上采用隔离型DC/DC(即整车后端其他高压设备不直接接入电网)，则整车后端高压设备应采用本文所述的基本绝缘安装方式，从而实现整车后端高压设备等电位无压差风险。相信国内双源无轨电车相关标准应该会相应跟进，结束目前业内整车其他高压设备是否要附加绝缘安装的争论。