無軌電車安全相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的問題及其根源

朱學(xué)軍

(凱博易控車輛科技(蘇州)股份有限公司, 江蘇 蘇州 215211)

現(xiàn)有無軌電車安全相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)為GB 13094—2017[1]，其中對耐壓設(shè)計的條款模糊、不完整，導(dǎo)致在實際操作中產(chǎn)生分歧，甚至制約著新技術(shù)在無軌電車上的應(yīng)用及推廣。本文從基于大功率隔離型DC-DC變換器的新一代無軌電車動力系統(tǒng)相對于老動力系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢分析出發(fā)，探討GB 13094—2017在無軌電車電氣安全方面的缺陷與制約，并找到該問題的根源與解決辦法，提出標(biāo)準(zhǔn)修訂建議。

1 新一代無軌電車動力系統(tǒng)技術(shù)及其優(yōu)勢

隨著電力電子技術(shù)、電池技術(shù)、永磁電機技術(shù)的發(fā)展，最近幾年無軌電車技術(shù)有革命性的突破[2]。上一代無軌電車動力系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

其特點是高壓設(shè)備分布式雙重絕緣、風(fēng)冷、帶車載動力電池和在線非隔離型充電機、1 700 V功率器件等。

新一代無軌電車動力系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。其特點是在線大功率雙重隔離型DC-DC變換器提供集中式雙重絕緣，下游為純電水冷平臺，僅在隔離型DC-DC變換器原邊需要1 700 V功率器件，副邊側(cè)及其下游設(shè)備均可采用更加高效的1 200 V功率器件。

圖2 新一代無軌電車動力系統(tǒng)架構(gòu)

1) 從電氣安全性上看，新一代無軌電車動力系統(tǒng)架構(gòu)也更具優(yōu)勢。

一直以來，無軌電車中采用的雙重絕緣設(shè)計并不是通常意義上的Class II類雙重絕緣設(shè)計。無軌電車中的中間金屬(即設(shè)備外殼等)是裸露的，這是為了方便電車維護維修時的絕緣測試。通常的Class II類設(shè)備是不允許這樣做的。這個裸露的中間金屬是一個風(fēng)險源，車內(nèi)的這種中間金屬必須要通過障礙物或外殼防護好，而車頂和車底下面的這種中間金屬依賴于人體夠不著來進行防護。但如果有人(特別是兒童)爬進車底，就會有安全隱患，這就是老式無軌電車的一種潛在風(fēng)險。最大的問題在于，車頂和車底下面的這種中間金屬和車體之間的附加絕緣容易在惡劣天氣失效(絕緣容易被雨水、積雪等旁路掉)，而在老式無軌電車中這樣的設(shè)備還很多。

在新一代無軌電車中，這種裸露中間金屬的設(shè)備僅集中在隔離型DC-DC變換器的原邊側(cè)。如能對隔離型DC-DC變換器進行外殼防護，那具有裸露中間金屬的設(shè)備就只剩下集電架。這些都能夠極大地降低附加絕緣在惡劣天氣下失效的風(fēng)險。

2) 從漏電路徑看，新一代無軌電車動力系統(tǒng)(基于原副邊雙重絕緣設(shè)計的隔離型DC-DC變換器)和老式無軌電車動力系統(tǒng)分別具有如圖3(a)和3(b)所示的漏電絕緣路徑。圖中數(shù)字1代表一層絕緣，數(shù)字2代表兩層絕緣。根據(jù)串并聯(lián)關(guān)系可知，在任何正常情況下新系統(tǒng)都有不劣于老系統(tǒng)的絕緣能力，漏電流理應(yīng)更小。

(a) 新系統(tǒng)絕緣路徑 (b) 老系統(tǒng)絕緣路徑

3) 從易維護性看，新一代無軌電車也更具優(yōu)勢。老系統(tǒng)的分布式雙重絕緣設(shè)計注定了其絕緣維護工作量大。而新一代無軌電車系統(tǒng)在隔離型變換器原邊側(cè)和原副邊之間裝有多路離線式絕緣檢測儀，在每天出車前進行自動檢測，在隔離型變換器副邊側(cè)下游的電路為純電平臺，是一個IT系統(tǒng)，可以利用電池集成的絕緣電阻監(jiān)測功能或在線式絕緣監(jiān)測儀來持續(xù)自動監(jiān)測絕緣情況，極大地降低了電車維護保養(yǎng)人員的工作量。

4) 從供應(yīng)鏈看，由于電動客車在我國的普及推廣，新一代動力系統(tǒng)的零部件供應(yīng)鏈非常豐富。而老系統(tǒng)由于采用風(fēng)冷、雙重絕緣設(shè)計，與我國電動客車采用水冷及單層絕緣技術(shù)路線完全不同。因此，對于整車企業(yè)尋找到合適的零部件是很艱難的。而對動力系統(tǒng)集成商而言，研發(fā)與庫存完全不同的產(chǎn)品也是不經(jīng)濟的。

2 新技術(shù)的應(yīng)用及遇到的標(biāo)準(zhǔn)問題

新一代無軌電車技術(shù)在我國最早的應(yīng)用是2015年，并于2017—2018年在上海、北京及青島有爆發(fā)式地增長。濟南和上海近兩年又有百輛規(guī)模的規(guī)劃。無軌電車這個小眾行業(yè)可能會迎來新的發(fā)展機遇。

然而，我國與無軌電車安全相關(guān)的GB 13094—2017確無條款支持這種新的無軌電車動力系統(tǒng)架構(gòu)。目前該標(biāo)準(zhǔn)成為了制約我國新型無軌電車發(fā)展的主要障礙。

該標(biāo)準(zhǔn)在無軌電車動力系統(tǒng)架構(gòu)上引起歧義的條款主要是D3.7條和D3.10 k)款[2]。從這兩個條款可以產(chǎn)生如下幾個問題：

1) 條款D3.7提到了基本絕緣和附加絕緣，表明無軌電車的兩層絕緣設(shè)計是雙重絕緣，而不是加強絕緣方式；而在條款D3.10 k)中，耐壓值僅為高壓電路至車體的一個值，這明顯是按照加強絕緣的方式在測耐壓。

2) 條款D3.7提到?jīng)]有采用隔離型變壓器隔離的三相電路的電氣部件與無軌電車車體之間應(yīng)采取附加絕緣措施。那言外之意是什么？采用隔離型變壓器隔離的三相電路的電氣部件與無軌電車車體之間是不是不需采取附加絕緣措施？為什么采取隔離變壓器隔離的一定是三相電路？采取隔離變壓器隔離的其他電路需不需要采取附加絕緣措施呢？

3) 條款D3.10 k)中提到所有電路都要經(jīng)過超壓測試，高壓電路和三相電路電氣設(shè)備及接線的測試電壓見D.1式，標(biāo)準(zhǔn)在D.1.2對高壓電路和三相電路進行了相應(yīng)定義[1]。通過此定義，隔離前和隔離后的電路照理都可以稱為是高壓電路和三相電路，按此條字面意思都必須接受D.1式的超壓測試。但是，實際上隔離后的電路通常具有不同的過壓等級，也可能具有和線網(wǎng)不同的電壓，這些隔離后的高壓電路應(yīng)該具有和D.1式不同的耐壓測試要求。而標(biāo)準(zhǔn)缺乏相應(yīng)定義，這是該條的問題所在。

鑒于這些問題，通常行業(yè)產(chǎn)品管理評審專家會采取保守的態(tài)度，不支持新架構(gòu)無軌電車，即使裝了隔離型DC-DC變換器，下游高壓電路和三相電路還得采用附加絕緣安裝，即便下游高壓電路和三相電路是兼用24 V低壓電路的水冷設(shè)備。

此外，專家會要求按加強絕緣設(shè)計測總絕緣耐壓，對雙重絕緣和加強絕緣的設(shè)計差異和考核差異則完全置之不理。有些時候還會搬出已經(jīng)被廢棄的CJ/T 5008—1993[3]的條款來考核基本絕緣和附加絕緣。但專家們清楚地知道制定CJ/T 5008—1993的時候高壓設(shè)備都是純600 V/750 V的設(shè)備，它們的附加絕緣就是機械絕緣子，把附加絕緣耐壓規(guī)定得和D.1一樣高，從而可以提供一定的安全裕量并且容易實現(xiàn)。而對兼有600 V/750 V和24 V設(shè)備的附加絕緣在GB 13094—2017和CJ/T 5008—1993等標(biāo)準(zhǔn)里面從來就沒有明確定義過。這就造成了隔離型DC-DC變換器在附加絕緣耐壓設(shè)計和考核上的困難。D.1式規(guī)定的絕緣耐壓對機械絕緣子是容易實現(xiàn)的，而對于和機械絕緣子并聯(lián)的電氣支路來說，則較難實現(xiàn)。

3 標(biāo)準(zhǔn)問題尋根溯源

為了解決這些問題，不能停留在GB 13094—2017[1]這個標(biāo)準(zhǔn)本身，而應(yīng)該參閱更多的資料文獻。通過GB 13094—2017的參考文獻列表，可以發(fā)現(xiàn)其參考了UNECE R107 Revision 3[4]這個國際客車安全法規(guī)。該版法規(guī)是2011年發(fā)行的，在這個版本中，高壓電路定義為線網(wǎng)供電的電路，這個可以引申到經(jīng)過隔離的非線網(wǎng)供電的電路，但該法規(guī)中也未明確對這個差異進行規(guī)定。

而該法規(guī)中的3.10.12條和GB 13094—2017中的D3.10 k)款一致，這應(yīng)該就是GB 13094—2017諸多問題的根本來源。UNECE R107這個法規(guī)的第4、5、6次修訂[5-7]都沒有改正這些問題，直到2015年6月份第6次修訂修正文檔1[8]，針對3.10.12條作了大的修正，翻譯如下：

3.10.12.無軌電車車載B級電壓設(shè)備的每一層絕緣都應(yīng)該經(jīng)受50～60 Hz的交流電壓測試，持續(xù)時間 1 min。

無軌電車車載設(shè)備和接線的測試電壓Utest應(yīng)為

基本絕緣:Utest=2×UNm+1 500 V

附加絕緣:Utest=1.6×UNm+ 500 V

對于與線網(wǎng)電壓雙重隔離的電路，測試電壓Utest應(yīng)為至少1 500 V，或者

基本絕緣:UTest= 2×UNm+ 1 000 V

無軌電車中,不允許對直連到線網(wǎng)的電路采用加強絕緣設(shè)計。

3.10.12.1和 3.10.12.2被刪除。即原來和國標(biāo)3.10 k)款對應(yīng)的內(nèi)容全被刪除。

通過這個修正文檔，UNECE R107法規(guī)解決了前面D3.7條和D3.10 k)款提到的一切問題：

1) D3.7條雙重絕緣的設(shè)計和D3.10 k)款加強絕緣的耐壓驗證的矛盾問題不復(fù)存在。連接到線網(wǎng)的高壓設(shè)備需要采用基本絕緣加附加絕緣的雙重絕緣設(shè)計，耐壓是按照雙重絕緣的驗證方法進行的。按照基本絕緣和附加絕緣進行分開測試、分開驗證。

2) D3.7條隱含的意思得到了明確表達，明確支持了新的無軌電車電氣架構(gòu)。與線網(wǎng)直接連接的高壓設(shè)備需要按照雙重絕緣進行設(shè)計，通過與線網(wǎng)隔離后的高壓設(shè)備可以僅采用基本絕緣設(shè)計，而用于提供與線網(wǎng)隔離的設(shè)備需要雙重絕緣設(shè)計，不是單重絕緣設(shè)計，也不是加強絕緣設(shè)計。

3) D3.10 k)款的加強絕緣耐壓問題也不復(fù)存在。UNECE R107法規(guī)除了一方面明確了不支持無軌電車采用加強絕緣設(shè)計外，還明確了基本絕緣或附加絕緣的耐壓要求都不需要達到GB 13094—2017 D.1式定義的那么高，更進一步明確了可以用與交流耐壓峰值等效的直流耐壓來驗證絕緣狀態(tài)。

其實，無軌電車發(fā)源于歐洲。從歐洲無軌電車安全標(biāo)準(zhǔn)EN 50502—2015[9](現(xiàn)在仍然有效)來看，UNECE R107 第6次修訂修正文檔1與其達到了基本一致。差異在于，EN 50502—2015支持將基礎(chǔ)絕緣耐壓值和附加絕緣的耐壓值進行對調(diào)，視設(shè)計者取哪一層絕緣為主絕緣而定，而UNECE R107第6次修訂修正文檔1則不支持這種做法。這具有一定的合理性。因為車頂或車底的附加絕緣暴露在環(huán)境中，雨水或者積雪很容易使其失效，而基本絕緣是最基礎(chǔ)的一種安全保障，所以基本絕緣的耐壓比附加絕緣的高是合理的。

從新架構(gòu)無軌電車技術(shù)在歐洲的應(yīng)用來看，目前應(yīng)用還不多。可以找到的一個應(yīng)用案例是瑞士的HESS客車公司利用ABB的隔離型DC-DC變換器實現(xiàn)的新架構(gòu)無軌電車，如圖4所示[10]。證明這種新架構(gòu)無軌電車技術(shù)在全世界來說都還很稀少，中國走在了世界的前列。

圖4 瑞士新型無軌電車動力系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié)束語

裝備大功率隔離型DC-DC變換器的無軌電車技術(shù)是最新一代無軌電車技術(shù)。但是由于GB 13094—2017在絕緣耐壓條款上存在的問題，嚴(yán)重阻礙了新架構(gòu)無軌電車技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。基于此標(biāo)準(zhǔn)的評審結(jié)果往往會損失新架構(gòu)無軌電車的技術(shù)優(yōu)勢。建議相關(guān)部門參考UNECE R107的修正文檔加快對GB 13094—2017進行修訂，以推動新技術(shù)的發(fā)展。