井下新能源電動支架搬運車絕緣監測和漏電保護應用

曹建文

（1.中煤科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原 030006； 2.山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

當前我國煤礦井下無軌膠輪運輸絕大多數使用防爆柴油機車，只有少數使用進口的防爆蓄電池車輛。隨著大量防爆柴油機車在煤礦井下的應用， 有害氣體或噪聲嚴重超標，對井下人員職業健康形成危害[1]。從2004 年開始研究井下電動無軌運輸車開始發展到現階段， 國內已經開始在井下綜采工作面上使用以蓄電池作為動力源的新能源重載電動支架搬運車輛。

井下新能源電動支架搬運車是一種非公路型、 短距離液壓支架搬運設備， 適用于井下綜采工作面搬家倒面時對液壓支架鏟、頂、推等，其工作特點為零排放、高動力性能、高出勤率、低運營費。

井下重載車輛的新能源電動支架搬運車具有運載力大、加減速頻繁、轉彎頻率大、驅動力矩大、電氣回路數多、布線復雜等特點，較其他輕型車輛電氣系統更容易發生短路和漏電故障。

為此， 在井下新能源電動支架搬運車電氣系統設計中，除了滿足基本的驅動功能之外，如何進行絕緣監測和漏電保護，也是電氣系統設計的重要研究內容之一。

1 井下新能源支架搬運車電氣驅動系統

井下新能源電動架搬運車電氣驅動系統一般由動力電池、主控制器、電機驅動器、行走電機、油泵電機等組成，如圖1 所示。

動力電池為電動汽車提供電源， 動力電池由蓄電池組、電池管理單元等組成。電氣驅動系統為新能源電動車的主回路，包括主控制器、電機驅動器和電機。 由于支架搬運車系統屬于重型運載車輛，轉向驅動力大，車輛轉向需要油泵電機帶動液壓系統來實現。

圖1 井下新能源支架搬運車電氣系統

井下新能源支架搬運車前后機架一般采用鉸接方式連接。電氣驅動系統由主控箱、驅動電控箱、輪邊電機、油泵電機和電池組等組成。 主控箱負責根據支架搬運車的行走控制，驅動電控箱完成對行走電機的驅動控制，輪邊電機通過減速器減速后接輪胎。 另外油泵電機驅動器通過DC/AC 逆變后完成對油泵電機的驅動控制。

井下電氣設備除了要滿足設備的牽引驅動需求之外，還需要滿足防爆要求。 因此井下新能源車輛的電氣驅動系統布置方式與地面新能源車輛電氣驅動系統布置方式不一樣。 井下新能源支架搬運車電氣系統布置，見圖2。

圖2 井下新能源支架搬運車電氣系統布置圖

在新能源車輛系統中， 動力電池約占整車質量的20%～30%， 動力電池布置方式對車的車身結構設計及整車性能影響也較大。地面車輛動力電池布置在底盤下方，采用T 形、矩形、混合形布置方式[2]。 為滿足防爆要求，井下新能源電動支架搬運車中的電池組不允許像地面車輛那樣，電池組直接布置在底盤下方或中央通道附近。

考慮到安標原因， 井下新能源電動車設計時將電池組布置在支架車尾部，其優點是，一是可以避免布置在車身下方使電池組受損，二是當支架搬運車承載時，可以抵消液壓支架對前后輪的轉動力矩。

驅動電控箱位于鉸接部后面， 電控箱內放置DC/AC變頻器及輔助回路。 電控箱內可以對驅動電氣回路起到保護作用，同時可以抵消電池組對后輪的轉動力矩。

井下移動車輛產生漏電的原因一般由幾方面： ①電纜和設備由于井下環境潮濕，長時間運行，電纜絕緣老化或潮氣入侵，引起絕緣下降，使得正常運行時系統對外殼的絕緣降低而發生漏電； ②各電控箱間電纜由于車輛在行進、 拐彎等過程中造成電纜受到機械損傷而導致絕緣降低而漏電；③電控箱內功率器件散熱不良、潮濕等造成電器件老化漏電。

根據實踐經驗， 井下移動車輛絕緣下降和漏電故障主要出現在電池箱出線側，如斷路器手柄間隙間進水、各電控箱、電氣設備間的移動電纜受到機械擠壓而造成漏電。對于放置于密閉的電控箱內的電氣設備， 相對外露的電纜漏電故障率要低的多。包括脈沖式、平衡電橋法、絕緣監測裝置。

2 絕緣檢測

對于直流供電系統， 國內外目前通用的絕緣檢測和漏電保護有多種方式包括電橋檢測法[3]、信號注入法[4]和有源絕緣電阻檢測法[5]三大類。 其中，規定動力蓄電池絕緣電阻最小值為100Ω/V，安全值為100～500Ω/V[6，7]。

電橋檢測法是在正、 負母線之間串聯兩個等值的較大電阻，兩個電阻之間形成橋臂，構成平衡電橋電路。 在地與串聯的兩電阻支架串上電流表。該種方法簡單，但是對構建的電路精確度要求很高[8]。

信號注入法是將信號通過電池的一端注入， 將霍爾檢測傳感器加載到負載上。 該方法的缺點是增加了直流供電系統的紋波系數，影響供電質量[8]。

有源絕緣電阻檢測法分別給電池正、 負母線與車體支架注入高壓直流信號，進行絕緣電阻的測量。該方法的缺點是存在瞬間高壓問題[9]。

電橋檢測法多用于對安全性要求不高的場合，如光伏逆變系統，對于安全性要求較高的行業如醫療器械、核電、數據中心等，大多采用脈沖式信號注入法進行絕緣檢測。

對于井下用電設備來講， 信號注入法適用于井下直流供電網絡絕緣和漏電檢測， 如井下無軌架線運輸車輛等。 對于單臺移動電驅車輛來講，并不是非常適用。 一是檢測準確度受系統分布電容影響大， 二是注入信號實際上是給交流系統引入了一個干擾源， 影響直流系統的正常工作且造成成本高、電路復雜。

本文依據文獻[10]設計一種絕緣檢測方法，針對電池組的靜態、充電和放電不同情況，對動力電池的絕緣電阻進行實時監測。 和參考文件[10]不同的是，本文僅設計一個并聯電阻r1用來計算正極柱和負極柱對外殼的絕緣電阻。這樣設計減少了開關和并聯電阻，同時也不用進行Rp和Rn的比較，簡化后的絕緣監測模型如圖3 所示。

絕緣監測模型中包括電池、監測電路、充電設備和電阻組成。其中蓄電池正極柱和外殼間的絕緣電阻為Rp，負極柱和外殼間的絕緣電阻為Rn。 在Rp和Rn之間分別并聯電阻r1， 通過開通和關斷K1決定是否將r1并入電路。通過構建的兩個電壓方程組可以分部求出Rp和Rn，見式（1）和式（2）。

圖3 絕緣監測模型

同理當開關K2閉合進行電池充電時， 該電路也可以實時測得充電時的電池正負極的絕緣情況。

該模型中， 測得的電壓U1和U2通過調理電路后進入驅動電控箱的控制器，接入整個車輛電氣系統中。礦用電驅車電池母線電壓一般為240～640V，按照絕緣電壓安全值為500Ω/V 考慮， 絕緣電阻值取為320kΩ， 取r1為300k。這樣當電池極柱對地絕緣下降到320kΩ 附近時，便于檢測接入電阻r1后分流情況， 從而便于計算正負極柱對地絕緣電阻值，提高檢測準確度。

3 漏電保護

在電動車系統中， 一般漏電流分為四種， 電源漏電流、半導體元件漏電流、電容漏電流和濾波器漏電流[11]。由于井下新能源支架搬運車電控系統中的半導體功率器件、電容、濾波器等均布置在防爆殼體內，位置固定且不會隨著車輛的動作而發生移動。 所以在井下新能源支架搬運車漏電保護方案中主要考慮電源漏電流。

直流母線從電池箱正負極柱接線后， 經斷路器后輸出接各驅動電控箱。漏電流傳感器放置在母線上，正母線和負母線均穿過漏電流傳感器的中間孔。 根據基爾霍夫定律，流入和流出的電流會互相抵消。當直流電源沒有漏電時，正負極流入和流出的電流抵消后和為零。當出現單極漏電故障時，比如正極對外殼存在漏電故障時，正極流出的部分電流經外殼流走， 造成正極流出電流不能全部通過負極流回電池。 這樣正負極電流抵消后仍然存在部分電流即漏電流，如圖4 所示。這部分漏電流通過漏電流傳感器檢測到，以4～20mA 電流信號傳輸給控制器。 當控制器檢測到漏電流超過一定閾值之后， 電氣控制系統切斷電機驅動器輸出回路加以保護。

圖4 漏電流檢測原理圖

4 絕緣監測和漏電保護系統接入方案

絕緣監測和漏電保護在電氣系統中要完成檢測、通訊、保護、警示等功能。 本文設計一種絕緣監測和漏電保護系統接入方案， 完成對正負極對外殼絕緣實時在線監測和漏電保護控制，其原理框圖如圖5 所示。絕緣監測電路通過分壓后測得的電壓U1、U2，經調理和比較電路后接入CPU，CPU 經A/D 轉換后得出U1、U2， 然后根據式（1）、式（2）計算出絕緣電阻Up、Un。 漏電流檢測通過漏電流傳感器輸出信號4～20mA，經電流電壓變換通過A/D 轉換后經CPU 計算得出。

圖5 絕緣監測、 漏電保護系統接入方案

絕緣電阻Up、Un和漏電流數據通過CAN 控制器和收發器發送到現場總線CAN 網絡上， 現場總線CAN 網絡上的其他單位可以通過報文方式接收到絕緣電阻Up、Un和漏電流值，然后參與到對其他電氣設備的控制中。

需要注意的是， 本文設計的絕緣監測和漏電保護是基于電池電壓緩慢變換情況下來研究的。 如果支架搬運車在實際運行中發生電壓瞬變情況， 就會導致計算不準確。按照實際工程試驗來看，井下新能源支架搬運車在實際使用中，未發生電壓突然降到零情況。 當電壓突降時，一般發生在正負極突然短路，這時短路電流很大，將會造成斷路器直接脫扣斷電， 從而對電池正負極輸出回路進行保護。

5 結束語

對于井下新能源支架搬運車車輛來說，絕緣是否良好和漏電保護是否可靠在電氣系統起到重要的作用。本文設計了一種較實用的絕緣監測方法、漏電保護方案以及系統接入方案，便于實施和應用。通過現場試驗，該絕緣監測和漏電保護系統實用穩定、便于接入支架車電氣系統。