曹建文

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

0 引言

當(dāng)前我國(guó)煤礦井下無(wú)軌膠輪運(yùn)輸絕大多數(shù)使用防爆柴油機(jī)車，只有少數(shù)使用進(jìn)口的防爆蓄電池車輛。隨著大量防爆柴油機(jī)車在煤礦井下的應(yīng)用， 有害氣體或噪聲嚴(yán)重超標(biāo)，對(duì)井下人員職業(yè)健康形成危害[1]。從2004 年開(kāi)始研究井下電動(dòng)無(wú)軌運(yùn)輸車開(kāi)始發(fā)展到現(xiàn)階段， 國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始在井下綜采工作面上使用以蓄電池作為動(dòng)力源的新能源重載電動(dòng)支架搬運(yùn)車輛。

井下新能源電動(dòng)支架搬運(yùn)車是一種非公路型、 短距離液壓支架搬運(yùn)設(shè)備， 適用于井下綜采工作面搬家倒面時(shí)對(duì)液壓支架鏟、頂、推等，其工作特點(diǎn)為零排放、高動(dòng)力性能、高出勤率、低運(yùn)營(yíng)費(fèi)。

井下重載車輛的新能源電動(dòng)支架搬運(yùn)車具有運(yùn)載力大、加減速頻繁、轉(zhuǎn)彎頻率大、驅(qū)動(dòng)力矩大、電氣回路數(shù)多、布線復(fù)雜等特點(diǎn)，較其他輕型車輛電氣系統(tǒng)更容易發(fā)生短路和漏電故障。

為此， 在井下新能源電動(dòng)支架搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了滿足基本的驅(qū)動(dòng)功能之外，如何進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)和漏電保護(hù)，也是電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要研究?jī)?nèi)容之一。

1 井下新能源支架搬運(yùn)車電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

井下新能源電動(dòng)架搬運(yùn)車電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由動(dòng)力電池、主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、行走電機(jī)、油泵電機(jī)等組成，如圖1 所示。

動(dòng)力電池為電動(dòng)汽車提供電源， 動(dòng)力電池由蓄電池組、電池管理單元等組成。電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為新能源電動(dòng)車的主回路，包括主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。 由于支架搬運(yùn)車系統(tǒng)屬于重型運(yùn)載車輛，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力大，車輛轉(zhuǎn)向需要油泵電機(jī)帶動(dòng)液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 井下新能源支架搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)

井下新能源支架搬運(yùn)車前后機(jī)架一般采用鉸接方式連接。電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由主控箱、驅(qū)動(dòng)電控箱、輪邊電機(jī)、油泵電機(jī)和電池組等組成。 主控箱負(fù)責(zé)根據(jù)支架搬運(yùn)車的行走控制，驅(qū)動(dòng)電控箱完成對(duì)行走電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，輪邊電機(jī)通過(guò)減速器減速后接輪胎。 另外油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)DC/AC 逆變后完成對(duì)油泵電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。

井下電氣設(shè)備除了要滿足設(shè)備的牽引驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置方式與地面新能源車輛電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置方式不一樣。 井下新能源支架搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)布置，見(jiàn)圖2。

圖2 井下新能源支架搬運(yùn)車電氣系統(tǒng)布置圖

在新能源車輛系統(tǒng)中， 動(dòng)力電池約占整車質(zhì)量的20%～30%， 動(dòng)力電池布置方式對(duì)車的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及整車性能影響也較大。地面車輛動(dòng)力電池布置在底盤(pán)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(dòng)支架搬運(yùn)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(pán)下方或中央通道附近。

考慮到安標(biāo)原因， 井下新能源電動(dòng)車設(shè)計(jì)時(shí)將電池組布置在支架車尾部，其優(yōu)點(diǎn)是，一是可以避免布置在車身下方使電池組受損，二是當(dāng)支架搬運(yùn)車承載時(shí)，可以抵消液壓支架對(duì)前后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

驅(qū)動(dòng)電控箱位于鉸接部后面， 電控箱內(nèi)放置DC/AC變頻器及輔助回路。 電控箱內(nèi)可以對(duì)驅(qū)動(dòng)電氣回路起到保護(hù)作用，同時(shí)可以抵消電池組對(duì)后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

井下移動(dòng)車輛產(chǎn)生漏電的原因一般由幾方面： ①電纜和設(shè)備由于井下環(huán)境潮濕，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，電纜絕緣老化或潮氣入侵，引起絕緣下降，使得正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)對(duì)外殼的絕緣降低而發(fā)生漏電； ②各電控箱間電纜由于車輛在行進(jìn)、 拐彎等過(guò)程中造成電纜受到機(jī)械損傷而導(dǎo)致絕緣降低而漏電；③電控箱內(nèi)功率器件散熱不良、潮濕等造成電器件老化漏電。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)， 井下移動(dòng)車輛絕緣下降和漏電故障主要出現(xiàn)在電池箱出線側(cè)，如斷路器手柄間隙間進(jìn)水、各電控箱、電氣設(shè)備間的移動(dòng)電纜受到機(jī)械擠壓而造成漏電。對(duì)于放置于密閉的電控箱內(nèi)的電氣設(shè)備， 相對(duì)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(jiān)測(cè)裝置。

2 絕緣檢測(cè)

對(duì)于直流供電系統(tǒng)， 國(guó)內(nèi)外目前通用的絕緣檢測(cè)和漏電保護(hù)有多種方式包括電橋檢測(cè)法[3]、信號(hào)注入法[4]和有源絕緣電阻檢測(cè)法[5]三大類。 其中，規(guī)定動(dòng)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(cè)法是在正、 負(fù)母線之間串聯(lián)兩個(gè)等值的較大電阻，兩個(gè)電阻之間形成橋臂，構(gòu)成平衡電橋電路。 在地與串聯(lián)的兩電阻支架串上電流表。該種方法簡(jiǎn)單，但是對(duì)構(gòu)建的電路精確度要求很高[8]。

信號(hào)注入法是將信號(hào)通過(guò)電池的一端注入， 將霍爾檢測(cè)傳感器加載到負(fù)載上。 該方法的缺點(diǎn)是增加了直流供電系統(tǒng)的紋波系數(shù)，影響供電質(zhì)量[8]。

有源絕緣電阻檢測(cè)法分別給電池正、 負(fù)母線與車體支架注入高壓直流信號(hào)，進(jìn)行絕緣電阻的測(cè)量。該方法的缺點(diǎn)是存在瞬間高壓?jiǎn)栴}[9]。

電橋檢測(cè)法多用于對(duì)安全性要求不高的場(chǎng)合，如光伏逆變系統(tǒng)，對(duì)于安全性要求較高的行業(yè)如醫(yī)療器械、核電、數(shù)據(jù)中心等，大多采用脈沖式信號(hào)注入法進(jìn)行絕緣檢測(cè)。

對(duì)于井下用電設(shè)備來(lái)講， 信號(hào)注入法適用于井下直流供電網(wǎng)絡(luò)絕緣和漏電檢測(cè)， 如井下無(wú)軌架線運(yùn)輸車輛等。 對(duì)于單臺(tái)移動(dòng)電驅(qū)車輛來(lái)講，并不是非常適用。 一是檢測(cè)準(zhǔn)確度受系統(tǒng)分布電容影響大， 二是注入信號(hào)實(shí)際上是給交流系統(tǒng)引入了一個(gè)干擾源， 影響直流系統(tǒng)的正常工作且造成成本高、電路復(fù)雜。

本文依據(jù)文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)一種絕緣檢測(cè)方法，針對(duì)電池組的靜態(tài)、充電和放電不同情況，對(duì)動(dòng)力電池的絕緣電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 和參考文件[10]不同的是，本文僅設(shè)計(jì)一個(gè)并聯(lián)電阻r1用來(lái)計(jì)算正極柱和負(fù)極柱對(duì)外殼的絕緣電阻。這樣設(shè)計(jì)減少了開(kāi)關(guān)和并聯(lián)電阻，同時(shí)也不用進(jìn)行Rp和Rn的比較，簡(jiǎn)化后的絕緣監(jiān)測(cè)模型如圖3 所示。

絕緣監(jiān)測(cè)模型中包括電池、監(jiān)測(cè)電路、充電設(shè)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(fù)極柱和外殼間的絕緣電阻為Rn。 在Rp和Rn之間分別并聯(lián)電阻r1， 通過(guò)開(kāi)通和關(guān)斷K1決定是否將r1并入電路。通過(guò)構(gòu)建的兩個(gè)電壓方程組可以分部求出Rp和Rn，見(jiàn)式（1）和式（2）。

圖3 絕緣監(jiān)測(cè)模型

同理當(dāng)開(kāi)關(guān)K2閉合進(jìn)行電池充電時(shí)， 該電路也可以實(shí)時(shí)測(cè)得充電時(shí)的電池正負(fù)極的絕緣情況。

該模型中， 測(cè)得的電壓U1和U2通過(guò)調(diào)理電路后進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電控箱的控制器，接入整個(gè)車輛電氣系統(tǒng)中。礦用電驅(qū)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(dāng)電池極柱對(duì)地絕緣下降到320kΩ 附近時(shí)，便于檢測(cè)接入電阻r1后分流情況， 從而便于計(jì)算正負(fù)極柱對(duì)地絕緣電阻值，提高檢測(cè)準(zhǔn)確度。

3 漏電保護(hù)

在電動(dòng)車系統(tǒng)中， 一般漏電流分為四種， 電源漏電流、半導(dǎo)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(yùn)車電控系統(tǒng)中的半導(dǎo)體功率器件、電容、濾波器等均布置在防爆殼體內(nèi)，位置固定且不會(huì)隨著車輛的動(dòng)作而發(fā)生移動(dòng)。 所以在井下新能源支架搬運(yùn)車漏電保護(hù)方案中主要考慮電源漏電流。

直流母線從電池箱正負(fù)極柱接線后， 經(jīng)斷路器后輸出接各驅(qū)動(dòng)電控箱。漏電流傳感器放置在母線上，正母線和負(fù)母線均穿過(guò)漏電流傳感器的中間孔。 根據(jù)基爾霍夫定律，流入和流出的電流會(huì)互相抵消。當(dāng)直流電源沒(méi)有漏電時(shí)，正負(fù)極流入和流出的電流抵消后和為零。當(dāng)出現(xiàn)單極漏電故障時(shí)，比如正極對(duì)外殼存在漏電故障時(shí)，正極流出的部分電流經(jīng)外殼流走， 造成正極流出電流不能全部通過(guò)負(fù)極流回電池。 這樣正負(fù)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(guò)漏電流傳感器檢測(cè)到，以4～20mA 電流信號(hào)傳輸給控制器。 當(dāng)控制器檢測(cè)到漏電流超過(guò)一定閾值之后， 電氣控制系統(tǒng)切斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出回路加以保護(hù)。

圖4 漏電流檢測(cè)原理圖

4 絕緣監(jiān)測(cè)和漏電保護(hù)系統(tǒng)接入方案

絕緣監(jiān)測(cè)和漏電保護(hù)在電氣系統(tǒng)中要完成檢測(cè)、通訊、保護(hù)、警示等功能。 本文設(shè)計(jì)一種絕緣監(jiān)測(cè)和漏電保護(hù)系統(tǒng)接入方案， 完成對(duì)正負(fù)極對(duì)外殼絕緣實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和漏電保護(hù)控制，其原理框圖如圖5 所示。絕緣監(jiān)測(cè)電路通過(guò)分壓后測(cè)得的電壓U1、U2，經(jīng)調(diào)理和比較電路后接入CPU，CPU 經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后得出U1、U2， 然后根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算出絕緣電阻Up、Un。 漏電流檢測(cè)通過(guò)漏電流傳感器輸出信號(hào)4～20mA，經(jīng)電流電壓變換通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后經(jīng)CPU 計(jì)算得出。

圖5 絕緣監(jiān)測(cè)、 漏電保護(hù)系統(tǒng)接入方案

絕緣電阻Up、Un和漏電流數(shù)據(jù)通過(guò)CAN 控制器和收發(fā)器發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線CAN 網(wǎng)絡(luò)上， 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN 網(wǎng)絡(luò)上的其他單位可以通過(guò)報(bào)文方式接收到絕緣電阻Up、Un和漏電流值，然后參與到對(duì)其他電氣設(shè)備的控制中。

需要注意的是， 本文設(shè)計(jì)的絕緣監(jiān)測(cè)和漏電保護(hù)是基于電池電壓緩慢變換情況下來(lái)研究的。 如果支架搬運(yùn)車在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生電壓瞬變情況， 就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算不準(zhǔn)確。按照實(shí)際工程試驗(yàn)來(lái)看，井下新能源支架搬運(yùn)車在實(shí)際使用中，未發(fā)生電壓突然降到零情況。 當(dāng)電壓突降時(shí)，一般發(fā)生在正負(fù)極突然短路，這時(shí)短路電流很大，將會(huì)造成斷路器直接脫扣斷電， 從而對(duì)電池正負(fù)極輸出回路進(jìn)行保護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于井下新能源支架搬運(yùn)車車輛來(lái)說(shuō)，絕緣是否良好和漏電保護(hù)是否可靠在電氣系統(tǒng)起到重要的作用。本文設(shè)計(jì)了一種較實(shí)用的絕緣監(jiān)測(cè)方法、漏電保護(hù)方案以及系統(tǒng)接入方案，便于實(shí)施和應(yīng)用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該絕緣監(jiān)測(cè)和漏電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)用穩(wěn)定、便于接入支架車電氣系統(tǒng)。