井下新能源电动支架搬运车绝缘监测和漏电保护应用

曹建文

（1.中煤科工集团太原研究院有限公司， 山西 太原 030006； 2.山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

当前我国煤矿井下无轨胶轮运输绝大多数使用防爆柴油机车，只有少数使用进口的防爆蓄电池车辆。随着大量防爆柴油机车在煤矿井下的应用， 有害气体或噪声严重超标，对井下人员职业健康形成危害[1]。从2004 年开始研究井下电动无轨运输车开始发展到现阶段， 国内已经开始在井下综采工作面上使用以蓄电池作为动力源的新能源重载电动支架搬运车辆。

井下新能源电动支架搬运车是一种非公路型、 短距离液压支架搬运设备， 适用于井下综采工作面搬家倒面时对液压支架铲、顶、推等，其工作特点为零排放、高动力性能、高出勤率、低运营费。

井下重载车辆的新能源电动支架搬运车具有运载力大、加减速频繁、转弯频率大、驱动力矩大、电气回路数多、布线复杂等特点，较其他轻型车辆电气系统更容易发生短路和漏电故障。

为此， 在井下新能源电动支架搬运车电气系统设计中，除了满足基本的驱动功能之外，如何进行绝缘监测和漏电保护，也是电气系统设计的重要研究内容之一。

1 井下新能源支架搬运车电气驱动系统

井下新能源电动架搬运车电气驱动系统一般由动力电池、主控制器、电机驱动器、行走电机、油泵电机等组成，如图1 所示。

动力电池为电动汽车提供电源， 动力电池由蓄电池组、电池管理单元等组成。电气驱动系统为新能源电动车的主回路，包括主控制器、电机驱动器和电机。 由于支架搬运车系统属于重型运载车辆，转向驱动力大，车辆转向需要油泵电机带动液压系统来实现。

图1 井下新能源支架搬运车电气系统

井下新能源支架搬运车前后机架一般采用铰接方式连接。电气驱动系统由主控箱、驱动电控箱、轮边电机、油泵电机和电池组等组成。 主控箱负责根据支架搬运车的行走控制，驱动电控箱完成对行走电机的驱动控制，轮边电机通过减速器减速后接轮胎。 另外油泵电机驱动器通过DC/AC 逆变后完成对油泵电机的驱动控制。

井下电气设备除了要满足设备的牵引驱动需求之外，还需要满足防爆要求。 因此井下新能源车辆的电气驱动系统布置方式与地面新能源车辆电气驱动系统布置方式不一样。 井下新能源支架搬运车电气系统布置，见图2。

图2 井下新能源支架搬运车电气系统布置图

在新能源车辆系统中， 动力电池约占整车质量的20%～30%， 动力电池布置方式对车的车身结构设计及整车性能影响也较大。地面车辆动力电池布置在底盘下方，采用T 形、矩形、混合形布置方式[2]。 为满足防爆要求，井下新能源电动支架搬运车中的电池组不允许像地面车辆那样，电池组直接布置在底盘下方或中央通道附近。

考虑到安标原因， 井下新能源电动车设计时将电池组布置在支架车尾部，其优点是，一是可以避免布置在车身下方使电池组受损，二是当支架搬运车承载时，可以抵消液压支架对前后轮的转动力矩。

驱动电控箱位于铰接部后面， 电控箱内放置DC/AC变频器及辅助回路。 电控箱内可以对驱动电气回路起到保护作用，同时可以抵消电池组对后轮的转动力矩。

井下移动车辆产生漏电的原因一般由几方面： ①电缆和设备由于井下环境潮湿，长时间运行，电缆绝缘老化或潮气入侵，引起绝缘下降，使得正常运行时系统对外壳的绝缘降低而发生漏电； ②各电控箱间电缆由于车辆在行进、 拐弯等过程中造成电缆受到机械损伤而导致绝缘降低而漏电；③电控箱内功率器件散热不良、潮湿等造成电器件老化漏电。

根据实践经验， 井下移动车辆绝缘下降和漏电故障主要出现在电池箱出线侧，如断路器手柄间隙间进水、各电控箱、电气设备间的移动电缆受到机械挤压而造成漏电。对于放置于密闭的电控箱内的电气设备， 相对外露的电缆漏电故障率要低的多。包括脉冲式、平衡电桥法、绝缘监测装置。

2 绝缘检测

对于直流供电系统， 国内外目前通用的绝缘检测和漏电保护有多种方式包括电桥检测法[3]、信号注入法[4]和有源绝缘电阻检测法[5]三大类。 其中，规定动力蓄电池绝缘电阻最小值为100Ω/V，安全值为100～500Ω/V[6，7]。

电桥检测法是在正、 负母线之间串联两个等值的较大电阻，两个电阻之间形成桥臂，构成平衡电桥电路。 在地与串联的两电阻支架串上电流表。该种方法简单，但是对构建的电路精确度要求很高[8]。

信号注入法是将信号通过电池的一端注入， 将霍尔检测传感器加载到负载上。 该方法的缺点是增加了直流供电系统的纹波系数，影响供电质量[8]。

有源绝缘电阻检测法分别给电池正、 负母线与车体支架注入高压直流信号，进行绝缘电阻的测量。该方法的缺点是存在瞬间高压问题[9]。

电桥检测法多用于对安全性要求不高的场合，如光伏逆变系统，对于安全性要求较高的行业如医疗器械、核电、数据中心等，大多采用脉冲式信号注入法进行绝缘检测。

对于井下用电设备来讲， 信号注入法适用于井下直流供电网络绝缘和漏电检测， 如井下无轨架线运输车辆等。 对于单台移动电驱车辆来讲，并不是非常适用。 一是检测准确度受系统分布电容影响大， 二是注入信号实际上是给交流系统引入了一个干扰源， 影响直流系统的正常工作且造成成本高、电路复杂。

本文依据文献[10]设计一种绝缘检测方法，针对电池组的静态、充电和放电不同情况，对动力电池的绝缘电阻进行实时监测。 和参考文件[10]不同的是，本文仅设计一个并联电阻r1用来计算正极柱和负极柱对外壳的绝缘电阻。这样设计减少了开关和并联电阻，同时也不用进行Rp和Rn的比较，简化后的绝缘监测模型如图3 所示。

绝缘监测模型中包括电池、监测电路、充电设备和电阻组成。其中蓄电池正极柱和外壳间的绝缘电阻为Rp，负极柱和外壳间的绝缘电阻为Rn。 在Rp和Rn之间分别并联电阻r1， 通过开通和关断K1决定是否将r1并入电路。通过构建的两个电压方程组可以分部求出Rp和Rn，见式（1）和式（2）。

图3 绝缘监测模型

同理当开关K2闭合进行电池充电时， 该电路也可以实时测得充电时的电池正负极的绝缘情况。

该模型中， 测得的电压U1和U2通过调理电路后进入驱动电控箱的控制器，接入整个车辆电气系统中。矿用电驱车电池母线电压一般为240～640V，按照绝缘电压安全值为500Ω/V 考虑， 绝缘电阻值取为320kΩ， 取r1为300k。这样当电池极柱对地绝缘下降到320kΩ 附近时，便于检测接入电阻r1后分流情况， 从而便于计算正负极柱对地绝缘电阻值，提高检测准确度。

3 漏电保护

在电动车系统中， 一般漏电流分为四种， 电源漏电流、半导体元件漏电流、电容漏电流和滤波器漏电流[11]。由于井下新能源支架搬运车电控系统中的半导体功率器件、电容、滤波器等均布置在防爆壳体内，位置固定且不会随着车辆的动作而发生移动。 所以在井下新能源支架搬运车漏电保护方案中主要考虑电源漏电流。

直流母线从电池箱正负极柱接线后， 经断路器后输出接各驱动电控箱。漏电流传感器放置在母线上，正母线和负母线均穿过漏电流传感器的中间孔。 根据基尔霍夫定律，流入和流出的电流会互相抵消。当直流电源没有漏电时，正负极流入和流出的电流抵消后和为零。当出现单极漏电故障时，比如正极对外壳存在漏电故障时，正极流出的部分电流经外壳流走， 造成正极流出电流不能全部通过负极流回电池。 这样正负极电流抵消后仍然存在部分电流即漏电流，如图4 所示。这部分漏电流通过漏电流传感器检测到，以4～20mA 电流信号传输给控制器。 当控制器检测到漏电流超过一定阈值之后， 电气控制系统切断电机驱动器输出回路加以保护。

图4 漏电流检测原理图

4 绝缘监测和漏电保护系统接入方案

绝缘监测和漏电保护在电气系统中要完成检测、通讯、保护、警示等功能。 本文设计一种绝缘监测和漏电保护系统接入方案， 完成对正负极对外壳绝缘实时在线监测和漏电保护控制，其原理框图如图5 所示。绝缘监测电路通过分压后测得的电压U1、U2，经调理和比较电路后接入CPU，CPU 经A/D 转换后得出U1、U2， 然后根据式（1）、式（2）计算出绝缘电阻Up、Un。 漏电流检测通过漏电流传感器输出信号4～20mA，经电流电压变换通过A/D 转换后经CPU 计算得出。

图5 绝缘监测、 漏电保护系统接入方案

绝缘电阻Up、Un和漏电流数据通过CAN 控制器和收发器发送到现场总线CAN 网络上， 现场总线CAN 网络上的其他单位可以通过报文方式接收到绝缘电阻Up、Un和漏电流值，然后参与到对其他电气设备的控制中。

需要注意的是， 本文设计的绝缘监测和漏电保护是基于电池电压缓慢变换情况下来研究的。 如果支架搬运车在实际运行中发生电压瞬变情况， 就会导致计算不准确。按照实际工程试验来看，井下新能源支架搬运车在实际使用中，未发生电压突然降到零情况。 当电压突降时，一般发生在正负极突然短路，这时短路电流很大，将会造成断路器直接脱扣断电， 从而对电池正负极输出回路进行保护。

5 结束语

对于井下新能源支架搬运车车辆来说，绝缘是否良好和漏电保护是否可靠在电气系统起到重要的作用。本文设计了一种较实用的绝缘监测方法、漏电保护方案以及系统接入方案，便于实施和应用。通过现场试验，该绝缘监测和漏电保护系统实用稳定、便于接入支架车电气系统。