无轨电车安全相关国家标准的问题及其根源

朱学军

(凯博易控车辆科技(苏州)股份有限公司, 江苏 苏州 215211)

现有无轨电车安全相关国家标准为GB 13094—2017[1]，其中对耐压设计的条款模糊、不完整，导致在实际操作中产生分歧，甚至制约着新技术在无轨电车上的应用及推广。本文从基于大功率隔离型DC-DC变换器的新一代无轨电车动力系统相对于老动力系统的技术优势分析出发，探讨GB 13094—2017在无轨电车电气安全方面的缺陷与制约，并找到该问题的根源与解决办法，提出标准修订建议。

1 新一代无轨电车动力系统技术及其优势

随着电力电子技术、电池技术、永磁电机技术的发展，最近几年无轨电车技术有革命性的突破[2]。上一代无轨电车动力系统架构如图1所示。

其特点是高压设备分布式双重绝缘、风冷、带车载动力电池和在线非隔离型充电机、1 700 V功率器件等。

新一代无轨电车动力系统架构如图2所示。其特点是在线大功率双重隔离型DC-DC变换器提供集中式双重绝缘，下游为纯电水冷平台，仅在隔离型DC-DC变换器原边需要1 700 V功率器件，副边侧及其下游设备均可采用更加高效的1 200 V功率器件。

图2 新一代无轨电车动力系统架构

1) 从电气安全性上看，新一代无轨电车动力系统架构也更具优势。

一直以来，无轨电车中采用的双重绝缘设计并不是通常意义上的Class II类双重绝缘设计。无轨电车中的中间金属(即设备外壳等)是裸露的，这是为了方便电车维护维修时的绝缘测试。通常的Class II类设备是不允许这样做的。这个裸露的中间金属是一个风险源，车内的这种中间金属必须要通过障碍物或外壳防护好，而车顶和车底下面的这种中间金属依赖于人体够不着来进行防护。但如果有人(特别是儿童)爬进车底，就会有安全隐患，这就是老式无轨电车的一种潜在风险。最大的问题在于，车顶和车底下面的这种中间金属和车体之间的附加绝缘容易在恶劣天气失效(绝缘容易被雨水、积雪等旁路掉)，而在老式无轨电车中这样的设备还很多。

在新一代无轨电车中，这种裸露中间金属的设备仅集中在隔离型DC-DC变换器的原边侧。如能对隔离型DC-DC变换器进行外壳防护，那具有裸露中间金属的设备就只剩下集电架。这些都能够极大地降低附加绝缘在恶劣天气下失效的风险。

2) 从漏电路径看，新一代无轨电车动力系统(基于原副边双重绝缘设计的隔离型DC-DC变换器)和老式无轨电车动力系统分别具有如图3(a)和3(b)所示的漏电绝缘路径。图中数字1代表一层绝缘，数字2代表两层绝缘。根据串并联关系可知，在任何正常情况下新系统都有不劣于老系统的绝缘能力，漏电流理应更小。

(a) 新系统绝缘路径 (b) 老系统绝缘路径

3) 从易维护性看，新一代无轨电车也更具优势。老系统的分布式双重绝缘设计注定了其绝缘维护工作量大。而新一代无轨电车系统在隔离型变换器原边侧和原副边之间装有多路离线式绝缘检测仪，在每天出车前进行自动检测，在隔离型变换器副边侧下游的电路为纯电平台，是一个IT系统，可以利用电池集成的绝缘电阻监测功能或在线式绝缘监测仪来持续自动监测绝缘情况，极大地降低了电车维护保养人员的工作量。

4) 从供应链看，由于电动客车在我国的普及推广，新一代动力系统的零部件供应链非常丰富。而老系统由于采用风冷、双重绝缘设计，与我国电动客车采用水冷及单层绝缘技术路线完全不同。因此，对于整车企业寻找到合适的零部件是很艰难的。而对动力系统集成商而言，研发与库存完全不同的产品也是不经济的。

2 新技术的应用及遇到的标准问题

新一代无轨电车技术在我国最早的应用是2015年，并于2017—2018年在上海、北京及青岛有爆发式地增长。济南和上海近两年又有百辆规模的规划。无轨电车这个小众行业可能会迎来新的发展机遇。

然而，我国与无轨电车安全相关的GB 13094—2017确无条款支持这种新的无轨电车动力系统架构。目前该标准成为了制约我国新型无轨电车发展的主要障碍。

该标准在无轨电车动力系统架构上引起歧义的条款主要是D3.7条和D3.10 k)款[2]。从这两个条款可以产生如下几个问题：

1) 条款D3.7提到了基本绝缘和附加绝缘，表明无轨电车的两层绝缘设计是双重绝缘，而不是加强绝缘方式；而在条款D3.10 k)中，耐压值仅为高压电路至车体的一个值，这明显是按照加强绝缘的方式在测耐压。

2) 条款D3.7提到没有采用隔离型变压器隔离的三相电路的电气部件与无轨电车车体之间应采取附加绝缘措施。那言外之意是什么？采用隔离型变压器隔离的三相电路的电气部件与无轨电车车体之间是不是不需采取附加绝缘措施？为什么采取隔离变压器隔离的一定是三相电路？采取隔离变压器隔离的其他电路需不需要采取附加绝缘措施呢？

3) 条款D3.10 k)中提到所有电路都要经过超压测试，高压电路和三相电路电气设备及接线的测试电压见D.1式，标准在D.1.2对高压电路和三相电路进行了相应定义[1]。通过此定义，隔离前和隔离后的电路照理都可以称为是高压电路和三相电路，按此条字面意思都必须接受D.1式的超压测试。但是，实际上隔离后的电路通常具有不同的过压等级，也可能具有和线网不同的电压，这些隔离后的高压电路应该具有和D.1式不同的耐压测试要求。而标准缺乏相应定义，这是该条的问题所在。

鉴于这些问题，通常行业产品管理评审专家会采取保守的态度，不支持新架构无轨电车，即使装了隔离型DC-DC变换器，下游高压电路和三相电路还得采用附加绝缘安装，即便下游高压电路和三相电路是兼用24 V低压电路的水冷设备。

此外，专家会要求按加强绝缘设计测总绝缘耐压，对双重绝缘和加强绝缘的设计差异和考核差异则完全置之不理。有些时候还会搬出已经被废弃的CJ/T 5008—1993[3]的条款来考核基本绝缘和附加绝缘。但专家们清楚地知道制定CJ/T 5008—1993的时候高压设备都是纯600 V/750 V的设备，它们的附加绝缘就是机械绝缘子，把附加绝缘耐压规定得和D.1一样高，从而可以提供一定的安全裕量并且容易实现。而对兼有600 V/750 V和24 V设备的附加绝缘在GB 13094—2017和CJ/T 5008—1993等标准里面从来就没有明确定义过。这就造成了隔离型DC-DC变换器在附加绝缘耐压设计和考核上的困难。D.1式规定的绝缘耐压对机械绝缘子是容易实现的，而对于和机械绝缘子并联的电气支路来说，则较难实现。

3 标准问题寻根溯源

为了解决这些问题，不能停留在GB 13094—2017[1]这个标准本身，而应该参阅更多的资料文献。通过GB 13094—2017的参考文献列表，可以发现其参考了UNECE R107 Revision 3[4]这个国际客车安全法规。该版法规是2011年发行的，在这个版本中，高压电路定义为线网供电的电路，这个可以引申到经过隔离的非线网供电的电路，但该法规中也未明确对这个差异进行规定。

而该法规中的3.10.12条和GB 13094—2017中的D3.10 k)款一致，这应该就是GB 13094—2017诸多问题的根本来源。UNECE R107这个法规的第4、5、6次修订[5-7]都没有改正这些问题，直到2015年6月份第6次修订修正文档1[8]，针对3.10.12条作了大的修正，翻译如下：

3.10.12.无轨电车车载B级电压设备的每一层绝缘都应该经受50～60 Hz的交流电压测试，持续时间 1 min。

无轨电车车载设备和接线的测试电压Utest应为

基本绝缘:Utest=2×UNm+1 500 V

附加绝缘:Utest=1.6×UNm+ 500 V

对于与线网电压双重隔离的电路，测试电压Utest应为至少1 500 V，或者

基本绝缘:UTest= 2×UNm+ 1 000 V

无轨电车中,不允许对直连到线网的电路采用加强绝缘设计。

3.10.12.1和 3.10.12.2被删除。即原来和国标3.10 k)款对应的内容全被删除。

通过这个修正文档，UNECE R107法规解决了前面D3.7条和D3.10 k)款提到的一切问题：

1) D3.7条双重绝缘的设计和D3.10 k)款加强绝缘的耐压验证的矛盾问题不复存在。连接到线网的高压设备需要采用基本绝缘加附加绝缘的双重绝缘设计，耐压是按照双重绝缘的验证方法进行的。按照基本绝缘和附加绝缘进行分开测试、分开验证。

2) D3.7条隐含的意思得到了明确表达，明确支持了新的无轨电车电气架构。与线网直接连接的高压设备需要按照双重绝缘进行设计，通过与线网隔离后的高压设备可以仅采用基本绝缘设计，而用于提供与线网隔离的设备需要双重绝缘设计，不是单重绝缘设计，也不是加强绝缘设计。

3) D3.10 k)款的加强绝缘耐压问题也不复存在。UNECE R107法规除了一方面明确了不支持无轨电车采用加强绝缘设计外，还明确了基本绝缘或附加绝缘的耐压要求都不需要达到GB 13094—2017 D.1式定义的那么高，更进一步明确了可以用与交流耐压峰值等效的直流耐压来验证绝缘状态。

其实，无轨电车发源于欧洲。从欧洲无轨电车安全标准EN 50502—2015[9](现在仍然有效)来看，UNECE R107 第6次修订修正文档1与其达到了基本一致。差异在于，EN 50502—2015支持将基础绝缘耐压值和附加绝缘的耐压值进行对调，视设计者取哪一层绝缘为主绝缘而定，而UNECE R107第6次修订修正文档1则不支持这种做法。这具有一定的合理性。因为车顶或车底的附加绝缘暴露在环境中，雨水或者积雪很容易使其失效，而基本绝缘是最基础的一种安全保障，所以基本绝缘的耐压比附加绝缘的高是合理的。

从新架构无轨电车技术在欧洲的应用来看，目前应用还不多。可以找到的一个应用案例是瑞士的HESS客车公司利用ABB的隔离型DC-DC变换器实现的新架构无轨电车，如图4所示[10]。证明这种新架构无轨电车技术在全世界来说都还很稀少，中国走在了世界的前列。

图4 瑞士新型无轨电车动力系统架构

4 结束语

装备大功率隔离型DC-DC变换器的无轨电车技术是最新一代无轨电车技术。但是由于GB 13094—2017在绝缘耐压条款上存在的问题，严重阻碍了新架构无轨电车技术的应用和发展。基于此标准的评审结果往往会损失新架构无轨电车的技术优势。建议相关部门参考UNECE R107的修正文档加快对GB 13094—2017进行修订，以推动新技术的发展。