高电压叉车电气系统安全技术研究

文章来源：国家工程机械质量监督检验中心

高电压叉车的特点是电气系统为高压，其工作电压可高达600V，在使用、维修和保养时，可能会给驾驶人员、周围作业人员和维修人员带来触电风险。因此，在设计和规划其电气系统时，除满足正常工作需求外，还必须确保叉车驾驶人员和周围作业人员安全。高电压叉车电气系统安全防护成为该类型叉车研究设计时必须解决的问题。
本文从电气安全的角度对高电压叉车的电气系统进行分析和研究，给出较为全面的安全分析、防护方案，从而指导高电压叉车电气系统的开发和设计。

1高电压叉车安全标准现状

同样的功率下将工作电压升高后，电流就会变小，因此采用高压设计，可减小叉车电机、逆变器电流，从而缩小体积、降低成本和能耗。目前，叉车等工业车辆的电气系统依据GB/T27544-2011《工业车辆电气要求》，该标准给出了系统电压超过120V的几个电气安全防护措施，不够细致和全面，而电动汽车的相关标准明确说明了高电压的电气安全要求，对高压部件和高压系统提出了结构、性能和策略方面的要求，两者对电气系统的安全要求对比如表1所示。

从表1可以看出，电动叉车的GB/T27544-2011在电气系统的主动放电和绝缘监测方面存在缺失，且其在接触防护和电位均衡方面没有详细阐述，通过与国内某叉车生产企业沟通交流，结合电动叉车自身特点及相关标准，我们就高电压叉车电气系统安全关键技术展开分析和研究。

2高压安全技术分类

高压安全的防触电技术，就是要充分保证人的安全，即防止高压接触对人体造成的触电危害，其关键技术主要有3个方面，一是接触防护，即如何防止人员接触到高压部件；二是即使发生意外接触，应避免人员发生触电危害；三是安全预警，在发生高压安全危险之前，即漏电之前，要有及时的预防和预警系统，保证危险发生之前就能够杜绝。
因此，高电压叉车电气系统的安全要在接触防护、防止触电伤害、安全预警3方面保证安全。为此，我们进行了以下分类，如表2所示。


3高电压叉车安全保护措施

3.1接触防护
3.1.1绝缘
高压安全最重要方面就是电气系统的绝缘水平，电动叉车的高压电气系统包括电池、电机、控制器、高压电气回路，这些带电部件与自身壳体之间、高压回路与车体之间以及不同高压部件之间都有很高的绝缘要求。提供这些产品的电气部件供应商在设计过程中，绝缘指标必须预留安全余量，以确保在部件的生命周期内，绝缘措施不会因为老化而自然失效。
叉车生产企业要采取主动安全的策略，利用物理方法，对整车及电气系统相关部件进行绝缘，主要有以下几点：
电池二次绝缘。从设计上保证电池组与箱体绝缘、箱体与车体再次进行绝缘。
高压电气部件外壳接地。高压电器外壳接地，确保人体可触及的部位与人体为同一电位。
绝缘电阻检测。对高压电气部件进行绝缘电阻检测，当低于安全限值时采取相关措施。

3.1.2耐压
高压电气设备故障很多是由于过电压造成设备的绝缘损坏。当绝缘有缺陷时若不及时发现排除，最终会导致电气部件的损坏。耐压试验是发现高压电气绝缘缺陷的重要方法，通过试验及时发现绝缘缺陷，并通过检修加以消除，以防设备在运行中发生绝缘击穿等不可挽回的损失。
高电压叉车电气系统在运行中，由于故障或电气部件的参数配合不当等原因，引起系统中某些部件的电压突然升高，超过其额定电压，这就是过电压。因此，耐压试验是鉴定高电压叉车电气设备绝缘强度最直接的方法，可以有效地发现其电气系统的绝缘缺陷，是高电压叉车出厂和定期必测的项目，也是保证其绝缘水平、避免发生绝缘事故的主要手段。

3.1.3高压安全标识及遮挡
高压电气系统必须设有高压安全标识，以起到警示作用.为了防止接触伤害，高压电气部件的防护等级要达到IPXXB，通过使用盖、防护栏等来防止直接接触，这些防护装置应牢固可靠，并耐机械冲击，在不使用工具或无意识的情况下，其不能被打开、分离或移开。
3.1.4复杂拆卸
为了防止高压电气系统被轻易打开，电气系统及部件要设计成复杂拆卸，这种复杂拆卸的特点是只有通过多个操作动作和专用工具才能打开部件，最大限度的保护作业人员和非维修人员的安全。

3.2防止触电伤害
3.2.1高压互锁
高电压叉车的电气系统由多个部件组成，其相互之间都是靠高压连接器连接。叉车运行的环境比较恶劣，大多数工况使叉车处于振动与冲击状态，由于人为操作不当或者车辆振动、部件老化而引起高压连接器的脱落或松动，对于高压连接器类不具备分断能力的器件非常危险。此时电压会击穿空气，在连接器之间形成电弧，电弧时间虽短，但能量很高，会对周边的人员造成触电的伤害。这时就需要相应装置被触发，从而断开高压回路，高压互锁能够起到该种保护作用。
高压互锁装置是与高压回路具有联动关系的低压部分，其原理是通过在高电压回路中发送一个微弱(远低于安全电压)的电信号，以对电气回路的连续性(完整性)进行检查，一旦信号中断，说明某一个高压连接器有松动或者脱落，此时控制器就会切断电源，主动放电，以清除该处的危险电压。由此可见，高压互锁的作用就是检测高压部件、导线和连接器的电气完整性或连通性，从而识别电气回路是否异常，以防止发生触电危险。
3.2.2电位均衡
如果高电压叉车电气部件的导线或外壳意外破损时，破损部位就会与车体搭碰，造成较大的电势差而形成漏电电流，人体碰触车体可能导致电击。假如将电气设备的导线和外壳直接或间接与车体相连接，达到同一电位。由于没有电势差，就不会在瞬时产生大电流，人体就不会触电，人在叉车上仍是安全的，不会发生电击事故，这就是电位均衡，也称等电位联结。电位均衡可以有效防止人员触电伤害，是高电压叉车电气系统安全的重要保证之一。

3.3安全预警
3.3.1绝缘监测
高电压叉车电气系统的工作电压可以达到600V以上，较高的工作电压对高压系统与车辆底盘之间的绝缘性能提出了更高要求。高压电缆线绝缘介质老化、破损或受潮湿环境影响等，都会导致高电压电路和车体之间的绝缘性能下降，电源正、负极引线将通过绝缘层和车体构成漏电回路，给驾驶人员的安全造成严重威胁。
当高电压电路和车体之间发生多点绝缘性能严重下降时，还会导致漏电回路的热积累效应，可能造成电气系统的火灾。因此，高电压叉车电气系统相对车体绝缘性能的实时监测是其安全技术的核心内容，准确、实时地监测叉车高压电气系统对车体的绝缘性能，对保证作业人员安全、电气设备正常工作和叉车安全运行具有重要意义。
绝缘检测器和漏电保护器是高电压叉车电气系统绝缘监测不可或缺的装置。绝缘监测器实时监测电动叉车高压系统对地的绝缘电阻，当高压系统对车体的绝缘电阻低于设定的报警判定值时，绝缘监测器发出报警信号，并切断叉车高压电源。其原理是在交流母线正、负极和车体之间接入电阻，通过电子开关或高压继电器接通电阻和车体，然后测量这些电阻上的电压或电流，再实时计算得到绝缘电阻的大小。
漏电保护器监测高压回路里的漏电电流，一旦有正或负母线与车体相连，保护器报警，这就避免了电气部件壳体漏电成为高压正极，在车上的驾驶人员触摸负极造成电击伤。如果有上述意外发生，整车会通过仪表提示驾驶员并进行相应的处理策略。
3.3.2温度监测
高电压叉车的电机、电控、高压连接件等部件在工作过程中，因其自身的电阻会发热，随着热量的累积，将会使部件的基板温度和工作温度升高。如果温度过高，可能会造成部件的过热损坏，相邻绝缘部件的性能劣化甚至击穿，造成事故，为了能使电气部件可靠稳定工作，除了部件自身的过热保护外，还必须采取有效措施监控电气部件温度，温度过高时，须采取行之有效的散热措施，将热量传导出去，从而保证叉车安全可靠的作业。
3.3.3触点监测
为实现高电压叉车的控制功能和高压电路的可自行切断保护功能，在叉车的高压电气系统中需要配置有可控制的且有自我保护切断高压回路功能的高压接触器。如果高压接触器触点发生闭合或断开失效的情况时，没有相应的正确处理方式应对，将有可能引起不正常的控制而造成叉车不能正常启动或不能启动，严重的情况下，将会给人身安全造成威胁。鉴于上述问题的严重性，应对高压接触器触点状态进行安全有效的实时监控，并对故障进行处理。当高压接触器触点发生闭合或断开失效故障时，高压电气系统会发出报警，以提示驾驶人员停止叉车作业并找出问题的所在。

4行业应当解决的问题

目前叉车行业中具备高电压叉车开发能力的企业极少，对高压电安全问题缺乏系统的认识，也没有可依据的标准，一定程度上限制了高电压叉车的发展。今后，需要着重解决以下几个问题：一是对于高压电气系统的电击危险性还需要作更加全面、更加深入的定量分析，才能更加有效地指导高电压叉车的研发工作。二是由于高压系统的等效绝缘电阻与整个系统的工作状态密切相关，并且系统高压母线上的干扰非常大，这对绝缘监测系统的设计、测试与完善提出了很高的要求。三是目前参考电动汽车的标准居多，对叉车的适用性仍有待完善。