電力機車消防安全的幾點思考

黃俊芳 上海鐵路局上海職工培訓基地

電力機車運行于國內(nèi)乃至世界多個國家的主要干線鐵路上，在客運和貨運運輸領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。由于各路段地形各異，特殊路段運行條件復雜，甚至需要穿越隧道運行，一旦發(fā)生火災(zāi)，司機及乘客的財產(chǎn)、人身安全將面臨著嚴峻的威脅。因此，電力機車的消防安全必須引起高度重視，需對其防火措施與防火設(shè)計提出嚴格的要求。

1 機車消防中的問題

電力機車的發(fā)展經(jīng)歷了從直流到交流的逐步轉(zhuǎn)變，車體、轉(zhuǎn)向架、傳動性能和安全性等多方面都有了明顯提高。在保證機車安全可靠運行的同時，也應(yīng)給予機車消防功能足夠的重視。

電力機車的發(fā)熱部件散熱不良、電氣拉弧等問題會帶來火災(zāi)的隱患，本文就機車消防問題從以下幾個方面做了思考。

（1）電力機車為大功率、復合型系統(tǒng)，各部件根據(jù)布置不同承擔著不同級別的運行責任。尤其是車內(nèi)用于電力傳輸或通訊傳遞用的線纜需要有足夠高的電性能和阻燃性能，同時，繼電器、開關(guān)、端子排等均需要具有無鹵、阻燃等優(yōu)越的性能，以保證機車在硬件上滿足近乎苛刻的運行要求；

（2）司機室和機械間是機車乘務(wù)人員工作、巡察和檢修的必經(jīng)之處，必須做好消防措施。尤其是司機室內(nèi)消防材料與消防措施的應(yīng)用更是直接關(guān)系到乘務(wù)人員的人身安全；

（3）機車電傳動系統(tǒng)是主要的消防隱患之一。牽引變流系統(tǒng)從有級調(diào)壓調(diào)速到晶閘管相控調(diào)壓調(diào)速，再到基于全控型開關(guān)器件GTO、IGBT等的無級調(diào)速，無論從開關(guān)器件角度還是控制策略角度來講，都有了很大的發(fā)展。系統(tǒng)的可靠性、安全性直接與機車運行相關(guān)，任何微小的失誤都會造成嚴重的后果；

（4）電力機車電氣設(shè)計需要合理可靠，并具有完善的保護功能。如果保護功能失效，機車運行將沒有任何安全保證，嚴重時引起火災(zāi)事故，所以系統(tǒng)需要時刻檢測車內(nèi)相關(guān)部位的電壓、電流信號并及時切除故障部位；

2 電力機車消防措施

基于上述原因，電力機車設(shè)計時就應(yīng)十分重視消防問題。根據(jù)前文提出的5點需要重視的問題，本節(jié)結(jié)合我國鐵路大量運用的HXD1系列交流電力機車，對消防措施的實際應(yīng)用進行了設(shè)計描述和思考。

2.1 電力機車線纜材料

機車車輛用電纜及配線的選取應(yīng)符合相關(guān)標準的規(guī)定。對于某些關(guān)鍵功能部件應(yīng)使用帶有特殊結(jié)構(gòu)的電纜、拼接連接器、終端和連接器，且該結(jié)構(gòu)應(yīng)能在燃燒時有足夠的時間保持電纜的完整性。

以HXD1B型機車為例：根據(jù)DIN5510-1，HXD1B機車采用2級防火標準。電纜、電纜護套、橡膠密封件、膠、扎帶等附屬部件均采用耐火、無鹵素材料。電纜密封環(huán)的燃燒速度小于1cm/min，以滿足機車防火的要求。

2.2 司機室與機械間消防

2.2.1 司機室消防

司機室柜體的設(shè)計必須有良好的防火性能，以便最大限度地防止火災(zāi)發(fā)生。室內(nèi)設(shè)備布置要充分考慮本身的散熱空間要求，室內(nèi)柜體設(shè)計與制造過程涉及的材料、部件符合要求。此外，司機室設(shè)計要避免機車停車時所造成的熱量積蓄，還要配有足夠數(shù)量的滅火器。

司機室消防材料主要是指地板、司機操作臺以及司機室座椅等部分。司機室的防火安全關(guān)乎乘務(wù)人員生命財產(chǎn)安全，甚至關(guān)乎旅客列車乘客的安全，必須按照相關(guān)標準嚴格要求。

2015—2017年，舟山市共發(fā)生ILI病例47 543人次，3年發(fā)病分別為9 967人次、13 260人次、24 316人次。ILI全年均有發(fā)生，高發(fā)期主要在每年的冬春季（1—3月）和夏季（7—8月），具體高發(fā)時段每年略有不同。2017年夏秋季和冬春季ILI報告數(shù)有兩個高峰，說明流感出現(xiàn)暴發(fā)。舟山當?shù)厝隁庀笠蛩刈兓煌渲袦囟取鈮骸⒂炅俊⑷照蘸退麎杭竟?jié)特征明顯，而濕度和風速無明顯季節(jié)特征，ILI病例及各氣象因素監(jiān)測值見表1。

HXD1B型電力機車司機室的橡膠地板革、防寒吸音材料、司機室的阻尼材料和司機座椅材料均滿足相關(guān)標準要求。其中，司機室的阻尼材料和司機座椅材料還應(yīng)通過國家防火建材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的材料氧指數(shù)測試。該車司機室地板采用復合地板結(jié)構(gòu)，由防滑耐磨橡膠地板革、塑化膠合板、功能隔音材料復合而成。除能承受正常載荷壓力，還具有低磨耗性能和容易更換的優(yōu)點。如圖1所示。

圖1 復合地板結(jié)構(gòu)

功能隔音板材料也具有很好的阻燃性能，內(nèi)部含大量阻燃減煙原料，燃燒時產(chǎn)生的煙濃度極低，而且遇火不熔化，不會滴下火球，材料具有自熄滅特征。橡膠地板革位于表面，且具有耐磨、不開裂、防滑等特性（如表1所示）。

表1 橡膠地板革防火性能參數(shù)

電力機車上均配備了足夠數(shù)量的滅火器。例如：HXD1B型電力機車采用的是手提式水基型滅火器，總?cè)萘繛?L±0.15L，安裝在機車司機室的正、副司機側(cè)后墻柜內(nèi)各一具。該滅火器可用來熄滅機車上發(fā)生的A類（普通固體材料火）、B類（易燃液體火）和C類（氣體和蒸汽火）和E類（帶電電器）的四類初期火災(zāi)。

此外，編織軟管、密封條、油漆涂料、阻尼漿、膠粘劑類產(chǎn)品、電氣設(shè)備線槽、線管等配件均只允許使用防火無鹵材料，并且要求達到標準要求的阻燃性、熔化性和發(fā)煙性等指標。

2.2.2 機械間消防

電力機車內(nèi)部屏柜設(shè)計需要布局合理，并達到柜內(nèi)電氣設(shè)備的通風散熱良好的目的，同時避免因灰塵等雜物的堆積造成電氣設(shè)備過熱引起火災(zāi)。

機車用電氣設(shè)備中，從高壓設(shè)備到低壓設(shè)備，從主輔變流器、主輔變壓器、空調(diào)系統(tǒng)、通風冷卻系統(tǒng)到檢測系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等均制定詳細而標準的技術(shù)規(guī)范，要求各個用電設(shè)備滿足相關(guān)消防標準。

以HXD1B電力機車為例：機車內(nèi)屏柜采用了金屬板對電氣設(shè)備進行分隔布置。當發(fā)生火災(zāi)時，金屬板可以阻止火焰的蔓延。柜內(nèi)穿線孔采用橡膠材料作防護，以防止因線纜磨損拉弧造成的火災(zāi)事故。此外，柜體內(nèi)過載與短路等電氣參數(shù)選擇合理，且加熱取暖設(shè)備遠離電氣設(shè)備與電纜，進一步降低火災(zāi)隱患。

2.2.3 熱源與可燃物的隔離

為有效避免火災(zāi)，司機室和機械間均應(yīng)注意熱源、高溫部件及其隔熱物的布置問題。既要求車輛內(nèi)部發(fā)熱設(shè)備與可燃物的隔離，又要保證設(shè)計不造成熱量的積蓄。

HXD1B型電力機車從內(nèi)部設(shè)計，設(shè)備布置等方面均達到相關(guān)標準的要求，很好的避免了由于熱源與可燃物距離不當造成的消防隱患。同時，合理的通風散熱設(shè)計與設(shè)備布局，在不影響設(shè)備發(fā)揮功能的前提下應(yīng)盡力做好熱源溫度限制。

2.3 機車電傳動系統(tǒng)消防

機車電傳動系統(tǒng)的核心部件主要包括牽引變壓器、變流器和牽引電機，具應(yīng)有優(yōu)良的性能和保護功能。

以HXD1型機車為例：其變流器開關(guān)器件為IGBT模塊，額定參數(shù)為3.3kV/1200A，功率高，開斷穩(wěn)定性好且無電火花。同時，采用交直交變流方式，前級四象限整流部分實現(xiàn)對網(wǎng)壓和網(wǎng)流的單位功率因數(shù)控制，有效削弱了沖擊型網(wǎng)流對電網(wǎng)和機車的影響，減小了電流高次諧波對車載設(shè)備的沖擊，同時降低了對周圍通訊的電磁干擾。后級逆變部分實現(xiàn)對交流牽引電機的直接轉(zhuǎn)矩控制，控制精度高且穩(wěn)定性好。此外，交流牽引電機較之直流電機不僅擁有更高的功率密度，而且不存在換向火花，提高了消防性能。

2.4 電氣設(shè)計

相關(guān)標準對電纜線路的車內(nèi)走線布置，電氣設(shè)備的布置安裝做了較為詳細的規(guī)定。例如：要求電纜線路盡可能在遠離有可能發(fā)生火花的地域敷設(shè)，電氣設(shè)備的安裝應(yīng)能便于清掃地板等。根據(jù)電壓等級的不同，對導線和電氣設(shè)備的連接、過流保護、電氣設(shè)備的布置與選型、受電弓、采暖裝置、電阻和蓄電池等，都有詳細的設(shè)計要求。

以HXD1B電力機車為例：車內(nèi)電氣部件設(shè)計時充分考慮了電壓等級、爬電距離以及可能出現(xiàn)的過載、短路情況，做好參數(shù)設(shè)計。從滅弧設(shè)備、過壓過流保護、電線電纜走線、電磁兼容性等多個方面嚴格要求、盡可能避免一切由于設(shè)計失誤而產(chǎn)生的機車安全隱患。此外，還對電氣性能做了周密的保護措施，選擇高精度、可靠性的保護器件，實現(xiàn)對機車的過壓過流等故障的保護，防止事故擴大引起的火災(zāi)隱患。

2.5 消防監(jiān)控系統(tǒng)

目前鐵路推廣應(yīng)用的機車車載安全防護系統(tǒng)（6A系統(tǒng)），是針對機車運行過程中危及安全的重要事件、重點部件和部位，在前期已有的各分散機車安全設(shè)備的基礎(chǔ)上，完善功能、綜合集成，形成完整的系統(tǒng)性、平臺化的安全防護裝置。該系統(tǒng)主要包括：機車空氣制動安全監(jiān)測子系統(tǒng)（ABDR)、機車防火監(jiān)控子系統(tǒng) (AFDR)、機車車頂設(shè)備絕緣檢測子系統(tǒng)(AGDR)、機車走行部故障監(jiān)測子系統(tǒng)(ATDR)、機車自動視頻監(jiān)控及記錄子系統(tǒng)(AVDR)。

其中，機車防火監(jiān)控子系統(tǒng)(AFDR)在火災(zāi)預防方面占有重要地位，該系統(tǒng)利用感溫探測器檢測周圍空氣的溫度，利用感煙探測器檢測周圍空氣中是否有煙霧粒子，利用感溫電纜的特性在周圍溫度達到一定程度后發(fā)出高溫信號等，提醒乘務(wù)人員能夠在早期發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的苗頭，及早消除隱患。

例如HXD1D型機車配備的該套子系統(tǒng)，在車內(nèi)多個位置加裝探測器，實時監(jiān)控司機室與機械間動態(tài)，確保機車安全可靠運行。探測器及感溫電纜功能及布置如表2所示：

表2 探測器及感溫電纜功能及布置表

2.6 其他消防措施

機車應(yīng)提供應(yīng)急照明和報警系統(tǒng)。無論是直流電力機車，還是交流電力機車，均應(yīng)按照要求提供相應(yīng)的配套設(shè)備。每個司機室都應(yīng)配備機車通訊電話，方便司機在火災(zāi)或者其他危險事故發(fā)生時，及時與附近消防部門及機務(wù)調(diào)度聯(lián)系。司機室兩側(cè)的車門便于司乘人員逃生，并且車窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計的考慮便于人員的緊急逃離。

此外，車載的微波爐、冷藏箱等生活設(shè)施安裝位置均做到盡可能遠離易燃材料或設(shè)備。機車內(nèi)蓄電池在主斷路器斷開后仍可以維持一段足夠長的時間正常工作，為車載緊急照明、通訊系統(tǒng)和司機操作臺等緊急設(shè)備供電，幫助乘務(wù)人員做好應(yīng)急處理。除此以外，出于安全考慮，車內(nèi)各高壓柜門、車頂門均設(shè)有連鎖保護功能，對主電路電容放電時間及其他高壓、大電流設(shè)備做警告標識，提醒乘務(wù)人員人身安全。

3 機車消防運用效果

在電力機車采取了上述消防措施后，目前，HXD1系列電力機車的在段運行情況良好。表現(xiàn)在：屏柜、線纜、繼電器、開關(guān)等設(shè)備和材料的工作狀況良好；合理的布置保證了各個部件在設(shè)計范圍內(nèi)可靠運行；各系統(tǒng)之間相互配合，使得機車各個功能安全工作；機車保護與消防監(jiān)控系統(tǒng)確保機車運用時無后顧之憂。至今為止，該系列機車從未出現(xiàn)過由于起火故障引起的事故，取得顯著的成果。

4 結(jié)束語

做好電力機車消防安全是確保乘務(wù)人員、大宗貨物甚至大批乘客安全的可靠保證。設(shè)計應(yīng)從材料、消防設(shè)備、電氣設(shè)備等多方面綜合考慮，以得出更好、更合理的設(shè)計方案，并確保生產(chǎn)、測試環(huán)節(jié)精益求精，以制造出符合要求的產(chǎn)品。此外，應(yīng)根據(jù)實際情況，積極采用國際更權(quán)威更合理的消防標準，爭取在原有標準的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新與提高，作出性能更好，安全系數(shù)更高的電力機車。