無人駕駛地鐵車輛電氣屏柜防火安全設計

陳艷艷　曹宇

摘 要：無人駕駛地鐵車輛正在全國逐步推廣， 如何保障車輛安全可靠運行是無人駕駛車輛研究的核心，而火災隱患是影響車輛安全的主要危險源之一，因此車輛防火安全設計尤其重要。本文闡述了基于EN 45545-2013的無人駕駛地鐵車輛電氣屏柜防火設計方法：通過分析電氣屏柜特點，結合標準要求，研究有效且可行的防火措施，確定不同屏柜的風險等級及防火方案。并從耐火隔板設計、通風散熱設計、出線孔封堵方案等方面詳細介紹了耐火屏柜設計方案，有效提高了屏柜及整車的防火安全性。

關鍵詞：EN 45545-2013標準 無人駕駛 地鐵車輛 屏柜設計 防火

中圖分類號：U284.48 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0071-03

全自動無人駕駛地鐵車輛是指在完全沒有司機和乘務人員參與，車輛在控制中心的統一控制下實現全自動運營，自動實現列車休眠、喚醒、準備、自檢、自動運行、停車和開關車門等功能。具有高度自動化的技術先進性，能夠有效減少人為操作，提升運營安全性、降低運營成本等優點。

近年來，無人駕駛地鐵車輛正在全國逐步推廣。上海軌道交通18號線（以下簡稱SML18），即采用全自動無人駕駛技術，安全問題是保障無人駕駛地鐵系統長期成功運行的核心，車輛必須具有高度的安全可靠性，而火災隱患是影響車輛安全的主要危險源之一，因此車輛防火安全設計尤其重要。SML18項目車輛采用EN 45545-2013《鐵路應用-鐵路車輛防火》，EN 45545-2013是歐盟國家統一的車輛防火標準，具備高水平的科學性和準確性。

電氣屏柜是地鐵車輛重要的組成部分，集成了牽引、輔助、乘客信息、網絡控制等系統設備， 具有承載、供電、控制、過載和短路保護電氣設備的作用，影響許多重要功能的實現，因此電氣屏柜防火安全設計是車輛防火安全設計中的重點。

因此，本文以SML18項目車輛屏柜為例，主要從火災風險分析、防火方案設計、耐火屏柜方案等幾個方面，介紹基于EN 45545-2013的無人駕駛車輛電氣屏柜的防火安全設計。

1 火災風險分析

1.1 防火總體要求

SML18項目無人駕駛車輛基于EN 45545-1-2013的設計類別為A，運行類別為OC4，危害等級為HL3，因此應按照EN 45545-2013中的HL3等級的相關要求進行設計。

1.2 主要火源分析

屏柜內主要是電氣火災風險，有以下幾類：

設備散熱不良，產生局部高溫，熔化絕緣層起火或直接引燃周邊可燃物。

斷路器、熔斷器、繼電器、接觸器和線纜截面積等選型過小，負載電流大引起過載發熱起火。

端子、連接器的接線頭表面污損、松脫、或者長期運行導致接觸電阻增大，造成局部過熱或觸頭熔焊產生電弧，熔化絕緣層起火。

電纜表面出現機械損傷或老化導致短路或電弧，產生局部高溫，熔化絕緣層起火或直接引燃周邊可燃物。

方便插座負載功率超過設計選型閥值，長時間過載運行，導致局部發熱起火。

1.3 各屏柜風險分析

根據功能和設備布置需要，SML18項目車輛客室屏柜總體設計如下，Tc車客室內設置設備柜、信號柜、低壓柜；Mp車客室內設置低壓柜、控制柜、微機柜；M車客室內設置低壓柜、控制柜。首先針對各屏柜內設備的電氣性能、安全等級、火源識別來進行電氣屏柜的安全分析。

根據各屏柜的安裝位置和設備布置差異，主要分為三大類，分別對三大類進行風險分析。

1.3.1 設備柜風險分析

設備柜安裝在座椅下，供電電壓均為110VDC，含有較大功率的設備為無線電主機（<200W）和SKS模塊（<40W），功率較小，發生電氣火災風險會導致產生局部熱點，在持續的較長時間作用下，會破壞絕緣性能，嚴重時可能導致短路或熔化絕緣層，造成設備局部焦化變黑。由于火源能量較小，火災長時間處于初期煙和熱的釋放發展階段，在失去持續火源和氧氣不充分的情況下，初期火焰容易自熄，火勢不會在設備柜內部區域進一步擴大以至于燒穿座椅蓋板蔓延至客室內，不會對乘客生命安全造成較大威脅。座椅屏柜內發生火災為不可見性火災，乘客可通過嗅覺發現，根據危害嚴重等級定義火災風險，座椅下設備柜局部火災導致的后果是對乘客沒有傷害，或者可能由于刺激性氣體產生恐慌導致的輕微傷害（低于輕傷）。

1.3.2 信號柜、控制柜、微機柜風險分析

信號柜、控制柜、微機柜布置在每節車輛的端部，額定電壓均為110VDC，較大功率設備為微型斷路器（16A；P<1.6kW）、方便插座（P<3kW）。發生電氣火災風險會導致產生局部熱點，在持續的較長時間作用下，會熔化絕緣層，并引燃可燃材料，造成屏柜內局部受限火災，如局部焦化燒黑，屏柜內局部火焰不會在屏柜內部大規模擴散，并通過連接間隙和通風格柵蔓延至客室及相鄰貫通道，對乘客生命安全造成威脅，根據危害嚴重等級定義和火災風險分析，屏柜內部局部火災導致的后果是對乘客沒有傷害或者由于刺激性氣體/恐慌導致的輕微傷害（低于輕傷）。

1.3.3 低壓柜風險分析

低壓柜布置在每節車輛的端部，額定電壓均為DC 110V和AC 380V，空調控制盤中含有較大負載功率器件，如主進線斷路器（<30kW）、壓縮機斷路器（<13kW）等。由于含有大功率器件（根據EN 45545-1-2013標準，定義額定功率大于20kW的電路為大功率電路），容易產生高溫燒熔絕緣層或產生電弧直接引燃周邊可燃材料，引發火災。屏柜內火焰將由內蔓延至客室和貫通道內，并進一步引燃屏柜周邊可燃材料，依據危害嚴重等級定義，將有可能造成乘客輕傷以及恐慌所帶來的二次傷害，危害等級較高。

2 防火方案設計

2.1 防火措施

EN 45545標準的目的是盡量減少起火的概率，控制火勢蔓延的速度和程度，以便盡量減少火災對乘客的影響。根據地鐵車輛電氣屏柜的特點，防火措施主要從以下幾個方面考慮：

2.1.1 非金屬材料的防火性能

屏柜內設備的非金屬材料的防火性能滿足EN 45545-2013標準的HL3要求，如電纜滿足EN 50306，EN 50264， EN 50382 或EN 45545-2-2013 的R15要求；機箱、低壓電器、端子排、連接器、布線輔料中的非金屬材料等滿足EN 45545-2013的 R24或R25要求；屏柜內小型可燃材料如果滿足周邊橫向20mm，縱向200mm無其他非金屬材料，質量小于0.1kg，則沒有要求，否則也需滿足EN 45545-2013標準的HL3等級要求。

2.1.2 合理的電氣設計和設備布置

通過合理的電氣設計和設備布置降低火災危害性。屏柜內所有系統設備均設置有斷路器對其進行短路和過載、過流保護；牽引控制、制動控制、緊急照明供電、緊急通信、車門控制、火災探測電源線路等關鍵回路選擇耐火電纜；含有大功率器件的屏柜建議不安裝關鍵回路設備，如果必須安裝關鍵回路設備，則應該安裝在大功率器件的下方，并采用耐火電纜；關鍵回路設備采用冗余設計，每列車至少配備兩套，當其中一個設備故障，不會影響列車牽引和制動控制、緊急照明等重要功能。

2.1.3 火災監控

屏柜內設置感溫感煙探測器或者感溫電纜，當探測到火災后，通過TCMS 向OCC 報警，由人工觸發相應的滅火和應急措施。

2.1.4 防火隔斷

含有大功率器件的的屏柜，通過在設備與乘客之間設置防火墻來保護乘客及乘務人員安全。如果屏柜內發生火災，可在一段時間內延遲和阻止火焰蔓延和煙毒氣體擴散，保護車上人員安全疏散。

2.2 防火方案

根據對各屏柜的風險分析，危害等級不同，需要采用不同的防火措施。

2.2.1 設備柜防火方案

根據以上分析得知，安裝在座椅下的設備柜內設備功率較低，危害等級較小，可以通過以下措施防火：所有設備均設置過載過流保護，設備非金屬材料滿足EN 45545-2013的HL3要求，設備外圍及上部座椅面采用金屬或者滿足EN 45545-2013的HL3要求的玻璃鋼材料。

2.2.2 信號柜、微機柜、控制柜防火方案

信號柜、微機柜、控制柜含有較大功率的設備，可通過合理的電氣設計和設備布置降低火災危害性，采用滿足EN 45545-2013的HL3要求的設備材料，并在屏柜頂部設置感溫感煙探測器，通過監控火災情況采取人工應急措施。

2.2.3 低壓柜防火方案

低壓柜內由于含有大功率器件危險等級較高，需要采用多重防火措施來降低風險。首先，低壓柜內建議不安裝關鍵回路設備，安裝在Tc車低壓柜中的VCU（中央控制單元）必須布置在空調控制板的下方，盡量靠近底部，并且電纜須采用耐火電纜；在低壓柜頂部設置感溫感煙探測器，通過監控火災情況采取人工應急措施；并且低壓柜需設計耐火隔板，SML18項目運行類別為OC4，根據EN 45545-3-2013因此低壓柜需要設計E15（完整性15min）的防火隔板，如果低壓柜內發生火災，將在15min內被限制在屏柜內部，相對于到達下一站安全疏散空間（<4 min）還有安全時間余量，可用于火災撲滅和應急救援。

3 低壓柜耐火設計

綜合以上分析，SML18項目Tc、Mp車和M車低壓柜因安裝有較大負載功率器件，需要按EN 45545-3-2013要求設計滿足15min完整性的耐火隔板，受保護的位置為客室區域的乘客。

3.1 低壓柜結構和設備布置

低壓柜內部由金屬骨架承載設備，下部為低壓控制盤，主要安裝了VCU、繼電器、接觸器、方便插座、斷路器等低壓供電及控制設備；上部為空調控制盤，主要安裝了空調相關的供電及控制設備，大功率器件如空調進線斷路器（<30kW）、壓縮機斷路器（<13kW）等安裝在空調控制盤中。包圍低壓柜金屬骨架的有6個面，其中兩個面與乘客相鄰，四個面不與乘客相鄰，分別為底面車體地板、頂面、側面車體端墻和車體側墻。

3.2 耐火隔板設計

根據EN 45545-3，大于等于5mm的鋁板耐火性能即可達到E15，底面車體地板為8mm鋁板，側面車體端墻為6mm鋁板，側面車體側墻為30mm鋁型材，且底面車體地板、側面車體端墻和車體側墻不與乘客相鄰，因此可以沿用原結構。

低壓柜的頂部分布有客室線槽、客室風道、門驅和LCD顯示屏，詳見圖1。根據實際測量，空調控制盤頂部與客室線槽的距離約為40cm，與門驅距離約為16cm，與客室風道距離約為68cm，與LCD顯示屏的距離約為66cm。如果空調控制盤中的大功率設備發生火災，火焰將會向上燃燒進一步引燃頂部設備的非金屬材料，導致火災迅速蔓延至客室，危及乘客安全，因此，頂面需設置耐火隔板。

與乘客相鄰的兩個面危險等級最高，如果低壓柜內部發生火災，火焰和煙毒氣將會迅速蔓延至客室，將有可能造成乘客受傷以及恐慌所帶來的二次傷害，必須設置耐火隔板，降低火災風險所帶來的后果。

頂面和兩個底面耐火隔板主體選用輕芯鋼和鋁蜂窩復合板結構，后附陶瓷纖維，與車體端墻、側墻的連接處縫隙填充防火膨脹膠條，柜門四周粘貼防火膨脹密封膠條；頂面耐火隔板用低壓柜柜體和車體安裝座支撐，與車體端墻、側墻、以及兩個立面耐火隔板之間的連接處縫隙也需填充防火膨脹膠條。圖2為低壓柜耐火結構示意圖。

3.3 通風散熱設計

低壓柜中安裝了空調控制、列車控制、輔助回路等眾多設備，且還包含大功率設備，發熱量較大，為確保設備能正常工作，低壓柜需要散熱通風，因此柜門和頂面上開孔設置通風防火格柵，格柵與其連接器處縫隙填充防火膨脹膠條。在正常情況下，冷空氣從屏柜門的格柵流入，從頂部格柵流出，可以滿足柜內設備通風散熱；當火災發生時，防火格柵受熱時板條狀結構膨脹到原來形態的數倍，從而會形成一道堅固的屏障，以阻隔火焰、熱量、煙氣的傳播。為滿足防塵，防火格柵還設置了兩層過濾網。因為氣流是由柜門下方格柵處流向柜頂，因此用于監控火災情況的感溫感煙探測器安裝在低壓柜頂部。

3.4 出線孔耐火設計

低壓柜中線纜需連接到客室線槽和底架線槽，因此需在底面和頂面設置出線孔，為保證火焰和煙毒氣不從出線孔流出，當完成接線后，需用防火封堵材料對出線孔進行封堵，出線孔厚度需達到50mm以上，才能滿足耐火隔斷要求，從而達到密封和防火的目的。

4 結語

本文對基于EN 45545-2013的無人駕駛地鐵車輛電氣屏柜防火設計思路進行了重點概述：對電氣屏柜可能出現的火災風險進行了簡要分析，并對各個屏柜的風險等級進行了定義，結合EN 45545 2013標準要求，從盡量減少起火的概率，控制火勢蔓延的速度和程度，以便盡量減少火災對乘客的影響的方向，研究有效且可行的防火措施，根據風險等級確定各屏柜詳細的防火方案。針對低壓柜內包含主進線斷路器等大功率設備，從低壓柜耐火隔板設計、通風散熱設計、出線孔封堵方案等方面詳細介紹了基于EN 45545 2013標準要求的耐火屏柜設計方案。

終上所述，對電氣屏柜防火安全設計需要系統而全面的分析和研究，才能有效提高屏柜及整車的防火安全性，其方法還需不斷總結、驗證和完善，車輛設計人員應該加強車輛防火安全意識，嚴格執行標準，從而降低火災風險給乘客帶來的危害。

參考文獻

[1] EN 45545-2013，鐵路應用-鐵路車輛防火[S].

[2] 基于EN 45545-2013對電力機車屏柜防火設計要求的研究 [J].電力機車與城軌車輛，2018（4）：63-69.