基于EN45545標準的電力機車與調車機車防火設計思考

(中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412001)

0 引言

火災隱患是對鐵路機車車輛行車安全影響最大的一項因素，防火技術的研究對軌道交通機車車輛的安全運行至關重要。為此全球發展軌道交通裝備制造的主要國家及核心機構發布了一系列鐵路車輛防火標準，如歐盟EN45545、國際鐵路聯盟UIC564、UIC617、UIC642、德國DIN5510、英國BS6853、法國NF F16-101及國內的GB6771、TB/T3138等，其中EN45545標準所涉及的防火指標規定及適用范圍是最全面廣泛的。本文基于國際上公認最為權威的歐盟EN45545標準進行電力機車與調車機車防火設計分析與概述，針對電力機車與調車機車防火設計方面給出相關建議，為需滿足防火TSI認證的歐洲項目提供參考。

1 EN45545標準

EN45545標準由歐洲標準化委員會CEN和歐洲電工技術標準委員會CENELEC于2012年12月7日批準并于2013年3月正式發布。從2016年3月以后，任何運行在歐盟范圍內的機車車輛的防火設計都必須滿足EN45545標準的規定。EN45545標準主要涵蓋了鐵路機車車輛的防火等級、材料及零部件的防火性能要求、防火隔板的耐火性要求、機車車輛防火設計安全要求、電氣設備防火安全要求、火災控制與報警、可燃液體及氣體裝置的防火安全要求等方面。

2 防火設計依據

防火設計首先需要結合不同的運行類別及設計類別來定義相應的機車車輛火災危害等級。運行類別依據機車車輛服務類型、線路基礎設施分為運行類別1、2、3、4四種情況，電力機車及調車機車通常符合運行類別2、3。設計類別依據車輛設計特征進行劃分，機車車輛的設計按照不同服務需求分為A、D、S、N四類，電力機車及調車機車均屬于N類(標準車輛)。

依據機車車輛的運行類別與設計類別的聯系，EN45545標準將機車車輛的火災危害等級規定為HL1、HL2、HL3三個級別，電力機車及調車機車對應的火災危害等級均為HL2，火災危害等級的定義給機車車輛防火設計提供了具體指標參考。

3 材料及部件防火性能

電力機車與調車機車所使用材料及部件的對火反應性能要求與其內在特性、位置布局、設計形狀、暴露表面、相對質量和厚度、特定用途等方面有關。EN45545-3中定義了68種常見的非金屬材料及部件集合并制定了相應的防火性能評估流程，針對這些材料和部件進行一系列防火指標的測試，包括反映材料火焰傳播特性的火焰熄滅臨界熱通量、反映材料熱釋放能力的熱釋放速率、反映材料燃燒產生煙霧程度的光密度、反映材料燃燒產生毒性氣體的毒性指標、反映材料燃燒難易程度的氧指數、火焰沖擊試驗等方面。

在防火TSI認證過程中通常采用FCIL表格文件來管理整車材料及部件耐火試驗信息，FCIL表格依據整車BOM來進行劃分，對應每層BOM涵蓋了產品分類(編號、名稱)、產品信息(原材料、制造商、材料特性、可燃物含量)、符合性評估等內容。其中符合性評估對應分類有3種依據：列表產品、分組規則、容積規則，如真空斷路器屬于列表產品，則規定了需要滿足的防火等級要求R23，提供測試報告即可，若不是列表產品，則需要根據分組規則來進行判斷，如密封膠可燃質量小于10 g且不與其他質量小于10 g的產品接觸，則沒有要求，目前在電力機車及調車機車上基本沒有符合容積規則的產品，暫無考慮。

因此后續應當要求相關供應商依據FCIL文件及時補充相關的材料及部件耐火性測試報告，同時在新材料或新部件供應前盡早按EN45545標準指定相關測試機構完成耐火性測試并出具相應測試報告，為需滿足TSI認證的歐洲市場項目建立良好基礎和有效保障。

4 防火隔板

防火隔板是火災情況下用于將機車車輛兩相鄰區域進行隔離的結構，能夠在一段時間內有效阻止或延緩火焰蔓延及煙氣、熱量的傳播，形成一個相對封閉的區域。由于在電力機車和調車機車上工作人員絕大部分情況下是處于司機室內的，因此司機室是電力機車與調車機車的重點防火保護區域。

按照EN45545標準規定，司機室后墻防火隔板屬于垂直結構防火隔板，耐火性能試驗按照EN1363-1和EN1364-1來進行，分為完整性測試(E)和隔熱性測試(I)兩部分，其中防火隔板結構完整性體現的是：當機械間發生火災情況下，防止司機室側的隔板出現明顯火焰以及防止煙氣徹底蔓延的隔絕火焰傳播的能力；耐火隔熱性體現的是當機械間發生火災并持續一段時間的高溫情況下，司機室側的隔板沒有出現迅速明顯溫升的火災絕緣能力。依據EN45545-3表1的要求，對于運行類別2的電力機車需滿足15 min的完整性指標(E15)，運行類別3的電力機車需滿足15 min的完整性(E15)及15 min隔熱性指標(I15)。對于調車機車來說，一般只需要滿足15 min的完整性指標(E15)。

電力機車防火隔板主要指的是司機室后端整體隔墻結構(見圖1)，用于隔離司機室與機械間，通常在隔墻內填充一定厚度的耐火纖維棉來組成防火隔板結構。根據目前某歐洲機車項目已進行的防火試驗情況來看，建議在隔墻表面噴涂防火涂料來進一步增強耐火性能，同時機械間門建議采用耐火性能更好的鋼結構，因為鋁結構在高溫情況下較容易融化，依據EN45545-3中防火隔板耐火性能推薦，建議采用2 mm厚的鋼板，同時門上防火玻璃不建議采用粘接或橡膠條固定，在高溫情況下容易脫落，建議采用螺栓安裝固定或不銹鋼材料進行額外固定。對于機械間門與隔墻的密封建議采用內外雙層密封，以保證靠近機械間一側的橡膠密封條融化后，背火面一側的密封條還具備隔熱性能，提升機械間門與隔墻的耐火性能。對于調車機車來講，若機械間布置有大功率電氣設備或內燃動力設備(含內燃機、加熱設備、燃油箱和管路設備)，則司機室與機械間之間的隔墻需要滿足防火隔板的要求，若在司機室正下方布置有大功率電氣設備或內燃動力設備，則司機室地板也要滿足防火隔斷結構的耐火性要求，防止火焰通過地板蔓延到司機室。如圖2所示是單司機室的混合動力調車機車防火隔板。當電纜、導管、風道等需要穿過司機室防火隔墻時，要確保對司機室防火隔墻的耐火性能沒有影響，一般可采用司機室后墻密封組成的方式，該組成是模塊化結構，可以預留后期更換管路、線路的空間余量。

圖1 電力機車司機室后端墻防火隔斷

圖2 單司機室調車機車端墻及地板防火隔斷

5 可燃液體防火要求

EN45545-7標準規定不適用于變壓器油和液壓油等技術液體，只針對其可能產生溢出、泄露和噴濺等情況進行了設計指導。針對電力機車牽引變壓器的冷卻用油，依據TSI1302中4.2.10.2.2條內容，對于貨運電力機車來說，需滿足EN45545-2表5中R14防火等級，對應即為牽引變壓器油著火點滿足K級要求，按照EN ISO2592規定即為冷卻油燃點大于300 ℃；對于客運電力機車，按照EN50553中規定，牽引變壓器油需為K型，滿足燃點大于300 ℃。因此按照燃點要求，牽引變壓器通常選用合成酯油或硅油作為冷卻介質。對于變壓器油可能存在的泄露應當進行預防，牽引變壓器冷卻油管與各種部件可以采用螺紋緊固的方式進行連接，整體式焊接的油管將牽引變壓器油回路與機械間冷卻塔相連接，由于中間未使用接頭從而減少了漏油的可能性，同時對變壓器內油溫進行監控，在牽引變壓器上安裝了監測油箱內上層油溫的溫度傳感器，當油溫超過限定值后系統自動分斷主斷路器起到保護作用。

針對裝有內燃動力包的調車機車，燃油箱不能安裝在司機室內的任何區域、機車碰撞易發生能量吸收的區域，不能接觸灼熱部件、可能引起電火花的電氣裝置、可能引起飛濺的旋轉機械設備，同時要避免燃油被吸入任何吸收設備(如通風器和冷卻器)、滲入隔熱材料層或隔聲材料層。一般調車機車燃油箱采用鋼和鋁等金屬結構，為滿足最低抗沖擊性能對結構的厚度要求，油箱容積不超過2 000 L時應采用2 mm厚的鋼板或3 mm厚的鋁板，超過2 000 L時需要采用3 mm厚的鋼板或4 mm厚的鋁板。

燃油箱注入管附近均應設有相應危險標志：符合指令92/58/EEC規定的危險標志P02“禁止明火、禁止吸煙”；符合指令92/58/EEC規定的危險標志W01“可燃液體警告”。

考慮到可能引發可燃液體燃燒的引火源，如漏電、設備過熱、保護裝置故障等情況，牽引變壓器、燃油箱均應按照EN50153電氣危險防護的相關規定通過車體與鋼軌接地。內燃機應配有緊急停止裝置，若內燃機布置在機車上的設備間內，則在設備間內同樣應配備緊急停止裝置，且該裝置能從司機室及車身外部進行操作，保證火災發生時能夠及時停止燃油輸送，防止火災迅速蔓延，確保司機室人員安全。

6 電氣設備防火安全要求

電氣設備通常是引發機械間火災的高風險源，因此需要對機車的受電弓和耗電裝置之間進行過載保護，詳細考慮輔助系統及控制系統各部件的負載，選擇合適的接觸器與斷路器，并在輔助變流系統中選取合適的過載保護值，防止電氣設備在過載情況下放出電弧引發火災。大功率電氣設備的斷路器、接觸器都需要配備滅弧裝置，且滅弧裝置需要符合EN45545-5中規定的B型電弧擋層要求：材料性質滿足E3B、耐火完整性滿足E60、在規定的范圍內抑制大功率設備發生故障時產生的電弧。

電氣部件設計時，應根據部件運行電壓等級來選擇合適的絕緣間隙和爬電距離，防止出現放電和爬電現象。高壓回路應當安裝避雷器來保護機車牽引變壓器不受大氣過電壓、操作過電壓的損害，同時在高壓回路布置了高壓電壓互感器、電流互感器，來實現高壓側過壓過流保護，防止過壓過流造成部件過載引發火災。

大功率電纜應置于金屬槽或金屬管內，電力機車通常采用中央金屬線槽的方式布線，通過與車體連接最終與車體等電勢，運行時需通過車體接地。針對電力機車及調車機車常用的水性電池，如：鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池，蓄電池布置安裝時應考慮讓氣體排放至機車外，且蓄電池箱內應放置測量電池溫度的溫度傳感器，同時應采用熱縮套管等對電纜進行補充絕緣處理，以防短路。在火災發生時，為達到緊急情況下運行能力的要求，由于蓄電池不屬于EN45545-2中規定的列表產品，其對應的防火等級既可以按照非列表產品也可以按照分組規則來進行評估。按照非列表產品來進行評估要依據ISO5658-2中規定的尺寸來進行試樣制備(試樣長800 mm)，電力機車及調車機車所使用的蓄電池一般達不到這個尺寸，依據安裝的位置采用相應的防火要求來替代，安裝在室內的蓄電池需要滿足R6的防火要求，安裝在室外的蓄電池需要滿足R9的防火要求。當蓄電池不滿足要求時按照容積規則來進行評估，要求裝有蓄電池的技術柜耐火完整性達到E15的要求。

電力機車及調車機車上應急電氣設備在設計和安裝時應確保其具備足夠的耐火完整性，滿足緊急情況下運行能力的要求，應急電氣設備的電纜可以布置在同一區域，一般采用中央線槽的方式與大功率電纜分隔開。

7 火災探測及控制

火災探測系統旨在機車運行過程中能夠及時發現起火點或起火隱患并將火情反饋給乘務人員，由火災報警器、感溫探測器、感煙探測器、點式金屬探測器和熱敏電纜等組成，能夠實時感應目標區域內的煙霧濃度及環境溫度，并將情況實時反饋給司機室乘務人員， 對于電力機車及調車機車來講，具體的火災探測要求見表1。

表1 火災探測

注：X—要求；nr—無要求；a—如果鐵路車輛不在指令2008/57/EC的涵蓋范圍內，則無要求。

電力機車與調車機車上能促進燃燒的系統應當進行梳理，如大功率牽引設備、內燃動力包、供暖通風與空調等。對于運行類別2的電力機車及調車機車，當火災探測系統檢測到相應區域起火時，機械間大功率牽引設備、內燃機應自動切斷，對于運行類別3的電力機車及調車機車，當火災探測系統檢測到相應區域起火時，機械間大功率牽引設備、內燃機、供暖通風與空調系統均應自動切斷，避免為火災提供額外的能量，切斷能源供應也能減小消防作業時的潛在風險。

通常在機械間和內燃機區域均要求布置適當且充足的水基滅火器，司機室需單獨配備1臺，單臺滅火器重量不應超過15 kg。滅火器的類別選擇需要滿足相應火災級別的滅火要求，電力機車及調車機車上通常為機械間固體物料燃燒引發的火災，對應的滅火器滅火等級至少應滿足EN3-7中規定的13A，針對混動調車機車內燃動力包可能引發的火災，對應的滅火器滅火等級至少應滿足EN3-7中規定的144B。在滅火器安裝位置附近貼上顯而易見的標識。針對需滿足TSI認證的機車項目，滅火器還需提供GS證書，可通過查MPA Dresden安全檢查中心網站進行查詢，需要與滅火器供應商及時確認。

8 緊急逃生疏散

火災發生時，乘務人員可以順利地從逃生通道安全撤離，如圖3、圖4為電力機車與調車機車乘務人員逃生通道。緊急情況下司機室乘務人員可以打開應急車窗進行逃生，緊急出口應提供至少2 000 cm2的無障礙空隙且最小內部尺寸為400 mm，同時在上方粘貼有緊急出口標識便于引導。

在機車上應配置應急照明系統，當機車主電路供電被切斷時啟動應急照明系統，應急照明需符合EN13272中規定，地板上的撤離區域照明度不低于5 lux，出入口臺階位置照明度不低于40 lux，在蓄電池供電情況下應急照明至少正常工作持續90 min，設計選型時需要考慮蓄電池容量能夠滿足應急照明系統供能需求。通常在司機室天花板、機車門、機械間過道、門入口臺階等位置布置有應急照明燈，應急照明電纜采用阻燃電纜，確保能夠維持至少50%的應急照明燈在火災發生后20 min內不受影響，阻燃電纜需符合TSI中對電纜阻燃特性的要求。

所有的緊急報警裝置、緊急出口及應急設備(如滅火器、應急錘等)附件均應設置緊急標志及應急照明，緊急標志為永久性的，且在應急照明條件下能夠易于識別，緊急標志的圖案、顏色和大小應符合EN61310-1的規定。

圖3 電力機車及調車機車逃生通道

圖4 調車機車逃生通道

9 結語

針對EN45545標準進行了全面的分析，結合目前防火TSI認證的要求對電力機車及調車機車防火設計進行了系統的闡述，圍繞EN45545標準7個部分的內容展開。EN45545標準以UIC和歐洲主要國家的現行權威防火標準為基礎，是當前國際上最完整的軌道交通機車車輛防火標準體系，歐盟發布的歐洲鐵路機車車輛子系統互聯互通性技術規范(TSI)中涉及的防火要求部分同EN45545保持一致。后續進入歐洲市場的機車項目都必須滿足EN45545標準，從電力機車與調車機車設計之初出發，按照標準規定的條款嚴格執行，滿足標準符合性審查過程中各項條款，為后續開拓更多的歐洲市場打好基礎。