城軌車輛安全性分析及防護

章恒

摘 要：本研究從電氣絕緣、電壓保護、撞車和乘客安全性、脫軌、防火等七個維度對車輛安全性進行綜合分析，從受電弓的降弓保護、開門側防護和線路限速兩個方面提出了優化建議。

關鍵詞：城軌車輛;安全性;分析;防護

1 概述

為始終貫徹國家“安全第一，預防為主，綜合治理”的安全生產方針，提升城軌車輛安全性，在進行車輛的安全性綜合分析，主要包括對車輛的運行過程中所有的臨界狀況的分析，并從車輛層面上進行初始安全分析，對車輛安全保證具有積極意義。

2 車輛安全性綜合分析

2.1 電氣絕緣及雷擊的安全性分析

車輛上有受電弓、高速斷路器、牽引逆變器、輔助逆變器、蓄電池等眾多電氣設備。如果不注意絕緣防護，很可能因相鄰部件的散熱或過負荷的偶爾影響而引起火災。并且要使車輛、信號系統安全運行，需對車輛的所有電氣系統、電子元器件仔細選擇，如車輛上接線端子連接的可靠性影響整個電氣系統的安全運行。主要從以下幾個方面來考慮：

2.1.1 絕緣配合

絕緣配合主要因素是設備的使用環境，設備的使用條件，絕緣材料的選用。持續電壓的絕緣配合基于：

（1）額定電壓;

（2）額定絕緣電壓;

（3）工作電壓。

除非在產品標準中有其他規定，否則持續電壓均指時間持續5 min以上的電壓。

瞬態過電壓的絕緣配合主要依據被控過電壓的條件。

在對電氣設備的絕緣配合考慮中，必須注意兩個基本參數——電氣間隙和爬電距離的確定。

2.1.2 電氣間隙

不同的帶電部件之間或帶電部件與大地（車體）之間，空氣間隙小到一定程度時，在電場作用下，空氣介質將被擊穿，絕緣會失效或暫時失效。因此兩導電部件間的空氣維持一個使之不會發生擊穿的安全距離—電氣間隙。

電氣間隙與部件的老化現象無關，確認電氣間隙大小時必須以設備可能出現的最大過電壓（脈沖耐受電壓）為依據。

（1）使用條件的影響。功能絕緣、基本絕緣和附加絕緣的最小電氣間隙是建立在額定沖擊電壓的基礎上，其值參見標準EN50124-1《鐵路應用 絕緣協調 第一部分：基本要求-所有電氣和電子設備的間隙和爬電距離》中表A.3。而確定加強絕緣電氣間隙尺寸時，其額定沖擊電壓是基本絕緣額定沖擊電壓的1.6倍。

（2）使用環境的影響。宏觀環境主要取決于大氣壓，所處海拔決定了宏觀環境的影響不大。微觀環境決定對絕緣污染的影響，固體微粒、塵埃和水能完全橋接較小的電氣間隙，所以在確定最小電氣間隙時必須充分考慮設備所處的污染環境，標準IEC 60077-1《鐵路應用 機車車輛電氣設備 第一部分：一般使用條件和通用規則》規定了污染等級。

2.1.3 爬電距離

爬電距離是兩導電部件間沿絕緣材料表面的最短距離，爬電距離的尺寸應使得絕緣在給定的工作電壓和污染等級下不會產生閃絡（閃絡過程集中釋放的能量使絕緣材料性能衰變，電腐蝕）或擊穿。確定爬電距離的尺寸要考慮工作電壓的大小、污染等級及所用絕緣材料的抗爬電特性。

標準EN50124-1《鐵路應用 絕緣協調 第一部分：基本要求-所有電氣和電子設備的間隙和爬電距離》中規定，功能絕緣、基本絕緣和補充絕緣的最小爬電距離取決于該標準中表A.5、A.6和A.7中的額定絕緣電壓，與絕緣材料、環境污染也有關。而對加強絕緣而言，額定絕緣電壓是基本絕緣額定絕緣電壓的兩倍。

安裝在路軌旁的近地面或地下設備，無額外過電壓保護，按額定絕緣電壓3100V確定基本絕緣間隙。無額外過電壓保護裝置，與戶外回路相連，按額定絕緣電壓2200V確定基本絕緣間隙。

車頂設備的絕緣可視為功能絕緣。由于車頂的污染等級的影響，建議適當增加車頂的爬電距離值。穿過開關裝置絕緣距離的額定沖擊電壓的具體數值在相關產品標準中進行規定，直流開關設備的在標準EN 50123《鐵道使用 固定設備 直流開關設備》中規定。

（1）電壓。確定爬電距離應以作用在跨接爬電距離兩端的長期電壓有效值為基礎。具體到部件上，像避雷器須考慮到雷擊過電壓，而對于主斷路器，須考慮到它合閘時發生諧振現象，過電壓可達到平時2.5倍以上。

（2）微觀環境。主要指在不同的污染等級下、確定爬電距離，必須注意電氣元器件周圍環境的污染能力能加速這一變化。

（3）絕緣材料。影響絕緣性能的因素主要是局部放電、發熱、機械應力和濕度，其過程很復雜。在總結經驗和大量實驗基礎上，采用CTI值（相對漏電起痕指數）進行絕緣材料分類，主要包括材料污染表面由于干燥使表面泄漏電流分斷時，其閃爍過程集中釋放的能量使絕緣材料出現損傷，一是使絕緣材料電腐蝕，二是由于固體絕緣材料表面電介質污染和電場強度的綜合效應，在其表面逐漸形成導電通道（漏電起痕）。

考慮電氣絕緣時，必須考慮材料的選取，特別是導線材料。可參考標準UIC 89《鐵路機車車輛絕緣電纜供貨條件》。

2.2 過電壓及欠電壓保護的安全性分析

在高壓牽引電路中通過避雷器防止雷擊或操作過電壓，通過高壓隔離接地開關、高速斷路器等設備有效的將受電弓高壓同主電路隔離開來，一旦發生特殊情況，例如雷擊等，高速斷路器會立即斷開，然后通過斷開高壓隔離接地開關就可以使主電路完全脫離受電弓高壓。

高速斷路器對于主電路的故障保護：當主電路出現嚴重故障，如主電路部件故障、網壓或直流電壓過壓、直流側電流過流、主電路接地、主電路短路、IGBT元件故障、網絡通信故障、DCU故障、110 V控制電源失電等時，高速斷路器斷開，以實現主電路的故障保護。同時高速斷路器能對檢測到的過電流進行快速響應脫扣，高速斷路器立即分斷，以實現主電路短路保護。

除了安裝高壓隔離接地開關、高速斷路器等設備外，還通過在主電路中安裝熔斷器、輔助電源二極管等設備有效的保護了整個中壓、低壓及牽引設備的安全。

2.3 撞車保護的安全性分析

車輛碰撞能量吸收采用3級吸能方式。根據車輛碰撞過程中吸能元件和車體變形吸能結構發揮作用的順序，具體可分為：

階段1：由車鉤的氣液緩沖器實施能量吸收。

階段2：由車鉤的可壓潰筒體吸收。

階段3：由防爬器、司機室部位的底架前端結構變形區吸收。

2.4 乘客的安全性分析

乘客的安全性分析包括防止車內意外傷害、防止跌落車外、乘客緊急逃生等。

2.4.1 防止車內意外傷害

進行了充分的人機工程學分析，并在車內設置了乘客安全標識，包括貫通道側板禁扶標識、禁止倚靠車門標識、車門防夾警示等。選用的地板布具備防滑特性，可有效幫助乘客避免意外滑倒。

2.4.2 防止跌落車外

通過車門控制保護，防止乘客跌落車外。地鐵車輛客室側門的設計宗旨是以安全為導向。即在列車運行過程中，當發生不可預知的情況時，車門系統應趨向關門操作或保持關門狀態，最大限度地保障乘客安全。為確保所有設計以乘客安全為本，分別從地鐵車輛客室車門系統與列車牽引的連鎖、車門狀態指示、關門到位接近開關與動態關門控制、開門操作與列車的狀態、關門操作與列車的狀態以及行車開門與列車制動等幾個方面入手加強設計力度。

2.4.3 乘客緊急逃生

當遇有火災等緊急情況，需疏散乘客，緊急照明啟動、緊急通風也同時啟動，還有視頻監控和緊急對講等，蓄電池完全能滿足90分鐘緊急供電的要求。如果車輛尚未離開車站時，建議將車輛兩側客室車門全部打開，通過站臺緊急逃生;如果車輛已經離開車站，在運行途中，建議通過司機室緊急疏散門進行緊急逃生，將乘客疏散到軌道上進行緊急逃生。

2.5 防止車輛脫軌和傾覆的安全性分析

根據車輛參數，建立動力學計算模型，計算車輛在各種曲線半徑及不同速度情況下的脫軌系數、輪重減載率ΔP/P。計算車輛在各種線路工況通過曲線時，脫軌系數、輪重減載率ΔP/P等指標滿足招標文件要求、標準要求，并具有較大的安全裕量，可以滿足車輛防脫軌和防傾覆的安全性要求。

2.6 車輛所用材料的防火性能分析

在發生火災的情況下，所使用的材料對人員產生的傷害最小。為了達到這個目標，在材料的選擇上，將采用低毒性、低發煙性的材料，最大限度來保證乘客緊急逃生。

3 整車硬線/控制邏輯安全性優化設計

3.1 受電弓斷電降弓保護

當線路電壓存在電壓不穩定的情況，設置受電弓斷電降弓保護功能：當牽引系統檢測到線路電壓低于DC300V（暫定），判斷為接觸網斷電，列車牽引系統輸出接觸網斷電信號控制受電弓自動降弓，并在自動降弓20s后自動控制受電弓升起。

3.2 列車開門側和線路限速

列車開門側防護和速度控制的安全性功能由車輛控制系統實現：

（1）將線線路數據輸入車輛控制系統。

（2）列車開門側防護：根據司機在HMI上輸入的起點站、終點站信息和制動系統提供的速度值計算車輛本次運行里程及開門次數累計后，根據線路數據確定車輛在線路上的當前位置及允許的開門側，輸出車輛開門允許信號至車門系統，車門系統根據收到的開門允許信號，判斷車輛開門邏輯滿足后打開相應側車門，為減少計算誤差，在車輛速度由0到大于1.5 km/h后，計算清零重新開始計算。

（3）車門速度控制系統：根據制動系統提供的速度值、車輛位置、線路限速數據進行相應的線路限速控制，當判斷列車速度超過線路允許速度+1 km/h（合同要求）時，系統觸發聲光報警，當判斷列車速度超過線路允許速度+3 km/h（合同要求）時，自動觸發車輛緊急制動，在車輛速度為0后，線路限速計算距離重置。

4 結束語

本研究從多個維度分析了車輛安全性，從多個角度保證人員和車輛及其系統設備不受損害的程度，確保車輛的安全性。

參考文獻：

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