淺析巴西淡水河谷調(diào)車機(jī)車布線設(shè)計(jì)

鄒潔璇，崔洪巖，賀 琳

(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412000；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000)

0 引言

巴西淡水河谷調(diào)車機(jī)車(以下簡(jiǎn)稱巴西車)在巴西淡水河谷的馬德里亞角港鐵路站場(chǎng)內(nèi)運(yùn)行，用于對(duì)油罐車、運(yùn)煤車輛、運(yùn)銅礦石車輛、鐵礦石車輛進(jìn)行編組和轉(zhuǎn)運(yùn)。巴西車采用鋰電池供電，軌距1 600 mm，軸式Co-Co，軸重27 t。車體結(jié)構(gòu)為單司機(jī)室和雙外側(cè)走廊，設(shè)備主要集中布置在機(jī)械間內(nèi)，區(qū)別于國(guó)內(nèi)機(jī)車的機(jī)械間中間走廊結(jié)構(gòu)，巴西車機(jī)械間寬度比傳統(tǒng)機(jī)車窄，且無(wú)法設(shè)置中央線槽預(yù)布線，這給整車布線帶來(lái)了巨大的困難。

1 巴西車布線難點(diǎn)

巴西車車體機(jī)械間由側(cè)墻骨架、機(jī)械間入口門(mén)、機(jī)械間檢修門(mén)、防火隔墻及車上設(shè)備安裝座組成，如圖1所示。其特殊的結(jié)構(gòu)給整車布線帶來(lái)以下幾個(gè)難點(diǎn)。

1—側(cè)墻；2—牽引風(fēng)機(jī)風(fēng)道；3—機(jī)械間檢修門(mén)；4—防火隔墻；5—車上設(shè)備安裝骨架；6—外走廊。

1.1 難點(diǎn)一

巴西車裝載了4箱鋰電池，為了提升整車機(jī)械間的防火要求，機(jī)械間設(shè)置了4扇防火墻，防火墻采用全焊接結(jié)構(gòu)，它將機(jī)械間分割成了5個(gè)獨(dú)立的空間，防火墻的存在直接導(dǎo)致中央線槽車下安裝好再整體吊裝的方式無(wú)法實(shí)施。

1.2 難點(diǎn)二

機(jī)械間中部隔離出來(lái)的3個(gè)獨(dú)立空間用于安裝鋰電池和主變流柜，3個(gè)設(shè)備間在設(shè)備安裝后無(wú)法進(jìn)入。為了保證設(shè)備的檢修維護(hù)，在靠近外走廊側(cè)設(shè)置了機(jī)械間檢修門(mén)，檢修門(mén)阻斷了側(cè)墻布線路徑，使得所有電纜只能在機(jī)械間地面布置。被隔離出來(lái)的另外2個(gè)小機(jī)械間用于安裝其他電氣設(shè)備，牽引風(fēng)機(jī)分機(jī)別安裝在這2個(gè)小機(jī)械間內(nèi)，牽引風(fēng)機(jī)的風(fēng)道直接焊接在地板上，高度略低于設(shè)備安裝座，基本完全占據(jù)了布線空間，因此牽引風(fēng)道的位置不能再設(shè)置走線路徑。

1.3 難點(diǎn)三

外走廊位于機(jī)械間外兩側(cè)，寬度340 mm，與底架形成了一個(gè)夾層空間，是行車人員通往機(jī)械間以及中間機(jī)械間設(shè)備檢修維護(hù)用的通道，由于巴西雨季較長(zhǎng)，為了防止外走廊夾層空間蓄水及潮濕環(huán)境給車下設(shè)備和轉(zhuǎn)向架造成影響，雙外側(cè)走廊地板采用全焊接密封結(jié)構(gòu)，焊接密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)致夾層空間無(wú)法進(jìn)行布線。其他類似車型，外走廊地板采用的螺栓安裝結(jié)構(gòu)，即在夾層布線完成后再進(jìn)行外走廊地板安裝，所以國(guó)內(nèi)類似車型即使有外走廊，布線空間也并沒(méi)有減少，而巴西車的外走廊則實(shí)際縮小了機(jī)械間布線空間。另外，設(shè)備安裝座位于機(jī)械間內(nèi)兩側(cè)，用于安裝鋰電池箱，由于單箱鋰電池的重量高達(dá)5 t，為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)備安裝骨架也采用加寬結(jié)構(gòu)，并且進(jìn)行整體焊接，如圖2所示，因此，設(shè)備安裝骨架進(jìn)一步縮小了機(jī)械間地板可布線空間，同時(shí)也將機(jī)械間和外走廊完全隔離開(kāi)，形成了2個(gè)獨(dú)立的空間。

圖2 機(jī)械間剖視圖

2 整車布線設(shè)計(jì)解決方案

巴西車為單電源機(jī)車，沒(méi)有25 kV AC或者1 500 V DC接觸網(wǎng)供電模式，只有鋰電池一種供電模式，其布線主要包括控制電路布線、輔助電路布線和主電路布線。針對(duì)上述的布線難點(diǎn)，本文從具體的布線策略和電纜選型兩個(gè)方面來(lái)解決上述難題。

2.1 布線策略

2.1.1 控制電路布線

為了節(jié)約布線空間，提升整車布線規(guī)范性，控制電路布線采用中央線槽輔控分開(kāi)布線的模式，控制電路電纜集中布置在中央線槽中，同時(shí)控制線、輔助線、信號(hào)線和總線之間形成獨(dú)立布線空間。針對(duì)機(jī)械間寬度限制，中央線槽布線時(shí)線槽寬度不足，無(wú)法滿足GB/T 34571—2017《軌道交通機(jī)車車輛布線規(guī)則》[1]不同等級(jí)電纜間距的要求，線槽在設(shè)計(jì)時(shí)采用分區(qū)隔離，且分區(qū)之間設(shè)置金屬隔板。

信號(hào)線和總線在同一個(gè)線槽分區(qū)，為了讓信號(hào)線獲得更好的屏蔽效果，信號(hào)線在布線時(shí)采用不銹鋼材料的專用屏蔽線槽。另外，巴西車中央線槽安裝在機(jī)械間設(shè)備下方，在完成布線后無(wú)法形成緊閉的空間，抗干擾能力較差，為了提升中央線槽屏蔽效果，在中央線槽完成布線后加蓋中央線槽蓋板，使中央線槽內(nèi)部形成一個(gè)相對(duì)密閉的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)多點(diǎn)與車體地連接，同時(shí)中央線槽內(nèi)部電纜緊貼中央線槽表面，通過(guò)線槽金屬表面相反電磁場(chǎng)抵消電纜本身的電磁場(chǎng)，從而降低內(nèi)部的電磁干擾，如圖3所示。

圖3 巴西調(diào)車機(jī)車中央線槽

針對(duì)防火墻隔斷機(jī)械間導(dǎo)致中央線槽無(wú)法車下安裝再進(jìn)行整體吊裝的問(wèn)題，采取在機(jī)械間焊接中央線槽焊接支架，線槽直接安裝在焊接架上，待線槽安裝完成后再在車上進(jìn)行布線。另外，因?yàn)榘臀鬈嚨臋C(jī)械間比傳統(tǒng)機(jī)車窄，且有對(duì)稱的牽引風(fēng)機(jī)，線槽需要避開(kāi)風(fēng)機(jī)安裝座和牽引風(fēng)道，不能呈直線結(jié)構(gòu)布置，線槽整體布置如圖4所示。

圖4 機(jī)械間布線示意圖

2.1.2 輔助電路布線設(shè)計(jì)

由于機(jī)械間寬度有限，中央線槽在空間上較傳統(tǒng)機(jī)車窄了100 mm左右，大部分輔助電路電纜集中在中央線槽，而主變流器輔助繞組與輔助變壓器之間的連接電纜不能像傳統(tǒng)機(jī)車那樣敷設(shè)在中央線槽內(nèi)。為了保證與主電路電纜之間的敷設(shè)距離，設(shè)計(jì)時(shí)抬高了中央線槽安裝支架，使得中央線槽安裝支架下多出了截面400 mm×80 mm的空間，此空間正好用于部分截面面積較大的輔助電纜的走線，具體布線如圖5所示。

圖5 部分輔電路布線示意圖

為了降低輔助電路對(duì)線路中敏感設(shè)備的電磁干擾，需要對(duì)輔助電路中的干擾源采取電磁兼容(EMC)處理[2]，由于線槽變窄，中央線槽內(nèi)的輔助電纜無(wú)法使用常規(guī)的屏蔽線槽處理方式，設(shè)計(jì)時(shí)采用單芯屏蔽電纜代替普通單芯電纜和金屬屏蔽線槽，同時(shí)對(duì)單芯屏蔽電纜的屏蔽層采用熱縮結(jié)構(gòu)的焊錫環(huán)進(jìn)行雙端接地，具體結(jié)構(gòu)及安裝方式如圖6所示。

圖6 焊錫環(huán)結(jié)構(gòu)及安裝方式

2.1.3 主電路布線設(shè)計(jì)

巴西車牽引風(fēng)機(jī)采用一拖三模式，牽引風(fēng)機(jī)風(fēng)道所占機(jī)械間空間較大，造成主電路布線的空間十分有限。同時(shí)整車雙外走廊結(jié)構(gòu)，使外走廊下方與機(jī)械間完全隔離，導(dǎo)致實(shí)際機(jī)械間的主電路布線空間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)機(jī)車。為了解決主電路布線空間問(wèn)題，對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)外走廊下方底架地板無(wú)受力點(diǎn)，開(kāi)孔不影響整車強(qiáng)度，于是選擇外走廊下方底架地板和設(shè)備安裝座骨架進(jìn)行了開(kāi)孔，讓2位、3位電機(jī)線和5位、6位電機(jī)線從機(jī)械間設(shè)備安裝座骨架過(guò)線孔到外走廊下的夾層空間，以線夾固定方式在外走廊下方進(jìn)行布線，外走廊下方底架地板開(kāi)孔可以方便操作人員在車下進(jìn)行布線操作。過(guò)線孔采用特殊的防火磚進(jìn)行封堵，以保證機(jī)械間的密封性和防火性不降低。但是1位、6位電機(jī)線在穿過(guò)枕梁時(shí)，由于枕梁下方不能開(kāi)孔，有長(zhǎng)達(dá)2.4 m的距離無(wú)法對(duì)線纜進(jìn)行固定，為了解決電機(jī)線穿枕梁無(wú)固定的問(wèn)題，采用了2塊長(zhǎng)約1 m的支線板進(jìn)行固線，先將電纜在車下以線夾的形式固定在支線板上，2塊支線板的間距是固定的，在完成電纜固定后，依次把支線板推送至枕梁中，同時(shí)枕梁端部焊接有2個(gè)定位凸槽，用于支線板的定位和安裝，枕梁電機(jī)線布線如圖7所示。

圖7 枕梁電機(jī)線布線示意圖

2.2 電纜選型

巴西車是由牽引蓄電池供電的六軸車機(jī)車，其主輔電路電纜多達(dá)60根，較傳統(tǒng)機(jī)車主輔電路電纜數(shù)量多了近1/3。受車體結(jié)構(gòu)限制，巴西車的主輔電路電纜在機(jī)械間的布線空間比傳統(tǒng)機(jī)車還要小。如何在滿足使用條件的前提下，盡可能地把電纜裕量留小，選擇截面積較小的電纜，是本文在進(jìn)行布線設(shè)計(jì)電纜選型時(shí)需要解決的。

主輔電纜主要是作為配電電纜，電纜截面積選擇應(yīng)以負(fù)載電流Iload和電纜載流量Icable為基礎(chǔ)，同時(shí)還與電纜的敷設(shè)方式、環(huán)境溫度、絕緣材料特性、相鄰電纜的加熱效應(yīng)等條件有關(guān)。按GB/T 34571-2017《軌道交通 機(jī)車車輛布線規(guī)則》的規(guī)定，電纜允許載流量(Icorr)按下式確定：

Icorr=Icable×K1×K2×K3×K4×K5

(1)

式中:Icable為電纜載流量(供應(yīng)商提供，見(jiàn)表1)；K1為環(huán)境溫度修正系數(shù)；K2為電纜敷設(shè)修正系數(shù)；K3為壽命修正系數(shù)；K4為非連續(xù)工作時(shí)的修正系數(shù)；K5為多芯電纜修正系數(shù)。

以上電流核算環(huán)境溫度按45℃考慮；電纜的負(fù)載電流不縮短電纜的壽命，即K3=1.0；所有的負(fù)載電流為連續(xù)工作時(shí)的有效值，即K4=1.0。電纜選型只要保證計(jì)算出電纜在持續(xù)的正常運(yùn)行期間承載的負(fù)載電流Iload

以下以主電路電機(jī)線為例進(jìn)行電纜選型計(jì)算。牽引電機(jī)的額定電壓為1 230 V，額定電流為400 A，最大電流(起動(dòng)時(shí))560 A。電機(jī)電纜鋪設(shè)在機(jī)械間及外側(cè)走廊地板下，環(huán)境溫度按55℃選取。為了減小電纜外徑，在選用電纜時(shí)，選擇符合EN 50382標(biāo)準(zhǔn)的(120℃)1.8/3 kV電纜，該類型電纜工作溫度可以達(dá)到120℃，即同等截面積情況下載流量要大于符合EN 50264標(biāo)準(zhǔn)的(90℃)1.8/3 kV電纜，電纜載流量對(duì)比詳見(jiàn)表1。根據(jù)電纜類型和環(huán)境溫度，按照表2環(huán)境溫度修正系數(shù)K1，取K1=0.93。

表1 符合EN 50264和EN 50382的電纜載流量

表2 環(huán)境溫度修正系數(shù)K1

電機(jī)電纜用線卡固定，水平方向上2根電纜間的最小間距大于電纜直徑，敷設(shè)類型按b型考慮，由于在過(guò)骨架安裝座穿線孔時(shí)，6根電機(jī)線間隙小于2倍直徑，敷設(shè)類型的修正系數(shù)K2，取K2=0.83。

電機(jī)電纜為單芯電纜，即K5=1。

按照式(1)，計(jì)算得出電纜載流量Icable≥518.2 A，考慮到最大啟動(dòng)電流有560 A，進(jìn)行電纜選型時(shí)保留一定的裕量，根據(jù)表2，選用1.8/3 kV(120°)150 mm2的電纜，Icable為617 A。

3 結(jié)語(yǔ)

巴西車是中車株洲電力機(jī)車有限公司進(jìn)入南美市場(chǎng)的第一個(gè)機(jī)車項(xiàng)目，它獨(dú)特的單機(jī)司機(jī)室、機(jī)械間外走廊以及防火墻隔斷的車體結(jié)構(gòu)與國(guó)內(nèi)機(jī)車有很大的區(qū)別，對(duì)布線設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文以整車車體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析了主輔控電路布線設(shè)計(jì)的困難及解決方案，并提供了電纜選型計(jì)算方法。