軌道交通車輛低壓配電產品高防火安全等級的材料設計解決方案

張 林,周 輝,平國永,隋攀峰,唐兆祥

(1.伊頓電氣有限公司,江蘇 蘇州 215006;2.中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

近年來,隨著我國科技和經濟實力的不斷增強,城市化進程的不斷加快,在國家政策的大力支持下,軌道交通行業得到了快速發展,軌道交通車輛配置規模也穩步增長。與此同時,對軌道交通車輛的安全需求也在不斷提高。尤其是針對我國軌道交通運輸量大、人員密集的特點,對軌道交通車輛的可靠安全運行提出了更高的要求。

為了保障軌道交通車輛的安全運行,防火是不容忽視的重要組成部分。而在軌道交通車輛火災事故中,因電氣設備短路、過載或接觸不良等故障導致絕緣破壞而引發的電氣火災居多,在所有安全事故中占據的比重較大。低壓配電產品如斷路器和接觸器等作為軌道交通車輛電氣系統的重要元件,容易因為非金屬材料設計和選擇不合理、防火等級不足等因素造成防火安全性方面不可靠的問題,進而影響軌道交通車輛的安全運行,甚至威脅人身安全[1-2]。因此,可靠的材料選型設計對于提高低壓配電產品的安全防護等級、保障軌道交通車輛的安全穩定運行有著重要作用。

1 滿足軌道交通車輛防火標準的材料設計要求

低壓配電產品的材料選型設計首先需要滿足軌道交通車輛防火標準規范中的要求。當前,使用范圍最廣同時也是國內常用的軌道交通車輛防火標準是EN 45545 系列標準。

EN 45545系列標準包括了EN 45545-1～ EN 45545-7總共7個標準。其中,EN 45545-2是EN 45545系列標準中最常用的核心防火標準[3-4]。它根據車輛的運行環境、類別以及火災發生時乘客疏散的難易程度,將軌道交通車輛整體的火災危險等級劃分為HL1、HL2、HL3三個等級(其中HL3為最高等級),表1為EN 45545-2 標準中車輛運行、設計類別和火災危險等級(HL)之間的關系。同時,根據所使用材料的最終用途、火災時的風險程度劃分為R1～R28共28個不同的項目類別。其中,低壓配電產品包括斷路器、接觸器等主要涉及的是R22、R23和R26類別的要求,R22項目針對車內的小區域材料或電氣產品;R23主要針對車外的小區域材料或電氣產品。R22和R23的防火測試項目相同,但在相同等級下,R22的車內要求高于R23車外要求。R26項目則是對于低功率電工電子元件的阻燃測試。該標準的目的是根據絕緣材料的可燃性、煙霧密度、煙霧毒性及自熄性能,來制定與材料選擇有關的規格,使低壓配電產品達到合格的安全等級,確保即使在發生火災時,也能夠限制火災的發展,使乘客和工作人員有很大的可能性能夠從無外援的火災中逃生,并能夠到達安全地點,從而保障軌道交通車輛和人身安全。

表1 EN 45545-2標準中車輛運行、設計類別和火災危險等級(HL)之間的關系

根據EN 45545標準中的要求,可以從以下幾個方面著手進行低壓配電產品的材料設計,從而滿足更高等級的防火安全要求。

1.1 降低材料的可燃性

材料的燃燒性能用來評價和判斷材料在空氣中燃燒的難易程度,采用氧指數指標表示。氧指數越高,表示材料和電氣設備越不容易起火燃燒,防火安全等級也就越高。表2為絕緣材料類別及對氧指數的要求。根據EN 45545-2標準,軌道交通車輛上使用的低壓配電產品需要使用氧指數達到28%以上的難燃絕緣材料,并且隨著火災風險等級的提高對氧指數的要求也更高[3-5]。

表2 絕緣材料類別及對氧指數的要求

1.2 減少材料燃燒的煙霧產生

發生火災時,由于燃燒會消耗氧氣、釋放熱量和煙霧,導致司乘人員和旅客燒傷、嗆傷,甚至窒息死亡。并且,由于煙霧具有很強的遮光減光作用,使能見度大大降低,因而人在煙霧環境中正確判斷識別方向、迅速逃離火災現場非常困難。煙霧釋放量越大,對火災時人員生存、疏散和滅火越為不利。因此需要限制材料燃燒的煙霧釋放量。EN 45545-2標準根據絕緣材料在規定試驗條件下的煙密度來評價材料燃燒的煙霧釋放量,煙密度越小,越有利于人員疏散和滅火。因此,軌道交通車輛上的低壓配電產品要求使用的絕緣材料在被引燃時釋放盡可能少的煙霧量。

1.3 減少材料燃燒的煙霧毒性

1.4 提高材料的阻燃性能

當絕緣材料出現被引燃的情況時,如果材料的燃燒能夠得到快速地抑制或延滯,就能夠有效地降低火災發生和進一步蔓延的風險。可以通過垂直燃燒試驗獲得的絕緣材料的阻燃等級來進行評價,阻燃等級越高,越能夠快速有效地阻止燃燒地持續進行。EN 45545標準規定,軌道交通車輛用低功率電子電工元件如斷路器、過載繼電器、接觸器、繼電式接觸器等需要根據R26項目進行阻燃測試并滿足V-0阻燃等級[6-8]。

由于低壓配電產品類別、使用的位置場景以及危險等級的不同,所適用的EN 45545-2條款以及對材料安全使用性能的參數要求也不同,需要對低壓配電產品的材料進行相應地選型設計,使其滿足軌道交通車輛防火標準規范的相關要求。表3為低壓配電產品適用的EN 45545-2條款及不同火災危險等級的參數要求。

表3 低壓配電產品適用的EN 45545-2條款及不同火災危險等級的參數要求

2 滿足火災防護實際應用的材料設計要求

除了EN 45545防火標準規范外,還應當從我國軌道交通車輛火災防護的實際應用出發,對低壓配電產品的材料選型設計提出更符合實際情況、更有針對性、更有經濟成本優勢的要求,從而為軌道交通車輛的安全運行提供更可靠的保障。

2.1 降低電氣設備自身故障導致的火災風險

當軌道交通車輛中的電氣線路或設備發生短路、過載、接觸不良等故障時,會造成局部異常過熱或者電弧的產生。當絕緣材料長時間接觸高溫或電弧時,可能會引起材料的絕緣破壞而被引燃,導致火災的發生。因此,要求低壓配電產品使用的絕緣材料能夠盡可能長時間地承受高溫過熱或電弧而不會導致燃燒或明火的產生。為此,可以通過熱絲引燃時間(HWI)和電弧引燃值(HAI)來評價絕緣材料抵抗異常高溫過熱和電弧影響的水平的高低[6-8]。

當異常過熱或電弧導致材料的起燃不可避免時,材料應能夠在更薄的厚度上達到更高的阻燃等級,從而獲得更好的自熄阻燃效果。

通過對絕緣材料熱絲引燃時間、電弧引燃值以及阻燃等級這3個性能指標的綜合分析,可以評價低壓配電產品抵抗自身故障導致火災的能力水平。

2.2 有效阻止或延緩外部明火熱蔓延

低壓配電產品除了盡可能避免因自身故障而導致起火以外,還需要能夠有效阻止或延緩外部明火的進一步熱蔓延,從而為逃生爭取更多的寶貴時間。為此,推薦通過高溫熱焰測試,以起燃時間(以離開熱焰能持續燃燒超過3 s為標準)及是否有可燃滴落物來評價材料阻止外部明火熱蔓延的性能水平[6-8]。起燃時間越晚,且沒有可燃滴落物,則材料阻止外部明火熱蔓延的能力越強。

由于水資源總量有限，澳大利亞100多年來一方面通過大規模水利工程建設，促進水資源合理配置和水環境改善；另一方面經過建立流域管理體制，如著名的達令—墨累河流域綜合管理體制，基本實現了流域水土與環境資源的公平、高效和可持續利用，促進了經濟社會發展。

通過以上兩方面的充分考量,能夠在火災發生時提供更長的黃金逃生時間,更好地維護車輛和乘客的安全。

2.3 平衡經濟成本和使用性能的材料設計

成本和經濟性優勢也是進行材料選型設計時需要考慮的重要方面,因此需要對軌道交通車輛低壓配電產品常用絕緣材料的使用性能和成本經濟性進行分析,從而能夠多維度地對材料的選型設計提供依據。

軌道交通車輛用低壓配電產品中常用的絕緣材料為改性阻燃尼龍材料,因為其在材料強度、韌性、耐磨性、耐熱性、阻燃性能等方面具有良好的綜合使用性能以及較廣的材料成本選擇范圍。

改性阻燃尼龍材料主要是由基體樹脂材料、增強體、阻燃劑等組分構成。首先,在基體樹脂材料方面,常用的尼龍樹脂包括尼龍6、尼龍66/6、尼龍66等[9-11]。在使用性能上,尼龍6的韌性更好,但尼龍66的力學性能如強度與剛性(尤其是在濕度環境下)、耐熱性、尺寸穩定性方面更優,尼龍66/6介于二者之間。在材料成本上,尼龍66最高,尼龍66/6次之,尼龍6最低。其次,在增強體方面,常用的包括玻璃纖維、礦粉以及玻璃纖維與礦粉混合[12]。在使用性能上,玻璃纖維對力學性能的增強效果高于礦粉,但礦粉對于表面平整度、減少翹曲變形更有幫助[13]。在成本上,玻璃纖維略高,玻璃纖維與礦粉混合次之,礦粉略低,但相互之間的成本差異不大。另外,在阻燃劑方面,在軌道交通車輛用低壓配電產品中常用的阻燃劑(體系)主要包括氮系(FR(30))、有機磷系(FR(40))、氫氧化物(FR(61)等)及復合阻燃體系等。在使用性能上,有機磷系的氧指數、熱絲引燃時間、電弧引燃值、阻燃效果等方面最好(可達到V-0甚至更高阻燃等級)、對力學性能的影響也較小,氮系阻燃劑的煙密度較低,但氧指數、熱絲引燃時間、阻燃效果等方面相對較弱、對力學性能的影響較大,氫氧化物阻燃劑介于二者之間。在成本上,有機磷系阻燃劑的成本遠高于氮系和氫氧化物阻燃劑,氮系阻燃劑成本最低,氫氧化物阻燃劑介于二者之間。表4列出了不同類別的改性增強阻燃尼龍材料的使用性能與成本經濟性的比較。

表4 不同類別的改性增強阻燃尼龍材料的使用性能與成本經濟性的比較

總之,從軌道交通車輛防火標準規范以及火災防護的實際應用出發,通過平衡材料的各項使用性能以及經濟成本,根據不同的應用場景和使用要求優化低壓配電產品的材料選型設計,可以為軌道交通車輛提供經濟又可靠的高防火安全等級的低壓配電產品。

3 市場國內外低壓配電品牌產品的材料選型方案

表5列出了目前市場上部分國內外品牌軌道交通車輛用低壓配電產品使用的熱塑性絕緣材料類別及實測性能指標。目前,市場上軌道交通車輛用低壓配電產品使用的熱塑性絕緣材料多以玻纖增強、氮系或有機磷系阻燃的尼龍6或尼龍66為主,但是使用性能優劣不一,差異較大。有的能滿足EN 45545-2 標準中R22和R26 HL3最高防火等級以及較高的火災防護實際應用要求,但也有的只能滿足R23 HL2防火等級和一般火災防護要求。甚至,有一些絕緣材料實測的性能指標值如氧指數和煙密度低于宣稱值,導致實際上可能并不符合標準規范要求。

表5 國內外品牌軌道交通車輛用低壓配電產品使用的熱塑性絕緣材料類別及實測性能指標

4 軌道交通車輛專供低壓配電產品材料設計方案

4.1 通用應用場景的材料選型設計

通過全面梳理和總結軌道交通車輛防火安全對低壓配電產品的應用要求,基于產品的設計理念,在對絕緣材料組分、性能及經濟性的深入分析與研究的基礎上,伊頓電氣有限公司(以下簡稱“公司”)針對不同的客戶需求、應用場景、產品類別、安全等級以及經濟成本方面的考慮,為客戶設計并提供更多可供選擇的材料設計解決方案。

4.1.1 經濟型材料設計方案

首先,在小型斷路器產品方面,針對6 kA及以下分斷能力的小電流規格產品,公司在基體樹脂材料、增強體和阻燃劑方面分別采用了具有成本優勢的尼龍6、礦粉增強體和FR(30)氮系阻燃劑,設計出了礦粉增強氮系阻燃尼龍6材料方案。它能夠滿足EN 45545-2 R22 HL2和R23 HL2危險等級要求,并且具有一定的抗異常過熱和明火熱蔓延能力以及較高的抗電弧引燃能力。更重要的是,它具有最佳的經濟成本優勢。

對于10 kA更高分斷能力的小電流規格產品,公司在增強體和阻燃劑等方面進行了優化:一方面,采用玻纖與礦粉混合增強以提升材料的力學性能,滿足更高分斷能力的應用需求;另外,針對FR(30)氮系阻燃劑氧指數偏低、難以達到HL3等級(≥32%)以及對力學性能影響較大的問題,創新性地引入了FR(61)氫氧化鎂阻燃劑[14],從而設計出了玻纖與礦粉增強氫氧化鎂阻燃尼龍6,使得材料在力學性能、氧指數、煙密度方面的表現顯著提升,能夠滿足EN 45545-2 R22 HL3和R23 HL3的高危險等級要求。并且,抗異常過熱和明火熱蔓延方面的性能也有一定的提高。通過材料的優化設計,與市場上同類型產品的材料方案相比,這樣的設計方案在有競爭力的經濟成本以及較高等級的防火安全使用性能二者之間實現了更好的平衡。

其次,在接觸器和電機保護斷路器(DILM及PKZM等系列)等產品經濟型材料設計方案中,公司采用了玻纖增強復合體系阻燃尼龍6材料。它具有較高的氧指數和較低的煙毒性,并且通過采用復合阻燃劑使阻燃等級達到V-0,具有良好的自熄能力,能夠滿足EN 45545-2標準中R22 HL2、R23 HL3和R26 HL3高危險等級要求;同時,材料具有良好的抗異常過熱、抗電弧和明火熱蔓延性能。而在市場上能夠滿足以上使用性能的材料類別中,材料設計因為采用了尼龍6樹脂和復合阻燃劑而降低了材料經濟成本,具有高性價比的優勢。

4.1.2 最高防火等級材料設計方案

為了滿足客戶更嚴格的火災防護應用需求,公司在基體樹脂材料、增強體以及阻燃劑等方面進行了優化設計,提供了符合最高防火安全等級的材料設計方案:玻纖增強有機磷系阻燃尼龍66。它具有更高的氧指數、較低的煙密度和煙毒性,阻燃等級達到V-0甚至更高,滿足EN 45545-2標準中R22 HL3和R26 HL3最高危險等級要求;同時,材料的力學性能、抗異常過熱、抗電弧以及明火熱蔓延的能力也得到明顯的提高,抗異常過熱和抗電弧引燃性能達到了最高等級,阻止明火熱蔓延的時間也達到了90 s以上。通過多個維度的指標提升,使大電流規格小型斷路器、接觸器和電機保護斷路器產品能夠滿足最高等級防火安全和苛刻的火災防護應用場景的要求,確保在火災發生時能夠為乘客提供更長的寶貴的逃生時間。

此外,公司軌道交通專供低壓配電產品中使用的主要絕緣材料不含鹵素、無紅磷,是更加環保的材料。表6為軌道交通專供低壓配電產品的材料設計及使用性能。

表6 軌道交通專供低壓配電產品的材料設計及使用性能

4.2 特殊環境應用的材料選型設計

公司在對低壓配電產品進行材料選型設計時,兼顧了我國軌道交通車輛在一些特殊環境中的使用要求。

首先,由于我國幅員遼闊、南北溫度差異較大,因此需要考慮軌道交通車輛在不同溫度環境中的應用。尤其是低溫環境下,絕緣材料有韌性變差、沖擊強度降低的傾向,可能會影響低壓配電產品的綜合性能。公司通過對絕緣材料低溫力學性能的改性,有效地保證了絕緣材料在-40 ℃環境下仍能保持良好的使用性能[15]。

其次,當軌道交通車輛在高海拔地區運行時,由于海拔越高,空氣層越稀薄,對紫外線的吸收和反射也越少,所以海拔越高紫外線越強[15]。公司的低壓配電產品均選擇了符合UL 746C標準f(1)戶外使用認證、抗紫外性能優異的外殼絕緣材料,可有效地保證軌道交通車輛在高海拔環境下的可靠運行。

5 結論

本文全面梳理和總結了軌道交通車輛防火標準和火災防護實際應用對于低壓配電產品的材料選型設計的要求,介紹了公司在軌道交通車輛專供低壓配電產品方面針對不同產品和客戶需求的材料選型設計解決方案,以期為軌道交通車輛應用提供火災防護等級更高、更加安全可靠、更具經濟成本優勢的低壓配電產品, 保障火災發生時提供更長的黃金逃生時間,更好地維護車輛和乘客安全。