新一代電力機車防火系統的優化設計與實踐

摘要：國內部分“和諧型”機車已進入產品生命周期的中末期階段，為滿足機車裝備的更新和運用需求，國內已啟動新一代交流傳動電力機車系列化產品的研發工作，其對機車的安全可靠性提出更高要求，進而也提升了機車防火設計的重要性。介紹了我國電力機車防火技術的研發現狀，重點論述了新一代電力機車在主動滅火、防火監控、防火標準采用等方面的防火技術提升。

關鍵詞：電力機車；主動滅火；防火監控；防火標準

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）12-0034-03

“和諧型”電力機車的發展歷程已近20年，實現了從直流傳動到交流傳動的技術轉型。目前，全國范圍內電力機車的保有量約為13500臺，其中交流傳動機車占比高達82%。部分“和諧型”機車已進入其產品生命周期的中后期。為進一步推動交流傳動電力機車技術的高質量發展，滿足機車裝備升級換代和使用需求，并引領未來機車裝備的發展方向，國家鐵路集團總公司統籌部署，中車集團旗下的電力機車研發主機廠正科學有序地開展新一代交流傳動電力機車系列產品的研制工作。

“和諧型”系列機車在設計時依據DIN5510、UIC564-2、UIC617-1、UIC642、GB6771—2000和TB/T3138—2006等防火標準，從設備布局、結構優化、材料防火性能、電氣線路與布線、屏柜防火設計、火災監測與預警、火災逃生與疏散以及消防措施等多個維度進行了綜合設計和優化[1]。

1 關鍵設備主動滅火系統的加裝

當前，國內“和諧型”系列電力機車通過6A系統的視頻監控子系統與火災監控子系統的聯動，實現了火災的自動監測和報警功能。新一代電力機車的牽引變流器、動力電池柜等關鍵部件加裝主動滅火系統，可實現火災監測預警，并根據火警信息實現自動滅火。

1.1" 牽引變流器主動滅火系統

牽引變流器柜內火災風險主要源于電氣線路的虛接或拉弧放電等現象，潛在起火源主要有隔離接觸器故障等高風險起火源，振動沖擊運行工況下可能存在的功率端子處松動導致拉弧放電等中等風險起火源，其他如斬波電阻、放電電阻、功率電纜等發熱部件過熱引發的低風險起火源。牽引變流器主動滅火系統的布局見圖1。

主動滅火系統部件功能見表1。

采用全氟己酮管網方案進行全淹沒滅火，機車司機室顯示屏可顯示火災報警及滅火相關信息；系統具有手動和自動滅火功能，可以借助滅火控制器屏蔽自動滅火功能。

1.2" 動力電池主動滅火系統

為提升機車多作業場景適應性，新一代電力機車配置了鋰離子動力電池。根據鋰離子動力電池火災特性、動力電池系統結構和需要保護對象，為在火災發生初期對火情進行有效的控制，更好的保護設備、創造人員逃生時間，根據保護區域位置，充分考慮空間、環境等因素，設計動力電池的主動滅火系統方案，其系統布局見圖2。

動力電池主動滅火系統包含內置式監測模塊、消防鋼瓶、滅火劑輸送管道、消防控制器、噴嘴及探測/主控制線束等零部件。該系統能實現低功耗實時監測、準確報警、及時干預滅火的功能。內置式監測模塊內部包括環境溫度傳感器，同時溫度信號可由消防控制器直接讀取，可從電池管理系統采集溫度數據，確保在動力電池熱失控初期被發現。消防控制器的檢測依靠消防控制器主板及消防鋼瓶壓力表，當消防鋼瓶壓力低于設定值時，主板將發出報警信號。消防鋼瓶+管網式滅火抑制裝置可以保證將全氟己酮滅火劑噴射并浸沒整個電池柜。

2 新一代6A系統升級

新一代系統通過升級，優化了關鍵部件的故障導向安全及控車功能，集成了PHM信息以提高性能。升級后的系統在防火方面實現了主動滅火及火警控車功能；走行部傳感器升級，實現軸溫異常報警與控車聯動；視頻監控系統升級為高清數字視頻，并新增車頂高壓視頻監控功能。防火監控子系統是新一代6A系統的重要組成部分，主要功能是感應煙霧和熱量等物理量，用于火情監測及機車防火報警。當探測器發現火情后，信號傳遞至防火監控板卡，板卡通過信號燈標識火情區域，并將報警信號傳送至中央處理平臺。中央處理平臺會自動切換至火警區域視頻畫面，便于迅速處置火情。

變流柜滅火監控模塊是防火監控子系統的組成部分。粒子感煙煙溫探測器和紅外熱成像探測器來探測變流柜內的火情，滅火控制器與探測器通信，一旦接收到火災預警或報警信號，滅火控制器會啟動電磁閥噴放滅火劑滅火，并將信息傳送給中央處理平臺及司機室監控屏顯示。

3 符合EN 45545標準的新一代電力機車防火設計

3.1" 國內機車防火標準體系的應用

“和諧型”系列機車設計采用DIN5510、UIC564-2、UIC617-1、UIC642、GB6771和TB/T3138等標準。GB6771基于UIC617-1，規定電氣設備安全和火情控制，但未詳細劃分防火等級，也未涵蓋材料、零部件防火性能、車輛防火設計、防火隔斷及可燃氣體和液體裝置的防火安全要求。TB/T3138參照UIC564-2和NFF16-101，針對時速200km及以下機車車輛，明確材料及零部件防火性能。DIN5510涉及防火等級、材料和零部件防火性能、防火隔斷設計、車輛安全、電氣設備安全及火情控制，但未具體要求可燃氣體和液體裝置防火安全，且對防火隔斷與車輛安全要求描述簡單。

歐盟制定EN45545系列標準，統一各國防火標準，涵蓋材料及零部件防火性能、防火隔斷阻燃要求、機車車輛防火設計、火情控制與管理系統，以及可燃氣體和液體裝置防火安全等。EN45545系列標準作為國際軌道交通領域最完善的防火標準體系，逐步取代歐盟成員國現有防火規范。新一代電力機車防火性能優異，采用材料防火、結構防火、防火安全設計及電氣安全設計等手段，將火災風險降至最低，嚴格遵循EN45545標準，提高整車防火設計水平。

3.2" 適合EN45545標準的新一代電力機車防火設計思路

3.2.1" 材料和零部件防火性能

材料和部件的防火性能受其內在特性及設計位置、形狀、布局、暴露表面等因素影響。EN45545標準對近70種非金屬材料和部件分類，規定了性能要求，包括測試方法和防火性能指標，如火焰熄滅臨界熱通量、光密度、毒性指標、氧指數和火焰沖擊測試等。根據EN45545標準，火災危害等級越高，材料防火指標要求越嚴格。機車材料和部件需符合EN45545-2及相關國內標準，以減少火災對人員威脅。牽引變壓器冷卻油選用礦物油，電線和電纜使用無鹵低煙阻燃電纜，符合EN50306、EN50264和EN50382標準。

車輛設計類別包括N類、A類、D類和S類。運行類別取決于服務和基礎設施及人員疏散條件，由運營線路的隧道或高架長度與消防點分布等因素決定。OC2類別適用于隧道或高架長度不超過5km，且具備側面疏散條件的線路。

3.2.2" 防火隔斷

在高火災風險區域，需設置防火隔斷以阻止火焰和熱量傳播，為人員疏散爭取時間。防火隔斷性能包括完整性與隔熱性。完整性指防火隔斷在高溫下阻止火焰穿透的能力；隔熱性指控制另一側溫升的能力。這些性能共同確保火災時限制火焰和熱量擴散，保障人員安全[2]。對于不同運行類別的車輛，防火隔斷有不同的要求。新一代電力機車司機室后端墻采用整體防火隔斷設計，符合完整性要求。結構包括端墻、車門、觀察窗等，使用防火密封膠條和特殊防火玻璃，以及金屬扣蓋和防火密封膠，有效防止火焰穿透。灌注型防火膠采用模塊化設計，方便后期更換管路和線路，見圖3。

司機室后端墻由鋁合金材料制成，內部填充耐火纖維棉，表面噴涂防火涂料，整體設計確保防火完整性，有效發揮隔斷作用。

3.2.3" 火情監控

運行中的列車需要由火災探測系統進行全程監控，以確保能夠迅速檢測并反饋車輛內可能發生的意外火情[3]。該系統由感煙探頭、感溫探頭和感溫電纜等探測設備以及火災報警控制器組成，實時監控區域內的煙霧濃度和溫度變化，快速生成并輸出火災報警信息。新一代電力機車的火情監控設備布置情況見圖4。

在列車中，可以識別出可能為火災提供燃燒能量的系統，以及可能導致火災擴散或對滅火工作造成影響的系統。如高功率牽引設備和內燃動力系統等。當新型電力機車檢測到火災發生在特定區域時，可以切斷牽引設備與動力電池以及空調等裝置的運行。

4 結束語

新一代電力機車防火技術的提升，是對傳統防火設計理念的繼承與優化，更是技術創新的全面體現。主動滅火系統的研發與應用、關鍵部件的監控和升級，以及符合國際標準的防火設計體系的建立，使機車的安全性和可靠性得到了有效提高。這些技術措施有助于降低火災發生的概率，還能在緊急情況下有效遏制火勢，保護乘客和工作人員的生命財產安全。新一代6A系統的升級，使機車在火災監測與報警方面更為智能化，與主動滅火裝置相配合，形成了全方位的火災防控體系。

參考文獻

[1]郝占紅，高智慧，高秀.電力機車火災特性研究[J].鐵道機車與動車，2024（10）：6-9+14+5.

[2]中國船級社助力新一代直流組網型電力推進系統國產化[J].中國船檢，2020（9）：100.

[3]陳立勝，劉斌，王位.符合EN 45545標準要求的混合動力調車機車防火設計[J].電力機車與城軌車輛，2020，43（4）：29-32+59.