基于EN 45545系列標準的動車組布線防火設計思考

李豐收,嚴鈺甜,曾 星,楊 朋,李洪德,李庭芳

中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001

0 引言

軌道交通車輛作為出行的交通工具越來越受到大眾的歡迎,對軌道交通車輛運營的安全要求也在逐步提高。火災隱患是軌道交通車輛重要危險源之一,火災控制技術對于軌道交通車輛安全運行至關重要[1]。EN 45545《鐵路應用——機車車輛防火》是歐盟為了統一協調歐洲各國車輛防火要求,依據國際鐵路聯合會和不同歐洲國家現行車輛防火安全規程而制定的防火系列標準,旨在確保軌道交通車輛的內部材料和組件的耐火性能,以提供更高的乘坐安全性。動車組作為軌道交通車輛系統的一個重要產品,須滿足相應的安全要求。基于EN 45545防火系列標準的要求,本文從布線部件的防火設計、基于火災運行能力的布線設計以及防火布線、防火隔斷設計等方面對如何進行動車組布線設計提出思考與建議,為軌道交通車輛布線防火設計提供參考。

1 布線部件防火設計

布線部件類型很多,如電纜、軟管、扎帶、熱縮套管等,非金屬材料的類型也多種多樣。布線部件的防火性能是車輛防火的重要影響因素。相較于傳統的布線部件設計,更多的是注重其功能性,如扎帶,要求綁扎可靠,往往忽略扎帶本身材料煙密度、毒性等特性。基于EN 45545防火系列標準的要求,不同類型的布線部件設計,須滿足相關指標要求,這是布線設計師把控的關鍵項點。

布線部件的防火性能要求跟車輛危害等級有直接的關系,而車輛的危害等級取決于車輛的設計類別和運行類別。

1.1 危害等級的確認

根據車輛的運行類別和設計類別之間的關系確定車輛材料的危害等級(見表1),其中車輛的運行類別可以參考表2。

表1 危害等級的要求

表2 車輛的運行類別

例如,某項目有4個危險區域長度大于5 km,其中3個區段運行時間大于4 min且小于15 min。基于上述條件,該項目車輛運行類型為OC3,車輛設計類型為N(標準車型),因此整車的防火材料的危害等級需要至少滿足HL2。

1.2 布線材料分組確認

根據產品的暴露面積、可燃性、設計位置來考慮分組規則。產品被分為已列出產品和未列出產品。已列出產品詳見EN 45545-2《鐵路應用——鐵路防火 第2部分:材料和部件的防火性能要求》(下文簡稱“EN 45545-2”),該標準根據室內、室外、裝飾、電子和機械設備進行了分組(R1～R26),每個分組中所有的測試要求均已給出。

EN 45545-2未列出的產品視為未列出產品,未列出產品可根據EN 45545-2第4.3分組規則進行評估。

1.3 布線材料測試項點及指標確認

根據材料的分組確定材料測試項點,結合危害等級(如HL2),確定布線材料的具體指標要求。如表3所示,滿足R15的材料要求測試項點有T09.01、T09.02或T09.03或T09.04(根據電纜的外徑d確定對應測試標準)、T13、T15這4項。以T13煙密度指標為例,測試方法按EN 61034-2在規定條件下燃燒的電纜煙密度的測量第2部分的試驗程序和要求,對應HL2等級的要求最小50%等。

表3 材料分組R15測試項點及指標

1.4 小結

通過以上步驟,可以確定車輛上不同布線部件需要滿足的相關要求,從材料方面確保布線部件設計能夠滿足防火的要求。需要注意的是不同的材料所要求的試驗項點內容不相同,在設計過程中,要依據材料的特性,提出相應的要求。同時對于電纜,若滿足EN 50306《軌道交通——具有特殊防火性能的薄壁型鐵路機車車輛電纜》,EN 50264《軌道交通——具有特殊防火性能的鐵路機車車輛用電力及控制電纜》或EN 50382《軌道交通——具有特殊防火性能的鐵路機車車輛用高溫電力電纜》等系列標準,可認為滿足R15和R16的要求[2]。對于相同結構的電纜,2種不同外徑符合要求,則中間所有直徑電纜都符合要求。

2 基于火災下運行能力的布線設計

對于滿足OC2或OC3的車輛,考慮到救援及火災疏散的要求,車輛要求具備完整的防火隔斷結構,并具備火災下運行至少4～15 min的能力。在發生火災后,要求至少具備以下電氣功能:通信功能、牽引功能、制動功能、車門開關功能、緊急照明功能、列車總線控制功能、火災探測功能、廣播功能等。這些要求不同于傳統的車輛設計,因此本節將重點介紹布線的設計思路及設計方案。

2.1 布線設計思路

針對火災情況下車輛運行4 min或15 min的需求,布線設計思路如下。

1)使用耐火電纜,即采用能通過EN 50200緊急電路用非保護型小電纜的耐火性試驗方法測試的電纜。耐火電纜基本結構為在電纜的線芯導體與絕緣護套層之間纏繞一層云母帶。云母帶具有絕緣、耐高溫、隔熱性好的特點,能在一定時間內保護電纜內部不受外部高溫的影響,使得電纜即使在絕緣保護材料全部失效的情況下仍能依靠云母帶保持絕緣性能,進而保證電纜正常導流。

2)采用結構防火方案。對于可能受到火災影響的線路,可以采用一定的防護結構,確保線纜不受火災的影響。如采用機械防護結構,將電纜全部敷設到管道內或者將電纜包裹在防火材料內。再如采用耐火涂層,在電纜敷設后,對有運行完整性的電纜進行噴涂耐火涂層(見圖1),此處理方案理論上可行,但實際上,存在耐火涂層脫落的風險,并不完全適應車輛的使用環境。

圖1 電纜噴涂耐火材料示意圖

3)采用系統冗余或者布線冗余處理措施。耐火電纜僅限于單芯電纜,對于其他類型的電纜如通信電纜,目前仍無耐火類型電纜。考慮到實際的著火情況,可采用系統冗余或者布線冗余處理措施。系統冗余是指當某一系統的功能因火災不能正常工作時,備用系統接替工作或者降級運行。布線冗余措施是將部分功能的電纜進行冗余設計,且分別布置,即使單路發生著火,另外一路仍能正常工作,從而確保整個電路不受火災影響。

2.2 布線設計方案

安裝在電氣屏柜內部的設備(非大功率設備),由于遠離大功率設備,不受火災影響導致功能失效,因此對于此類屏柜內部,電纜可不使用耐火電纜。對于大功率設備柜,整體需要做隔斷,內部各設備之間的電纜也可不采用耐火電纜。針對各系統電氣功能的布線設計方案如下。

1)牽引能力方面:采用2個獨立的牽引單元,當車輛著火時,一套牽引單元因火災發生故障時,此時可切除該故障牽引單元,由另外的牽引單元牽引列車繼續運行。即通過牽引系統冗余的方式,實現列車牽引系統在火災下的正常運行。

2)制動能力方面:制動系統的停放制動回路、空氣制動回路、間接制動列車線等線路如果火災失效,將引起列車錯誤的停放制動。故上述線纜均要使用耐火電纜。

3)列車控制方面:受電弓控制回路、主斷控制回路、司機室占有、牽引制動控制、向前/向后運行控制、列車零速控制電纜、列車安全回路等功能的電纜,均要使用耐火電纜。

4)列車網絡方面:每列車需配置2個網關模塊,模塊之間互為冗余熱備份。正常情況下其中一個作為主控設備,另外一個作為備用處于熱備份狀態。車輛總線通信線路采用雙通道冗余設計,當某一路通信線路出現故障時,系統可以自切換到另一通信線路。兩路網線需要分車輛的左右側敷設。

5)車門控制方面:為避免火災時電纜燒斷無法開門,開門允許、零速、開門指令列車線采用耐火電纜。對于單個門內部的連線,即使起火導致單個門無法打開,其他的門仍能整車工作,因此對于此部分的電纜可以不用耐火電纜。

6)乘客對講方面:客室廣播主機設置在非大功率設備區,緊急對講器采用兩路單獨布線模式,一路因火災燒斷,不影響正常對講功能。因此乘客對講器的布置要求至少在車輛的兩邊各布置一個,且需要單獨從客室廣播主機引線。在滿足以上要求時,與乘客對講相關的電纜可不采用耐火電纜。

7)乘客廣播:客室廣播主機設置在非大功率設備區,喇叭采用兩路單獨布線模式,車輛左右側各設置一條回路,一路因火災燒斷,不影響正常廣播。

8)火災探測系統:火災報警主機設置在非大功率設備區,采用環狀網絡布線,單點故障不影響火災探測功能。

9)空調系統:根據不同的起火模型,需要保證空調的新風閥和廢排的正常工作,因此空調控制盤與新風閥和廢排相應的電纜需要采用耐火電纜。

10)照明系統:照明模塊設置在非大功率設備區,采用左右兩路單獨布線模式,一路因火災燒斷,不影響照明的整車工作。因此對于采用此種方案的照明,可不采用耐火電纜。若整車照明僅有一路照明實現,照明燈之間需要采用耐火電纜。

11)防火門控制:防火隔斷門的門控器通過硬連線控制門的打開關閉,需要采用耐火電纜。

2.3 小結

基于火災運行能力的布線設計,與傳統的設計思路有很多不同。在傳統的設計過程中,布線往往是根據電氣系統的要求實現電氣連接及功能即可,而對于火災運行模式下的布線,布線的一些方案也會影響到電氣系統設計。如乘客廣播,傳統方案是從廣播主機逐個連接整車所有的揚聲器即可,基于火災模式下的客室廣播,就需要將揚聲器分成2路,每一路從廣播主機單獨接線。在設計過程中,要綜合考慮方案的最優性。

3 布線防火隔斷設計

火災是一個從產生—發展蔓延—熄滅的過程。防火隔斷的主要作用是控制和延緩火災的蔓延,給乘客的疏散逃生贏得時間[3]。防火隔斷主要是隔絕煙、火焰和熱的傳播,對應3個指標:耐火完整性、耐火隔熱性和熱輻射。耐火完整性,即在火災發生時,其受火面能在一定時間內防止火焰穿透的性能;耐火隔熱性和熱輻射,即在火災發生時,能在一定時間內確保其背火面溫度的上升不至于引燃背火區物品的性能。

基于整車防火隔斷要求,電纜及其穿線孔是防火隔斷結構中薄弱的位置,需要重點考慮,布線防火隔斷設計典型方案如下。

3.1 客室隔斷結構

客室電纜從隔斷結構穿過,在電纜敷設完畢后進行耐火處理。特別說明在隔斷結構處若采用打膠方案,在隔斷穿孔處要設計一定長度的平臺,用于膠成型,如圖2所示。

圖2 客室隔斷示意圖

3.2 底架穿線隔斷結構

客室去底架部分的電纜,考慮到電氣柜起火的可能性,一般也需要進行打膠防火處理。同時也需要兼顧整車氣密性的處理。孔洞的尺寸和位置要能方便打膠,并預留再次穿線的波紋管,如圖3所示。

圖3 底架隔斷示意圖

4 結束語

本文基于EN 45545標準的防火要求,重點從布線部件防火設計、火災情況下車輛運行能力以及布線防火隔斷3個方面出發,對動車組布線設計提出切實可行的設計方案,該方案已在出口歐洲動車組和國內市域動車組項目進行了落實和驗證,并得到第三方認證機構及業主用戶的認可。本文提供的方案為軌道交通車輛布線防火設計提供了參考。