無(wú)人駕駛地鐵車(chē)輛電氣屏柜防火安全設(shè)計(jì)

陳艷艷　曹宇

摘 要：無(wú)人駕駛地鐵車(chē)輛正在全國(guó)逐步推廣， 如何保障車(chē)輛安全可靠運(yùn)行是無(wú)人駕駛車(chē)輛研究的核心，而火災(zāi)隱患是影響車(chē)輛安全的主要危險(xiǎn)源之一，因此車(chē)輛防火安全設(shè)計(jì)尤其重要。本文闡述了基于EN 45545-2013的無(wú)人駕駛地鐵車(chē)輛電氣屏柜防火設(shè)計(jì)方法：通過(guò)分析電氣屏柜特點(diǎn)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求，研究有效且可行的防火措施，確定不同屏柜的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及防火方案。并從耐火隔板設(shè)計(jì)、通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)、出線孔封堵方案等方面詳細(xì)介紹了耐火屏柜設(shè)計(jì)方案，有效提高了屏柜及整車(chē)的防火安全性。

關(guān)鍵詞：EN 45545-2013標(biāo)準(zhǔn) 無(wú)人駕駛 地鐵車(chē)輛 屏柜設(shè)計(jì) 防火

中圖分類號(hào)：U284.48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）03（b）-0071-03

全自動(dòng)無(wú)人駕駛地鐵車(chē)輛是指在完全沒(méi)有司機(jī)和乘務(wù)人員參與，車(chē)輛在控制中心的統(tǒng)一控制下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)列車(chē)休眠、喚醒、準(zhǔn)備、自檢、自動(dòng)運(yùn)行、停車(chē)和開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)等功能。具有高度自動(dòng)化的技術(shù)先進(jìn)性，能夠有效減少人為操作，提升運(yùn)營(yíng)安全性、降低運(yùn)營(yíng)成本等優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，無(wú)人駕駛地鐵車(chē)輛正在全國(guó)逐步推廣。上海軌道交通18號(hào)線（以下簡(jiǎn)稱SML18），即采用全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)，安全問(wèn)題是保障無(wú)人駕駛地鐵系統(tǒng)長(zhǎng)期成功運(yùn)行的核心，車(chē)輛必須具有高度的安全可靠性，而火災(zāi)隱患是影響車(chē)輛安全的主要危險(xiǎn)源之一，因此車(chē)輛防火安全設(shè)計(jì)尤其重要。SML18項(xiàng)目車(chē)輛采用EN 45545-2013《鐵路應(yīng)用-鐵路車(chē)輛防火》，EN 45545-2013是歐盟國(guó)家統(tǒng)一的車(chē)輛防火標(biāo)準(zhǔn)，具備高水平的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

電氣屏柜是地鐵車(chē)輛重要的組成部分，集成了牽引、輔助、乘客信息、網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)設(shè)備， 具有承載、供電、控制、過(guò)載和短路保護(hù)電氣設(shè)備的作用，影響許多重要功能的實(shí)現(xiàn)，因此電氣屏柜防火安全設(shè)計(jì)是車(chē)輛防火安全設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。

因此，本文以SML18項(xiàng)目車(chē)輛屏柜為例，主要從火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析、防火方案設(shè)計(jì)、耐火屏柜方案等幾個(gè)方面，介紹基于EN 45545-2013的無(wú)人駕駛車(chē)輛電氣屏柜的防火安全設(shè)計(jì)。

1 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 防火總體要求

SML18項(xiàng)目無(wú)人駕駛車(chē)輛基于EN 45545-1-2013的設(shè)計(jì)類別為A，運(yùn)行類別為OC4，危害等級(jí)為HL3，因此應(yīng)按照EN 45545-2013中的HL3等級(jí)的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 主要火源分析

屏柜內(nèi)主要是電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，有以下幾類：

設(shè)備散熱不良，產(chǎn)生局部高溫，熔化絕緣層起火或直接引燃周邊可燃物。

斷路器、熔斷器、繼電器、接觸器和線纜截面積等選型過(guò)小，負(fù)載電流大引起過(guò)載發(fā)熱起火。

端子、連接器的接線頭表面污損、松脫、或者長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致接觸電阻增大，造成局部過(guò)熱或觸頭熔焊產(chǎn)生電弧，熔化絕緣層起火。

電纜表面出現(xiàn)機(jī)械損傷或老化導(dǎo)致短路或電弧，產(chǎn)生局部高溫，熔化絕緣層起火或直接引燃周邊可燃物。

方便插座負(fù)載功率超過(guò)設(shè)計(jì)選型閥值，長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行，導(dǎo)致局部發(fā)熱起火。

1.3 各屏柜風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)功能和設(shè)備布置需要，SML18項(xiàng)目車(chē)輛客室屏柜總體設(shè)計(jì)如下，Tc車(chē)客室內(nèi)設(shè)置設(shè)備柜、信號(hào)柜、低壓柜；Mp車(chē)客室內(nèi)設(shè)置低壓柜、控制柜、微機(jī)柜；M車(chē)客室內(nèi)設(shè)置低壓柜、控制柜。首先針對(duì)各屏柜內(nèi)設(shè)備的電氣性能、安全等級(jí)、火源識(shí)別來(lái)進(jìn)行電氣屏柜的安全分析。

根據(jù)各屏柜的安裝位置和設(shè)備布置差異，主要分為三大類，分別對(duì)三大類進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

1.3.1 設(shè)備柜風(fēng)險(xiǎn)分析

設(shè)備柜安裝在座椅下，供電電壓均為110VDC，含有較大功率的設(shè)備為無(wú)線電主機(jī)（<200W）和SKS模塊（<40W），功率較小，發(fā)生電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，在持續(xù)的較長(zhǎng)時(shí)間作用下，會(huì)破壞絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致短路或熔化絕緣層，造成設(shè)備局部焦化變黑。由于火源能量較小，火災(zāi)長(zhǎng)時(shí)間處于初期煙和熱的釋放發(fā)展階段，在失去持續(xù)火源和氧氣不充分的情況下，初期火焰容易自熄，火勢(shì)不會(huì)在設(shè)備柜內(nèi)部區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大以至于燒穿座椅蓋板蔓延至客室內(nèi)，不會(huì)對(duì)乘客生命安全造成較大威脅。座椅屏柜內(nèi)發(fā)生火災(zāi)為不可見(jiàn)性火災(zāi)，乘客可通過(guò)嗅覺(jué)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)危害嚴(yán)重等級(jí)定義火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，座椅下設(shè)備柜局部火災(zāi)導(dǎo)致的后果是對(duì)乘客沒(méi)有傷害，或者可能由于刺激性氣體產(chǎn)生恐慌導(dǎo)致的輕微傷害（低于輕傷）。

1.3.2 信號(hào)柜、控制柜、微機(jī)柜風(fēng)險(xiǎn)分析

信號(hào)柜、控制柜、微機(jī)柜布置在每節(jié)車(chē)輛的端部，額定電壓均為110VDC，較大功率設(shè)備為微型斷路器（16A；P<1.6kW）、方便插座（P<3kW）。發(fā)生電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，在持續(xù)的較長(zhǎng)時(shí)間作用下，會(huì)熔化絕緣層，并引燃可燃材料，造成屏柜內(nèi)局部受限火災(zāi)，如局部焦化燒黑，屏柜內(nèi)局部火焰不會(huì)在屏柜內(nèi)部大規(guī)模擴(kuò)散，并通過(guò)連接間隙和通風(fēng)格柵蔓延至客室及相鄰貫通道，對(duì)乘客生命安全造成威脅，根據(jù)危害嚴(yán)重等級(jí)定義和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析，屏柜內(nèi)部局部火災(zāi)導(dǎo)致的后果是對(duì)乘客沒(méi)有傷害或者由于刺激性氣體/恐慌導(dǎo)致的輕微傷害（低于輕傷）。

1.3.3 低壓柜風(fēng)險(xiǎn)分析

低壓柜布置在每節(jié)車(chē)輛的端部，額定電壓均為DC 110V和AC 380V，空調(diào)控制盤(pán)中含有較大負(fù)載功率器件，如主進(jìn)線斷路器（<30kW）、壓縮機(jī)斷路器（<13kW）等。由于含有大功率器件（根據(jù)EN 45545-1-2013標(biāo)準(zhǔn)，定義額定功率大于20kW的電路為大功率電路），容易產(chǎn)生高溫?zé)劢^緣層或產(chǎn)生電弧直接引燃周邊可燃材料，引發(fā)火災(zāi)。屏柜內(nèi)火焰將由內(nèi)蔓延至客室和貫通道內(nèi)，并進(jìn)一步引燃屏柜周邊可燃材料，依據(jù)危害嚴(yán)重等級(jí)定義，將有可能造成乘客輕傷以及恐慌所帶來(lái)的二次傷害，危害等級(jí)較高。

2 防火方案設(shè)計(jì)

2.1 防火措施

EN 45545標(biāo)準(zhǔn)的目的是盡量減少起火的概率，控制火勢(shì)蔓延的速度和程度，以便盡量減少火災(zāi)對(duì)乘客的影響。根據(jù)地鐵車(chē)輛電氣屏柜的特點(diǎn)，防火措施主要從以下幾個(gè)方面考慮：

2.1.1 非金屬材料的防火性能

屏柜內(nèi)設(shè)備的非金屬材料的防火性能滿足EN 45545-2013標(biāo)準(zhǔn)的HL3要求，如電纜滿足EN 50306，EN 50264， EN 50382 或EN 45545-2-2013 的R15要求；機(jī)箱、低壓電器、端子排、連接器、布線輔料中的非金屬材料等滿足EN 45545-2013的 R24或R25要求；屏柜內(nèi)小型可燃材料如果滿足周邊橫向20mm，縱向200mm無(wú)其他非金屬材料，質(zhì)量小于0.1kg，則沒(méi)有要求，否則也需滿足EN 45545-2013標(biāo)準(zhǔn)的HL3等級(jí)要求。

2.1.2 合理的電氣設(shè)計(jì)和設(shè)備布置

通過(guò)合理的電氣設(shè)計(jì)和設(shè)備布置降低火災(zāi)危害性。屏柜內(nèi)所有系統(tǒng)設(shè)備均設(shè)置有斷路器對(duì)其進(jìn)行短路和過(guò)載、過(guò)流保護(hù)；牽引控制、制動(dòng)控制、緊急照明供電、緊急通信、車(chē)門(mén)控制、火災(zāi)探測(cè)電源線路等關(guān)鍵回路選擇耐火電纜；含有大功率器件的屏柜建議不安裝關(guān)鍵回路設(shè)備，如果必須安裝關(guān)鍵回路設(shè)備，則應(yīng)該安裝在大功率器件的下方，并采用耐火電纜；關(guān)鍵回路設(shè)備采用冗余設(shè)計(jì)，每列車(chē)至少配備兩套，當(dāng)其中一個(gè)設(shè)備故障，不會(huì)影響列車(chē)牽引和制動(dòng)控制、緊急照明等重要功能。

2.1.3 火災(zāi)監(jiān)控

屏柜內(nèi)設(shè)置感溫感煙探測(cè)器或者感溫電纜，當(dāng)探測(cè)到火災(zāi)后，通過(guò)TCMS 向OCC 報(bào)警，由人工觸發(fā)相應(yīng)的滅火和應(yīng)急措施。

2.1.4 防火隔斷

含有大功率器件的的屏柜，通過(guò)在設(shè)備與乘客之間設(shè)置防火墻來(lái)保護(hù)乘客及乘務(wù)人員安全。如果屏柜內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，可在一段時(shí)間內(nèi)延遲和阻止火焰蔓延和煙毒氣體擴(kuò)散，保護(hù)車(chē)上人員安全疏散。

2.2 防火方案

根據(jù)對(duì)各屏柜的風(fēng)險(xiǎn)分析，危害等級(jí)不同，需要采用不同的防火措施。

2.2.1 設(shè)備柜防火方案

根據(jù)以上分析得知，安裝在座椅下的設(shè)備柜內(nèi)設(shè)備功率較低，危害等級(jí)較小，可以通過(guò)以下措施防火：所有設(shè)備均設(shè)置過(guò)載過(guò)流保護(hù)，設(shè)備非金屬材料滿足EN 45545-2013的HL3要求，設(shè)備外圍及上部座椅面采用金屬或者滿足EN 45545-2013的HL3要求的玻璃鋼材料。

2.2.2 信號(hào)柜、微機(jī)柜、控制柜防火方案

信號(hào)柜、微機(jī)柜、控制柜含有較大功率的設(shè)備，可通過(guò)合理的電氣設(shè)計(jì)和設(shè)備布置降低火災(zāi)危害性，采用滿足EN 45545-2013的HL3要求的設(shè)備材料，并在屏柜頂部設(shè)置感溫感煙探測(cè)器，通過(guò)監(jiān)控火災(zāi)情況采取人工應(yīng)急措施。

2.2.3 低壓柜防火方案

低壓柜內(nèi)由于含有大功率器件危險(xiǎn)等級(jí)較高，需要采用多重防火措施來(lái)降低風(fēng)險(xiǎn)。首先，低壓柜內(nèi)建議不安裝關(guān)鍵回路設(shè)備，安裝在Tc車(chē)低壓柜中的VCU（中央控制單元）必須布置在空調(diào)控制板的下方，盡量靠近底部，并且電纜須采用耐火電纜；在低壓柜頂部設(shè)置感溫感煙探測(cè)器，通過(guò)監(jiān)控火災(zāi)情況采取人工應(yīng)急措施；并且低壓柜需設(shè)計(jì)耐火隔板，SML18項(xiàng)目運(yùn)行類別為OC4，根據(jù)EN 45545-3-2013因此低壓柜需要設(shè)計(jì)E15（完整性15min）的防火隔板，如果低壓柜內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，將在15min內(nèi)被限制在屏柜內(nèi)部，相對(duì)于到達(dá)下一站安全疏散空間（<4 min）還有安全時(shí)間余量，可用于火災(zāi)撲滅和應(yīng)急救援。

3 低壓柜耐火設(shè)計(jì)

綜合以上分析，SML18項(xiàng)目Tc、Mp車(chē)和M車(chē)低壓柜因安裝有較大負(fù)載功率器件，需要按EN 45545-3-2013要求設(shè)計(jì)滿足15min完整性的耐火隔板，受保護(hù)的位置為客室區(qū)域的乘客。

3.1 低壓柜結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置

低壓柜內(nèi)部由金屬骨架承載設(shè)備，下部為低壓控制盤(pán)，主要安裝了VCU、繼電器、接觸器、方便插座、斷路器等低壓供電及控制設(shè)備；上部為空調(diào)控制盤(pán)，主要安裝了空調(diào)相關(guān)的供電及控制設(shè)備，大功率器件如空調(diào)進(jìn)線斷路器（<30kW）、壓縮機(jī)斷路器（<13kW）等安裝在空調(diào)控制盤(pán)中。包圍低壓柜金屬骨架的有6個(gè)面，其中兩個(gè)面與乘客相鄰，四個(gè)面不與乘客相鄰，分別為底面車(chē)體地板、頂面、側(cè)面車(chē)體端墻和車(chē)體側(cè)墻。

3.2 耐火隔板設(shè)計(jì)

根據(jù)EN 45545-3，大于等于5mm的鋁板耐火性能即可達(dá)到E15，底面車(chē)體地板為8mm鋁板，側(cè)面車(chē)體端墻為6mm鋁板，側(cè)面車(chē)體側(cè)墻為30mm鋁型材，且底面車(chē)體地板、側(cè)面車(chē)體端墻和車(chē)體側(cè)墻不與乘客相鄰，因此可以沿用原結(jié)構(gòu)。

低壓柜的頂部分布有客室線槽、客室風(fēng)道、門(mén)驅(qū)和LCD顯示屏，詳見(jiàn)圖1。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，空調(diào)控制盤(pán)頂部與客室線槽的距離約為40cm，與門(mén)驅(qū)距離約為16cm，與客室風(fēng)道距離約為68cm，與LCD顯示屏的距離約為66cm。如果空調(diào)控制盤(pán)中的大功率設(shè)備發(fā)生火災(zāi)，火焰將會(huì)向上燃燒進(jìn)一步引燃頂部設(shè)備的非金屬材料，導(dǎo)致火災(zāi)迅速蔓延至客室，危及乘客安全，因此，頂面需設(shè)置耐火隔板。

與乘客相鄰的兩個(gè)面危險(xiǎn)等級(jí)最高，如果低壓柜內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)，火焰和煙毒氣將會(huì)迅速蔓延至客室，將有可能造成乘客受傷以及恐慌所帶來(lái)的二次傷害，必須設(shè)置耐火隔板，降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)所帶來(lái)的后果。

頂面和兩個(gè)底面耐火隔板主體選用輕芯鋼和鋁蜂窩復(fù)合板結(jié)構(gòu)，后附陶瓷纖維，與車(chē)體端墻、側(cè)墻的連接處縫隙填充防火膨脹膠條，柜門(mén)四周粘貼防火膨脹密封膠條；頂面耐火隔板用低壓柜柜體和車(chē)體安裝座支撐，與車(chē)體端墻、側(cè)墻、以及兩個(gè)立面耐火隔板之間的連接處縫隙也需填充防火膨脹膠條。圖2為低壓柜耐火結(jié)構(gòu)示意圖。

3.3 通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)

低壓柜中安裝了空調(diào)控制、列車(chē)控制、輔助回路等眾多設(shè)備，且還包含大功率設(shè)備，發(fā)熱量較大，為確保設(shè)備能正常工作，低壓柜需要散熱通風(fēng)，因此柜門(mén)和頂面上開(kāi)孔設(shè)置通風(fēng)防火格柵，格柵與其連接器處縫隙填充防火膨脹膠條。在正常情況下，冷空氣從屏柜門(mén)的格柵流入，從頂部格柵流出，可以滿足柜內(nèi)設(shè)備通風(fēng)散熱；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，防火格柵受熱時(shí)板條狀結(jié)構(gòu)膨脹到原來(lái)形態(tài)的數(shù)倍，從而會(huì)形成一道堅(jiān)固的屏障，以阻隔火焰、熱量、煙氣的傳播。為滿足防塵，防火格柵還設(shè)置了兩層過(guò)濾網(wǎng)。因?yàn)闅饬魇怯晒耖T(mén)下方格柵處流向柜頂，因此用于監(jiān)控火災(zāi)情況的感溫感煙探測(cè)器安裝在低壓柜頂部。

3.4 出線孔耐火設(shè)計(jì)

低壓柜中線纜需連接到客室線槽和底架線槽，因此需在底面和頂面設(shè)置出線孔，為保證火焰和煙毒氣不從出線孔流出，當(dāng)完成接線后，需用防火封堵材料對(duì)出線孔進(jìn)行封堵，出線孔厚度需達(dá)到50mm以上，才能滿足耐火隔斷要求，從而達(dá)到密封和防火的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于EN 45545-2013的無(wú)人駕駛地鐵車(chē)輛電氣屏柜防火設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了重點(diǎn)概述：對(duì)電氣屏柜可能出現(xiàn)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，并對(duì)各個(gè)屏柜的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了定義，結(jié)合EN 45545 2013標(biāo)準(zhǔn)要求，從盡量減少起火的概率，控制火勢(shì)蔓延的速度和程度，以便盡量減少火災(zāi)對(duì)乘客的影響的方向，研究有效且可行的防火措施，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定各屏柜詳細(xì)的防火方案。針對(duì)低壓柜內(nèi)包含主進(jìn)線斷路器等大功率設(shè)備，從低壓柜耐火隔板設(shè)計(jì)、通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)、出線孔封堵方案等方面詳細(xì)介紹了基于EN 45545 2013標(biāo)準(zhǔn)要求的耐火屏柜設(shè)計(jì)方案。

終上所述，對(duì)電氣屏柜防火安全設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)而全面的分析和研究，才能有效提高屏柜及整車(chē)的防火安全性，其方法還需不斷總結(jié)、驗(yàn)證和完善，車(chē)輛設(shè)計(jì)人員應(yīng)該加強(qiáng)車(chē)輛防火安全意識(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，從而降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)給乘客帶來(lái)的危害。

參考文獻(xiàn)

[1] EN 45545-2013，鐵路應(yīng)用-鐵路車(chē)輛防火[S].

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