城軌車輛安全性分析及防護(hù)

章恒

摘 要：本研究從電氣絕緣、電壓保護(hù)、撞車和乘客安全性、脫軌、防火等七個維度對車輛安全性進(jìn)行綜合分析，從受電弓的降弓保護(hù)、開門側(cè)防護(hù)和線路限速兩個方面提出了優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：城軌車輛;安全性;分析;防護(hù)

1 概述

為始終貫徹國家“安全第一，預(yù)防為主，綜合治理”的安全生產(chǎn)方針，提升城軌車輛安全性，在進(jìn)行車輛的安全性綜合分析，主要包括對車輛的運(yùn)行過程中所有的臨界狀況的分析，并從車輛層面上進(jìn)行初始安全分析，對車輛安全保證具有積極意義。

2 車輛安全性綜合分析

2.1 電氣絕緣及雷擊的安全性分析

車輛上有受電弓、高速斷路器、牽引逆變器、輔助逆變器、蓄電池等眾多電氣設(shè)備。如果不注意絕緣防護(hù)，很可能因相鄰部件的散熱或過負(fù)荷的偶爾影響而引起火災(zāi)。并且要使車輛、信號系統(tǒng)安全運(yùn)行，需對車輛的所有電氣系統(tǒng)、電子元器件仔細(xì)選擇，如車輛上接線端子連接的可靠性影響整個電氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行。主要從以下幾個方面來考慮：

2.1.1 絕緣配合

絕緣配合主要因素是設(shè)備的使用環(huán)境，設(shè)備的使用條件，絕緣材料的選用。持續(xù)電壓的絕緣配合基于：

（1）額定電壓;

（2）額定絕緣電壓;

（3）工作電壓。

除非在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中有其他規(guī)定，否則持續(xù)電壓均指時間持續(xù)5 min以上的電壓。

瞬態(tài)過電壓的絕緣配合主要依據(jù)被控過電壓的條件。

在對電氣設(shè)備的絕緣配合考慮中，必須注意兩個基本參數(shù)——電氣間隙和爬電距離的確定。

2.1.2 電氣間隙

不同的帶電部件之間或帶電部件與大地（車體）之間，空氣間隙小到一定程度時，在電場作用下，空氣介質(zhì)將被擊穿，絕緣會失效或暫時失效。因此兩導(dǎo)電部件間的空氣維持一個使之不會發(fā)生擊穿的安全距離—電氣間隙。

電氣間隙與部件的老化現(xiàn)象無關(guān)，確認(rèn)電氣間隙大小時必須以設(shè)備可能出現(xiàn)的最大過電壓（脈沖耐受電壓）為依據(jù)。

（1）使用條件的影響。功能絕緣、基本絕緣和附加絕緣的最小電氣間隙是建立在額定沖擊電壓的基礎(chǔ)上，其值參見標(biāo)準(zhǔn)EN50124-1《鐵路應(yīng)用 絕緣協(xié)調(diào) 第一部分：基本要求-所有電氣和電子設(shè)備的間隙和爬電距離》中表A.3。而確定加強(qiáng)絕緣電氣間隙尺寸時，其額定沖擊電壓是基本絕緣額定沖擊電壓的1.6倍。

（2）使用環(huán)境的影響。宏觀環(huán)境主要取決于大氣壓，所處海拔決定了宏觀環(huán)境的影響不大。微觀環(huán)境決定對絕緣污染的影響，固體微粒、塵埃和水能完全橋接較小的電氣間隙，所以在確定最小電氣間隙時必須充分考慮設(shè)備所處的污染環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)IEC 60077-1《鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛電氣設(shè)備 第一部分：一般使用條件和通用規(guī)則》規(guī)定了污染等級。

2.1.3 爬電距離

爬電距離是兩導(dǎo)電部件間沿絕緣材料表面的最短距離，爬電距離的尺寸應(yīng)使得絕緣在給定的工作電壓和污染等級下不會產(chǎn)生閃絡(luò)（閃絡(luò)過程集中釋放的能量使絕緣材料性能衰變，電腐蝕）或擊穿。確定爬電距離的尺寸要考慮工作電壓的大小、污染等級及所用絕緣材料的抗爬電特性。

標(biāo)準(zhǔn)EN50124-1《鐵路應(yīng)用 絕緣協(xié)調(diào) 第一部分：基本要求-所有電氣和電子設(shè)備的間隙和爬電距離》中規(guī)定，功能絕緣、基本絕緣和補(bǔ)充絕緣的最小爬電距離取決于該標(biāo)準(zhǔn)中表A.5、A.6和A.7中的額定絕緣電壓，與絕緣材料、環(huán)境污染也有關(guān)。而對加強(qiáng)絕緣而言，額定絕緣電壓是基本絕緣額定絕緣電壓的兩倍。

安裝在路軌旁的近地面或地下設(shè)備，無額外過電壓保護(hù)，按額定絕緣電壓3100V確定基本絕緣間隙。無額外過電壓保護(hù)裝置，與戶外回路相連，按額定絕緣電壓2200V確定基本絕緣間隙。

車頂設(shè)備的絕緣可視為功能絕緣。由于車頂?shù)奈廴镜燃壍挠绊懀ㄗh適當(dāng)增加車頂?shù)呐离娋嚯x值。穿過開關(guān)裝置絕緣距離的額定沖擊電壓的具體數(shù)值在相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行規(guī)定，直流開關(guān)設(shè)備的在標(biāo)準(zhǔn)EN 50123《鐵道使用 固定設(shè)備 直流開關(guān)設(shè)備》中規(guī)定。

（1）電壓。確定爬電距離應(yīng)以作用在跨接爬電距離兩端的長期電壓有效值為基礎(chǔ)。具體到部件上，像避雷器須考慮到雷擊過電壓，而對于主斷路器，須考慮到它合閘時發(fā)生諧振現(xiàn)象，過電壓可達(dá)到平時2.5倍以上。

（2）微觀環(huán)境。主要指在不同的污染等級下、確定爬電距離，必須注意電氣元器件周圍環(huán)境的污染能力能加速這一變化。

（3）絕緣材料。影響絕緣性能的因素主要是局部放電、發(fā)熱、機(jī)械應(yīng)力和濕度，其過程很復(fù)雜。在總結(jié)經(jīng)驗和大量實驗基礎(chǔ)上，采用CTI值（相對漏電起痕指數(shù)）進(jìn)行絕緣材料分類，主要包括材料污染表面由于干燥使表面泄漏電流分?jǐn)鄷r，其閃爍過程集中釋放的能量使絕緣材料出現(xiàn)損傷，一是使絕緣材料電腐蝕，二是由于固體絕緣材料表面電介質(zhì)污染和電場強(qiáng)度的綜合效應(yīng)，在其表面逐漸形成導(dǎo)電通道（漏電起痕）。

考慮電氣絕緣時，必須考慮材料的選取，特別是導(dǎo)線材料?？蓞⒖紭?biāo)準(zhǔn)UIC 89《鐵路機(jī)車車輛絕緣電纜供貨條件》。

2.2 過電壓及欠電壓保護(hù)的安全性分析

在高壓牽引電路中通過避雷器防止雷擊或操作過電壓，通過高壓隔離接地開關(guān)、高速斷路器等設(shè)備有效的將受電弓高壓同主電路隔離開來，一旦發(fā)生特殊情況，例如雷擊等，高速斷路器會立即斷開，然后通過斷開高壓隔離接地開關(guān)就可以使主電路完全脫離受電弓高壓。

高速斷路器對于主電路的故障保護(hù)：當(dāng)主電路出現(xiàn)嚴(yán)重故障，如主電路部件故障、網(wǎng)壓或直流電壓過壓、直流側(cè)電流過流、主電路接地、主電路短路、IGBT元件故障、網(wǎng)絡(luò)通信故障、DCU故障、110 V控制電源失電等時，高速斷路器斷開，以實現(xiàn)主電路的故障保護(hù)。同時高速斷路器能對檢測到的過電流進(jìn)行快速響應(yīng)脫扣，高速斷路器立即分?jǐn)啵詫崿F(xiàn)主電路短路保護(hù)。

除了安裝高壓隔離接地開關(guān)、高速斷路器等設(shè)備外，還通過在主電路中安裝熔斷器、輔助電源二極管等設(shè)備有效的保護(hù)了整個中壓、低壓及牽引設(shè)備的安全。

2.3 撞車保護(hù)的安全性分析

車輛碰撞能量吸收采用3級吸能方式。根據(jù)車輛碰撞過程中吸能元件和車體變形吸能結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的順序，具體可分為：

階段1：由車鉤的氣液緩沖器實施能量吸收。

階段2：由車鉤的可壓潰筒體吸收。

階段3：由防爬器、司機(jī)室部位的底架前端結(jié)構(gòu)變形區(qū)吸收。

2.4 乘客的安全性分析

乘客的安全性分析包括防止車內(nèi)意外傷害、防止跌落車外、乘客緊急逃生等。

2.4.1 防止車內(nèi)意外傷害

進(jìn)行了充分的人機(jī)工程學(xué)分析，并在車內(nèi)設(shè)置了乘客安全標(biāo)識，包括貫通道側(cè)板禁扶標(biāo)識、禁止倚靠車門標(biāo)識、車門防夾警示等。選用的地板布具備防滑特性，可有效幫助乘客避免意外滑倒。

2.4.2 防止跌落車外

通過車門控制保護(hù)，防止乘客跌落車外。地鐵車輛客室側(cè)門的設(shè)計宗旨是以安全為導(dǎo)向。即在列車運(yùn)行過程中，當(dāng)發(fā)生不可預(yù)知的情況時，車門系統(tǒng)應(yīng)趨向關(guān)門操作或保持關(guān)門狀態(tài)，最大限度地保障乘客安全。為確保所有設(shè)計以乘客安全為本，分別從地鐵車輛客室車門系統(tǒng)與列車牽引的連鎖、車門狀態(tài)指示、關(guān)門到位接近開關(guān)與動態(tài)關(guān)門控制、開門操作與列車的狀態(tài)、關(guān)門操作與列車的狀態(tài)以及行車開門與列車制動等幾個方面入手加強(qiáng)設(shè)計力度。

2.4.3 乘客緊急逃生

當(dāng)遇有火災(zāi)等緊急情況，需疏散乘客，緊急照明啟動、緊急通風(fēng)也同時啟動，還有視頻監(jiān)控和緊急對講等，蓄電池完全能滿足90分鐘緊急供電的要求。如果車輛尚未離開車站時，建議將車輛兩側(cè)客室車門全部打開，通過站臺緊急逃生;如果車輛已經(jīng)離開車站，在運(yùn)行途中，建議通過司機(jī)室緊急疏散門進(jìn)行緊急逃生，將乘客疏散到軌道上進(jìn)行緊急逃生。

2.5 防止車輛脫軌和傾覆的安全性分析

根據(jù)車輛參數(shù)，建立動力學(xué)計算模型，計算車輛在各種曲線半徑及不同速度情況下的脫軌系數(shù)、輪重減載率ΔP/P。計算車輛在各種線路工況通過曲線時，脫軌系數(shù)、輪重減載率ΔP/P等指標(biāo)滿足招標(biāo)文件要求、標(biāo)準(zhǔn)要求，并具有較大的安全裕量，可以滿足車輛防脫軌和防傾覆的安全性要求。

2.6 車輛所用材料的防火性能分析

在發(fā)生火災(zāi)的情況下，所使用的材料對人員產(chǎn)生的傷害最小。為了達(dá)到這個目標(biāo)，在材料的選擇上，將采用低毒性、低發(fā)煙性的材料，最大限度來保證乘客緊急逃生。

3 整車硬線/控制邏輯安全性優(yōu)化設(shè)計

3.1 受電弓斷電降弓保護(hù)

當(dāng)線路電壓存在電壓不穩(wěn)定的情況，設(shè)置受電弓斷電降弓保護(hù)功能：當(dāng)牽引系統(tǒng)檢測到線路電壓低于DC300V（暫定），判斷為接觸網(wǎng)斷電，列車牽引系統(tǒng)輸出接觸網(wǎng)斷電信號控制受電弓自動降弓，并在自動降弓20s后自動控制受電弓升起。

3.2 列車開門側(cè)和線路限速

列車開門側(cè)防護(hù)和速度控制的安全性功能由車輛控制系統(tǒng)實現(xiàn)：

（1）將線線路數(shù)據(jù)輸入車輛控制系統(tǒng)。

（2）列車開門側(cè)防護(hù)：根據(jù)司機(jī)在HMI上輸入的起點(diǎn)站、終點(diǎn)站信息和制動系統(tǒng)提供的速度值計算車輛本次運(yùn)行里程及開門次數(shù)累計后，根據(jù)線路數(shù)據(jù)確定車輛在線路上的當(dāng)前位置及允許的開門側(cè)，輸出車輛開門允許信號至車門系統(tǒng)，車門系統(tǒng)根據(jù)收到的開門允許信號，判斷車輛開門邏輯滿足后打開相應(yīng)側(cè)車門，為減少計算誤差，在車輛速度由0到大于1.5 km/h后，計算清零重新開始計算。

（3）車門速度控制系統(tǒng)：根據(jù)制動系統(tǒng)提供的速度值、車輛位置、線路限速數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的線路限速控制，當(dāng)判斷列車速度超過線路允許速度+1 km/h（合同要求）時，系統(tǒng)觸發(fā)聲光報警，當(dāng)判斷列車速度超過線路允許速度+3 km/h（合同要求）時，自動觸發(fā)車輛緊急制動，在車輛速度為0后，線路限速計算距離重置。

4 結(jié)束語

本研究從多個維度分析了車輛安全性，從多個角度保證人員和車輛及其系統(tǒng)設(shè)備不受損害的程度，確保車輛的安全性。

參考文獻(xiàn)：

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