軌道交通中的電氣自動化布線原則及施工技術(shù)

劉昊杰

西安交通工程學(xué)院 陜西省西安市 710000

在國家實(shí)施低碳經(jīng)濟(jì)的趨勢下，由于軌道交通具有安全、可靠、綠色、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，我國城市軌道交通呈現(xiàn)出快速發(fā)展勢頭。路網(wǎng)迅速擴(kuò)大，產(chǎn)品技術(shù)不斷提高。集成系統(tǒng)、軌道交通運(yùn)營向網(wǎng)絡(luò)化、自動化方向發(fā)展，由于對道路安全的需求不斷增長，軌道交通對交通系統(tǒng)的安全負(fù)有重要責(zé)任。因此，保證地鐵車輛的安全可靠性和易維護(hù)性成為地鐵車輛布線過程中的重要研究課題。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的要求，需要遵循可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安裝維護(hù)正確、最大內(nèi)部空間和均勻重量分布的原則為電氣自動化布線提供了合理性和科學(xué)性施工標(biāo)準(zhǔn)。本文主要對軌道交通中的電氣自動化布線的基本原則和施工技術(shù)方面的要點(diǎn)進(jìn)行分析，希望能為優(yōu)化軌道交通電氣自動化提供有益的建議。

1 軌道交通對電氣自動化技術(shù)的需求

軌道交通系統(tǒng)在現(xiàn)代城市的建設(shè)和發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。如今，越來越多的城市在向現(xiàn)代化推進(jìn)和發(fā)展的同時，對軌道交通系統(tǒng)的自動化水平提出了更高的要求，大致體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）城市軌道交通系統(tǒng)覆蓋范圍廣，里程從10 公里到100 公里不等，間隔設(shè)置數(shù)十個車站。如果要完成全線的電氣自動化控制，就需要建立一個有站的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，對各站設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，同時需要將全線系統(tǒng)集成在加強(qiáng)科學(xué)監(jiān)測和管理。（2）與農(nóng)村相比，城市生活節(jié)奏快得多，人們的生活和工作要求高效率、快節(jié)奏。因此，潛在的延誤或堵塞將影響高速城市運(yùn)行，可能無法滿足城市發(fā)展的需要。因此，軌道交通電氣自動化技術(shù)必須滿足高可靠性、快速穩(wěn)定運(yùn)行的需要。（3）城市軌道交通系統(tǒng)具有公共利益和公共利益。實(shí)際用戶數(shù)量龐大，系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜。因此，相關(guān)電氣自動化技術(shù)必須達(dá)到一定的安全性和可靠性，有效保障用戶生命財(cái)產(chǎn)安全，避免各種隱患的發(fā)生。（4）現(xiàn)代城市軌道交通建設(shè)運(yùn)營體系包括多部門、多專業(yè)協(xié)同，移動電子技術(shù)還必須具備一定的綜合管控功能，能夠有效協(xié)調(diào)不同部門的規(guī)劃管理，具有實(shí)用性和可持續(xù)性。貫穿全系統(tǒng)交通，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定，保障人員轉(zhuǎn)移便捷高效。

2 分析軌道交通電氣自動化布線的基本原理

2.1 遵循安全可靠的原則

一般來說，軌道交通的類型是動力分散式車輛。保障乘客安全是分散式車輛電氣自動化布線過程中的重中之重。因此，在目前的設(shè)計(jì)過程中，必須安裝適當(dāng)?shù)陌踩O(shè)備以確保乘客的安全。電纜等級必須高于BS6853-IB，滅火器以及相關(guān)防火設(shè)備的規(guī)格必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)要求。根據(jù)目前軌道交通的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)來說，軌道交通使用的電線電纜至少需要能耐受125°的溫度。同時，從材料上看，最好使用阻燃性低的無鹵低煙電纜或無鹵低煙耐火電纜。電纜束與加熱設(shè)備之間必須保持足夠的距離，高壓電力線的絕緣也必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。即使設(shè)備受到強(qiáng)烈的沖擊和移動，也不會影響軌道交通的運(yùn)行以及相關(guān)設(shè)備與乘客的安全。此外，應(yīng)針對不同類型的設(shè)備采取防釋放措施，以保證軌道交通運(yùn)營的可靠性和安全性。

2.2 遵循最大化室內(nèi)空間的原則

軌道交通線路和設(shè)備的安裝還必須考慮最大化車輛剩余空間并為乘客創(chuàng)造最大的活動范圍。在具體的布線過程中，除了要考慮到噪音的大小與乘客的視覺感受外，還要考慮到是否便于司機(jī)操作。比如需要須知一些容易檢查與查看的信號與儀表等儀器。對于城市軌道交通來說，布線、電纜校正、絕緣電阻、管槽、電纜連接、線號打印都是要考慮的事情。在布線的具體過程中，無論哪個過程出現(xiàn)問題，都會影響整車的運(yùn)行安全。

2.3 遵循等重原則

據(jù)了解，在同一單元中，雖然車輛的類型不同，但承重重量是相同的，有利于軌道交通的制動力與牽引力的共同實(shí)現(xiàn)，保持車輛運(yùn)載過程中的平穩(wěn)與安全；在同一軌道交通中，應(yīng)采用對稱分布，即遵循平均重量分布的原則，有利于減少或抑制承重偏移現(xiàn)象的概率。

2.4 遵循易安裝、易維護(hù)的原則

由于可控性好，模塊化布置常用于軌道交通電氣自動化布線施工過程中。同時，軌道交通運(yùn)營中必須使用的設(shè)備很多，不同類型的設(shè)備使用壽命、故障概率、運(yùn)行與其維護(hù)的要求標(biāo)準(zhǔn)都各不相同，所以在布線過程中需要預(yù)留維修空間。比如后續(xù)維修使用車輛的基本電路、信號控制電路、輔助控制電路等，還可以設(shè)置多個故障報(bào)警，在發(fā)生故障時及時發(fā)出告警，及時處理故障，避免事故和嚴(yán)重?fù)p失。

3 軌道交通電氣自動化布線施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 完全遵循電氣自動化布線的模塊化理念

模塊化的想法是將一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解成幾個較小的模塊，它們之間幾乎沒有融合。模塊化的理念貫穿于電氣自動化布線的整個布置周期。從設(shè)計(jì)到技術(shù)再到生產(chǎn)，甚至延伸到市場開發(fā)和售后服務(wù)階段。每個連接部分都可以考慮進(jìn)模塊化，防止重復(fù)工作，同時促進(jìn)各種功能的標(biāo)準(zhǔn)化，最終降低成本，提高效率，便于后期的維護(hù)和更新。電氣自動化布線的模塊化理念最顯著的特點(diǎn)之一是將工作的兩個基本要素分為線束化和功能區(qū)劃分。

功能區(qū)越獨(dú)立，區(qū)域間的安裝、測試、維護(hù)等在這方面的相互影響就越小。線束化避免了預(yù)裝工作、車身生產(chǎn)、初步安裝等不同緩解分相互影響，以及不同功能區(qū)域之間的主要負(fù)載和布線相互作用的影響。電氣裝置的功能區(qū)劃分應(yīng)與機(jī)電設(shè)計(jì)相結(jié)合，除大型獨(dú)立設(shè)備（如變頻器、空調(diào)等）外，高壓箱、低壓箱和后電柜之間的區(qū)域也要進(jìn)行明確劃分。并且各區(qū)域內(nèi)部連接相對獨(dú)立，每個功能區(qū)域都連接到分類在車輛接線插座中的線束。在電氣設(shè)計(jì)階段，必須仔細(xì)考慮此程序，不僅適用于系統(tǒng)（例如牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車門控制系統(tǒng)等），還適用于某些區(qū)域（例如駕駛艙欄桿、兩個客艙、汽車低壓油箱），元件空間位置的合理定義直接影響不同電力區(qū)域的獨(dú)立性，進(jìn)而影響布線模塊化的效果。線束化設(shè)計(jì)需要兩個重要的輸入：一個是每個組件的連接器和接線端的空間位置，另一個是連接表（包括電纜編號、電纜兩端的設(shè)備和引腳編號信息）。根據(jù)這兩條信息，考慮避免布線路徑的干擾，同時考慮布線的美觀和節(jié)省材料，這樣就可以設(shè)計(jì)出布線的三維線束；根據(jù)國內(nèi)生產(chǎn)的需要，將電源線的三維封裝擴(kuò)展為平面圖。畫出線束模板的接線圖，線束制造人員只需要根據(jù)線束模板的圖紙加工合格的線束，不需要依賴機(jī)器，加工出來的線束的耐用性也很好。線束模板圖示例如圖1 所示。

圖1 線束模板圖設(shè)計(jì)樣例

3.2 熟悉電氣自動化布線的電磁兼容性

隨著與軌道運(yùn)動相關(guān)的功率能力的增加，軌道交通的電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜，在設(shè)計(jì)電氣自動化布線時需要了解電磁兼容性。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，干擾的存在對象、干擾源和傳播方式是電磁干擾的三要素。以電磁干擾的形式影響正常運(yùn)行，但在大多數(shù)情況下，其他兩個元件無需布線即可放置。為了減弱或中斷EMI 傳輸路徑，必須對電纜進(jìn)行分類和保護(hù)。

屏蔽可以分為兩個例子：一是避免自有電纜受到外部干擾，如低壓信號線；另一種避免干擾外界的方法，例如牽引電機(jī)和其他電線。該屏蔽方法可以使用線槽、軟金屬外殼或電氣系統(tǒng)本身自帶的屏蔽保護(hù)層來實(shí)現(xiàn)。保護(hù)接地的質(zhì)量直接影響電流屏蔽的效果，以及技術(shù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。一般來說，應(yīng)該使用單點(diǎn)接地來干擾對傳統(tǒng)信號敏感的電纜，因?yàn)槎鄠€接頭之間的差異會導(dǎo)致屏蔽電流。電流在電纜上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使電纜內(nèi)的信號失真（見圖2）。對于短波較長的高頻信號（通?？紤]電纜長度為波長的0.15 倍），應(yīng)采用多點(diǎn)接地，以降低屏蔽層的天線效應(yīng)。高頻電子設(shè)備的屏蔽體（盒）必須用金屬編織物接地。因?yàn)轭l率越高，集膚效應(yīng)越大。金屬編織物具有更大的表面積，因此對高頻信號的抵抗力更小。

圖2 兩點(diǎn)接地對信號影響示意圖

3.3 需要克服的安全問題

城市軌道交通是一種載人交通工具，除了設(shè)備安全的考慮，操作人員、維修人員和乘客的安全也必須得到充分考慮。從乘客安全的角度考慮電氣布線，必須考慮火災(zāi)和電擊風(fēng)險(xiǎn)。起火原因是電纜過載、發(fā)熱和短路。電纜過載會引起火災(zāi)，即使沒有立即發(fā)生火災(zāi)，也會加速電纜絕緣層的老化。解決電纜過載問題，需要確定工作電流的大小、預(yù)期的環(huán)境溫度、敷設(shè)種類、使用壽命、連續(xù)運(yùn)行時間等因素，根據(jù)以上的因素出現(xiàn)情況可以明確等效電流Ic 的數(shù)值。Ic=I／（k1·K2·k3·k4）式中：k1 是環(huán)境溫度的修正系數(shù)；K2 是敷設(shè)種類的修正系數(shù)；K3 是電纜壽命修正系數(shù)；K4 是中斷運(yùn)行時的短期電流修正系數(shù)（連續(xù)運(yùn)行時K4=1.0）。比較公式和表格時，可以根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)查看表格，得出K1、K2、K3、K4 的值。一旦確定了Ic 值，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參考表，電纜面積可用四舍五入法確定。如果電纜面積足夠大，可以有效避免過熱。電線短路通常是由于連接斷開或電纜絕緣層損壞，連接斷開也就是字面意思，本文不多做詳細(xì)描述。電纜絕緣層損壞的三個原因：割傷、應(yīng)力和老化。尖銳的金屬邊緣或尖角與電氣邊緣層直接接觸，或電纜未固定好使用，電纜絕緣層會被割斷，造成電纜絕緣層與車輛運(yùn)行過程中的困難物體發(fā)生摩擦導(dǎo)致割傷。這需要對延伸部分的設(shè)計(jì)采取合理的方法，在某些情況下避免與金屬角直接接觸，如果實(shí)在避無可避，可以考慮在金屬邊角處添加橡膠墊等墊子。此外，應(yīng)仔細(xì)檢查線束是否固定，以確保線束的固定程度，不會與其他固體摩擦導(dǎo)致線束損壞。電纜的絕緣應(yīng)力主要是由于電纜的彎曲或拉伸，每一種電纜都有自己的彎曲最小半徑。設(shè)計(jì)線束轉(zhuǎn)彎時，必須考慮線束上每根電纜的最小彎曲半徑。為了考慮拉伸和溫度下降等安全因素，必須改變線束長度。在電氣布線設(shè)計(jì)中，保護(hù)接地是關(guān)鍵。對于城市軌道交通來說，保護(hù)接地其實(shí)就是等電位連接，即將外露的隨行件（如設(shè)備的金屬盒）與有線車輛的車身相連，以保持外露的隨行件與車體之間的等電位。通常，保護(hù)接地和電磁兼容性（EMC）被一起考慮。在極少數(shù)情況下，應(yīng)單獨(dú)考慮保護(hù)接地，以避免因高壓設(shè)備的感應(yīng)或放電而導(dǎo)致合閘負(fù)載造成人身傷害。

4 城市軌道交通自動化發(fā)展趨勢

對于傳統(tǒng)的城市軌道交通來說，電氣自動化技術(shù)的引入無疑取得了質(zhì)的提升。電氣自動化技術(shù)的全面集成也是未來軌道交通發(fā)展的方向之一，指出了電力自動化技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用方向。（1）電氣自動化技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用將越來越廣泛，這也將推動更加智能的城市交通系統(tǒng)的發(fā)展。（2）電氣自動化技術(shù)將朝著更加集成化、開放化、綜合化服務(wù)的方向發(fā)展。目前，在全球范圍內(nèi)，電氣自動化技術(shù)的發(fā)展越來越迅速，包括通信領(lǐng)域、光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和生物領(lǐng)域等的發(fā)展，都推動了自動化技術(shù)的進(jìn)步。進(jìn)行更全面的技術(shù)開發(fā)，開發(fā)高度集成化的管理。未來，地鐵和電軌監(jiān)控技術(shù)將通過地下和地面信息平臺逐步發(fā)展，為用戶提供更大的系統(tǒng)、更全面的服務(wù)體驗(yàn)。（3）自動化新技術(shù)應(yīng)用更加廣泛，提高生活質(zhì)量和文明水平。自動化的快速發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，進(jìn)而推動電氣自動化技術(shù)向高科技、高智能化的更高方向發(fā)展。城市軌道交通系統(tǒng)進(jìn)一步引入電氣自動化技術(shù)，將為自動化技術(shù)帶來更多發(fā)展機(jī)遇。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著社會的進(jìn)步，軌道交通的重要性與日俱增。同時，科技的發(fā)展也為改善軌道交通奠定了良好的基礎(chǔ)。本文主要從電氣自動化布線的模塊化思維、電磁兼容和電氣自動化布線安全的角度分析軌道交通電氣自動化安裝的三種方式，研究軌道交通電氣布線自動化的原理，希望提供相關(guān)的研究和實(shí)踐，為相關(guān)項(xiàng)目順利推進(jìn)提供有效借鑒和參考。