淺析巴西淡水河谷調(diào)車機車布線設(shè)計

鄒潔璇，崔洪巖，賀 琳

(1.中車株洲電力機車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412000；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000)

0 引言

巴西淡水河谷調(diào)車機車(以下簡稱巴西車)在巴西淡水河谷的馬德里亞角港鐵路站場內(nèi)運行，用于對油罐車、運煤車輛、運銅礦石車輛、鐵礦石車輛進行編組和轉(zhuǎn)運。巴西車采用鋰電池供電，軌距1 600 mm，軸式Co-Co，軸重27 t。車體結(jié)構(gòu)為單司機室和雙外側(cè)走廊，設(shè)備主要集中布置在機械間內(nèi)，區(qū)別于國內(nèi)機車的機械間中間走廊結(jié)構(gòu)，巴西車機械間寬度比傳統(tǒng)機車窄，且無法設(shè)置中央線槽預(yù)布線，這給整車布線帶來了巨大的困難。

1 巴西車布線難點

巴西車車體機械間由側(cè)墻骨架、機械間入口門、機械間檢修門、防火隔墻及車上設(shè)備安裝座組成，如圖1所示。其特殊的結(jié)構(gòu)給整車布線帶來以下幾個難點。

1—側(cè)墻；2—牽引風(fēng)機風(fēng)道；3—機械間檢修門；4—防火隔墻；5—車上設(shè)備安裝骨架；6—外走廊。

1.1 難點一

巴西車裝載了4箱鋰電池，為了提升整車機械間的防火要求，機械間設(shè)置了4扇防火墻，防火墻采用全焊接結(jié)構(gòu)，它將機械間分割成了5個獨立的空間，防火墻的存在直接導(dǎo)致中央線槽車下安裝好再整體吊裝的方式無法實施。

1.2 難點二

機械間中部隔離出來的3個獨立空間用于安裝鋰電池和主變流柜，3個設(shè)備間在設(shè)備安裝后無法進入。為了保證設(shè)備的檢修維護，在靠近外走廊側(cè)設(shè)置了機械間檢修門，檢修門阻斷了側(cè)墻布線路徑，使得所有電纜只能在機械間地面布置。被隔離出來的另外2個小機械間用于安裝其他電氣設(shè)備，牽引風(fēng)機分機別安裝在這2個小機械間內(nèi)，牽引風(fēng)機的風(fēng)道直接焊接在地板上，高度略低于設(shè)備安裝座，基本完全占據(jù)了布線空間，因此牽引風(fēng)道的位置不能再設(shè)置走線路徑。

1.3 難點三

外走廊位于機械間外兩側(cè)，寬度340 mm，與底架形成了一個夾層空間，是行車人員通往機械間以及中間機械間設(shè)備檢修維護用的通道，由于巴西雨季較長，為了防止外走廊夾層空間蓄水及潮濕環(huán)境給車下設(shè)備和轉(zhuǎn)向架造成影響，雙外側(cè)走廊地板采用全焊接密封結(jié)構(gòu)，焊接密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)致夾層空間無法進行布線。其他類似車型，外走廊地板采用的螺栓安裝結(jié)構(gòu)，即在夾層布線完成后再進行外走廊地板安裝，所以國內(nèi)類似車型即使有外走廊，布線空間也并沒有減少，而巴西車的外走廊則實際縮小了機械間布線空間。另外，設(shè)備安裝座位于機械間內(nèi)兩側(cè)，用于安裝鋰電池箱，由于單箱鋰電池的重量高達5 t，為了保證結(jié)構(gòu)強度，設(shè)備安裝骨架也采用加寬結(jié)構(gòu)，并且進行整體焊接，如圖2所示，因此，設(shè)備安裝骨架進一步縮小了機械間地板可布線空間，同時也將機械間和外走廊完全隔離開，形成了2個獨立的空間。

圖2 機械間剖視圖

2 整車布線設(shè)計解決方案

巴西車為單電源機車，沒有25 kV AC或者1 500 V DC接觸網(wǎng)供電模式，只有鋰電池一種供電模式，其布線主要包括控制電路布線、輔助電路布線和主電路布線。針對上述的布線難點，本文從具體的布線策略和電纜選型兩個方面來解決上述難題。

2.1 布線策略

2.1.1 控制電路布線

為了節(jié)約布線空間，提升整車布線規(guī)范性，控制電路布線采用中央線槽輔控分開布線的模式，控制電路電纜集中布置在中央線槽中，同時控制線、輔助線、信號線和總線之間形成獨立布線空間。針對機械間寬度限制，中央線槽布線時線槽寬度不足，無法滿足GB/T 34571—2017《軌道交通機車車輛布線規(guī)則》[1]不同等級電纜間距的要求，線槽在設(shè)計時采用分區(qū)隔離，且分區(qū)之間設(shè)置金屬隔板。

信號線和總線在同一個線槽分區(qū)，為了讓信號線獲得更好的屏蔽效果，信號線在布線時采用不銹鋼材料的專用屏蔽線槽。另外，巴西車中央線槽安裝在機械間設(shè)備下方，在完成布線后無法形成緊閉的空間，抗干擾能力較差，為了提升中央線槽屏蔽效果，在中央線槽完成布線后加蓋中央線槽蓋板，使中央線槽內(nèi)部形成一個相對密閉的結(jié)構(gòu)，并通過多點與車體地連接，同時中央線槽內(nèi)部電纜緊貼中央線槽表面，通過線槽金屬表面相反電磁場抵消電纜本身的電磁場，從而降低內(nèi)部的電磁干擾，如圖3所示。

圖3 巴西調(diào)車機車中央線槽

針對防火墻隔斷機械間導(dǎo)致中央線槽無法車下安裝再進行整體吊裝的問題，采取在機械間焊接中央線槽焊接支架，線槽直接安裝在焊接架上，待線槽安裝完成后再在車上進行布線。另外，因為巴西車的機械間比傳統(tǒng)機車窄，且有對稱的牽引風(fēng)機，線槽需要避開風(fēng)機安裝座和牽引風(fēng)道，不能呈直線結(jié)構(gòu)布置，線槽整體布置如圖4所示。

圖4 機械間布線示意圖

2.1.2 輔助電路布線設(shè)計

由于機械間寬度有限，中央線槽在空間上較傳統(tǒng)機車窄了100 mm左右，大部分輔助電路電纜集中在中央線槽，而主變流器輔助繞組與輔助變壓器之間的連接電纜不能像傳統(tǒng)機車那樣敷設(shè)在中央線槽內(nèi)。為了保證與主電路電纜之間的敷設(shè)距離，設(shè)計時抬高了中央線槽安裝支架，使得中央線槽安裝支架下多出了截面400 mm×80 mm的空間，此空間正好用于部分截面面積較大的輔助電纜的走線，具體布線如圖5所示。

圖5 部分輔電路布線示意圖

為了降低輔助電路對線路中敏感設(shè)備的電磁干擾，需要對輔助電路中的干擾源采取電磁兼容(EMC)處理[2]，由于線槽變窄，中央線槽內(nèi)的輔助電纜無法使用常規(guī)的屏蔽線槽處理方式，設(shè)計時采用單芯屏蔽電纜代替普通單芯電纜和金屬屏蔽線槽，同時對單芯屏蔽電纜的屏蔽層采用熱縮結(jié)構(gòu)的焊錫環(huán)進行雙端接地，具體結(jié)構(gòu)及安裝方式如圖6所示。

圖6 焊錫環(huán)結(jié)構(gòu)及安裝方式

2.1.3 主電路布線設(shè)計

巴西車牽引風(fēng)機采用一拖三模式，牽引風(fēng)機風(fēng)道所占機械間空間較大，造成主電路布線的空間十分有限。同時整車雙外走廊結(jié)構(gòu)，使外走廊下方與機械間完全隔離，導(dǎo)致實際機械間的主電路布線空間遠小于傳統(tǒng)機車。為了解決主電路布線空間問題，對車體結(jié)構(gòu)進行強度分析，發(fā)現(xiàn)外走廊下方底架地板無受力點，開孔不影響整車強度，于是選擇外走廊下方底架地板和設(shè)備安裝座骨架進行了開孔，讓2位、3位電機線和5位、6位電機線從機械間設(shè)備安裝座骨架過線孔到外走廊下的夾層空間，以線夾固定方式在外走廊下方進行布線，外走廊下方底架地板開孔可以方便操作人員在車下進行布線操作。過線孔采用特殊的防火磚進行封堵，以保證機械間的密封性和防火性不降低。但是1位、6位電機線在穿過枕梁時，由于枕梁下方不能開孔，有長達2.4 m的距離無法對線纜進行固定，為了解決電機線穿枕梁無固定的問題，采用了2塊長約1 m的支線板進行固線，先將電纜在車下以線夾的形式固定在支線板上，2塊支線板的間距是固定的，在完成電纜固定后，依次把支線板推送至枕梁中，同時枕梁端部焊接有2個定位凸槽，用于支線板的定位和安裝，枕梁電機線布線如圖7所示。

圖7 枕梁電機線布線示意圖

2.2 電纜選型

巴西車是由牽引蓄電池供電的六軸車機車，其主輔電路電纜多達60根，較傳統(tǒng)機車主輔電路電纜數(shù)量多了近1/3。受車體結(jié)構(gòu)限制，巴西車的主輔電路電纜在機械間的布線空間比傳統(tǒng)機車還要小。如何在滿足使用條件的前提下，盡可能地把電纜裕量留小，選擇截面積較小的電纜，是本文在進行布線設(shè)計電纜選型時需要解決的。

主輔電纜主要是作為配電電纜，電纜截面積選擇應(yīng)以負載電流Iload和電纜載流量Icable為基礎(chǔ)，同時還與電纜的敷設(shè)方式、環(huán)境溫度、絕緣材料特性、相鄰電纜的加熱效應(yīng)等條件有關(guān)。按GB/T 34571-2017《軌道交通 機車車輛布線規(guī)則》的規(guī)定，電纜允許載流量(Icorr)按下式確定：

Icorr=Icable×K1×K2×K3×K4×K5

(1)

式中:Icable為電纜載流量(供應(yīng)商提供，見表1)；K1為環(huán)境溫度修正系數(shù)；K2為電纜敷設(shè)修正系數(shù)；K3為壽命修正系數(shù)；K4為非連續(xù)工作時的修正系數(shù)；K5為多芯電纜修正系數(shù)。

以上電流核算環(huán)境溫度按45℃考慮；電纜的負載電流不縮短電纜的壽命，即K3=1.0；所有的負載電流為連續(xù)工作時的有效值，即K4=1.0。電纜選型只要保證計算出電纜在持續(xù)的正常運行期間承載的負載電流Iload

以下以主電路電機線為例進行電纜選型計算。牽引電機的額定電壓為1 230 V，額定電流為400 A，最大電流(起動時)560 A。電機電纜鋪設(shè)在機械間及外側(cè)走廊地板下，環(huán)境溫度按55℃選取。為了減小電纜外徑，在選用電纜時，選擇符合EN 50382標準的(120℃)1.8/3 kV電纜，該類型電纜工作溫度可以達到120℃，即同等截面積情況下載流量要大于符合EN 50264標準的(90℃)1.8/3 kV電纜，電纜載流量對比詳見表1。根據(jù)電纜類型和環(huán)境溫度，按照表2環(huán)境溫度修正系數(shù)K1，取K1=0.93。

表1 符合EN 50264和EN 50382的電纜載流量

表2 環(huán)境溫度修正系數(shù)K1

電機電纜用線卡固定，水平方向上2根電纜間的最小間距大于電纜直徑，敷設(shè)類型按b型考慮，由于在過骨架安裝座穿線孔時，6根電機線間隙小于2倍直徑，敷設(shè)類型的修正系數(shù)K2，取K2=0.83。

電機電纜為單芯電纜，即K5=1。

按照式(1)，計算得出電纜載流量Icable≥518.2 A，考慮到最大啟動電流有560 A，進行電纜選型時保留一定的裕量，根據(jù)表2，選用1.8/3 kV(120°)150 mm2的電纜，Icable為617 A。

3 結(jié)語

巴西車是中車株洲電力機車有限公司進入南美市場的第一個機車項目，它獨特的單機司機室、機械間外走廊以及防火墻隔斷的車體結(jié)構(gòu)與國內(nèi)機車有很大的區(qū)別，對布線設(shè)計提出了更高的要求。本文以整車車體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析了主輔控電路布線設(shè)計的困難及解決方案，并提供了電纜選型計算方法。