基于EN 45545系列標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)車組布線防火設(shè)計(jì)思考

李豐收,嚴(yán)鈺甜,曾 星,楊 朋,李洪德,李庭芳

中車株洲電力機(jī)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(lái)越受到大眾的歡迎,對(duì)軌道交通車輛運(yùn)營(yíng)的安全要求也在逐步提高?；馂?zāi)隱患是軌道交通車輛重要危險(xiǎn)源之一,火災(zāi)控制技術(shù)對(duì)于軌道交通車輛安全運(yùn)行至關(guān)重要[1]。EN 45545《鐵路應(yīng)用——機(jī)車車輛防火》是歐盟為了統(tǒng)一協(xié)調(diào)歐洲各國(guó)車輛防火要求,依據(jù)國(guó)際鐵路聯(lián)合會(huì)和不同歐洲國(guó)家現(xiàn)行車輛防火安全規(guī)程而制定的防火系列標(biāo)準(zhǔn),旨在確保軌道交通車輛的內(nèi)部材料和組件的耐火性能,以提供更高的乘坐安全性。動(dòng)車組作為軌道交通車輛系統(tǒng)的一個(gè)重要產(chǎn)品,須滿足相應(yīng)的安全要求?；贓N 45545防火系列標(biāo)準(zhǔn)的要求,本文從布線部件的防火設(shè)計(jì)、基于火災(zāi)運(yùn)行能力的布線設(shè)計(jì)以及防火布線、防火隔斷設(shè)計(jì)等方面對(duì)如何進(jìn)行動(dòng)車組布線設(shè)計(jì)提出思考與建議,為軌道交通車輛布線防火設(shè)計(jì)提供參考。

1 布線部件防火設(shè)計(jì)

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(tǒng)的布線部件設(shè)計(jì),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?；贓N 45545防火系列標(biāo)準(zhǔn)的要求,不同類型的布線部件設(shè)計(jì),須滿足相關(guān)指標(biāo)要求,這是布線設(shè)計(jì)師把控的關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)。

布線部件的防火性能要求跟車輛危害等級(jí)有直接的關(guān)系,而車輛的危害等級(jí)取決于車輛的設(shè)計(jì)類別和運(yùn)行類別。

1.1 危害等級(jí)的確認(rèn)

根據(jù)車輛的運(yùn)行類別和設(shè)計(jì)類別之間的關(guān)系確定車輛材料的危害等級(jí)(見(jiàn)表1),其中車輛的運(yùn)行類別可以參考表2。

表1 危害等級(jí)的要求

表2 車輛的運(yùn)行類別

例如,某項(xiàng)目有4個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域長(zhǎng)度大于5 km,其中3個(gè)區(qū)段運(yùn)行時(shí)間大于4 min且小于15 min。基于上述條件,該項(xiàng)目車輛運(yùn)行類型為OC3,車輛設(shè)計(jì)類型為N(標(biāo)準(zhǔn)車型),因此整車的防火材料的危害等級(jí)需要至少滿足HL2。

1.2 布線材料分組確認(rèn)

根據(jù)產(chǎn)品的暴露面積、可燃性、設(shè)計(jì)位置來(lái)考慮分組規(guī)則。產(chǎn)品被分為已列出產(chǎn)品和未列出產(chǎn)品。已列出產(chǎn)品詳見(jiàn)EN 45545-2《鐵路應(yīng)用——鐵路防火 第2部分:材料和部件的防火性能要求》(下文簡(jiǎn)稱“EN 45545-2”),該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)室內(nèi)、室外、裝飾、電子和機(jī)械設(shè)備進(jìn)行了分組(R1～R26),每個(gè)分組中所有的測(cè)試要求均已給出。

EN 45545-2未列出的產(chǎn)品視為未列出產(chǎn)品,未列出產(chǎn)品可根據(jù)EN 45545-2第4.3分組規(guī)則進(jìn)行評(píng)估。

1.3 布線材料測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)及指標(biāo)確認(rèn)

根據(jù)材料的分組確定材料測(cè)試項(xiàng)點(diǎn),結(jié)合危害等級(jí)(如HL2),確定布線材料的具體指標(biāo)要求。如表3所示,滿足R15的材料要求測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)有T09.01、T09.02或T09.03或T09.04(根據(jù)電纜的外徑d確定對(duì)應(yīng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn))、T13、T15這4項(xiàng)。以T13煙密度指標(biāo)為例,測(cè)試方法按EN 61034-2在規(guī)定條件下燃燒的電纜煙密度的測(cè)量第2部分的試驗(yàn)程序和要求,對(duì)應(yīng)HL2等級(jí)的要求最小50%等。

表3 材料分組R15測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)及指標(biāo)

1.4 小結(jié)

通過(guò)以上步驟,可以確定車輛上不同布線部件需要滿足的相關(guān)要求,從材料方面確保布線部件設(shè)計(jì)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(yàn)項(xiàng)點(diǎn)內(nèi)容不相同,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,要依據(jù)材料的特性,提出相應(yīng)的要求。同時(shí)對(duì)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(jī)車車輛電纜》,EN 50264《軌道交通——具有特殊防火性能的鐵路機(jī)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(jī)車車輛用高溫電力電纜》等系列標(biāo)準(zhǔn),可認(rèn)為滿足R15和R16的要求[2]。對(duì)于相同結(jié)構(gòu)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(zāi)下運(yùn)行能力的布線設(shè)計(jì)

對(duì)于滿足OC2或OC3的車輛,考慮到救援及火災(zāi)疏散的要求,車輛要求具備完整的防火隔斷結(jié)構(gòu),并具備火災(zāi)下運(yùn)行至少4～15 min的能力。在發(fā)生火災(zāi)后,要求至少具備以下電氣功能:通信功能、牽引功能、制動(dòng)功能、車門開(kāi)關(guān)功能、緊急照明功能、列車總線控制功能、火災(zāi)探測(cè)功能、廣播功能等。這些要求不同于傳統(tǒng)的車輛設(shè)計(jì),因此本節(jié)將重點(diǎn)介紹布線的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方案。

2.1 布線設(shè)計(jì)思路

針對(duì)火災(zāi)情況下車輛運(yùn)行4 min或15 min的需求,布線設(shè)計(jì)思路如下。

1)使用耐火電纜,即采用能通過(guò)EN 50200緊急電路用非保護(hù)型小電纜的耐火性試驗(yàn)方法測(cè)試的電纜。耐火電纜基本結(jié)構(gòu)為在電纜的線芯導(dǎo)體與絕緣護(hù)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(diǎn),能在一定時(shí)間內(nèi)保護(hù)電纜內(nèi)部不受外部高溫的影響,使得電纜即使在絕緣保護(hù)材料全部失效的情況下仍能依靠云母帶保持絕緣性能,進(jìn)而保證電纜正常導(dǎo)流。

2)采用結(jié)構(gòu)防火方案。對(duì)于可能受到火災(zāi)影響的線路,可以采用一定的防護(hù)結(jié)構(gòu),確保線纜不受火災(zāi)的影響。如采用機(jī)械防護(hù)結(jié)構(gòu),將電纜全部敷設(shè)到管道內(nèi)或者將電纜包裹在防火材料內(nèi)。再如采用耐火涂層,在電纜敷設(shè)后,對(duì)有運(yùn)行完整性的電纜進(jìn)行噴涂耐火涂層(見(jiàn)圖1),此處理方案理論上可行,但實(shí)際上,存在耐火涂層脫落的風(fēng)險(xiǎn),并不完全適應(yīng)車輛的使用環(huán)境。

圖1 電纜噴涂耐火材料示意圖

3)采用系統(tǒng)冗余或者布線冗余處理措施。耐火電纜僅限于單芯電纜,對(duì)于其他類型的電纜如通信電纜,目前仍無(wú)耐火類型電纜?？紤]到實(shí)際的著火情況,可采用系統(tǒng)冗余或者布線冗余處理措施。系統(tǒng)冗余是指當(dāng)某一系統(tǒng)的功能因火災(zāi)不能正常工作時(shí),備用系統(tǒng)接替工作或者降級(jí)運(yùn)行。布線冗余措施是將部分功能的電纜進(jìn)行冗余設(shè)計(jì),且分別布置,即使單路發(fā)生著火,另外一路仍能正常工作,從而確保整個(gè)電路不受火災(zāi)影響。

2.2 布線設(shè)計(jì)方案

安裝在電氣屏柜內(nèi)部的設(shè)備(非大功率設(shè)備),由于遠(yuǎn)離大功率設(shè)備,不受火災(zāi)影響導(dǎo)致功能失效,因此對(duì)于此類屏柜內(nèi)部,電纜可不使用耐火電纜。對(duì)于大功率設(shè)備柜,整體需要做隔斷,內(nèi)部各設(shè)備之間的電纜也可不采用耐火電纜。針對(duì)各系統(tǒng)電氣功能的布線設(shè)計(jì)方案如下。

1)牽引能力方面:采用2個(gè)獨(dú)立的牽引單元,當(dāng)車輛著火時(shí),一套牽引單元因火災(zāi)發(fā)生故障時(shí),此時(shí)可切除該故障牽引單元,由另外的牽引單元牽引列車?yán)^續(xù)運(yùn)行。即通過(guò)牽引系統(tǒng)冗余的方式,實(shí)現(xiàn)列車牽引系統(tǒng)在火災(zāi)下的正常運(yùn)行。

2)制動(dòng)能力方面:制動(dòng)系統(tǒng)的停放制動(dòng)回路、空氣制動(dòng)回路、間接制動(dòng)列車線等線路如果火災(zāi)失效,將引起列車錯(cuò)誤的停放制動(dòng)。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(jī)室占有、牽引制動(dòng)控制、向前/向后運(yùn)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(wǎng)絡(luò)方面:每列車需配置2個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊,模塊之間互為冗余熱備份。正常情況下其中一個(gè)作為主控設(shè)備,另外一個(gè)作為備用處于熱備份狀態(tài)。車輛總線通信線路采用雙通道冗余設(shè)計(jì),當(dāng)某一路通信線路出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)可以自切換到另一通信線路。兩路網(wǎng)線需要分車輛的左右側(cè)敷設(shè)。

5)車門控制方面:為避免火災(zāi)時(shí)電纜燒斷無(wú)法開(kāi)門,開(kāi)門允許、零速、開(kāi)門指令列車線采用耐火電纜。對(duì)于單個(gè)門內(nèi)部的連線,即使起火導(dǎo)致單個(gè)門無(wú)法打開(kāi),其他的門仍能整車工作,因此對(duì)于此部分的電纜可以不用耐火電纜。

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

7)乘客廣播:客室廣播主機(jī)設(shè)置在非大功率設(shè)備區(qū),喇叭采用兩路單獨(dú)布線模式,車輛左右側(cè)各設(shè)置一條回路,一路因火災(zāi)燒斷,不影響正常廣播。

8)火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng):火災(zāi)報(bào)警主機(jī)設(shè)置在非大功率設(shè)備區(qū),采用環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)布線,單點(diǎn)故障不影響火災(zāi)探測(cè)功能。

9)空調(diào)系統(tǒng):根據(jù)不同的起火模型,需要保證空調(diào)的新風(fēng)閥和廢排的正常工作,因此空調(diào)控制盤與新風(fēng)閥和廢排相應(yīng)的電纜需要采用耐火電纜。

10)照明系統(tǒng):照明模塊設(shè)置在非大功率設(shè)備區(qū),采用左右兩路單獨(dú)布線模式,一路因火災(zāi)燒斷,不影響照明的整車工作。因此對(duì)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(shí)現(xiàn),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(guò)硬連線控制門的打開(kāi)關(guān)閉,需要采用耐火電纜。

2.3 小結(jié)

基于火災(zāi)運(yùn)行能力的布線設(shè)計(jì),與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路有很多不同。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,布線往往是根據(jù)電氣系統(tǒng)的要求實(shí)現(xiàn)電氣連接及功能即可,而對(duì)于火災(zāi)運(yùn)行模式下的布線,布線的一些方案也會(huì)影響到電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如乘客廣播,傳統(tǒng)方案是從廣播主機(jī)逐個(gè)連接整車所有的揚(yáng)聲器即可,基于火災(zāi)模式下的客室廣播,就需要將揚(yáng)聲器分成2路,每一路從廣播主機(jī)單獨(dú)接線。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,要綜合考慮方案的最優(yōu)性。

3 布線防火隔斷設(shè)計(jì)

火災(zāi)是一個(gè)從產(chǎn)生—發(fā)展蔓延—熄滅的過(guò)程。防火隔斷的主要作用是控制和延緩火災(zāi)的蔓延,給乘客的疏散逃生贏得時(shí)間[3]。防火隔斷主要是隔絕煙、火焰和熱的傳播,對(duì)應(yīng)3個(gè)指標(biāo):耐火完整性、耐火隔熱性和熱輻射。耐火完整性,即在火災(zāi)發(fā)生時(shí),其受火面能在一定時(shí)間內(nèi)防止火焰穿透的性能;耐火隔熱性和熱輻射,即在火災(zāi)發(fā)生時(shí),能在一定時(shí)間內(nèi)確保其背火面溫度的上升不至于引燃背火區(qū)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(jié)構(gòu)中薄弱的位置,需要重點(diǎn)考慮,布線防火隔斷設(shè)計(jì)典型方案如下。

3.1 客室隔斷結(jié)構(gòu)

客室電纜從隔斷結(jié)構(gòu)穿過(guò),在電纜敷設(shè)完畢后進(jìn)行耐火處理。特別說(shuō)明在隔斷結(jié)構(gòu)處若采用打膠方案,在隔斷穿孔處要設(shè)計(jì)一定長(zhǎng)度的平臺(tái),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(jié)構(gòu)

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(jìn)行打膠防火處理。同時(shí)也需要兼顧整車氣密性的處理?？锥吹某叽绾臀恢靡芊奖愦蚰z,并預(yù)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(jié)束語(yǔ)

本文基于EN 45545標(biāo)準(zhǔn)的防火要求,重點(diǎn)從布線部件防火設(shè)計(jì)、火災(zāi)情況下車輛運(yùn)行能力以及布線防火隔斷3個(gè)方面出發(fā),對(duì)動(dòng)車組布線設(shè)計(jì)提出切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案,該方案已在出口歐洲動(dòng)車組和國(guó)內(nèi)市域動(dòng)車組項(xiàng)目進(jìn)行了落實(shí)和驗(yàn)證,并得到第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)及業(yè)主用戶的認(rèn)可。本文提供的方案為軌道交通車輛布線防火設(shè)計(jì)提供了參考。