無(wú)人駕駛地鐵車輛電氣屏柜防火安全設(shè)計(jì)

1、無(wú)人駕駛地鐵車輛電氣屏柜防火平安設(shè)計(jì)摘要：無(wú)人駕駛地鐵車輛正在全國(guó)逐步推廣，如何保障車輛平安可靠運(yùn)行是無(wú)人駕駛車輛研究的核心，而火災(zāi)隱患是影響車輛平安的主要危險(xiǎn)源之一，因此車輛防火平安設(shè)計(jì)尤其重要。本文闡述了基于EN45545-2021的無(wú)人駕駛地鐵車輛電氣屏柜防火設(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的防火平安性。關(guān)鍵詞：EN45545-2021標(biāo)準(zhǔn)無(wú)人駕駛地鐵車輛屏柜設(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)：

2、1674-098X202103b-0071-03全自動(dòng)無(wú)人駕駛地鐵車輛是指在完全沒(méi)有司機(jī)和乘務(wù)人員參與，車輛在控制中心的統(tǒng)一控制下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)列車休眠、喚醒、準(zhǔn)備、自檢、自動(dòng)運(yùn)行、停車和開(kāi)關(guān)車門等功能。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)平安性、降低運(yùn)營(yíng)本錢等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，無(wú)人駕駛地鐵車輛正在全國(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)，平安問(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，車輛必須具有高度的平安可靠性，而火災(zāi)隱患是影響車輛平安的主要危險(xiǎn)源之一，因此車輛防火平安設(shè)計(jì)尤其重要。SML18工程車輛采用EN45545-2

3、021?鐵路應(yīng)用-鐵路車輛防火?，EN45545-2021是歐盟國(guó)家統(tǒng)一的車輛防火標(biāo)準(zhǔn)，具備高水平的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。電氣屏柜是地鐵車輛重要的組成局部，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)，因此電氣屏柜防火平安設(shè)計(jì)是車輛防火平安設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。因此，本文以SML18項(xiàng)目車輛屏柜為例，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EN45545-2021的無(wú)人駕駛車輛電氣屏柜的防火平安設(shè)計(jì)。1火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析1.1防火總體要求SML18工程無(wú)人駕駛車輛基于EN45545-1-2021的設(shè)計(jì)類別為A，

4、運(yùn)行類別為OC4，危害等級(jí)為HL3，因此應(yīng)按照EN45545-2021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、連接器的接線頭外表污損、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。電纜外表出現(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

5、根據(jù)功能和設(shè)備布置需要，SML18工程車輛客室屏柜總體設(shè)計(jì)如下，Tc車客室內(nèi)設(shè)置設(shè)備柜、信號(hào)柜、低壓柜；Mp車客室內(nèi)設(shè)置低壓柜、控制柜、微機(jī)柜；M車客室內(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、平安等級(jí)、火源識(shí)別來(lái)進(jìn)行電氣屏柜的平安分析。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)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；P1.3.3低壓柜風(fēng)險(xiǎn)分析低壓

6、柜布置在每節(jié)車輛的端部，額定電壓均為DC110V和AC380V，空調(diào)控制盤中含有較大負(fù)載功率器件，如主進(jìn)線斷路器2防火方案設(shè)計(jì)2.1防火措施EN45545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EN45545-2021標(biāo)準(zhǔn)的HL3要求，如電纜滿足EN50306，EN50264，EN50382或EN45545-2-2004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EN45545-2021的R2

7、4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，那么沒(méi)有要求，否那么也需滿足EN45545-2021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、車門控制、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，那么應(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)，每列車至少配備兩套，當(dāng)其中一個(gè)設(shè)備故

8、障，不會(huì)影響列車牽引和制動(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)人員平安。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)車上人員平安疏散。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

9、料滿足EN45545-2021的HL3要求，設(shè)備外圍及上部座椅面采用金屬或者滿足EN45545-2021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EN45545-2021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

10、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工程運(yùn)行類別為OC4，根據(jù)EN45545-3-2021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)下一站平安疏散空間3低壓柜耐火設(shè)計(jì)綜合以上分析，SML18工程Tc、Mp車和M車低壓柜因安裝有較大負(fù)載功率器件，需要按EN45545-3-2021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，主要安裝了VCU

11、、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，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3.2耐火隔板設(shè)計(jì)根據(jù)EN45545-3，大于等于5mm的鋁板耐火性能即可到達(dá)E15，底面車體地板為8mm鋁板，側(cè)面車體端墻為6mm鋁板，側(cè)面車體側(cè)墻為30mm鋁型材，且底面車體地板、側(cè)面車體端墻和車體側(cè)墻不與乘客相鄰，因此可以沿用原結(jié)構(gòu)。低壓柜的頂局部布有客室線槽、客室風(fēng)道、門驅(qū)和LCD顯示屏，詳見(jiàn)圖1。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，空調(diào)控制盤頂部與客室線槽的距離約為40cm，與門驅(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

12、盤中的大功率設(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，危及乘客平安，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，與車體端墻、側(cè)墻的連接處縫隙填充防火膨脹膠條，柜門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體安裝座支撐，與車體端墻、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)

13、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)形成一道鞏固的屏障，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

14、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，出線孔厚度需到達(dá)50mm以上，才能滿足耐火隔斷要求，從而到達(dá)密封和防火的目的。4結(jié)語(yǔ)本文對(duì)基于EN45545-2021的無(wú)人駕駛地鐵車輛電氣屏柜防火設(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EN455452021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