无人驾驶地铁车辆电气屏柜防火安全设计

陈艳艳　曹宇

摘 要：无人驾驶地铁车辆正在全国逐步推广， 如何保障车辆安全可靠运行是无人驾驶车辆研究的核心，而火灾隐患是影响车辆安全的主要危险源之一，因此车辆防火安全设计尤其重要。本文阐述了基于EN 45545-2013的无人驾驶地铁车辆电气屏柜防火设计方法：通过分析电气屏柜特点，结合标准要求，研究有效且可行的防火措施，确定不同屏柜的风险等级及防火方案。并从耐火隔板设计、通风散热设计、出线孔封堵方案等方面详细介绍了耐火屏柜设计方案，有效提高了屏柜及整车的防火安全性。

关键词：EN 45545-2013标准 无人驾驶 地铁车辆 屏柜设计 防火

中图分类号：U284.48 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0071-03

全自动无人驾驶地铁车辆是指在完全没有司机和乘务人员参与，车辆在控制中心的统一控制下实现全自动运营，自动实现列车休眠、唤醒、准备、自检、自动运行、停车和开关车门等功能。具有高度自动化的技术先进性，能够有效减少人为操作，提升运营安全性、降低运营成本等优点。

近年来，无人驾驶地铁车辆正在全国逐步推广。上海轨道交通18号线（以下简称SML18），即采用全自动无人驾驶技术，安全问题是保障无人驾驶地铁系统长期成功运行的核心，车辆必须具有高度的安全可靠性，而火灾隐患是影响车辆安全的主要危险源之一，因此车辆防火安全设计尤其重要。SML18项目车辆采用EN 45545-2013《铁路应用-铁路车辆防火》，EN 45545-2013是欧盟国家统一的车辆防火标准，具备高水平的科学性和准确性。

电气屏柜是地铁车辆重要的组成部分，集成了牵引、辅助、乘客信息、网络控制等系统设备， 具有承载、供电、控制、过载和短路保护电气设备的作用，影响许多重要功能的实现，因此电气屏柜防火安全设计是车辆防火安全设计中的重点。

因此，本文以SML18項目车辆屏柜为例，主要从火灾风险分析、防火方案设计、耐火屏柜方案等几个方面，介绍基于EN 45545-2013的无人驾驶车辆电气屏柜的防火安全设计。

1 火灾风险分析

1.1 防火总体要求

SML18项目无人驾驶车辆基于EN 45545-1-2013的设计类别为A，运行类别为OC4，危害等级为HL3，因此应按照EN 45545-2013中的HL3等级的相关要求进行设计。

1.2 主要火源分析

屏柜内主要是电气火灾风险，有以下几类：

设备散热不良，产生局部高温，熔化绝缘层起火或直接引燃周边可燃物。

断路器、熔断器、继电器、接触器和线缆截面积等选型过小，负载电流大引起过载发热起火。

端子、连接器的接线头表面污损、松脱、或者长期运行导致接触电阻增大，造成局部过热或触头熔焊产生电弧，熔化绝缘层起火。

电缆表面出现机械损伤或老化导致短路或电弧，产生局部高温，熔化绝缘层起火或直接引燃周边可燃物。

方便插座负载功率超过设计选型阀值，长时间过载运行，导致局部发热起火。

1.3 各屏柜风险分析

根据功能和设备布置需要，SML18项目车辆客室屏柜总体设计如下，Tc车客室内设置设备柜、信号柜、低压柜；Mp车客室内设置低压柜、控制柜、微机柜；M车客室内设置低压柜、控制柜。首先针对各屏柜内设备的电气性能、安全等级、火源识别来进行电气屏柜的安全分析。

根据各屏柜的安装位置和设备布置差异，主要分为三大类，分别对三大类进行风险分析。

1.3.1 设备柜风险分析

设备柜安装在座椅下，供电电压均为110VDC，含有较大功率的设备为无线电主机（<200W）和SKS模块（<40W），功率较小，发生电气火灾风险会导致产生局部热点，在持续的较长时间作用下，会破坏绝缘性能，严重时可能导致短路或熔化绝缘层，造成设备局部焦化变黑。由于火源能量较小，火灾长时间处于初期烟和热的释放发展阶段，在失去持续火源和氧气不充分的情况下，初期火焰容易自熄，火势不会在设备柜内部区域进一步扩大以至于烧穿座椅盖板蔓延至客室内，不会对乘客生命安全造成较大威胁。座椅屏柜内发生火灾为不可见性火灾，乘客可通过嗅觉发现，根据危害严重等级定义火灾风险，座椅下设备柜局部火灾导致的后果是对乘客没有伤害，或者可能由于刺激性气体产生恐慌导致的轻微伤害（低于轻伤）。

1.3.2 信号柜、控制柜、微机柜风险分析

信号柜、控制柜、微机柜布置在每节车辆的端部，额定电压均为110VDC，较大功率设备为微型断路器（16A；P<1.6kW）、方便插座（P<3kW）。发生电气火灾风险会导致产生局部热点，在持续的较长时间作用下，会熔化绝缘层，并引燃可燃材料，造成屏柜内局部受限火灾，如局部焦化烧黑，屏柜内局部火焰不会在屏柜内部大规模扩散，并通过连接间隙和通风格栅蔓延至客室及相邻贯通道，对乘客生命安全造成威胁，根据危害严重等级定义和火灾风险分析，屏柜内部局部火灾导致的后果是对乘客没有伤害或者由于刺激性气体/恐慌导致的轻微伤害（低于轻伤）。

1.3.3 低压柜风险分析

低压柜布置在每节车辆的端部，额定电压均为DC 110V和AC 380V，空调控制盘中含有较大负载功率器件，如主进线断路器（<30kW）、压缩机断路器（<13kW）等。由于含有大功率器件（根据EN 45545-1-2013标准，定义额定功率大于20kW的电路为大功率电路），容易产生高温烧熔绝缘层或产生电弧直接引燃周边可燃材料，引发火灾。屏柜内火焰将由内蔓延至客室和贯通道内，并进一步引燃屏柜周边可燃材料，依据危害严重等级定义，将有可能造成乘客轻伤以及恐慌所带来的二次伤害，危害等级较高。

2 防火方案设计

2.1 防火措施

EN 45545标准的目的是尽量减少起火的概率，控制火势蔓延的速度和程度，以便尽量减少火灾对乘客的影响。根据地铁车辆电气屏柜的特点，防火措施主要从以下几个方面考虑：

2.1.1 非金属材料的防火性能

屏柜内设备的非金属材料的防火性能满足EN 45545-2013标准的HL3要求，如电缆满足EN 50306，EN 50264， EN 50382 或EN 45545-2-2013 的R15要求；机箱、低压电器、端子排、连接器、布线辅料中的非金属材料等满足EN 45545-2013的 R24或R25要求；屏柜内小型可燃材料如果满足周边横向20mm，纵向200mm无其他非金属材料，质量小于0.1kg，则没有要求，否则也需满足EN 45545-2013标准的HL3等级要求。

2.1.2 合理的电气设计和设备布置

通过合理的电气设计和设备布置降低火灾危害性。屏柜内所有系统设备均设置有断路器对其进行短路和过载、过流保护；牵引控制、制动控制、紧急照明供电、紧急通信、车门控制、火灾探测电源线路等关键回路选择耐火电缆；含有大功率器件的屏柜建议不安装关键回路设备，如果必须安装关键回路设备，则应该安装在大功率器件的下方，并采用耐火电缆；关键回路设备采用冗余设计，每列车至少配备两套，当其中一个设备故障，不会影响列车牵引和制动控制、紧急照明等重要功能。

2.1.3 火灾监控

屏柜内设置感温感烟探测器或者感温电缆，当探测到火灾后，通过TCMS 向OCC 报警，由人工触发相应的灭火和应急措施。

2.1.4 防火隔断

含有大功率器件的的屏柜，通过在设备与乘客之间设置防火墙来保护乘客及乘务人员安全。如果屏柜内发生火灾，可在一段时间内延迟和阻止火焰蔓延和烟毒气体扩散，保护车上人员安全疏散。

2.2 防火方案

根据对各屏柜的风险分析，危害等级不同，需要采用不同的防火措施。

2.2.1 设备柜防火方案

根据以上分析得知，安装在座椅下的设备柜内设备功率较低，危害等级较小，可以通过以下措施防火：所有设备均设置过载过流保护，设备非金属材料满足EN 45545-2013的HL3要求，设备外围及上部座椅面采用金属或者满足EN 45545-2013的HL3要求的玻璃钢材料。

2.2.2 信号柜、微机柜、控制柜防火方案

信号柜、微机柜、控制柜含有较大功率的设备，可通过合理的电气设计和设备布置降低火災危害性，采用满足EN 45545-2013的HL3要求的设备材料，并在屏柜顶部设置感温感烟探测器，通过监控火灾情况采取人工应急措施。

2.2.3 低压柜防火方案

低压柜内由于含有大功率器件危险等级较高，需要采用多重防火措施来降低风险。首先，低压柜内建议不安装关键回路设备，安装在Tc车低压柜中的VCU（中央控制单元）必须布置在空调控制板的下方，尽量靠近底部，并且电缆须采用耐火电缆；在低压柜顶部设置感温感烟探测器，通过监控火灾情况采取人工应急措施；并且低压柜需设计耐火隔板，SML18项目运行类别为OC4，根据EN 45545-3-2013因此低压柜需要设计E15（完整性15min）的防火隔板，如果低压柜内发生火灾，将在15min内被限制在屏柜内部，相对于到达下一站安全疏散空间（<4 min）还有安全时间余量，可用于火灾扑灭和应急救援。

3 低压柜耐火设计

综合以上分析，SML18项目Tc、Mp车和M车低压柜因安装有较大负载功率器件，需要按EN 45545-3-2013要求设计满足15min完整性的耐火隔板，受保护的位置为客室区域的乘客。

3.1 低压柜结构和设备布置

低压柜内部由金属骨架承载设备，下部为低压控制盘，主要安装了VCU、继电器、接触器、方便插座、断路器等低压供电及控制设备；上部为空调控制盘，主要安装了空调相关的供电及控制设备，大功率器件如空调进线断路器（<30kW）、压缩机断路器（<13kW）等安装在空调控制盘中。包围低压柜金属骨架的有6个面，其中两个面与乘客相邻，四个面不与乘客相邻，分别为底面车体地板、顶面、侧面车体端墙和车体侧墙。

3.2 耐火隔板设计

根据EN 45545-3，大于等于5mm的铝板耐火性能即可达到E15，底面车体地板为8mm铝板，侧面车体端墙为6mm铝板，侧面车体侧墙为30mm铝型材，且底面车体地板、侧面车体端墙和车体侧墙不与乘客相邻，因此可以沿用原结构。

低压柜的顶部分布有客室线槽、客室风道、门驱和LCD显示屏，详见图1。根据实际测量，空调控制盘顶部与客室线槽的距离约为40cm，与门驱距离约为16cm，与客室风道距离约为68cm，与LCD显示屏的距离约为66cm。如果空调控制盘中的大功率设备发生火灾，火焰将会向上燃烧进一步引燃顶部设备的非金属材料，导致火灾迅速蔓延至客室，危及乘客安全，因此，顶面需设置耐火隔板。

与乘客相邻的两个面危险等级最高，如果低压柜内部发生火灾，火焰和烟毒气将会迅速蔓延至客室，将有可能造成乘客受伤以及恐慌所带来的二次伤害，必须设置耐火隔板，降低火灾风险所带来的后果。

顶面和两个底面耐火隔板主体选用轻芯钢和铝蜂窝复合板结构，后附陶瓷纤维，与车体端墙、侧墙的连接处缝隙填充防火膨胀胶条，柜门四周粘贴防火膨胀密封胶条；顶面耐火隔板用低压柜柜体和车体安装座支撑，与车体端墙、侧墙、以及两个立面耐火隔板之间的连接处缝隙也需填充防火膨胀胶条。图2为低压柜耐火结构示意图。

3.3 通风散热设计

低压柜中安装了空调控制、列车控制、辅助回路等众多设备，且还包含大功率设备，发热量较大，为确保设备能正常工作，低压柜需要散热通风，因此柜门和顶面上开孔设置通风防火格栅，格栅与其连接器处缝隙填充防火膨胀胶条。在正常情况下，冷空气从屏柜门的格栅流入，从顶部格栅流出，可以满足柜内设备通风散热；当火灾发生时，防火格栅受热时板条状结构膨胀到原来形态的数倍，从而会形成一道坚固的屏障，以阻隔火焰、热量、烟气的传播。为满足防尘，防火格栅还设置了两层过滤网。因为气流是由柜门下方格栅处流向柜顶，因此用于监控火灾情况的感温感烟探测器安装在低压柜顶部。

3.4 出线孔耐火设计

低压柜中线缆需连接到客室线槽和底架线槽，因此需在底面和顶面设置出线孔，为保证火焰和烟毒气不从出线孔流出，当完成接线后，需用防火封堵材料对出线孔进行封堵，出线孔厚度需达到50mm以上，才能满足耐火隔断要求，从而达到密封和防火的目的。

4 结语

本文对基于EN 45545-2013的无人驾驶地铁车辆电气屏柜防火设计思路进行了重点概述：对电气屏柜可能出现的火灾风险进行了简要分析，并对各个屏柜的风险等级进行了定义，结合EN 45545 2013标准要求，从尽量减少起火的概率，控制火势蔓延的速度和程度，以便尽量减少火灾对乘客的影响的方向，研究有效且可行的防火措施，根据风险等级确定各屏柜详细的防火方案。针对低压柜内包含主进线断路器等大功率设备，从低压柜耐火隔板设计、通风散热设计、出线孔封堵方案等方面详细介绍了基于EN 45545 2013标准要求的耐火屏柜设计方案。

终上所述，对电气屏柜防火安全设计需要系统而全面的分析和研究，才能有效提高屏柜及整车的防火安全性，其方法还需不断总结、验证和完善，车辆设计人员应该加强车辆防火安全意识，严格执行标准，从而降低火灾风险给乘客带来的危害。

参考文献

[1] EN 45545-2013，铁路应用-铁路车辆防火[S].

[2] 基于EN 45545-2013对电力机车屏柜防火设计要求的研究 [J].电力机车与城轨车辆，2018（4）：63-69.