基于EN45545标准的电力机车与调车机车防火设计思考

(中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412001)

0 引言

火灾隐患是对铁路机车车辆行车安全影响最大的一项因素，防火技术的研究对轨道交通机车车辆的安全运行至关重要。为此全球发展轨道交通装备制造的主要国家及核心机构发布了一系列铁路车辆防火标准，如欧盟EN45545、国际铁路联盟UIC564、UIC617、UIC642、德国DIN5510、英国BS6853、法国NF F16-101及国内的GB6771、TB/T3138等，其中EN45545标准所涉及的防火指标规定及适用范围是最全面广泛的。本文基于国际上公认最为权威的欧盟EN45545标准进行电力机车与调车机车防火设计分析与概述，针对电力机车与调车机车防火设计方面给出相关建议，为需满足防火TSI认证的欧洲项目提供参考。

1 EN45545标准

EN45545标准由欧洲标准化委员会CEN和欧洲电工技术标准委员会CENELEC于2012年12月7日批准并于2013年3月正式发布。从2016年3月以后，任何运行在欧盟范围内的机车车辆的防火设计都必须满足EN45545标准的规定。EN45545标准主要涵盖了铁路机车车辆的防火等级、材料及零部件的防火性能要求、防火隔板的耐火性要求、机车车辆防火设计安全要求、电气设备防火安全要求、火灾控制与报警、可燃液体及气体装置的防火安全要求等方面。

2 防火设计依据

防火设计首先需要结合不同的运行类别及设计类别来定义相应的机车车辆火灾危害等级。运行类别依据机车车辆服务类型、线路基础设施分为运行类别1、2、3、4四种情况，电力机车及调车机车通常符合运行类别2、3。设计类别依据车辆设计特征进行划分，机车车辆的设计按照不同服务需求分为A、D、S、N四类，电力机车及调车机车均属于N类(标准车辆)。

依据机车车辆的运行类别与设计类别的联系，EN45545标准将机车车辆的火灾危害等级规定为HL1、HL2、HL3三个级别，电力机车及调车机车对应的火灾危害等级均为HL2，火灾危害等级的定义给机车车辆防火设计提供了具体指标参考。

3 材料及部件防火性能

电力机车与调车机车所使用材料及部件的对火反应性能要求与其内在特性、位置布局、设计形状、暴露表面、相对质量和厚度、特定用途等方面有关。EN45545-3中定义了68种常见的非金属材料及部件集合并制定了相应的防火性能评估流程，针对这些材料和部件进行一系列防火指标的测试，包括反映材料火焰传播特性的火焰熄灭临界热通量、反映材料热释放能力的热释放速率、反映材料燃烧产生烟雾程度的光密度、反映材料燃烧产生毒性气体的毒性指标、反映材料燃烧难易程度的氧指数、火焰冲击试验等方面。

在防火TSI认证过程中通常采用FCIL表格文件来管理整车材料及部件耐火试验信息，FCIL表格依据整车BOM来进行划分，对应每层BOM涵盖了产品分类(编号、名称)、产品信息(原材料、制造商、材料特性、可燃物含量)、符合性评估等内容。其中符合性评估对应分类有3种依据：列表产品、分组规则、容积规则，如真空断路器属于列表产品，则规定了需要满足的防火等级要求R23，提供测试报告即可，若不是列表产品，则需要根据分组规则来进行判断，如密封胶可燃质量小于10 g且不与其他质量小于10 g的产品接触，则没有要求，目前在电力机车及调车机车上基本没有符合容积规则的产品，暂无考虑。

因此后续应当要求相关供应商依据FCIL文件及时补充相关的材料及部件耐火性测试报告，同时在新材料或新部件供应前尽早按EN45545标准指定相关测试机构完成耐火性测试并出具相应测试报告，为需满足TSI认证的欧洲市场项目建立良好基础和有效保障。

4 防火隔板

防火隔板是火灾情况下用于将机车车辆两相邻区域进行隔离的结构，能够在一段时间内有效阻止或延缓火焰蔓延及烟气、热量的传播，形成一个相对封闭的区域。由于在电力机车和调车机车上工作人员绝大部分情况下是处于司机室内的，因此司机室是电力机车与调车机车的重点防火保护区域。

按照EN45545标准规定，司机室后墙防火隔板属于垂直结构防火隔板，耐火性能试验按照EN1363-1和EN1364-1来进行，分为完整性测试(E)和隔热性测试(I)两部分，其中防火隔板结构完整性体现的是：当机械间发生火灾情况下，防止司机室侧的隔板出现明显火焰以及防止烟气彻底蔓延的隔绝火焰传播的能力；耐火隔热性体现的是当机械间发生火灾并持续一段时间的高温情况下，司机室侧的隔板没有出现迅速明显温升的火灾绝缘能力。依据EN45545-3表1的要求，对于运行类别2的电力机车需满足15 min的完整性指标(E15)，运行类别3的电力机车需满足15 min的完整性(E15)及15 min隔热性指标(I15)。对于调车机车来说，一般只需要满足15 min的完整性指标(E15)。

电力机车防火隔板主要指的是司机室后端整体隔墙结构(见图1)，用于隔离司机室与机械间，通常在隔墙内填充一定厚度的耐火纤维棉来组成防火隔板结构。根据目前某欧洲机车项目已进行的防火试验情况来看，建议在隔墙表面喷涂防火涂料来进一步增强耐火性能，同时机械间门建议采用耐火性能更好的钢结构，因为铝结构在高温情况下较容易融化，依据EN45545-3中防火隔板耐火性能推荐，建议采用2 mm厚的钢板，同时门上防火玻璃不建议采用粘接或橡胶条固定，在高温情况下容易脱落，建议采用螺栓安装固定或不锈钢材料进行额外固定。对于机械间门与隔墙的密封建议采用内外双层密封，以保证靠近机械间一侧的橡胶密封条融化后，背火面一侧的密封条还具备隔热性能，提升机械间门与隔墙的耐火性能。对于调车机车来讲，若机械间布置有大功率电气设备或内燃动力设备(含内燃机、加热设备、燃油箱和管路设备)，则司机室与机械间之间的隔墙需要满足防火隔板的要求，若在司机室正下方布置有大功率电气设备或内燃动力设备，则司机室地板也要满足防火隔断结构的耐火性要求，防止火焰通过地板蔓延到司机室。如图2所示是单司机室的混合动力调车机车防火隔板。当电缆、导管、风道等需要穿过司机室防火隔墙时，要确保对司机室防火隔墙的耐火性能没有影响，一般可采用司机室后墙密封组成的方式，该组成是模块化结构，可以预留后期更换管路、线路的空间余量。

图1 电力机车司机室后端墙防火隔断

图2 单司机室调车机车端墙及地板防火隔断

5 可燃液体防火要求

EN45545-7标准规定不适用于变压器油和液压油等技术液体，只针对其可能产生溢出、泄露和喷溅等情况进行了设计指导。针对电力机车牵引变压器的冷却用油，依据TSI1302中4.2.10.2.2条内容，对于货运电力机车来说，需满足EN45545-2表5中R14防火等级，对应即为牵引变压器油着火点满足K级要求，按照EN ISO2592规定即为冷却油燃点大于300 ℃；对于客运电力机车，按照EN50553中规定，牵引变压器油需为K型，满足燃点大于300 ℃。因此按照燃点要求，牵引变压器通常选用合成酯油或硅油作为冷却介质。对于变压器油可能存在的泄露应当进行预防，牵引变压器冷却油管与各种部件可以采用螺纹紧固的方式进行连接，整体式焊接的油管将牵引变压器油回路与机械间冷却塔相连接，由于中间未使用接头从而减少了漏油的可能性，同时对变压器内油温进行监控，在牵引变压器上安装了监测油箱内上层油温的温度传感器，当油温超过限定值后系统自动分断主断路器起到保护作用。

针对装有内燃动力包的调车机车，燃油箱不能安装在司机室内的任何区域、机车碰撞易发生能量吸收的区域，不能接触灼热部件、可能引起电火花的电气装置、可能引起飞溅的旋转机械设备，同时要避免燃油被吸入任何吸收设备(如通风器和冷却器)、渗入隔热材料层或隔声材料层。一般调车机车燃油箱采用钢和铝等金属结构，为满足最低抗冲击性能对结构的厚度要求，油箱容积不超过2 000 L时应采用2 mm厚的钢板或3 mm厚的铝板，超过2 000 L时需要采用3 mm厚的钢板或4 mm厚的铝板。

燃油箱注入管附近均应设有相应危险标志：符合指令92/58/EEC规定的危险标志P02“禁止明火、禁止吸烟”；符合指令92/58/EEC规定的危险标志W01“可燃液体警告”。

考虑到可能引发可燃液体燃烧的引火源，如漏电、设备过热、保护装置故障等情况，牵引变压器、燃油箱均应按照EN50153电气危险防护的相关规定通过车体与钢轨接地。内燃机应配有紧急停止装置，若内燃机布置在机车上的设备间内，则在设备间内同样应配备紧急停止装置，且该装置能从司机室及车身外部进行操作，保证火灾发生时能够及时停止燃油输送，防止火灾迅速蔓延，确保司机室人员安全。

6 电气设备防火安全要求

电气设备通常是引发机械间火灾的高风险源，因此需要对机车的受电弓和耗电装置之间进行过载保护，详细考虑辅助系统及控制系统各部件的负载，选择合适的接触器与断路器，并在辅助变流系统中选取合适的过载保护值，防止电气设备在过载情况下放出电弧引发火灾。大功率电气设备的断路器、接触器都需要配备灭弧装置，且灭弧装置需要符合EN45545-5中规定的B型电弧挡层要求：材料性质满足E3B、耐火完整性满足E60、在规定的范围内抑制大功率设备发生故障时产生的电弧。

电气部件设计时，应根据部件运行电压等级来选择合适的绝缘间隙和爬电距离，防止出现放电和爬电现象。高压回路应当安装避雷器来保护机车牵引变压器不受大气过电压、操作过电压的损害，同时在高压回路布置了高压电压互感器、电流互感器，来实现高压侧过压过流保护，防止过压过流造成部件过载引发火灾。

大功率电缆应置于金属槽或金属管内，电力机车通常采用中央金属线槽的方式布线，通过与车体连接最终与车体等电势，运行时需通过车体接地。针对电力机车及调车机车常用的水性电池，如：铅酸蓄电池和镍镉蓄电池，蓄电池布置安装时应考虑让气体排放至机车外，且蓄电池箱内应放置测量电池温度的温度传感器，同时应采用热缩套管等对电缆进行补充绝缘处理，以防短路。在火灾发生时，为达到紧急情况下运行能力的要求，由于蓄电池不属于EN45545-2中规定的列表产品，其对应的防火等级既可以按照非列表产品也可以按照分组规则来进行评估。按照非列表产品来进行评估要依据ISO5658-2中规定的尺寸来进行试样制备(试样长800 mm)，电力机车及调车机车所使用的蓄电池一般达不到这个尺寸，依据安装的位置采用相应的防火要求来替代，安装在室内的蓄电池需要满足R6的防火要求，安装在室外的蓄电池需要满足R9的防火要求。当蓄电池不满足要求时按照容积规则来进行评估，要求装有蓄电池的技术柜耐火完整性达到E15的要求。

电力机车及调车机车上应急电气设备在设计和安装时应确保其具备足够的耐火完整性，满足紧急情况下运行能力的要求，应急电气设备的电缆可以布置在同一区域，一般采用中央线槽的方式与大功率电缆分隔开。

7 火灾探测及控制

火灾探测系统旨在机车运行过程中能够及时发现起火点或起火隐患并将火情反馈给乘务人员，由火灾报警器、感温探测器、感烟探测器、点式金属探测器和热敏电缆等组成，能够实时感应目标区域内的烟雾浓度及环境温度，并将情况实时反馈给司机室乘务人员， 对于电力机车及调车机车来讲，具体的火灾探测要求见表1。

表1 火灾探测

注：X—要求；nr—无要求；a—如果铁路车辆不在指令2008/57/EC的涵盖范围内，则无要求。

电力机车与调车机车上能促进燃烧的系统应当进行梳理，如大功率牵引设备、内燃动力包、供暖通风与空调等。对于运行类别2的电力机车及调车机车，当火灾探测系统检测到相应区域起火时，机械间大功率牵引设备、内燃机应自动切断，对于运行类别3的电力机车及调车机车，当火灾探测系统检测到相应区域起火时，机械间大功率牵引设备、内燃机、供暖通风与空调系统均应自动切断，避免为火灾提供额外的能量，切断能源供应也能减小消防作业时的潜在风险。

通常在机械间和内燃机区域均要求布置适当且充足的水基灭火器，司机室需单独配备1台，单台灭火器重量不应超过15 kg。灭火器的类别选择需要满足相应火灾级别的灭火要求，电力机车及调车机车上通常为机械间固体物料燃烧引发的火灾，对应的灭火器灭火等级至少应满足EN3-7中规定的13A，针对混动调车机车内燃动力包可能引发的火灾，对应的灭火器灭火等级至少应满足EN3-7中规定的144B。在灭火器安装位置附近贴上显而易见的标识。针对需满足TSI认证的机车项目，灭火器还需提供GS证书，可通过查MPA Dresden安全检查中心网站进行查询，需要与灭火器供应商及时确认。

8 紧急逃生疏散

火灾发生时，乘务人员可以顺利地从逃生通道安全撤离，如图3、图4为电力机车与调车机车乘务人员逃生通道。紧急情况下司机室乘务人员可以打开应急车窗进行逃生，紧急出口应提供至少2 000 cm2的无障碍空隙且最小内部尺寸为400 mm，同时在上方粘贴有紧急出口标识便于引导。

在机车上应配置应急照明系统，当机车主电路供电被切断时启动应急照明系统，应急照明需符合EN13272中规定，地板上的撤离区域照明度不低于5 lux，出入口台阶位置照明度不低于40 lux，在蓄电池供电情况下应急照明至少正常工作持续90 min，设计选型时需要考虑蓄电池容量能够满足应急照明系统供能需求。通常在司机室天花板、机车门、机械间过道、门入口台阶等位置布置有应急照明灯，应急照明电缆采用阻燃电缆，确保能够维持至少50%的应急照明灯在火灾发生后20 min内不受影响，阻燃电缆需符合TSI中对电缆阻燃特性的要求。

所有的紧急报警装置、紧急出口及应急设备(如灭火器、应急锤等)附件均应设置紧急标志及应急照明，紧急标志为永久性的，且在应急照明条件下能够易于识别，紧急标志的图案、颜色和大小应符合EN61310-1的规定。

图3 电力机车及调车机车逃生通道

图4 调车机车逃生通道

9 结语

针对EN45545标准进行了全面的分析，结合目前防火TSI认证的要求对电力机车及调车机车防火设计进行了系统的阐述，围绕EN45545标准7个部分的内容展开。EN45545标准以UIC和欧洲主要国家的现行权威防火标准为基础，是当前国际上最完整的轨道交通机车车辆防火标准体系，欧盟发布的欧洲铁路机车车辆子系统互联互通性技术规范(TSI)中涉及的防火要求部分同EN45545保持一致。后续进入欧洲市场的机车项目都必须满足EN45545标准，从电力机车与调车机车设计之初出发，按照标准规定的条款严格执行，满足标准符合性审查过程中各项条款，为后续开拓更多的欧洲市场打好基础。