基于EN45545標準的電力機車與調(diào)車機車防火設(shè)計思考

(中車株洲電力機車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001)

0 引言

火災(zāi)隱患是對鐵路機車車輛行車安全影響最大的一項因素，防火技術(shù)的研究對軌道交通機車車輛的安全運行至關(guān)重要。為此全球發(fā)展軌道交通裝備制造的主要國家及核心機構(gòu)發(fā)布了一系列鐵路車輛防火標準，如歐盟EN45545、國際鐵路聯(lián)盟UIC564、UIC617、UIC642、德國DIN5510、英國BS6853、法國NF F16-101及國內(nèi)的GB6771、TB/T3138等，其中EN45545標準所涉及的防火指標規(guī)定及適用范圍是最全面廣泛的。本文基于國際上公認最為權(quán)威的歐盟EN45545標準進行電力機車與調(diào)車機車防火設(shè)計分析與概述，針對電力機車與調(diào)車機車防火設(shè)計方面給出相關(guān)建議，為需滿足防火TSI認證的歐洲項目提供參考。

1 EN45545標準

EN45545標準由歐洲標準化委員會CEN和歐洲電工技術(shù)標準委員會CENELEC于2012年12月7日批準并于2013年3月正式發(fā)布。從2016年3月以后，任何運行在歐盟范圍內(nèi)的機車車輛的防火設(shè)計都必須滿足EN45545標準的規(guī)定。EN45545標準主要涵蓋了鐵路機車車輛的防火等級、材料及零部件的防火性能要求、防火隔板的耐火性要求、機車車輛防火設(shè)計安全要求、電氣設(shè)備防火安全要求、火災(zāi)控制與報警、可燃液體及氣體裝置的防火安全要求等方面。

2 防火設(shè)計依據(jù)

防火設(shè)計首先需要結(jié)合不同的運行類別及設(shè)計類別來定義相應(yīng)的機車車輛火災(zāi)危害等級。運行類別依據(jù)機車車輛服務(wù)類型、線路基礎(chǔ)設(shè)施分為運行類別1、2、3、4四種情況，電力機車及調(diào)車機車通常符合運行類別2、3。設(shè)計類別依據(jù)車輛設(shè)計特征進行劃分，機車車輛的設(shè)計按照不同服務(wù)需求分為A、D、S、N四類，電力機車及調(diào)車機車均屬于N類(標準車輛)。

依據(jù)機車車輛的運行類別與設(shè)計類別的聯(lián)系，EN45545標準將機車車輛的火災(zāi)危害等級規(guī)定為HL1、HL2、HL3三個級別，電力機車及調(diào)車機車對應(yīng)的火災(zāi)危害等級均為HL2，火災(zāi)危害等級的定義給機車車輛防火設(shè)計提供了具體指標參考。

3 材料及部件防火性能

電力機車與調(diào)車機車所使用材料及部件的對火反應(yīng)性能要求與其內(nèi)在特性、位置布局、設(shè)計形狀、暴露表面、相對質(zhì)量和厚度、特定用途等方面有關(guān)。EN45545-3中定義了68種常見的非金屬材料及部件集合并制定了相應(yīng)的防火性能評估流程，針對這些材料和部件進行一系列防火指標的測試，包括反映材料火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘幕鹧嫦缗R界熱通量、反映材料熱釋放能力的熱釋放速率、反映材料燃燒產(chǎn)生煙霧程度的光密度、反映材料燃燒產(chǎn)生毒性氣體的毒性指標、反映材料燃燒難易程度的氧指數(shù)、火焰沖擊試驗等方面。

在防火TSI認證過程中通常采用FCIL表格文件來管理整車材料及部件耐火試驗信息，F(xiàn)CIL表格依據(jù)整車BOM來進行劃分，對應(yīng)每層BOM涵蓋了產(chǎn)品分類(編號、名稱)、產(chǎn)品信息(原材料、制造商、材料特性、可燃物含量)、符合性評估等內(nèi)容。其中符合性評估對應(yīng)分類有3種依據(jù)：列表產(chǎn)品、分組規(guī)則、容積規(guī)則，如真空斷路器屬于列表產(chǎn)品，則規(guī)定了需要滿足的防火等級要求R23，提供測試報告即可，若不是列表產(chǎn)品，則需要根據(jù)分組規(guī)則來進行判斷，如密封膠可燃質(zhì)量小于10 g且不與其他質(zhì)量小于10 g的產(chǎn)品接觸，則沒有要求，目前在電力機車及調(diào)車機車上基本沒有符合容積規(guī)則的產(chǎn)品，暫無考慮。

因此后續(xù)應(yīng)當要求相關(guān)供應(yīng)商依據(jù)FCIL文件及時補充相關(guān)的材料及部件耐火性測試報告，同時在新材料或新部件供應(yīng)前盡早按EN45545標準指定相關(guān)測試機構(gòu)完成耐火性測試并出具相應(yīng)測試報告，為需滿足TSI認證的歐洲市場項目建立良好基礎(chǔ)和有效保障。

4 防火隔板

防火隔板是火災(zāi)情況下用于將機車車輛兩相鄰區(qū)域進行隔離的結(jié)構(gòu)，能夠在一段時間內(nèi)有效阻止或延緩火焰蔓延及煙氣、熱量的傳播，形成一個相對封閉的區(qū)域。由于在電力機車和調(diào)車機車上工作人員絕大部分情況下是處于司機室內(nèi)的，因此司機室是電力機車與調(diào)車機車的重點防火保護區(qū)域。

按照EN45545標準規(guī)定，司機室后墻防火隔板屬于垂直結(jié)構(gòu)防火隔板，耐火性能試驗按照EN1363-1和EN1364-1來進行，分為完整性測試(E)和隔熱性測試(I)兩部分，其中防火隔板結(jié)構(gòu)完整性體現(xiàn)的是：當機械間發(fā)生火災(zāi)情況下，防止司機室側(cè)的隔板出現(xiàn)明顯火焰以及防止煙氣徹底蔓延的隔絕火焰?zhèn)鞑サ哪芰?；耐火隔熱性體現(xiàn)的是當機械間發(fā)生火災(zāi)并持續(xù)一段時間的高溫情況下，司機室側(cè)的隔板沒有出現(xiàn)迅速明顯溫升的火災(zāi)絕緣能力。依據(jù)EN45545-3表1的要求，對于運行類別2的電力機車需滿足15 min的完整性指標(E15)，運行類別3的電力機車需滿足15 min的完整性(E15)及15 min隔熱性指標(I15)。對于調(diào)車機車來說，一般只需要滿足15 min的完整性指標(E15)。

電力機車防火隔板主要指的是司機室后端整體隔墻結(jié)構(gòu)(見圖1)，用于隔離司機室與機械間，通常在隔墻內(nèi)填充一定厚度的耐火纖維棉來組成防火隔板結(jié)構(gòu)。根據(jù)目前某歐洲機車項目已進行的防火試驗情況來看，建議在隔墻表面噴涂防火涂料來進一步增強耐火性能，同時機械間門建議采用耐火性能更好的鋼結(jié)構(gòu)，因為鋁結(jié)構(gòu)在高溫情況下較容易融化，依據(jù)EN45545-3中防火隔板耐火性能推薦，建議采用2 mm厚的鋼板，同時門上防火玻璃不建議采用粘接或橡膠條固定，在高溫情況下容易脫落，建議采用螺栓安裝固定或不銹鋼材料進行額外固定。對于機械間門與隔墻的密封建議采用內(nèi)外雙層密封，以保證靠近機械間一側(cè)的橡膠密封條融化后，背火面一側(cè)的密封條還具備隔熱性能，提升機械間門與隔墻的耐火性能。對于調(diào)車機車來講，若機械間布置有大功率電氣設(shè)備或內(nèi)燃動力設(shè)備(含內(nèi)燃機、加熱設(shè)備、燃油箱和管路設(shè)備)，則司機室與機械間之間的隔墻需要滿足防火隔板的要求，若在司機室正下方布置有大功率電氣設(shè)備或內(nèi)燃動力設(shè)備，則司機室地板也要滿足防火隔斷結(jié)構(gòu)的耐火性要求，防止火焰通過地板蔓延到司機室。如圖2所示是單司機室的混合動力調(diào)車機車防火隔板。當電纜、導(dǎo)管、風(fēng)道等需要穿過司機室防火隔墻時，要確保對司機室防火隔墻的耐火性能沒有影響，一般可采用司機室后墻密封組成的方式，該組成是模塊化結(jié)構(gòu)，可以預(yù)留后期更換管路、線路的空間余量。

圖1 電力機車司機室后端墻防火隔斷

圖2 單司機室調(diào)車機車端墻及地板防火隔斷

5 可燃液體防火要求

EN45545-7標準規(guī)定不適用于變壓器油和液壓油等技術(shù)液體，只針對其可能產(chǎn)生溢出、泄露和噴濺等情況進行了設(shè)計指導(dǎo)。針對電力機車牽引變壓器的冷卻用油，依據(jù)TSI1302中4.2.10.2.2條內(nèi)容，對于貨運電力機車來說，需滿足EN45545-2表5中R14防火等級，對應(yīng)即為牽引變壓器油著火點滿足K級要求，按照EN ISO2592規(guī)定即為冷卻油燃點大于300 ℃；對于客運電力機車，按照EN50553中規(guī)定，牽引變壓器油需為K型，滿足燃點大于300 ℃。因此按照燃點要求，牽引變壓器通常選用合成酯油或硅油作為冷卻介質(zhì)。對于變壓器油可能存在的泄露應(yīng)當進行預(yù)防，牽引變壓器冷卻油管與各種部件可以采用螺紋緊固的方式進行連接，整體式焊接的油管將牽引變壓器油回路與機械間冷卻塔相連接，由于中間未使用接頭從而減少了漏油的可能性，同時對變壓器內(nèi)油溫進行監(jiān)控，在牽引變壓器上安裝了監(jiān)測油箱內(nèi)上層油溫的溫度傳感器，當油溫超過限定值后系統(tǒng)自動分斷主斷路器起到保護作用。

針對裝有內(nèi)燃動力包的調(diào)車機車，燃油箱不能安裝在司機室內(nèi)的任何區(qū)域、機車碰撞易發(fā)生能量吸收的區(qū)域，不能接觸灼熱部件、可能引起電火花的電氣裝置、可能引起飛濺的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備，同時要避免燃油被吸入任何吸收設(shè)備(如通風(fēng)器和冷卻器)、滲入隔熱材料層或隔聲材料層。一般調(diào)車機車燃油箱采用鋼和鋁等金屬結(jié)構(gòu)，為滿足最低抗沖擊性能對結(jié)構(gòu)的厚度要求，油箱容積不超過2 000 L時應(yīng)采用2 mm厚的鋼板或3 mm厚的鋁板，超過2 000 L時需要采用3 mm厚的鋼板或4 mm厚的鋁板。

燃油箱注入管附近均應(yīng)設(shè)有相應(yīng)危險標志：符合指令92/58/EEC規(guī)定的危險標志P02“禁止明火、禁止吸煙”；符合指令92/58/EEC規(guī)定的危險標志W(wǎng)01“可燃液體警告”。

考慮到可能引發(fā)可燃液體燃燒的引火源，如漏電、設(shè)備過熱、保護裝置故障等情況，牽引變壓器、燃油箱均應(yīng)按照EN50153電氣危險防護的相關(guān)規(guī)定通過車體與鋼軌接地。內(nèi)燃機應(yīng)配有緊急停止裝置，若內(nèi)燃機布置在機車上的設(shè)備間內(nèi)，則在設(shè)備間內(nèi)同樣應(yīng)配備緊急停止裝置，且該裝置能從司機室及車身外部進行操作，保證火災(zāi)發(fā)生時能夠及時停止燃油輸送，防止火災(zāi)迅速蔓延，確保司機室人員安全。

6 電氣設(shè)備防火安全要求

電氣設(shè)備通常是引發(fā)機械間火災(zāi)的高風(fēng)險源，因此需要對機車的受電弓和耗電裝置之間進行過載保護，詳細考慮輔助系統(tǒng)及控制系統(tǒng)各部件的負載，選擇合適的接觸器與斷路器，并在輔助變流系統(tǒng)中選取合適的過載保護值，防止電氣設(shè)備在過載情況下放出電弧引發(fā)火災(zāi)。大功率電氣設(shè)備的斷路器、接觸器都需要配備滅弧裝置，且滅弧裝置需要符合EN45545-5中規(guī)定的B型電弧擋層要求：材料性質(zhì)滿足E3B、耐火完整性滿足E60、在規(guī)定的范圍內(nèi)抑制大功率設(shè)備發(fā)生故障時產(chǎn)生的電弧。

電氣部件設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)部件運行電壓等級來選擇合適的絕緣間隙和爬電距離，防止出現(xiàn)放電和爬電現(xiàn)象。高壓回路應(yīng)當安裝避雷器來保護機車牽引變壓器不受大氣過電壓、操作過電壓的損害，同時在高壓回路布置了高壓電壓互感器、電流互感器，來實現(xiàn)高壓側(cè)過壓過流保護，防止過壓過流造成部件過載引發(fā)火災(zāi)。

大功率電纜應(yīng)置于金屬槽或金屬管內(nèi)，電力機車通常采用中央金屬線槽的方式布線，通過與車體連接最終與車體等電勢，運行時需通過車體接地。針對電力機車及調(diào)車機車常用的水性電池，如：鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池，蓄電池布置安裝時應(yīng)考慮讓氣體排放至機車外，且蓄電池箱內(nèi)應(yīng)放置測量電池溫度的溫度傳感器，同時應(yīng)采用熱縮套管等對電纜進行補充絕緣處理，以防短路。在火災(zāi)發(fā)生時，為達到緊急情況下運行能力的要求，由于蓄電池不屬于EN45545-2中規(guī)定的列表產(chǎn)品，其對應(yīng)的防火等級既可以按照非列表產(chǎn)品也可以按照分組規(guī)則來進行評估。按照非列表產(chǎn)品來進行評估要依據(jù)ISO5658-2中規(guī)定的尺寸來進行試樣制備(試樣長800 mm)，電力機車及調(diào)車機車所使用的蓄電池一般達不到這個尺寸，依據(jù)安裝的位置采用相應(yīng)的防火要求來替代，安裝在室內(nèi)的蓄電池需要滿足R6的防火要求，安裝在室外的蓄電池需要滿足R9的防火要求。當蓄電池不滿足要求時按照容積規(guī)則來進行評估，要求裝有蓄電池的技術(shù)柜耐火完整性達到E15的要求。

電力機車及調(diào)車機車上應(yīng)急電氣設(shè)備在設(shè)計和安裝時應(yīng)確保其具備足夠的耐火完整性，滿足緊急情況下運行能力的要求，應(yīng)急電氣設(shè)備的電纜可以布置在同一區(qū)域，一般采用中央線槽的方式與大功率電纜分隔開。

7 火災(zāi)探測及控制

火災(zāi)探測系統(tǒng)旨在機車運行過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)起火點或起火隱患并將火情反饋給乘務(wù)人員，由火災(zāi)報警器、感溫探測器、感煙探測器、點式金屬探測器和熱敏電纜等組成，能夠?qū)崟r感應(yīng)目標區(qū)域內(nèi)的煙霧濃度及環(huán)境溫度，并將情況實時反饋給司機室乘務(wù)人員， 對于電力機車及調(diào)車機車來講，具體的火災(zāi)探測要求見表1。

表1 火災(zāi)探測

注：X—要求；nr—無要求；a—如果鐵路車輛不在指令2008/57/EC的涵蓋范圍內(nèi)，則無要求。

電力機車與調(diào)車機車上能促進燃燒的系統(tǒng)應(yīng)當進行梳理，如大功率牽引設(shè)備、內(nèi)燃動力包、供暖通風(fēng)與空調(diào)等。對于運行類別2的電力機車及調(diào)車機車，當火災(zāi)探測系統(tǒng)檢測到相應(yīng)區(qū)域起火時，機械間大功率牽引設(shè)備、內(nèi)燃機應(yīng)自動切斷，對于運行類別3的電力機車及調(diào)車機車，當火災(zāi)探測系統(tǒng)檢測到相應(yīng)區(qū)域起火時，機械間大功率牽引設(shè)備、內(nèi)燃機、供暖通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)均應(yīng)自動切斷，避免為火災(zāi)提供額外的能量，切斷能源供應(yīng)也能減小消防作業(yè)時的潛在風(fēng)險。

通常在機械間和內(nèi)燃機區(qū)域均要求布置適當且充足的水基滅火器，司機室需單獨配備1臺，單臺滅火器重量不應(yīng)超過15 kg。滅火器的類別選擇需要滿足相應(yīng)火災(zāi)級別的滅火要求，電力機車及調(diào)車機車上通常為機械間固體物料燃燒引發(fā)的火災(zāi)，對應(yīng)的滅火器滅火等級至少應(yīng)滿足EN3-7中規(guī)定的13A，針對混動調(diào)車機車內(nèi)燃動力包可能引發(fā)的火災(zāi)，對應(yīng)的滅火器滅火等級至少應(yīng)滿足EN3-7中規(guī)定的144B。在滅火器安裝位置附近貼上顯而易見的標識。針對需滿足TSI認證的機車項目，滅火器還需提供GS證書，可通過查MPA Dresden安全檢查中心網(wǎng)站進行查詢，需要與滅火器供應(yīng)商及時確認。

8 緊急逃生疏散

火災(zāi)發(fā)生時，乘務(wù)人員可以順利地從逃生通道安全撤離，如圖3、圖4為電力機車與調(diào)車機車乘務(wù)人員逃生通道。緊急情況下司機室乘務(wù)人員可以打開應(yīng)急車窗進行逃生，緊急出口應(yīng)提供至少2 000 cm2的無障礙空隙且最小內(nèi)部尺寸為400 mm，同時在上方粘貼有緊急出口標識便于引導(dǎo)。

在機車上應(yīng)配置應(yīng)急照明系統(tǒng)，當機車主電路供電被切斷時啟動應(yīng)急照明系統(tǒng)，應(yīng)急照明需符合EN13272中規(guī)定，地板上的撤離區(qū)域照明度不低于5 lux，出入口臺階位置照明度不低于40 lux，在蓄電池供電情況下應(yīng)急照明至少正常工作持續(xù)90 min，設(shè)計選型時需要考慮蓄電池容量能夠滿足應(yīng)急照明系統(tǒng)供能需求。通常在司機室天花板、機車門、機械間過道、門入口臺階等位置布置有應(yīng)急照明燈，應(yīng)急照明電纜采用阻燃電纜，確保能夠維持至少50%的應(yīng)急照明燈在火災(zāi)發(fā)生后20 min內(nèi)不受影響，阻燃電纜需符合TSI中對電纜阻燃特性的要求。

所有的緊急報警裝置、緊急出口及應(yīng)急設(shè)備(如滅火器、應(yīng)急錘等)附件均應(yīng)設(shè)置緊急標志及應(yīng)急照明，緊急標志為永久性的，且在應(yīng)急照明條件下能夠易于識別，緊急標志的圖案、顏色和大小應(yīng)符合EN61310-1的規(guī)定。

圖3 電力機車及調(diào)車機車逃生通道

圖4 調(diào)車機車逃生通道

9 結(jié)語

針對EN45545標準進行了全面的分析，結(jié)合目前防火TSI認證的要求對電力機車及調(diào)車機車防火設(shè)計進行了系統(tǒng)的闡述，圍繞EN45545標準7個部分的內(nèi)容展開。EN45545標準以UIC和歐洲主要國家的現(xiàn)行權(quán)威防火標準為基礎(chǔ)，是當前國際上最完整的軌道交通機車車輛防火標準體系，歐盟發(fā)布的歐洲鐵路機車車輛子系統(tǒng)互聯(lián)互通性技術(shù)規(guī)范(TSI)中涉及的防火要求部分同EN45545保持一致。后續(xù)進入歐洲市場的機車項目都必須滿足EN45545標準，從電力機車與調(diào)車機車設(shè)計之初出發(fā)，按照標準規(guī)定的條款嚴格執(zhí)行，滿足標準符合性審查過程中各項條款，為后續(xù)開拓更多的歐洲市場打好基礎(chǔ)。