軌道交通車(chē)輛用電纜的阻燃性

孫正華

(上海南洋電材有限公司,201615,上?！慰偣こ處?

1 軌道車(chē)輛電纜的安全性

軌道車(chē)輛可大致分為鐵路車(chē)輛和城市軌道交通車(chē)輛。鐵路車(chē)輛由貨運(yùn)車(chē)和客運(yùn)車(chē)組成。本文主要討論旅客列車(chē)車(chē)輛用電纜的狀況和相關(guān)要求。

長(zhǎng)期以來(lái),鐵路普通旅客列車(chē)車(chē)輛對(duì)于電纜的防火安全性往往沿用國(guó)際通用電纜阻燃標(biāo)準(zhǔn)。即依據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)提出的 IEC 60332-1、IEC 60332-3標(biāo)準(zhǔn),考核電纜的單根和成束阻燃特性。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后,無(wú)論是國(guó)際還是國(guó)內(nèi)的技術(shù)人員,都開(kāi)始關(guān)注到物體在燃燒狀態(tài)下的發(fā)煙同樣會(huì)對(duì)乘員的逃生乃至生命產(chǎn)生莫大的影響,必須采用低煙無(wú)鹵的阻燃技術(shù)對(duì)原電纜進(jìn)行阻燃性能升級(jí)。即在人員稠密區(qū)域內(nèi)采用的材料和設(shè)備必須達(dá)到低煙無(wú)鹵的阻燃標(biāo)準(zhǔn)要求。

城市軌道交通車(chē)輛以及最新研制的高速動(dòng)車(chē)組,從一開(kāi)始就對(duì)電纜的防火安全性提出了較高的性能要求。眾所周知,地鐵的載員密度遠(yuǎn)大于同等體積的地面普通旅客列車(chē);而高速鐵路動(dòng)車(chē)(簡(jiǎn)稱“高鐵”)的運(yùn)行速度一般在200～300 km/h之間(最新的京滬高鐵的最高運(yùn)行速度可達(dá)350 km/h)。我國(guó)目前已投入運(yùn)營(yíng)的地鐵、動(dòng)車(chē)組及正在研發(fā)、制造的車(chē)輛項(xiàng)目,其設(shè)計(jì)往往是參照或引進(jìn)某個(gè)國(guó)際知名品牌,所以參照的防火安全標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。從早期引進(jìn)的地鐵車(chē)輛來(lái)看,由于采用的是德國(guó)西門(mén)子技術(shù),根據(jù)原品牌車(chē)輛對(duì)電纜的要求,電纜采用歐盟的通用車(chē)輛電纜標(biāo)準(zhǔn)EN 50264及其配套的防火(阻燃)標(biāo)準(zhǔn),如EN 50265(單根阻燃)、EN 50266(成束阻燃)、EN 50267(鹵酸氣含量規(guī)定)和EN 50268(燃燒狀態(tài)下的煙密度規(guī)定)等。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),上述的歐盟電纜阻燃標(biāo)準(zhǔn)同前述國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的阻燃標(biāo)準(zhǔn)有許多雷同之處。隨著第一代地鐵投入運(yùn)行以及火災(zāi)事故案例的增加,大規(guī)模載客移動(dòng)工具的防火性中除燃燒和發(fā)煙外,煙氣的毒性也越來(lái)越引起車(chē)輛設(shè)計(jì)人員的重視。因此,后續(xù)軌道交通項(xiàng)目(包括地鐵、動(dòng)車(chē)組等)在防火性方面采用了更專業(yè)、更嚴(yán)密的標(biāo)準(zhǔn)體系,包括英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 6853：1999《客運(yùn)列車(chē)設(shè)計(jì)建造中的防火通用規(guī)程》、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 5510-2《軌道車(chē)輛防火材料和部件的燃燒特性及燃燒伴隨現(xiàn)象分類,要求和檢測(cè)方法》、法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFF 16-101《鐵路車(chē)輛防火性能,材料的選擇》等。這些標(biāo)準(zhǔn)所體現(xiàn)的防火安全理念更具有針對(duì)性,更注重在著火狀態(tài)下對(duì)乘員的逃生提供保護(hù)。在這些標(biāo)準(zhǔn)中,不僅考慮對(duì)發(fā)煙度進(jìn)行控制,而且還針對(duì)煙氣中所含有害物質(zhì)實(shí)施嚴(yán)格規(guī)定,這就可以大大降低火災(zāi)狀態(tài)下煙氣對(duì)乘員造成二次傷害的程度。

2 電纜在著火狀態(tài)下的不延燃準(zhǔn)則

除礦物絕緣電纜外,幾乎所有用聚合體混合物材料作為絕緣層的電纜都可能被引燃并燃燒。所以,阻燃的概念并不能簡(jiǎn)單理解為具有阻止燃燒的功能。確切地說(shuō),阻燃就是能夠在著火條件下具有不使火焰迅速蔓延,而一旦火源消除后又能迅速自熄的功能。對(duì)材料而言,阻燃性能中必須具備不延燃準(zhǔn)則。根據(jù)對(duì)火災(zāi)案例的分析發(fā)現(xiàn),由于易燃或不阻燃材料的延燃作用,使得火災(zāi)的過(guò)火范圍迅速擴(kuò)大,最終釀成了大災(zāi)難。對(duì)于軌道交通車(chē)輛,尤其是旅客列車(chē),由于車(chē)廂內(nèi)配置有大量的非金屬材料,且車(chē)廂內(nèi)人員稠密,電纜具有不延燃性能的重要程度可想而知。

前述阻燃標(biāo)準(zhǔn)如IEC 60332-1、IEC 60332-3就是體現(xiàn)電纜阻燃性的典型測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)。

3 電纜在火焰條件下的煙氣釋放

3.1 煙密度

除由于火焰的延燃而造成災(zāi)難擴(kuò)大化以及燃燒對(duì)人員造成的直接可觀察的傷害外,燃燒所產(chǎn)生的煙氣同樣也是造成傷害的重要因素。如果燃燒產(chǎn)生的煙霧密度過(guò)大,就會(huì)嚴(yán)重阻擋乘員的視線,使其不能正確分辨逃生路線或延誤逃生的最佳時(shí)機(jī),從而對(duì)乘客造成嚴(yán)重傷害。所以,電纜燃燒產(chǎn)生的煙霧密度必須加以控制。其方法是測(cè)出煙霧的透光率：在特定的燃燒密閉環(huán)境中采用普通光源產(chǎn)生光束,隔煙用光接收裝置接收光束,穿透煙霧的光束量最小應(yīng)不低于60%。當(dāng)然,不同場(chǎng)合可以對(duì)透光率提出不同的要求,如最高為80%。

3.2 對(duì)有害煙氣的遏制

材料在燃燒過(guò)程中所發(fā)出的煙氣中的有害成分也是不可忽視的。電纜由金屬導(dǎo)體和彈性混合物構(gòu)成的絕緣護(hù)套層組成。在燃燒過(guò)程中,混合物的某些化學(xué)成份隨溫度上升而氣化,其中的有害氣體成分隨煙霧迅速擴(kuò)散。當(dāng)這些有害氣體達(dá)到一定濃度時(shí),將對(duì)人產(chǎn)生危害,輕則中毒休克,重則造成窒息導(dǎo)致死亡。所以,遏制有害煙氣也是重要的防范措施。歐洲的相關(guān)電纜標(biāo)準(zhǔn)就十分重視這一指標(biāo)的考核,除限制鹵素(氫鹵酸)含量外,對(duì)煙氣的毒性也有明確的規(guī)定。如歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50264《具有特別防火功能的軌道車(chē)輛電纜》中,規(guī)定了煙氣的毒性危險(xiǎn)級(jí)別和毒性指數(shù)ITC的限制值(具體的測(cè)試方法由EN 50305給出)。在高溫作用下,對(duì)材料可能分解出的5種有毒氣體用滴定法進(jìn)行定量分析。被指定檢測(cè)的5種氣體分別是一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氧化氮(NO)和氰化氫(HCN)。

規(guī)定的危險(xiǎn)級(jí)別分為：

HL1——無(wú)特別規(guī)定(即不予考核);

HL2和 HL3——ITC指數(shù)最大為5;

HL4——ITC指數(shù)最大為 3。

可見(jiàn)危險(xiǎn)級(jí)HL4是最為嚴(yán)厲的監(jiān)控級(jí)別。

4 常規(guī)的阻燃標(biāo)準(zhǔn)和專門(mén)的安全規(guī)范

電纜的阻燃標(biāo)準(zhǔn)一般采用國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)的推薦標(biāo)準(zhǔn),如IEC 60332火焰狀態(tài)下的電纜試驗(yàn),包括單根垂直燃燒試驗(yàn)和成束垂直燃燒試驗(yàn),IEC 61034電纜在燃燒狀態(tài)下的煙密度測(cè)量以及IEC 60754電纜材料燃燒狀態(tài)下鹵酸氣體的測(cè)定。類似的歐盟通用試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有DIN EN 50265(單根)、DIN EN 50266(成束)電纜垂直燃燒試驗(yàn);DIN EN 50267電纜材料燃燒時(shí)析出的氣體試驗(yàn)(主要測(cè)定材料中氫鹵酸的含量,不能全面反映煙氣的毒性);DIN EN 50268電纜在燃燒狀態(tài)下的煙密度測(cè)量。

上述標(biāo)準(zhǔn)中,IEC常規(guī)阻燃試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)從20世紀(jì)70～80年代引入國(guó)內(nèi)電纜行業(yè)。開(kāi)始引用較多的是造船行業(yè),幾乎是作為唯一的阻燃依據(jù)(主要以貨輪、集裝箱輪為主,軍艦例外)一直沿用至今。鐵路運(yùn)輸行業(yè)選用的阻燃標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較雜,但當(dāng)鐵路運(yùn)輸引入高速客運(yùn)概念后情況發(fā)生了變化。高速動(dòng)車(chē)以200 km/h以上速度行駛時(shí),任何極為細(xì)小的故障都會(huì)引發(fā)大災(zāi)難。所以針對(duì)鐵路客運(yùn)列車(chē)專門(mén)的安全標(biāo)準(zhǔn)隨之被引入。

英、法、徳等國(guó)對(duì)鐵路客運(yùn)車(chē)輛提出的防火安全的專門(mén)標(biāo)準(zhǔn)并不僅僅針對(duì)車(chē)輛電纜,但電纜被作為一項(xiàng)重要的監(jiān)控對(duì)象加以規(guī)定,如BS 6853：1999版中除燃燒性和發(fā)煙量外,對(duì)煙氣毒性的有害氣體的定義在歐盟監(jiān)控的5種外多増加了3種,即增加了氯化氫(HCI)、溴化氫(HBr)和氟化氫(HF)的監(jiān)控。而法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFF 16-101(鐵路車(chē)輛的耐火性)中對(duì)煙氣毒性有類似的規(guī)定,只是少了氮化物,多了氯化氫。由此可見(jiàn),這些標(biāo)準(zhǔn)比之歐盟標(biāo)準(zhǔn),除注重保護(hù)乘員外還關(guān)注對(duì)環(huán)境的保護(hù)。

5 針對(duì)場(chǎng)所的不同要求

防火安全性中的另一個(gè)重要問(wèn)題,是針對(duì)不同電纜在不同場(chǎng)合、擔(dān)負(fù)著不同連接功能時(shí)對(duì)重要線路的保護(hù)。阻燃只是不延燃和具有自熄的功能,但這并不意味著能夠抗拒火焰或減輕燃燒部分的損毀程度。在客運(yùn)列車(chē)的重要線路中,還應(yīng)該引入耐火的理念。在列車(chē)的龐大線路系統(tǒng)中,有動(dòng)力、控制、通信、照明、操作、保障等不同系統(tǒng)。作為保護(hù)乘員的一個(gè)側(cè)面,在火災(zāi)情況下保證某些重要線路如照明、門(mén)禁、緊急呼救通信等的繼續(xù)存在和連通是非常必要的。

在造船行業(yè),防火分為阻燃級(jí)和耐火級(jí),就是為了解決緊急狀態(tài)下的應(yīng)急撤離和呼救通信。耐火的定義是：盡管處于火焰的燃燒狀態(tài)中,電纜還是具有保證線路暢通的功能。最新的IEC 60331-31標(biāo)準(zhǔn)中,還要求電纜在火焰狀態(tài)下即使遭受振動(dòng),也能夠保持回路正常工作,且持續(xù)時(shí)間在2.5 h。

6 結(jié)語(yǔ)

電纜作為各種系統(tǒng)的血脈和神經(jīng),其性能必須經(jīng)得起惡劣環(huán)境條件考驗(yàn)(除物理機(jī)械性能和電氣性能外,安全性尤其是防火安全性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要)。根據(jù)系統(tǒng)的不同場(chǎng)合,設(shè)計(jì)、選用具有不同功能的電纜,對(duì)今后系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

目前我國(guó)鐵路系統(tǒng)的重要項(xiàng)目(如高速動(dòng)車(chē)組、超大功率牽引電力機(jī)車(chē)等)的電纜主要還是選用國(guó)際知名品牌的產(chǎn)品,尤其是高壓系統(tǒng)部分、數(shù)據(jù)處理部分和控制系統(tǒng)部分。當(dāng)然,國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程也在“提速”中。相信不久的將來(lái),擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端電纜會(huì)主導(dǎo)我國(guó)的軌道車(chē)輛配套市場(chǎng)。

[1]BS 6853：1999 Code of practice for fire precautions in the desig n and construction of passenger carrying trains[S].

[2]NF F16-101 Railway rolling stock fire behavior choice of material[S].

[3]DIN 5510-2 Preventive fire protect in railway vehicle parts 2：Fire behavior and effects of material and parts[S].