轨道交通车辆用电缆的阻燃性

孙正华

(上海南洋电材有限公司,201615,上海∥总工程师)

1 轨道车辆电缆的安全性

轨道车辆可大致分为铁路车辆和城市轨道交通车辆。铁路车辆由货运车和客运车组成。本文主要讨论旅客列车车辆用电缆的状况和相关要求。

长期以来,铁路普通旅客列车车辆对于电缆的防火安全性往往沿用国际通用电缆阻燃标准。即依据国际电工委员会提出的 IEC 60332-1、IEC 60332-3标准,考核电缆的单根和成束阻燃特性。进入20世纪90年代后,无论是国际还是国内的技术人员,都开始关注到物体在燃烧状态下的发烟同样会对乘员的逃生乃至生命产生莫大的影响,必须采用低烟无卤的阻燃技术对原电缆进行阻燃性能升级。即在人员稠密区域内采用的材料和设备必须达到低烟无卤的阻燃标准要求。

城市轨道交通车辆以及最新研制的高速动车组,从一开始就对电缆的防火安全性提出了较高的性能要求。众所周知,地铁的载员密度远大于同等体积的地面普通旅客列车;而高速铁路动车(简称“高铁”)的运行速度一般在200～300 km/h之间(最新的京沪高铁的最高运行速度可达350 km/h)。我国目前已投入运营的地铁、动车组及正在研发、制造的车辆项目,其设计往往是参照或引进某个国际知名品牌,所以参照的防火安全标准也不尽相同。从早期引进的地铁车辆来看,由于采用的是德国西门子技术,根据原品牌车辆对电缆的要求,电缆采用欧盟的通用车辆电缆标准EN 50264及其配套的防火(阻燃)标准,如EN 50265(单根阻燃)、EN 50266(成束阻燃)、EN 50267(卤酸气含量规定)和EN 50268(燃烧状态下的烟密度规定)等。通过对比发现,上述的欧盟电缆阻燃标准同前述国际电工委员会规定的阻燃标准有许多雷同之处。随着第一代地铁投入运行以及火灾事故案例的增加,大规模载客移动工具的防火性中除燃烧和发烟外,烟气的毒性也越来越引起车辆设计人员的重视。因此,后续轨道交通项目(包括地铁、动车组等)在防火性方面采用了更专业、更严密的标准体系,包括英国标准BS 6853：1999《客运列车设计建造中的防火通用规程》、德国标准DIN 5510-2《轨道车辆防火材料和部件的燃烧特性及燃烧伴随现象分类,要求和检测方法》、法国标准NFF 16-101《铁路车辆防火性能,材料的选择》等。这些标准所体现的防火安全理念更具有针对性,更注重在着火状态下对乘员的逃生提供保护。在这些标准中,不仅考虑对发烟度进行控制,而且还针对烟气中所含有害物质实施严格规定,这就可以大大降低火灾状态下烟气对乘员造成二次伤害的程度。

2 电缆在着火状态下的不延燃准则

除矿物绝缘电缆外,几乎所有用聚合体混合物材料作为绝缘层的电缆都可能被引燃并燃烧。所以,阻燃的概念并不能简单理解为具有阻止燃烧的功能。确切地说,阻燃就是能够在着火条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。对材料而言,阻燃性能中必须具备不延燃准则。根据对火灾案例的分析发现,由于易燃或不阻燃材料的延燃作用,使得火灾的过火范围迅速扩大,最终酿成了大灾难。对于轨道交通车辆,尤其是旅客列车,由于车厢内配置有大量的非金属材料,且车厢内人员稠密,电缆具有不延燃性能的重要程度可想而知。

前述阻燃标准如IEC 60332-1、IEC 60332-3就是体现电缆阻燃性的典型测试方法标准。

3 电缆在火焰条件下的烟气释放

3.1 烟密度

除由于火焰的延燃而造成灾难扩大化以及燃烧对人员造成的直接可观察的伤害外,燃烧所产生的烟气同样也是造成伤害的重要因素。如果燃烧产生的烟雾密度过大,就会严重阻挡乘员的视线,使其不能正确分辨逃生路线或延误逃生的最佳时机,从而对乘客造成严重伤害。所以,电缆燃烧产生的烟雾密度必须加以控制。其方法是测出烟雾的透光率：在特定的燃烧密闭环境中采用普通光源产生光束,隔烟用光接收装置接收光束,穿透烟雾的光束量最小应不低于60%。当然,不同场合可以对透光率提出不同的要求,如最高为80%。

3.2 对有害烟气的遏制

材料在燃烧过程中所发出的烟气中的有害成分也是不可忽视的。电缆由金属导体和弹性混合物构成的绝缘护套层组成。在燃烧过程中,混合物的某些化学成份随温度上升而气化,其中的有害气体成分随烟雾迅速扩散。当这些有害气体达到一定浓度时,将对人产生危害,轻则中毒休克,重则造成窒息导致死亡。所以,遏制有害烟气也是重要的防范措施。欧洲的相关电缆标准就十分重视这一指标的考核,除限制卤素(氢卤酸)含量外,对烟气的毒性也有明确的规定。如欧洲标准EN 50264《具有特别防火功能的轨道车辆电缆》中,规定了烟气的毒性危险级别和毒性指数ITC的限制值(具体的测试方法由EN 50305给出)。在高温作用下,对材料可能分解出的5种有毒气体用滴定法进行定量分析。被指定检测的5种气体分别是一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氧化氮(NO)和氰化氢(HCN)。

规定的危险级别分为：

HL1——无特别规定(即不予考核);

HL2和 HL3——ITC指数最大为5;

HL4——ITC指数最大为 3。

可见危险级HL4是最为严厉的监控级别。

4 常规的阻燃标准和专门的安全规范

电缆的阻燃标准一般采用国际电工委员会(IEC)的推荐标准,如IEC 60332火焰状态下的电缆试验,包括单根垂直燃烧试验和成束垂直燃烧试验,IEC 61034电缆在燃烧状态下的烟密度测量以及IEC 60754电缆材料燃烧状态下卤酸气体的测定。类似的欧盟通用试验标准有DIN EN 50265(单根)、DIN EN 50266(成束)电缆垂直燃烧试验;DIN EN 50267电缆材料燃烧时析出的气体试验(主要测定材料中氢卤酸的含量,不能全面反映烟气的毒性);DIN EN 50268电缆在燃烧状态下的烟密度测量。

上述标准中,IEC常规阻燃试验标准从20世纪70～80年代引入国内电缆行业。开始引用较多的是造船行业,几乎是作为唯一的阻燃依据(主要以货轮、集装箱轮为主,军舰例外)一直沿用至今。铁路运输行业选用的阻燃标准相对较杂,但当铁路运输引入高速客运概念后情况发生了变化。高速动车以200 km/h以上速度行驶时,任何极为细小的故障都会引发大灾难。所以针对铁路客运列车专门的安全标准随之被引入。

英、法、徳等国对铁路客运车辆提出的防火安全的专门标准并不仅仅针对车辆电缆,但电缆被作为一项重要的监控对象加以规定,如BS 6853：1999版中除燃烧性和发烟量外,对烟气毒性的有害气体的定义在欧盟监控的5种外多増加了3种,即增加了氯化氢(HCI)、溴化氢(HBr)和氟化氢(HF)的监控。而法国标准NFF 16-101(铁路车辆的耐火性)中对烟气毒性有类似的规定,只是少了氮化物,多了氯化氢。由此可见,这些标准比之欧盟标准,除注重保护乘员外还关注对环境的保护。

5 针对场所的不同要求

防火安全性中的另一个重要问题,是针对不同电缆在不同场合、担负着不同连接功能时对重要线路的保护。阻燃只是不延燃和具有自熄的功能,但这并不意味着能够抗拒火焰或减轻燃烧部分的损毁程度。在客运列车的重要线路中,还应该引入耐火的理念。在列车的庞大线路系统中,有动力、控制、通信、照明、操作、保障等不同系统。作为保护乘员的一个侧面,在火灾情况下保证某些重要线路如照明、门禁、紧急呼救通信等的继续存在和连通是非常必要的。

在造船行业,防火分为阻燃级和耐火级,就是为了解决紧急状态下的应急撤离和呼救通信。耐火的定义是：尽管处于火焰的燃烧状态中,电缆还是具有保证线路畅通的功能。最新的IEC 60331-31标准中,还要求电缆在火焰状态下即使遭受振动,也能够保持回路正常工作,且持续时间在2.5 h。

6 结语

电缆作为各种系统的血脉和神经,其性能必须经得起恶劣环境条件考验(除物理机械性能和电气性能外,安全性尤其是防火安全性对整个系统至关重要)。根据系统的不同场合,设计、选用具有不同功能的电缆,对今后系统的运行会产生深远的影响。

目前我国铁路系统的重要项目(如高速动车组、超大功率牵引电力机车等)的电缆主要还是选用国际知名品牌的产品,尤其是高压系统部分、数据处理部分和控制系统部分。当然,国产化的进程也在“提速”中。相信不久的将来,拥有自主知识产权的高端电缆会主导我国的轨道车辆配套市场。

[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].