城轨车辆安全性分析及防护

章恒

摘 要：本研究从电气绝缘、电压保护、撞车和乘客安全性、脱轨、防火等七个维度对车辆安全性进行综合分析，从受电弓的降弓保护、开门侧防护和线路限速两个方面提出了优化建议。

关键词：城轨车辆;安全性;分析;防护

1 概述

为始终贯彻国家“安全第一，预防为主，综合治理”的安全生产方针，提升城轨车辆安全性，在进行车辆的安全性综合分析，主要包括对车辆的运行过程中所有的临界状况的分析，并从车辆层面上进行初始安全分析，对车辆安全保证具有积极意义。

2 车辆安全性综合分析

2.1 电气绝缘及雷击的安全性分析

车辆上有受电弓、高速断路器、牵引逆变器、辅助逆变器、蓄电池等众多电气设备。如果不注意绝缘防护，很可能因相邻部件的散热或过负荷的偶尔影响而引起火灾。并且要使车辆、信号系统安全运行，需对车辆的所有电气系统、电子元器件仔细选择，如车辆上接线端子连接的可靠性影响整个电气系统的安全运行。主要从以下几个方面来考虑：

2.1.1 绝缘配合

绝缘配合主要因素是设备的使用环境，设备的使用条件，绝缘材料的选用。持续电压的绝缘配合基于：

（1）额定电压;

（2）额定绝缘电压;

（3）工作电压。

除非在产品标准中有其他规定，否则持续电压均指时间持续5 min以上的电压。

瞬态过电压的绝缘配合主要依据被控过电压的条件。

在对电气设备的绝缘配合考虑中，必须注意两个基本参数——电气间隙和爬电距离的确定。

2.1.2 电气间隙

不同的带电部件之间或带电部件与大地（车体）之间，空气间隙小到一定程度时，在电场作用下，空气介质将被擊穿，绝缘会失效或暂时失效。因此两导电部件间的空气维持一个使之不会发生击穿的安全距离—电气间隙。

电气间隙与部件的老化现象无关，确认电气间隙大小时必须以设备可能出现的最大过电压（脉冲耐受电压）为依据。

（1）使用条件的影响。功能绝缘、基本绝缘和附加绝缘的最小电气间隙是建立在额定冲击电压的基础上，其值参见标准EN50124-1《铁路应用 绝缘协调 第一部分：基本要求-所有电气和电子设备的间隙和爬电距离》中表A.3。而确定加强绝缘电气间隙尺寸时，其额定冲击电压是基本绝缘额定冲击电压的1.6倍。

（2）使用环境的影响。宏观环境主要取决于大气压，所处海拔决定了宏观环境的影响不大。微观环境决定对绝缘污染的影响，固体微粒、尘埃和水能完全桥接较小的电气间隙，所以在确定最小电气间隙时必须充分考虑设备所处的污染环境，标准IEC 60077-1《铁路应用 机车车辆电气设备 第一部分：一般使用条件和通用规则》规定了污染等级。

2.1.3 爬电距离

爬电距离是两导电部件间沿绝缘材料表面的最短距离，爬电距离的尺寸应使得绝缘在给定的工作电压和污染等级下不会产生闪络（闪络过程集中释放的能量使绝缘材料性能衰变，电腐蚀）或击穿。确定爬电距离的尺寸要考虑工作电压的大小、污染等级及所用绝缘材料的抗爬电特性。

标准EN50124-1《铁路应用 绝缘协调 第一部分：基本要求-所有电气和电子设备的间隙和爬电距离》中规定，功能绝缘、基本绝缘和补充绝缘的最小爬电距离取决于该标准中表A.5、A.6和A.7中的额定绝缘电压，与绝缘材料、环境污染也有关。而对加强绝缘而言，额定绝缘电压是基本绝缘额定绝缘电压的两倍。

安装在路轨旁的近地面或地下设备，无额外过电压保护，按额定绝缘电压3100V确定基本绝缘间隙。无额外过电压保护装置，与户外回路相连，按额定绝缘电压2200V确定基本绝缘间隙。

车顶设备的绝缘可视为功能绝缘。由于车顶的污染等级的影响，建议适当增加车顶的爬电距离值。穿过开关装置绝缘距离的额定冲击电压的具体数值在相关产品标准中进行规定，直流开关设备的在标准EN 50123《铁道使用 固定设备 直流开关设备》中规定。

（1）电压。确定爬电距离应以作用在跨接爬电距离两端的长期电压有效值为基础。具体到部件上，像避雷器须考虑到雷击过电压，而对于主断路器，须考虑到它合闸时发生谐振现象，过电压可达到平时2.5倍以上。

（2）微观环境。主要指在不同的污染等级下、确定爬电距离，必须注意电气元器件周围环境的污染能力能加速这一变化。

（3）绝缘材料。影响绝缘性能的因素主要是局部放电、发热、机械应力和湿度，其过程很复杂。在总结经验和大量实验基础上，采用CTI值（相对漏电起痕指数）进行绝缘材料分类，主要包括材料污染表面由于干燥使表面泄漏电流分断时，其闪烁过程集中释放的能量使绝缘材料出现损伤，一是使绝缘材料电腐蚀，二是由于固体绝缘材料表面电介质污染和电场强度的综合效应，在其表面逐渐形成导电通道（漏电起痕）。

考虑电气绝缘时，必须考虑材料的选取，特别是导线材料。可参考标准UIC 89《铁路机车车辆绝缘电缆供货条件》。

2.2 过电压及欠电压保护的安全性分析

在高压牵引电路中通过避雷器防止雷击或操作过电压，通过高压隔离接地开关、高速断路器等设备有效的将受电弓高压同主电路隔离开来，一旦发生特殊情况，例如雷击等，高速断路器会立即断开，然后通过断开高压隔离接地开关就可以使主电路完全脱离受电弓高压。

高速断路器对于主电路的故障保护：当主电路出现严重故障，如主电路部件故障、网压或直流电压过压、直流侧电流过流、主电路接地、主电路短路、IGBT元件故障、网络通信故障、DCU故障、110 V控制电源失电等时，高速断路器断开，以实现主电路的故障保护。同时高速断路器能对检测到的过电流进行快速响应脱扣，高速断路器立即分断，以实现主电路短路保护。

除了安装高压隔离接地开关、高速断路器等设备外，还通过在主电路中安装熔断器、辅助电源二极管等设备有效的保护了整个中压、低压及牵引设备的安全。

2.3 撞车保护的安全性分析

车辆碰撞能量吸收采用3级吸能方式。根据车辆碰撞过程中吸能元件和车体变形吸能结构发挥作用的顺序，具体可分为：

阶段1：由车钩的气液缓冲器实施能量吸收。

阶段2：由车钩的可压溃筒体吸收。

阶段3：由防爬器、司机室部位的底架前端结构变形区吸收。

2.4 乘客的安全性分析

乘客的安全性分析包括防止车内意外伤害、防止跌落车外、乘客紧急逃生等。

2.4.1 防止车内意外伤害

进行了充分的人机工程学分析，并在车内设置了乘客安全标识，包括贯通道侧板禁扶标识、禁止倚靠车门标识、车门防夹警示等。选用的地板布具备防滑特性，可有效帮助乘客避免意外滑倒。

2.4.2 防止跌落车外

通过车门控制保护，防止乘客跌落车外。地铁车辆客室侧门的设计宗旨是以安全为导向。即在列车运行过程中，当发生不可预知的情况时，车门系统应趋向关门操作或保持关门状态，最大限度地保障乘客安全。为确保所有设计以乘客安全为本，分别从地铁车辆客室车门系统与列车牵引的连锁、车门状态指示、关门到位接近开关与动态关门控制、开门操作与列车的状态、关门操作与列车的状态以及行车开门与列车制动等几个方面入手加强设计力度。

2.4.3 乘客紧急逃生

当遇有火灾等紧急情况，需疏散乘客，紧急照明启动、紧急通风也同时启动，还有视频监控和紧急对讲等，蓄电池完全能满足90分钟紧急供电的要求。如果车辆尚未离开车站时，建议将车辆两侧客室车门全部打开，通过站台紧急逃生;如果车辆已经离开车站，在运行途中，建议通过司机室紧急疏散门进行紧急逃生，将乘客疏散到轨道上进行紧急逃生。

2.5 防止车辆脱轨和倾覆的安全性分析

根据车辆参数，建立动力学计算模型，计算车辆在各种曲线半径及不同速度情况下的脱轨系数、轮重减载率ΔP/P。计算车辆在各种线路工况通过曲线时，脱轨系数、轮重减载率ΔP/P等指标满足招标文件要求、标准要求，并具有较大的安全裕量，可以满足车辆防脱轨和防倾覆的安全性要求。

2.6 车辆所用材料的防火性能分析

在发生火灾的情况下，所使用的材料对人员产生的伤害最小。为了达到这个目标，在材料的选择上，将采用低毒性、低发烟性的材料，最大限度来保证乘客紧急逃生。

3 整车硬线/控制逻辑安全性优化设计

3.1 受电弓断电降弓保护

当线路电压存在电压不稳定的情况，设置受电弓断电降弓保护功能：当牵引系统检测到线路电压低于DC300V（暂定），判断为接触网断电，列车牵引系统输出接触网断电信号控制受电弓自动降弓，并在自动降弓20s后自动控制受电弓升起。

3.2 列车开门侧和线路限速

列车开门侧防护和速度控制的安全性功能由车辆控制系统实现：

（1）将线线路数据输入车辆控制系统。

（2）列车开门侧防护：根据司机在HMI上输入的起点站、终点站信息和制动系统提供的速度值计算车辆本次运行里程及开门次数累计后，根据线路数据确定车辆在线路上的当前位置及允许的开门侧，输出车辆开门允许信号至车门系统，车门系统根据收到的开门允许信号，判断车辆开门逻辑满足后打开相应侧车门，为减少计算误差，在车辆速度由0到大于1.5 km/h后，计算清零重新开始计算。

（3）车门速度控制系统：根据制动系统提供的速度值、车辆位置、线路限速数据进行相应的线路限速控制，当判断列车速度超过线路允许速度+1 km/h（合同要求）时，系统触发声光报警，当判断列车速度超过线路允许速度+3 km/h（合同要求）时，自动触发车辆紧急制动，在车辆速度为0后，线路限速计算距离重置。

4 结束语

本研究从多个维度分析了车辆安全性，从多个角度保证人员和车辆及其系统设备不受损害的程度，确保车辆的安全性。

参考文献：

[1]吴生举，毛如香.城轨车辆设计安全性分析[J].電力机车与城轨车辆，2016（4）：82-85.

[2]姜悦礼，董明.城轨车辆牵引系统的安全性设计与评估[J].机车电传动，2013（1）：55-59.