浅析巴西淡水河谷调车机车布线设计

邹洁璇，崔洪岩，贺 琳

(1.中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412000；2.湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412000)

0 引言

巴西淡水河谷调车机车(以下简称巴西车)在巴西淡水河谷的马德里亚角港铁路站场内运行，用于对油罐车、运煤车辆、运铜矿石车辆、铁矿石车辆进行编组和转运。巴西车采用锂电池供电，轨距1 600 mm，轴式Co-Co，轴重27 t。车体结构为单司机室和双外侧走廊，设备主要集中布置在机械间内，区别于国内机车的机械间中间走廊结构，巴西车机械间宽度比传统机车窄，且无法设置中央线槽预布线，这给整车布线带来了巨大的困难。

1 巴西车布线难点

巴西车车体机械间由侧墙骨架、机械间入口门、机械间检修门、防火隔墙及车上设备安装座组成，如图1所示。其特殊的结构给整车布线带来以下几个难点。

1—侧墙；2—牵引风机风道；3—机械间检修门；4—防火隔墙；5—车上设备安装骨架；6—外走廊。

1.1 难点一

巴西车装载了4箱锂电池，为了提升整车机械间的防火要求，机械间设置了4扇防火墙，防火墙采用全焊接结构，它将机械间分割成了5个独立的空间，防火墙的存在直接导致中央线槽车下安装好再整体吊装的方式无法实施。

1.2 难点二

机械间中部隔离出来的3个独立空间用于安装锂电池和主变流柜，3个设备间在设备安装后无法进入。为了保证设备的检修维护，在靠近外走廊侧设置了机械间检修门，检修门阻断了侧墙布线路径，使得所有电缆只能在机械间地面布置。被隔离出来的另外2个小机械间用于安装其他电气设备，牵引风机分机别安装在这2个小机械间内，牵引风机的风道直接焊接在地板上，高度略低于设备安装座，基本完全占据了布线空间，因此牵引风道的位置不能再设置走线路径。

1.3 难点三

外走廊位于机械间外两侧，宽度340 mm，与底架形成了一个夹层空间，是行车人员通往机械间以及中间机械间设备检修维护用的通道，由于巴西雨季较长，为了防止外走廊夹层空间蓄水及潮湿环境给车下设备和转向架造成影响，双外侧走廊地板采用全焊接密封结构，焊接密封结构导致夹层空间无法进行布线。其他类似车型，外走廊地板采用的螺栓安装结构，即在夹层布线完成后再进行外走廊地板安装，所以国内类似车型即使有外走廊，布线空间也并没有减少，而巴西车的外走廊则实际缩小了机械间布线空间。另外，设备安装座位于机械间内两侧，用于安装锂电池箱，由于单箱锂电池的重量高达5 t，为了保证结构强度，设备安装骨架也采用加宽结构，并且进行整体焊接，如图2所示，因此，设备安装骨架进一步缩小了机械间地板可布线空间，同时也将机械间和外走廊完全隔离开，形成了2个独立的空间。

图2 机械间剖视图

2 整车布线设计解决方案

巴西车为单电源机车，没有25 kV AC或者1 500 V DC接触网供电模式，只有锂电池一种供电模式，其布线主要包括控制电路布线、辅助电路布线和主电路布线。针对上述的布线难点，本文从具体的布线策略和电缆选型两个方面来解决上述难题。

2.1 布线策略

2.1.1 控制电路布线

为了节约布线空间，提升整车布线规范性，控制电路布线采用中央线槽辅控分开布线的模式，控制电路电缆集中布置在中央线槽中，同时控制线、辅助线、信号线和总线之间形成独立布线空间。针对机械间宽度限制，中央线槽布线时线槽宽度不足，无法满足GB/T 34571—2017《轨道交通机车车辆布线规则》[1]不同等级电缆间距的要求，线槽在设计时采用分区隔离，且分区之间设置金属隔板。

信号线和总线在同一个线槽分区，为了让信号线获得更好的屏蔽效果，信号线在布线时采用不锈钢材料的专用屏蔽线槽。另外，巴西车中央线槽安装在机械间设备下方，在完成布线后无法形成紧闭的空间，抗干扰能力较差，为了提升中央线槽屏蔽效果，在中央线槽完成布线后加盖中央线槽盖板，使中央线槽内部形成一个相对密闭的结构，并通过多点与车体地连接，同时中央线槽内部电缆紧贴中央线槽表面，通过线槽金属表面相反电磁场抵消电缆本身的电磁场，从而降低内部的电磁干扰，如图3所示。

图3 巴西调车机车中央线槽

针对防火墙隔断机械间导致中央线槽无法车下安装再进行整体吊装的问题，采取在机械间焊接中央线槽焊接支架，线槽直接安装在焊接架上，待线槽安装完成后再在车上进行布线。另外，因为巴西车的机械间比传统机车窄，且有对称的牵引风机，线槽需要避开风机安装座和牵引风道，不能呈直线结构布置，线槽整体布置如图4所示。

图4 机械间布线示意图

2.1.2 辅助电路布线设计

由于机械间宽度有限，中央线槽在空间上较传统机车窄了100 mm左右，大部分辅助电路电缆集中在中央线槽，而主变流器辅助绕组与辅助变压器之间的连接电缆不能像传统机车那样敷设在中央线槽内。为了保证与主电路电缆之间的敷设距离，设计时抬高了中央线槽安装支架，使得中央线槽安装支架下多出了截面400 mm×80 mm的空间，此空间正好用于部分截面面积较大的辅助电缆的走线，具体布线如图5所示。

图5 部分辅电路布线示意图

为了降低辅助电路对线路中敏感设备的电磁干扰，需要对辅助电路中的干扰源采取电磁兼容(EMC)处理[2]，由于线槽变窄，中央线槽内的辅助电缆无法使用常规的屏蔽线槽处理方式，设计时采用单芯屏蔽电缆代替普通单芯电缆和金属屏蔽线槽，同时对单芯屏蔽电缆的屏蔽层采用热缩结构的焊锡环进行双端接地，具体结构及安装方式如图6所示。

图6 焊锡环结构及安装方式

2.1.3 主电路布线设计

巴西车牵引风机采用一拖三模式，牵引风机风道所占机械间空间较大，造成主电路布线的空间十分有限。同时整车双外走廊结构，使外走廊下方与机械间完全隔离，导致实际机械间的主电路布线空间远小于传统机车。为了解决主电路布线空间问题，对车体结构进行强度分析，发现外走廊下方底架地板无受力点，开孔不影响整车强度，于是选择外走廊下方底架地板和设备安装座骨架进行了开孔，让2位、3位电机线和5位、6位电机线从机械间设备安装座骨架过线孔到外走廊下的夹层空间，以线夹固定方式在外走廊下方进行布线，外走廊下方底架地板开孔可以方便操作人员在车下进行布线操作。过线孔采用特殊的防火砖进行封堵，以保证机械间的密封性和防火性不降低。但是1位、6位电机线在穿过枕梁时，由于枕梁下方不能开孔，有长达2.4 m的距离无法对线缆进行固定，为了解决电机线穿枕梁无固定的问题，采用了2块长约1 m的支线板进行固线，先将电缆在车下以线夹的形式固定在支线板上，2块支线板的间距是固定的，在完成电缆固定后，依次把支线板推送至枕梁中，同时枕梁端部焊接有2个定位凸槽，用于支线板的定位和安装，枕梁电机线布线如图7所示。

图7 枕梁电机线布线示意图

2.2 电缆选型

巴西车是由牵引蓄电池供电的六轴车机车，其主辅电路电缆多达60根，较传统机车主辅电路电缆数量多了近1/3。受车体结构限制，巴西车的主辅电路电缆在机械间的布线空间比传统机车还要小。如何在满足使用条件的前提下，尽可能地把电缆裕量留小，选择截面积较小的电缆，是本文在进行布线设计电缆选型时需要解决的。

主辅电缆主要是作为配电电缆，电缆截面积选择应以负载电流Iload和电缆载流量Icable为基础，同时还与电缆的敷设方式、环境温度、绝缘材料特性、相邻电缆的加热效应等条件有关。按GB/T 34571-2017《轨道交通 机车车辆布线规则》的规定，电缆允许载流量(Icorr)按下式确定：

Icorr=Icable×K1×K2×K3×K4×K5

(1)

式中:Icable为电缆载流量(供应商提供，见表1)；K1为环境温度修正系数；K2为电缆敷设修正系数；K3为寿命修正系数；K4为非连续工作时的修正系数；K5为多芯电缆修正系数。

以上电流核算环境温度按45℃考虑；电缆的负载电流不缩短电缆的寿命，即K3=1.0；所有的负载电流为连续工作时的有效值，即K4=1.0。电缆选型只要保证计算出电缆在持续的正常运行期间承载的负载电流Iload

以下以主电路电机线为例进行电缆选型计算。牵引电机的额定电压为1 230 V，额定电流为400 A，最大电流(起动时)560 A。电机电缆铺设在机械间及外侧走廊地板下，环境温度按55℃选取。为了减小电缆外径，在选用电缆时，选择符合EN 50382标准的(120℃)1.8/3 kV电缆，该类型电缆工作温度可以达到120℃，即同等截面积情况下载流量要大于符合EN 50264标准的(90℃)1.8/3 kV电缆，电缆载流量对比详见表1。根据电缆类型和环境温度，按照表2环境温度修正系数K1，取K1=0.93。

表1 符合EN 50264和EN 50382的电缆载流量

表2 环境温度修正系数K1

电机电缆用线卡固定，水平方向上2根电缆间的最小间距大于电缆直径，敷设类型按b型考虑，由于在过骨架安装座穿线孔时，6根电机线间隙小于2倍直径，敷设类型的修正系数K2，取K2=0.83。

电机电缆为单芯电缆，即K5=1。

按照式(1)，计算得出电缆载流量Icable≥518.2 A，考虑到最大启动电流有560 A，进行电缆选型时保留一定的裕量，根据表2，选用1.8/3 kV(120°)150 mm2的电缆，Icable为617 A。

3 结语

巴西车是中车株洲电力机车有限公司进入南美市场的第一个机车项目，它独特的单机司机室、机械间外走廊以及防火墙隔断的车体结构与国内机车有很大的区别，对布线设计提出了更高的要求。本文以整车车体结构为基础，分析了主辅控电路布线设计的困难及解决方案，并提供了电缆选型计算方法。