轨道交通车辆低压配电产品高防火安全等级的材料设计解决方案

张 林,周 辉,平国永,隋攀峰,唐兆祥

(1.伊顿电气有限公司,江苏 苏州 215006;2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266111)

近年来,随着我国科技和经济实力的不断增强,城市化进程的不断加快,在国家政策的大力支持下,轨道交通行业得到了快速发展,轨道交通车辆配置规模也稳步增长。与此同时,对轨道交通车辆的安全需求也在不断提高。尤其是针对我国轨道交通运输量大、人员密集的特点,对轨道交通车辆的可靠安全运行提出了更高的要求。

为了保障轨道交通车辆的安全运行,防火是不容忽视的重要组成部分。而在轨道交通车辆火灾事故中,因电气设备短路、过载或接触不良等故障导致绝缘破坏而引发的电气火灾居多,在所有安全事故中占据的比重较大。低压配电产品如断路器和接触器等作为轨道交通车辆电气系统的重要元件,容易因为非金属材料设计和选择不合理、防火等级不足等因素造成防火安全性方面不可靠的问题,进而影响轨道交通车辆的安全运行,甚至威胁人身安全[1-2]。因此,可靠的材料选型设计对于提高低压配电产品的安全防护等级、保障轨道交通车辆的安全稳定运行有着重要作用。

1 满足轨道交通车辆防火标准的材料设计要求

低压配电产品的材料选型设计首先需要满足轨道交通车辆防火标准规范中的要求。当前,使用范围最广同时也是国内常用的轨道交通车辆防火标准是EN 45545 系列标准。

EN 45545系列标准包括了EN 45545-1～ EN 45545-7总共7个标准。其中,EN 45545-2是EN 45545系列标准中最常用的核心防火标准[3-4]。它根据车辆的运行环境、类别以及火灾发生时乘客疏散的难易程度,将轨道交通车辆整体的火灾危险等级划分为HL1、HL2、HL3三个等级(其中HL3为最高等级),表1为EN 45545-2 标准中车辆运行、设计类别和火灾危险等级(HL)之间的关系。同时,根据所使用材料的最终用途、火灾时的风险程度划分为R1～R28共28个不同的项目类别。其中,低压配电产品包括断路器、接触器等主要涉及的是R22、R23和R26类别的要求,R22项目针对车内的小区域材料或电气产品;R23主要针对车外的小区域材料或电气产品。R22和R23的防火测试项目相同,但在相同等级下,R22的车内要求高于R23车外要求。R26项目则是对于低功率电工电子元件的阻燃测试。该标准的目的是根据绝缘材料的可燃性、烟雾密度、烟雾毒性及自熄性能,来制定与材料选择有关的规格,使低压配电产品达到合格的安全等级,确保即使在发生火灾时,也能够限制火灾的发展,使乘客和工作人员有很大的可能性能够从无外援的火灾中逃生,并能够到达安全地点,从而保障轨道交通车辆和人身安全。

表1 EN 45545-2标准中车辆运行、设计类别和火灾危险等级(HL)之间的关系

根据EN 45545标准中的要求,可以从以下几个方面着手进行低压配电产品的材料设计,从而满足更高等级的防火安全要求。

1.1 降低材料的可燃性

材料的燃烧性能用来评价和判断材料在空气中燃烧的难易程度,采用氧指数指标表示。氧指数越高,表示材料和电气设备越不容易起火燃烧,防火安全等级也就越高。表2为绝缘材料类别及对氧指数的要求。根据EN 45545-2标准,轨道交通车辆上使用的低压配电产品需要使用氧指数达到28%以上的难燃绝缘材料,并且随着火灾风险等级的提高对氧指数的要求也更高[3-5]。

表2 绝缘材料类别及对氧指数的要求

1.2 减少材料燃烧的烟雾产生

发生火灾时,由于燃烧会消耗氧气、释放热量和烟雾,导致司乘人员和旅客烧伤、呛伤,甚至窒息死亡。并且,由于烟雾具有很强的遮光减光作用,使能见度大大降低,因而人在烟雾环境中正确判断识别方向、迅速逃离火灾现场非常困难。烟雾释放量越大,对火灾时人员生存、疏散和灭火越为不利。因此需要限制材料燃烧的烟雾释放量。EN 45545-2标准根据绝缘材料在规定试验条件下的烟密度来评价材料燃烧的烟雾释放量,烟密度越小,越有利于人员疏散和灭火。因此,轨道交通车辆上的低压配电产品要求使用的绝缘材料在被引燃时释放尽可能少的烟雾量。

1.3 减少材料燃烧的烟雾毒性

1.4 提高材料的阻燃性能

当绝缘材料出现被引燃的情况时,如果材料的燃烧能够得到快速地抑制或延滞,就能够有效地降低火灾发生和进一步蔓延的风险。可以通过垂直燃烧试验获得的绝缘材料的阻燃等级来进行评价,阻燃等级越高,越能够快速有效地阻止燃烧地持续进行。EN 45545标准规定,轨道交通车辆用低功率电子电工元件如断路器、过载继电器、接触器、继电式接触器等需要根据R26项目进行阻燃测试并满足V-0阻燃等级[6-8]。

由于低压配电产品类别、使用的位置场景以及危险等级的不同,所适用的EN 45545-2条款以及对材料安全使用性能的参数要求也不同,需要对低压配电产品的材料进行相应地选型设计,使其满足轨道交通车辆防火标准规范的相关要求。表3为低压配电产品适用的EN 45545-2条款及不同火灾危险等级的参数要求。

表3 低压配电产品适用的EN 45545-2条款及不同火灾危险等级的参数要求

2 满足火灾防护实际应用的材料设计要求

除了EN 45545防火标准规范外,还应当从我国轨道交通车辆火灾防护的实际应用出发,对低压配电产品的材料选型设计提出更符合实际情况、更有针对性、更有经济成本优势的要求,从而为轨道交通车辆的安全运行提供更可靠的保障。

2.1 降低电气设备自身故障导致的火灾风险

当轨道交通车辆中的电气线路或设备发生短路、过载、接触不良等故障时,会造成局部异常过热或者电弧的产生。当绝缘材料长时间接触高温或电弧时,可能会引起材料的绝缘破坏而被引燃,导致火灾的发生。因此,要求低压配电产品使用的绝缘材料能够尽可能长时间地承受高温过热或电弧而不会导致燃烧或明火的产生。为此,可以通过热丝引燃时间(HWI)和电弧引燃值(HAI)来评价绝缘材料抵抗异常高温过热和电弧影响的水平的高低[6-8]。

当异常过热或电弧导致材料的起燃不可避免时,材料应能够在更薄的厚度上达到更高的阻燃等级,从而获得更好的自熄阻燃效果。

通过对绝缘材料热丝引燃时间、电弧引燃值以及阻燃等级这3个性能指标的综合分析,可以评价低压配电产品抵抗自身故障导致火灾的能力水平。

2.2 有效阻止或延缓外部明火热蔓延

低压配电产品除了尽可能避免因自身故障而导致起火以外,还需要能够有效阻止或延缓外部明火的进一步热蔓延,从而为逃生争取更多的宝贵时间。为此,推荐通过高温热焰测试,以起燃时间(以离开热焰能持续燃烧超过3 s为标准)及是否有可燃滴落物来评价材料阻止外部明火热蔓延的性能水平[6-8]。起燃时间越晚,且没有可燃滴落物,则材料阻止外部明火热蔓延的能力越强。

由于水资源总量有限，澳大利亚100多年来一方面通过大规模水利工程建设，促进水资源合理配置和水环境改善；另一方面经过建立流域管理体制，如著名的达令—墨累河流域综合管理体制，基本实现了流域水土与环境资源的公平、高效和可持续利用，促进了经济社会发展。

通过以上两方面的充分考量,能够在火灾发生时提供更长的黄金逃生时间,更好地维护车辆和乘客的安全。

2.3 平衡经济成本和使用性能的材料设计

成本和经济性优势也是进行材料选型设计时需要考虑的重要方面,因此需要对轨道交通车辆低压配电产品常用绝缘材料的使用性能和成本经济性进行分析,从而能够多维度地对材料的选型设计提供依据。

轨道交通车辆用低压配电产品中常用的绝缘材料为改性阻燃尼龙材料,因为其在材料强度、韧性、耐磨性、耐热性、阻燃性能等方面具有良好的综合使用性能以及较广的材料成本选择范围。

改性阻燃尼龙材料主要是由基体树脂材料、增强体、阻燃剂等组分构成。首先,在基体树脂材料方面,常用的尼龙树脂包括尼龙6、尼龙66/6、尼龙66等[9-11]。在使用性能上,尼龙6的韧性更好,但尼龙66的力学性能如强度与刚性(尤其是在湿度环境下)、耐热性、尺寸稳定性方面更优,尼龙66/6介于二者之间。在材料成本上,尼龙66最高,尼龙66/6次之,尼龙6最低。其次,在增强体方面,常用的包括玻璃纤维、矿粉以及玻璃纤维与矿粉混合[12]。在使用性能上,玻璃纤维对力学性能的增强效果高于矿粉,但矿粉对于表面平整度、减少翘曲变形更有帮助[13]。在成本上,玻璃纤维略高,玻璃纤维与矿粉混合次之,矿粉略低,但相互之间的成本差异不大。另外,在阻燃剂方面,在轨道交通车辆用低压配电产品中常用的阻燃剂(体系)主要包括氮系(FR(30))、有机磷系(FR(40))、氢氧化物(FR(61)等)及复合阻燃体系等。在使用性能上,有机磷系的氧指数、热丝引燃时间、电弧引燃值、阻燃效果等方面最好(可达到V-0甚至更高阻燃等级)、对力学性能的影响也较小,氮系阻燃剂的烟密度较低,但氧指数、热丝引燃时间、阻燃效果等方面相对较弱、对力学性能的影响较大,氢氧化物阻燃剂介于二者之间。在成本上,有机磷系阻燃剂的成本远高于氮系和氢氧化物阻燃剂,氮系阻燃剂成本最低,氢氧化物阻燃剂介于二者之间。表4列出了不同类别的改性增强阻燃尼龙材料的使用性能与成本经济性的比较。

表4 不同类别的改性增强阻燃尼龙材料的使用性能与成本经济性的比较

总之,从轨道交通车辆防火标准规范以及火灾防护的实际应用出发,通过平衡材料的各项使用性能以及经济成本,根据不同的应用场景和使用要求优化低压配电产品的材料选型设计,可以为轨道交通车辆提供经济又可靠的高防火安全等级的低压配电产品。

3 市场国内外低压配电品牌产品的材料选型方案

表5列出了目前市场上部分国内外品牌轨道交通车辆用低压配电产品使用的热塑性绝缘材料类别及实测性能指标。目前,市场上轨道交通车辆用低压配电产品使用的热塑性绝缘材料多以玻纤增强、氮系或有机磷系阻燃的尼龙6或尼龙66为主,但是使用性能优劣不一,差异较大。有的能满足EN 45545-2 标准中R22和R26 HL3最高防火等级以及较高的火灾防护实际应用要求,但也有的只能满足R23 HL2防火等级和一般火灾防护要求。甚至,有一些绝缘材料实测的性能指标值如氧指数和烟密度低于宣称值,导致实际上可能并不符合标准规范要求。

表5 国内外品牌轨道交通车辆用低压配电产品使用的热塑性绝缘材料类别及实测性能指标

4 轨道交通车辆专供低压配电产品材料设计方案

4.1 通用应用场景的材料选型设计

通过全面梳理和总结轨道交通车辆防火安全对低压配电产品的应用要求,基于产品的设计理念,在对绝缘材料组分、性能及经济性的深入分析与研究的基础上,伊顿电气有限公司(以下简称“公司”)针对不同的客户需求、应用场景、产品类别、安全等级以及经济成本方面的考虑,为客户设计并提供更多可供选择的材料设计解决方案。

4.1.1 经济型材料设计方案

首先,在小型断路器产品方面,针对6 kA及以下分断能力的小电流规格产品,公司在基体树脂材料、增强体和阻燃剂方面分别采用了具有成本优势的尼龙6、矿粉增强体和FR(30)氮系阻燃剂,设计出了矿粉增强氮系阻燃尼龙6材料方案。它能够满足EN 45545-2 R22 HL2和R23 HL2危险等级要求,并且具有一定的抗异常过热和明火热蔓延能力以及较高的抗电弧引燃能力。更重要的是,它具有最佳的经济成本优势。

对于10 kA更高分断能力的小电流规格产品,公司在增强体和阻燃剂等方面进行了优化:一方面,采用玻纤与矿粉混合增强以提升材料的力学性能,满足更高分断能力的应用需求;另外,针对FR(30)氮系阻燃剂氧指数偏低、难以达到HL3等级(≥32%)以及对力学性能影响较大的问题,创新性地引入了FR(61)氢氧化镁阻燃剂[14],从而设计出了玻纤与矿粉增强氢氧化镁阻燃尼龙6,使得材料在力学性能、氧指数、烟密度方面的表现显著提升,能够满足EN 45545-2 R22 HL3和R23 HL3的高危险等级要求。并且,抗异常过热和明火热蔓延方面的性能也有一定的提高。通过材料的优化设计,与市场上同类型产品的材料方案相比,这样的设计方案在有竞争力的经济成本以及较高等级的防火安全使用性能二者之间实现了更好的平衡。

其次,在接触器和电机保护断路器(DILM及PKZM等系列)等产品经济型材料设计方案中,公司采用了玻纤增强复合体系阻燃尼龙6材料。它具有较高的氧指数和较低的烟毒性,并且通过采用复合阻燃剂使阻燃等级达到V-0,具有良好的自熄能力,能够满足EN 45545-2标准中R22 HL2、R23 HL3和R26 HL3高危险等级要求;同时,材料具有良好的抗异常过热、抗电弧和明火热蔓延性能。而在市场上能够满足以上使用性能的材料类别中,材料设计因为采用了尼龙6树脂和复合阻燃剂而降低了材料经济成本,具有高性价比的优势。

4.1.2 最高防火等级材料设计方案

为了满足客户更严格的火灾防护应用需求,公司在基体树脂材料、增强体以及阻燃剂等方面进行了优化设计,提供了符合最高防火安全等级的材料设计方案:玻纤增强有机磷系阻燃尼龙66。它具有更高的氧指数、较低的烟密度和烟毒性,阻燃等级达到V-0甚至更高,满足EN 45545-2标准中R22 HL3和R26 HL3最高危险等级要求;同时,材料的力学性能、抗异常过热、抗电弧以及明火热蔓延的能力也得到明显的提高,抗异常过热和抗电弧引燃性能达到了最高等级,阻止明火热蔓延的时间也达到了90 s以上。通过多个维度的指标提升,使大电流规格小型断路器、接触器和电机保护断路器产品能够满足最高等级防火安全和苛刻的火灾防护应用场景的要求,确保在火灾发生时能够为乘客提供更长的宝贵的逃生时间。

此外,公司轨道交通专供低压配电产品中使用的主要绝缘材料不含卤素、无红磷,是更加环保的材料。表6为轨道交通专供低压配电产品的材料设计及使用性能。

表6 轨道交通专供低压配电产品的材料设计及使用性能

4.2 特殊环境应用的材料选型设计

公司在对低压配电产品进行材料选型设计时,兼顾了我国轨道交通车辆在一些特殊环境中的使用要求。

首先,由于我国幅员辽阔、南北温度差异较大,因此需要考虑轨道交通车辆在不同温度环境中的应用。尤其是低温环境下,绝缘材料有韧性变差、冲击强度降低的倾向,可能会影响低压配电产品的综合性能。公司通过对绝缘材料低温力学性能的改性,有效地保证了绝缘材料在-40 ℃环境下仍能保持良好的使用性能[15]。

其次,当轨道交通车辆在高海拔地区运行时,由于海拔越高,空气层越稀薄,对紫外线的吸收和反射也越少,所以海拔越高紫外线越强[15]。公司的低压配电产品均选择了符合UL 746C标准f(1)户外使用认证、抗紫外性能优异的外壳绝缘材料,可有效地保证轨道交通车辆在高海拔环境下的可靠运行。

5 结论

本文全面梳理和总结了轨道交通车辆防火标准和火灾防护实际应用对于低压配电产品的材料选型设计的要求,介绍了公司在轨道交通车辆专供低压配电产品方面针对不同产品和客户需求的材料选型设计解决方案,以期为轨道交通车辆应用提供火灾防护等级更高、更加安全可靠、更具经济成本优势的低压配电产品, 保障火灾发生时提供更长的黄金逃生时间,更好地维护车辆和乘客安全。