地鐵車輛電氣屏柜工作濕度研究與改善

萬 帆，賈繼云，劉 聰

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

地鐵車輛電氣屏柜內布置了各控制系統相關電氣設備，電氣設備的運作對環境濕度具有一定的要求。對于處于濕度較大的地區，為降低電氣屏柜內空氣濕度，保障電氣設備正常工作，電氣屏柜中需增添一定量的干燥劑，放置在屏柜下部合適位置。干燥劑在電氣屏柜中的應用對城軌車輛正常運營具有一定的意義，本文以華南地區某地鐵車輛項目為例，分析了干燥劑在電氣屏柜中的用量。

1 地鐵車輛空調與通風系統

地鐵車輛具有空調與通風系統，每節車廂布置2臺空調機組。一般空調機組采用兩端送風、端部回風型式。空調通風系統的設計將保證整個客室內均勻的空氣分配，客室內各處風速基本一致，氣流流動合理，送入客室的冷風與客室內的空氣充分混合，以形成均勻的溫度場和速度場，給乘客以舒適的環境。車輛在正常行駛時，客室內的溫度小于或等于27℃，相對濕度小于或等于65%，能滿足電氣設備的正常運行。

而當車輛較長時間置于庫內時，車輛內部直接和外部環境相通，較高的空氣相對濕度會對車載設備造成影響。同樣，對于車外屏柜，比如車下低壓箱或蓄電池箱等，自然環境就是工作環境，增加適量的干燥劑以降低電氣屏柜工作空氣濕度，可以對電氣設備起到預防保護作用。

2 車載電氣設備工作環境

在裸露的自然環境下，氣候條件會對電氣設備的正常工作產生一定的影響，比如灰塵、濕度、溫度等。車載電氣設備的工作環境具有相關的標準規定，國際標準IEC 60077-1999鐵路應用-機車車輛電氣設備中規定了設備工作環境條件，該標準具體規定參照國際標準 IEC62498-1，標定范圍包括機車車載電氣、機電和電子設備的使用，以及以下環境參數：高度、溫度、濕度、空氣流動、雨雪和冰雹、冰、太陽輻射、閃電、污染、振動和沖擊、電磁干擾環境、供應系統特性等。其中第4章第4條中明確規定濕度應考慮外部濕度水平：年平均：小于或等于75%相對濕度；一年持續30 d：相對濕度75%～95%；不定期其他天：相對濕度95%～100%。

另外，任何的水氣凝結將不會導致工作故障。因此，車載電氣設備可以滿足短時間的高濕度環境，且需滿足年平均小于或等于75%相對濕度環境。

3 電氣屏柜設備對工作環境的要求

地鐵車輛電氣屏柜內安裝了大量的電氣元件和其他車載設備，比如斷路器、繼電器、接觸器、數字量輸入輸出模塊、PIS主機、事件記錄儀、診斷儀、端子排等。這些設備的正常運作才能保證城軌車輛的正常運營行駛，而像繼電器由于具有標準化程度高、靈敏度高、通用性好、控制功率小等優點，使得地鐵列車電路控制多半采用繼電器控制[1]。屏柜車載電氣元件若出現故障，會造成列車救援、清客和晚點等情況，給地鐵運營服務質量帶來不同程度的影響。所以保證城軌車輛電氣設備的工作環境對城軌車輛的運營至關重要。

以端子排為例，特殊的氣候條件會對端子排中彈簧的長期穩定性造成影響，而在氣候試驗中會將這些氣候條件在實驗室中模擬出來。依據標準IEC/EN 60068-2-42中規定要求，端子排的工作氣候濕度條件不超過75%。

通過調研查閱，部分低壓電氣設備對工作環境中濕度的要求(見表1)。由此可知，城軌車輛常見低壓電氣設備比如客室車載監控主機、車載網絡交換機、LCU機箱、中繼器等運行濕度范圍在95%以下的環境中，端子排及繼電器的工作氣候濕度條件小于或等于75%。可以了解到城軌車輛主要低壓電氣設備的設計大多數基于鐵路標準IEC60077、IEC60571、IEC60068和 IEC62498對工作環境濕度的要求。

表1 部分低壓電氣設備對濕度的要求

4 華南地區自然地理環境

華南地區位于中國最南部，北與華中地區、華東地區相接，南面包括遼闊的南海和南海諸島，屬于亞熱帶季風氣候。春季常有低溫陰雨、對強流、春旱等，天氣多變；夏季高溫多雨，氣象災害多；秋季少雨干旱；冬季低溫干冷，降水少。整年平均相對濕度達77%，一年中3-8月平均相對濕度可達到80%～82%，局部地區的實時相對濕度能達到95%～100%。

總體上來說，華南地區雨量充沛，雨季出現在每年的4-9月，雨季持續時間長，且高溫、暴雨、雷雨、臺風等氣象天氣常有發生，年平均濕度較高。

5 干燥劑的應用

干燥劑也稱吸附劑，能夠去除潮濕物質中的水分，對被保護物質起除濕、防潮、防霉及干燥等作用。干燥劑按其功能常分為兩類：物理干燥劑和化學干燥劑。物理干燥劑是通過物理吸附水，將水分子吸附在自身的結構中進行干燥，比較常見的有活性碳、硅膠、活性氧化鋁等；化學干燥劑是通過自身與水分子相結合，與之發生化學反應生成另外一種物質進行干燥，比較常見的有生石灰、氯化鈣、硫酸鈣等[2]。特殊物品環境中濕氣的管控對產品質量保障具有重要的意義，也對產品良率的控制具有積極的推動。目前，干燥劑廣泛應用于家具、服裝、食品、藥品、集成電路、精密儀器、電子產品、圖書字畫等領域。

變色硅膠干燥劑呈不規則球狀，主要成分為二氧化硅，顏色隨濕度不同而變化，是一種高活性吸附材料。硅膠干燥劑最適合的吸濕環境為室溫(21℃～32℃)，硅膠的吸水率可達31%～37%以上。硅膠干燥劑由于其吸附性高、熱穩定性好、化學性質穩定等特點，決定了其在諸多領域難以替代[3]。

6 干燥劑用量分析

鑒于城軌車輛結構的特殊性，電氣屏柜與內裝中頂空間是相連通的，故內裝包圍的空間包含兩部分，一部分為電氣屏柜空間，另一部分為中頂空間。以中間車為例，對其電氣屏柜所需硅膠干燥劑用量分析如下。

單個電氣屏柜空間為1.6 m3；中頂空間為23.19 m3；中間車內裝包圍總空間為：4個電氣屏柜空間+中頂空間=4×1.6+23.19=29.59 m3。根據干燥劑推薦使用劑量，建議1 m3使用1 250 g干燥劑，故中間車需要使用的干燥劑為：29.59×1 250=36 987.5 g。因此每個電氣屏柜內需要設置的干燥劑為：36 987.5/4≈9 247 g。干燥劑的規格為1 000 g/袋，每個電氣屏柜至少需要放置10袋。

其他車上的電氣屏柜干燥劑計算方法類似。

7 結語

干燥劑廣泛應用于各行各業，對產品質量的保障具有重要的意義。華南地區年平均濕度高，雨季時節空氣相對濕度能達到95%以上，空氣濕度遠遠超出了鐵路標準及設備自身對環境的要求，設備設計安裝時需要考慮空氣濕度對電氣設備的影響。分析可知，該項目中間車電氣屏柜需要放置10包該規格變色硅膠干燥劑，降低柜內空氣相對濕度，以改善電氣設備工作環境。