軌道交通中的電氣自動(dòng)化布線原則及施工技術(shù)

劉昊杰

西安交通工程學(xué)院 陜西省西安市 710000

在國(guó)家實(shí)施低碳經(jīng)濟(jì)的趨勢(shì)下，由于軌道交通具有安全、可靠、綠色、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)城市軌道交通呈現(xiàn)出快速發(fā)展勢(shì)頭。路網(wǎng)迅速擴(kuò)大，產(chǎn)品技術(shù)不斷提高。集成系統(tǒng)、軌道交通運(yùn)營(yíng)向網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化方向發(fā)展，由于對(duì)道路安全的需求不斷增長(zhǎng)，軌道交通對(duì)交通系統(tǒng)的安全負(fù)有重要責(zé)任。因此，保證地鐵車輛的安全可靠性和易維護(hù)性成為地鐵車輛布線過(guò)程中的重要研究課題。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的要求，需要遵循可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安裝維護(hù)正確、最大內(nèi)部空間和均勻重量分布的原則為電氣自動(dòng)化布線提供了合理性和科學(xué)性施工標(biāo)準(zhǔn)。本文主要對(duì)軌道交通中的電氣自動(dòng)化布線的基本原則和施工技術(shù)方面的要點(diǎn)進(jìn)行分析，希望能為優(yōu)化軌道交通電氣自動(dòng)化提供有益的建議。

1 軌道交通對(duì)電氣自動(dòng)化技術(shù)的需求

軌道交通系統(tǒng)在現(xiàn)代城市的建設(shè)和發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。如今，越來(lái)越多的城市在向現(xiàn)代化推進(jìn)和發(fā)展的同時(shí)，對(duì)軌道交通系統(tǒng)的自動(dòng)化水平提出了更高的要求，大致體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）城市軌道交通系統(tǒng)覆蓋范圍廣，里程從10 公里到100 公里不等，間隔設(shè)置數(shù)十個(gè)車站。如果要完成全線的電氣自動(dòng)化控制，就需要建立一個(gè)有站的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，對(duì)各站設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)需要將全線系統(tǒng)集成在加強(qiáng)科學(xué)監(jiān)測(cè)和管理。（2）與農(nóng)村相比，城市生活節(jié)奏快得多，人們的生活和工作要求高效率、快節(jié)奏。因此，潛在的延誤或堵塞將影響高速城市運(yùn)行，可能無(wú)法滿足城市發(fā)展的需要。因此，軌道交通電氣自動(dòng)化技術(shù)必須滿足高可靠性、快速穩(wěn)定運(yùn)行的需要。（3）城市軌道交通系統(tǒng)具有公共利益和公共利益。實(shí)際用戶數(shù)量龐大，系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜。因此，相關(guān)電氣自動(dòng)化技術(shù)必須達(dá)到一定的安全性和可靠性，有效保障用戶生命財(cái)產(chǎn)安全，避免各種隱患的發(fā)生。（4）現(xiàn)代城市軌道交通建設(shè)運(yùn)營(yíng)體系包括多部門、多專業(yè)協(xié)同，移動(dòng)電子技術(shù)還必須具備一定的綜合管控功能，能夠有效協(xié)調(diào)不同部門的規(guī)劃管理，具有實(shí)用性和可持續(xù)性。貫穿全系統(tǒng)交通，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定，保障人員轉(zhuǎn)移便捷高效。

2 分析軌道交通電氣自動(dòng)化布線的基本原理

2.1 遵循安全可靠的原則

一般來(lái)說(shuō)，軌道交通的類型是動(dòng)力分散式車輛。保障乘客安全是分散式車輛電氣自動(dòng)化布線過(guò)程中的重中之重。因此，在目前的設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須安裝適當(dāng)?shù)陌踩O(shè)備以確保乘客的安全。電纜等級(jí)必須高于BS6853-IB，滅火器以及相關(guān)防火設(shè)備的規(guī)格必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)要求。根據(jù)目前軌道交通的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，軌道交通使用的電線電纜至少需要能耐受125°的溫度。同時(shí)，從材料上看，最好使用阻燃性低的無(wú)鹵低煙電纜或無(wú)鹵低煙耐火電纜。電纜束與加熱設(shè)備之間必須保持足夠的距離，高壓電力線的絕緣也必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。即使設(shè)備受到強(qiáng)烈的沖擊和移動(dòng)，也不會(huì)影響軌道交通的運(yùn)行以及相關(guān)設(shè)備與乘客的安全。此外，應(yīng)針對(duì)不同類型的設(shè)備采取防釋放措施，以保證軌道交通運(yùn)營(yíng)的可靠性和安全性。

2.2 遵循最大化室內(nèi)空間的原則

軌道交通線路和設(shè)備的安裝還必須考慮最大化車輛剩余空間并為乘客創(chuàng)造最大的活動(dòng)范圍。在具體的布線過(guò)程中，除了要考慮到噪音的大小與乘客的視覺(jué)感受外，還要考慮到是否便于司機(jī)操作。比如需要須知一些容易檢查與查看的信號(hào)與儀表等儀器。對(duì)于城市軌道交通來(lái)說(shuō)，布線、電纜校正、絕緣電阻、管槽、電纜連接、線號(hào)打印都是要考慮的事情。在布線的具體過(guò)程中，無(wú)論哪個(gè)過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)影響整車的運(yùn)行安全。

2.3 遵循等重原則

據(jù)了解，在同一單元中，雖然車輛的類型不同，但承重重量是相同的，有利于軌道交通的制動(dòng)力與牽引力的共同實(shí)現(xiàn)，保持車輛運(yùn)載過(guò)程中的平穩(wěn)與安全；在同一軌道交通中，應(yīng)采用對(duì)稱分布，即遵循平均重量分布的原則，有利于減少或抑制承重偏移現(xiàn)象的概率。

2.4 遵循易安裝、易維護(hù)的原則

由于可控性好，模塊化布置常用于軌道交通電氣自動(dòng)化布線施工過(guò)程中。同時(shí)，軌道交通運(yùn)營(yíng)中必須使用的設(shè)備很多，不同類型的設(shè)備使用壽命、故障概率、運(yùn)行與其維護(hù)的要求標(biāo)準(zhǔn)都各不相同，所以在布線過(guò)程中需要預(yù)留維修空間。比如后續(xù)維修使用車輛的基本電路、信號(hào)控制電路、輔助控制電路等，還可以設(shè)置多個(gè)故障報(bào)警，在發(fā)生故障時(shí)及時(shí)發(fā)出告警，及時(shí)處理故障，避免事故和嚴(yán)重?fù)p失。

3 軌道交通電氣自動(dòng)化布線施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 完全遵循電氣自動(dòng)化布線的模塊化理念

模塊化的想法是將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分解成幾個(gè)較小的模塊，它們之間幾乎沒(méi)有融合。模塊化的理念貫穿于電氣自動(dòng)化布線的整個(gè)布置周期。從設(shè)計(jì)到技術(shù)再到生產(chǎn)，甚至延伸到市場(chǎng)開發(fā)和售后服務(wù)階段。每個(gè)連接部分都可以考慮進(jìn)模塊化，防止重復(fù)工作，同時(shí)促進(jìn)各種功能的標(biāo)準(zhǔn)化，最終降低成本，提高效率，便于后期的維護(hù)和更新。電氣自動(dòng)化布線的模塊化理念最顯著的特點(diǎn)之一是將工作的兩個(gè)基本要素分為線束化和功能區(qū)劃分。

功能區(qū)越獨(dú)立，區(qū)域間的安裝、測(cè)試、維護(hù)等在這方面的相互影響就越小。線束化避免了預(yù)裝工作、車身生產(chǎn)、初步安裝等不同緩解分相互影響，以及不同功能區(qū)域之間的主要負(fù)載和布線相互作用的影響。電氣裝置的功能區(qū)劃分應(yīng)與機(jī)電設(shè)計(jì)相結(jié)合，除大型獨(dú)立設(shè)備（如變頻器、空調(diào)等）外，高壓箱、低壓箱和后電柜之間的區(qū)域也要進(jìn)行明確劃分。并且各區(qū)域內(nèi)部連接相對(duì)獨(dú)立，每個(gè)功能區(qū)域都連接到分類在車輛接線插座中的線束。在電氣設(shè)計(jì)階段，必須仔細(xì)考慮此程序，不僅適用于系統(tǒng)（例如牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車門控制系統(tǒng)等），還適用于某些區(qū)域（例如駕駛艙欄桿、兩個(gè)客艙、汽車低壓油箱），元件空間位置的合理定義直接影響不同電力區(qū)域的獨(dú)立性，進(jìn)而影響布線模塊化的效果。線束化設(shè)計(jì)需要兩個(gè)重要的輸入：一個(gè)是每個(gè)組件的連接器和接線端的空間位置，另一個(gè)是連接表（包括電纜編號(hào)、電纜兩端的設(shè)備和引腳編號(hào)信息）。根據(jù)這兩條信息，考慮避免布線路徑的干擾，同時(shí)考慮布線的美觀和節(jié)省材料，這樣就可以設(shè)計(jì)出布線的三維線束；根據(jù)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的需要，將電源線的三維封裝擴(kuò)展為平面圖。畫出線束模板的接線圖，線束制造人員只需要根據(jù)線束模板的圖紙加工合格的線束，不需要依賴機(jī)器，加工出來(lái)的線束的耐用性也很好。線束模板圖示例如圖1 所示。

圖1 線束模板圖設(shè)計(jì)樣例

3.2 熟悉電氣自動(dòng)化布線的電磁兼容性

隨著與軌道運(yùn)動(dòng)相關(guān)的功率能力的增加，軌道交通的電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜，在設(shè)計(jì)電氣自動(dòng)化布線時(shí)需要了解電磁兼容性。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，干擾的存在對(duì)象、干擾源和傳播方式是電磁干擾的三要素。以電磁干擾的形式影響正常運(yùn)行，但在大多數(shù)情況下，其他兩個(gè)元件無(wú)需布線即可放置。為了減弱或中斷EMI 傳輸路徑，必須對(duì)電纜進(jìn)行分類和保護(hù)。

屏蔽可以分為兩個(gè)例子：一是避免自有電纜受到外部干擾，如低壓信號(hào)線；另一種避免干擾外界的方法，例如牽引電機(jī)和其他電線。該屏蔽方法可以使用線槽、軟金屬外殼或電氣系統(tǒng)本身自帶的屏蔽保護(hù)層來(lái)實(shí)現(xiàn)。保護(hù)接地的質(zhì)量直接影響電流屏蔽的效果，以及技術(shù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該使用單點(diǎn)接地來(lái)干擾對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)敏感的電纜，因?yàn)槎鄠€(gè)接頭之間的差異會(huì)導(dǎo)致屏蔽電流。電流在電纜上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使電纜內(nèi)的信號(hào)失真（見圖2）。對(duì)于短波較長(zhǎng)的高頻信號(hào)（通常考慮電纜長(zhǎng)度為波長(zhǎng)的0.15 倍），應(yīng)采用多點(diǎn)接地，以降低屏蔽層的天線效應(yīng)。高頻電子設(shè)備的屏蔽體（盒）必須用金屬編織物接地。因?yàn)轭l率越高，集膚效應(yīng)越大。金屬編織物具有更大的表面積，因此對(duì)高頻信號(hào)的抵抗力更小。

圖2 兩點(diǎn)接地對(duì)信號(hào)影響示意圖

3.3 需要克服的安全問(wèn)題

城市軌道交通是一種載人交通工具，除了設(shè)備安全的考慮，操作人員、維修人員和乘客的安全也必須得到充分考慮。從乘客安全的角度考慮電氣布線，必須考慮火災(zāi)和電擊風(fēng)險(xiǎn)。起火原因是電纜過(guò)載、發(fā)熱和短路。電纜過(guò)載會(huì)引起火災(zāi)，即使沒(méi)有立即發(fā)生火災(zāi)，也會(huì)加速電纜絕緣層的老化。解決電纜過(guò)載問(wèn)題，需要確定工作電流的大小、預(yù)期的環(huán)境溫度、敷設(shè)種類、使用壽命、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間等因素，根據(jù)以上的因素出現(xiàn)情況可以明確等效電流Ic 的數(shù)值。Ic=I／（k1·K2·k3·k4）式中：k1 是環(huán)境溫度的修正系數(shù)；K2 是敷設(shè)種類的修正系數(shù)；K3 是電纜壽命修正系數(shù)；K4 是中斷運(yùn)行時(shí)的短期電流修正系數(shù)（連續(xù)運(yùn)行時(shí)K4=1.0）。比較公式和表格時(shí)，可以根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)查看表格，得出K1、K2、K3、K4 的值。一旦確定了Ic 值，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參考表，電纜面積可用四舍五入法確定。如果電纜面積足夠大，可以有效避免過(guò)熱。電線短路通常是由于連接斷開或電纜絕緣層損壞，連接斷開也就是字面意思，本文不多做詳細(xì)描述。電纜絕緣層損壞的三個(gè)原因：割傷、應(yīng)力和老化。尖銳的金屬邊緣或尖角與電氣邊緣層直接接觸，或電纜未固定好使用，電纜絕緣層會(huì)被割斷，造成電纜絕緣層與車輛運(yùn)行過(guò)程中的困難物體發(fā)生摩擦導(dǎo)致割傷。這需要對(duì)延伸部分的設(shè)計(jì)采取合理的方法，在某些情況下避免與金屬角直接接觸，如果實(shí)在避無(wú)可避，可以考慮在金屬邊角處添加橡膠墊等墊子。此外，應(yīng)仔細(xì)檢查線束是否固定，以確保線束的固定程度，不會(huì)與其他固體摩擦導(dǎo)致線束損壞。電纜的絕緣應(yīng)力主要是由于電纜的彎曲或拉伸，每一種電纜都有自己的彎曲最小半徑。設(shè)計(jì)線束轉(zhuǎn)彎時(shí)，必須考慮線束上每根電纜的最小彎曲半徑。為了考慮拉伸和溫度下降等安全因素，必須改變線束長(zhǎng)度。在電氣布線設(shè)計(jì)中，保護(hù)接地是關(guān)鍵。對(duì)于城市軌道交通來(lái)說(shuō)，保護(hù)接地其實(shí)就是等電位連接，即將外露的隨行件（如設(shè)備的金屬盒）與有線車輛的車身相連，以保持外露的隨行件與車體之間的等電位。通常，保護(hù)接地和電磁兼容性（EMC）被一起考慮。在極少數(shù)情況下，應(yīng)單獨(dú)考慮保護(hù)接地，以避免因高壓設(shè)備的感應(yīng)或放電而導(dǎo)致合閘負(fù)載造成人身傷害。

4 城市軌道交通自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于傳統(tǒng)的城市軌道交通來(lái)說(shuō)，電氣自動(dòng)化技術(shù)的引入無(wú)疑取得了質(zhì)的提升。電氣自動(dòng)化技術(shù)的全面集成也是未來(lái)軌道交通發(fā)展的方向之一，指出了電力自動(dòng)化技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用方向。（1）電氣自動(dòng)化技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，這也將推動(dòng)更加智能的城市交通系統(tǒng)的發(fā)展。（2）電氣自動(dòng)化技術(shù)將朝著更加集成化、開放化、綜合化服務(wù)的方向發(fā)展。目前，在全球范圍內(nèi)，電氣自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越迅速，包括通信領(lǐng)域、光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和生物領(lǐng)域等的發(fā)展，都推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步。進(jìn)行更全面的技術(shù)開發(fā)，開發(fā)高度集成化的管理。未來(lái)，地鐵和電軌監(jiān)控技術(shù)將通過(guò)地下和地面信息平臺(tái)逐步發(fā)展，為用戶提供更大的系統(tǒng)、更全面的服務(wù)體驗(yàn)。（3）自動(dòng)化新技術(shù)應(yīng)用更加廣泛，提高生活質(zhì)量和文明水平。自動(dòng)化的快速發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)電氣自動(dòng)化技術(shù)向高科技、高智能化的更高方向發(fā)展。城市軌道交通系統(tǒng)進(jìn)一步引入電氣自動(dòng)化技術(shù)，將為自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)更多發(fā)展機(jī)遇。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)的進(jìn)步，軌道交通的重要性與日俱增。同時(shí)，科技的發(fā)展也為改善軌道交通奠定了良好的基礎(chǔ)。本文主要從電氣自動(dòng)化布線的模塊化思維、電磁兼容和電氣自動(dòng)化布線安全的角度分析軌道交通電氣自動(dòng)化安裝的三種方式，研究軌道交通電氣布線自動(dòng)化的原理，希望提供相關(guān)的研究和實(shí)踐，為相關(guān)項(xiàng)目順利推進(jìn)提供有效借鑒和參考。