地铁车辆电气屏柜工作湿度研究与改善

地铁车辆电气屏柜工作湿度研究与改善

张建伟 ,唐龙和 ,徐永臣

中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东省  青岛市  266111

摘要：地铁车辆电气屏柜内布置了各控制系统相关电气设备，电气设备的运作对环境湿度具有一定的要求。对于处于湿度较大的地区，为降低电气屏柜内空气湿度，保障电气设备正常工作，电气屏柜中需增添一定量的干燥剂，放置在屏柜下部合适位置。干燥剂在电气屏柜中的应用对城轨车辆正常运营具有一定的意义。鉴于此，本文试着对地铁车辆电气屏柜工作环境所需要的温湿度进行探究，并就其改善提出一些建议。

关键词:地铁车辆；电气屏柜；湿度改善

1.地铁车辆空调系统

地铁车辆具有空调与通风系统，每节车厢布置２台空调机组。一般空调机组采用两端送风、端部回风型式。空调通风系统的设计将保证整个客室内均匀的空气分配，客室内各处风速基本一致，气流流动合理，送入客室的冷风与客室内的空气充分混合，以形成均匀的温度场和速度场，给乘客以舒适的环境。车辆在正常行驶时，客室内的温度小于或等于26℃，相对湿度小于或等于65％，能满足电气设备的正常运行。而当车辆较长时间置于库内时，车辆内部直接和外部环境相通，较高的空气相对湿度会对车载设备造成影响。同样，对于车外屏柜，比如车下低压箱或蓄电池箱等，自然环境就是工作环境，增加适量的干燥剂以降低电气屏柜工作空气湿度，可以对电气设备起到预防保护作用。

2.车载电气设备工作环境

在裸露的自然环境下，气候条件会对电气设备的正常工作产生一定的影响，比如灰尘、湿度、温度等。车载电气设备的工作环境具有相关的标准规定，国际标准IEC60077-1999铁路应用－机车车辆电气设备中规定了设备工作环境条件，该标准具体规定参照国际标准IEC62498-1，标定范围包括机车车载电气、机电和电子设备的使用，以及以下环境参数：高度、温度、湿度、空气流动、雨雪和冰雹、冰、太阳辐射、闪电、污染、振动和冲击、电磁干扰环境、供应系统特性等。其中第４章第４条中明确规定湿度应考虑外部湿度水平：年平均：小于或等于７５％相对湿度；一年持续30ｄ：相对湿度65％～90％；不定期其他天：相对湿度95%~100%。另外,任何的水气凝结将不会导致工作故障。因此,车载电气设备可以满足短时间的高湿度环境,且需满足年平均小于或等于75%相对湿度环境。

3.电气屏柜设备对工作环境的要求

地铁车辆电气屏柜内安装了大量的电气元件和其他车载设备，比如断路器、继电器、接触器、数字量输入输出模块、ＰＩＳ主机、事件记录仪、诊断仪、端子排等。这些设备的正常运作才能保证城轨车辆的正常运营行驶，而像继电器由于具有标准化程度高、灵敏度高、通用性好、控制功率小等优点，使得地铁列车电路控制多半采用继电器控制。屏柜车载电气元件若出现故障，会造成列车救援、清客和晚点等情况，给地铁运营服务质量带来不同程度的影响。所以保证城轨车辆电气设备的工作环境对城轨车辆的运营至关重要。以端子排为例，特殊的气候条件会对端子排中弹簧的长期稳定性造成影响，而在气候试验中会将这些气候条件在实验室中模拟出来。依据标准IEC/EN60068-2-42中规定要求，端子排的工作气候湿度条件不超过75％。通过调研查阅，部分低压电气设备对工作环境中湿度的要求。由此可知，城轨车辆常见低压电气设备比如客室车载监控主机、车载网络交换机、LCU机箱、中继器等运行湿度范围在95％以下的环境中，端子排及继电器的工作气候湿度条件小于或等于75％。可以了解到城轨车辆主要低压电气设备的设计大多数基于铁路标准IEC60077､IEC60571､IEC60068和IEC62498对工作环境湿度的要求。

4.铝合金在含Cl-环境中的腐蚀行为分析

铝合金具有较低的电位，容易与环境中的氧发生反应生成致密的氧化物，对基体金属起到保护作用。但在含有Cl-的环境中，由于Cl-活性较高，不仅能够穿透和破坏铝合金表面的氧化膜，而且还会与氧在合金表面竞争吸附点。随着腐蚀时间的进行，大量Cl-通过氧化膜间隙进入到金属内部，与基体中阳离子结合形成可溶的氯化物，导致腐蚀坑的形成。此时，点蚀坑内的金属处于活性状态（电位较负），表现为原电池的阳极，而点蚀坑外的金属仍保持钝态（电位校正），表现为原电池的阴极。随着腐蚀的持续进行，腐蚀坑内的阳离子不断增加，为了保持整个腐蚀坑内电位平衡，坑外的Cl-不断向坑内迁移，在坑内形成高浓度可溶的AlCl3，进而使得腐蚀坑内金属继续溶解，点蚀坑不断扩展，形成应力腐蚀的裂纹源。铝合金型材外表面粗大的再结晶组织，为Cl-在合金表面富集以及进入到金属基体提供了更有利的渠道，加速腐蚀的进行。

此外，铝合金中的析出相η（MgZn2）相比铝合金具有更低的电位（-1.05V，铝的标准电位为-0.85V），因此在局部腐蚀过程中作为阳极优先溶解，腐蚀最初从该相附近处开始。并且η相在晶界处容偏聚并呈连续分布，形成连续的阳极溶解通道，使得晶界处发生更严重的腐蚀。铝合金在腐蚀介质的作用下析出相以及金属基体作为阳极发生溶解后，形成应力腐蚀开裂的裂纹源。而裂纹形成且达到一定的临界尺寸时，便在裂纹尖端处迅速扩展，拉应力的存在使晶体内位错沿着滑移面进行移动，逐渐形成较大的滑移阶梯，导致铝合金表面的钝化膜破裂，新鲜的金属随之暴露在腐蚀介质中，进而加速腐蚀。同时，在发生的腐蚀过程中，产生的还原H，在拉应力的作用下迅速向晶界富集，形成铝氢化合物，引起晶界氢脆并降低晶界结合能，使得裂纹沿晶界迅速扩展。因此，铝合金发生应力腐蚀后裂纹扩展主要特征为典型的沿晶开裂。

5.干燥剂的应用

干燥剂也称吸附剂，能够去除潮湿物质中的水分，对被保护物质起除湿、防潮、防霉及干燥等作用。干燥剂按其功能常分为两类：物理干燥剂和化学干燥剂。物理干燥剂是通过物理吸附水，将水分子吸附在自身的结构中进行干燥，比较常见的有活性碳、硅胶、活性氧化铝等；化学干燥剂是通过自身与水分子相结合，与之发生化学反应生成另外一种物质进行干燥，比较常见的有生石灰、氯化钙、硫酸钙等。特殊物品环境中湿气的管控对产品质量保障具有重要的意义，也对产品良率的控制具有积极的推动。目前，干燥剂广泛应用于家具、服装、食品、药品、集成电路、精密仪器、电子产品、图书字画等领域。变色硅胶干燥剂呈不规则球状，主要成分为二氧化硅，颜色随湿度不同而变化，是一种高活性吸附材料。硅胶干燥剂最适合的吸湿环境为室温(21℃~32℃)，硅胶的吸水率可达31%~37%以上。硅胶干燥剂由于其吸附性高、热稳定性好、化学性质稳定等特点，决定了其在诸多领域难以替代。

5.1干燥剂用量分析

鉴于城轨车辆结构的特殊性，电气屏柜与内装中顶空间是相连通的，故内装包围的空间包含两部分，一部分为电气屏柜空间，另一部分为中顶空间。以中间车为例，对其电气屏柜所需硅胶干燥剂用量分析如下。单个电气屏柜空间为1.6m3;中顶空间为23.19m3；中间车内装包围总空间为：４个电气屏柜空间＋中顶空间=4×1.6+23.19=29.59m3。根据干燥剂推荐使用剂量，建议1m3使用1250g干燥剂，故中间车需要使用的干燥剂为：29.59×1250=36987.5g。因此每个电气屏柜内需要设置的干燥剂为:36987.5/4≈9247g。干燥剂的规格为1000g/袋，每个电气屏柜至少需要放置１０袋。其他车上的电气屏柜干燥剂计算方法类似。

结束语：

干燥剂广泛应用于各行各业，对产品质量的保障具有重要的意义。华南地区年平均湿度高，雨季时节空气相对湿度能达到95％以上，空气湿度远远超出了铁路标准及设备自身对环境的要求，设备设计安装时需要考虑空气湿度对电气设备的影响。分析可知，该项目中间车电气屏柜需要放置10包该规格变色硅胶干燥剂，降低柜内空气相对湿度，以改善电气设备工作环境。

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