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軌道交通大量線纜服役周期到了次輪四級修的時間，同時其外觀性能檢測未有異常。在安全可靠的前提下對已經(jīng)服役的電線電纜進行可靠性及壽命研究，為降本增效提供技術支持。線纜的工作環(huán)境是影響其壽命及可靠性的關鍵指標，按照線纜工作環(huán)境選擇關鍵應力進行可靠性評估才具有較高的置信度。本文首先分析蓄電池供電線纜工作環(huán)境和蓄電池線纜的失效機理；隨后，基于失效機理、工作環(huán)境設計線纜的可靠性及加速壽命試驗方案；通過對試驗數(shù)據(jù)分析，依據(jù)線纜的加速壽命模型，對線纜進行可靠性壽命評估。試驗結(jié)果表明，熱應力條件下是能夠加速線纜的絕緣老化的，經(jīng)過計算服役達到次輪四級修的線纜剩余壽命為17.4年。

 

引言

 

軌道交通由傳統(tǒng)的燃煤機車發(fā)展成電力機車，其內(nèi)部增加了各式各樣的電控系統(tǒng)以及儲能部件。而這些部件之間通過各種各樣的電線電纜進行連接。而線纜作為電氣部件連接紐帶其可靠性及壽命至關重要。隨著科技的進步，線纜具有更長的壽命，某些線纜壽命最長可達到80年。目前對于線纜的壽命評估方法，吳超云等采用模擬實際使用環(huán)境的加速壽命評估方法對動車小線徑線纜進行壽命評估；潘江江等闡述了使用仿真以及溫度和振動等綜合應力的方法評估線纜的壽命；孫炎等利用熱重分析方法計算出傳感器線纜絕緣材料的老化激活能，并在高溫條件下對傳感器線纜進行了壽命評估。而有些壽命評估是在考慮了線纜的失效機理的基礎之上進行的壽命評估。張偉等根據(jù)線束失效機理模型及使用環(huán)境要求進行加速試驗設計，預測了線束的疲勞失效壽命；陽輝等分析了電線的絕緣老化機理，說明通過熱老化試驗可以加速線纜失效進而預估線纜的壽命；龔國祥通過常規(guī)絕緣材料電氣性能和機械物理性能檢測，對高速動車組列車所使用的電線電纜絕緣材料耐熱性參數(shù)和使用壽命的關聯(lián)性進行深入研究，計算了幾種線纜的預期壽命。

 

已有的線纜壽命評估方法，或是基于實際使用環(huán)境進行壽命評估，或是考慮到失效模式及失效機理等進行線纜的壽命評估，或采用熱重分析方法計算激活能進而對線纜進行加速壽命評估。這些壽命評估方法，未考慮到線纜實際使用過程中主要環(huán)境以及該環(huán)境所導致的失效機理，同時壽命評估采用經(jīng)驗系數(shù)進行計算而進行壽命評估，這些方法所得到線纜壽命的準確性很低。而正確的壽命評估方法要分析線纜實際使用的環(huán)境條件，以及該條件下線纜主要的失效模式及失效機理，并基于此分析的基礎上對線纜采取壽命評估。

 

本文首先分析線纜的實際工作環(huán)境，確定線纜實際工作過程中所承受的主要環(huán)境應力；隨后對線纜進行失效模式及失效機理分析，確定線纜在該環(huán)境下可能出線的失效的情況；基于線纜的失效機理，設計壽命評估試驗方法，根據(jù)線纜性能參數(shù)的退化，評估線纜的剩余壽命。

 

線纜使用環(huán)境分析

 

進行線纜壽命評估，應從線纜的實際工作環(huán)境中選擇試驗應力，這樣得到的壽命評估結(jié)果具有較高的準確性。李煒等對航空線纜模擬機上環(huán)境，進行低溫、高溫、鹽霧、潮濕等10個周期循環(huán)的方法進行了壽命評估試驗.本文中所評估的線纜為動車組次輪四級修中低壓電線電纜中與蓄電池連接的直流110V配線電纜。該線纜安裝于車內(nèi)、同時是通過線槽固定的。因此，其實際使用過程中主要承受外界的溫度，由于線纜是通直流電壓和直流電流，除了承受溫度影響外，還主要承受通電導致的電熱而不存在交流電特性的浪涌等突發(fā)電擊的特性。

 

線纜實際使用承受的主要是溫度和電的綜合應力，根據(jù)這兩種應力施加到線纜的作用效果，在壽命試驗過程中可統(tǒng)一為高溫考核。而對線纜進行高溫老化壽命評估，已經(jīng)形成了相關標準。

 

EN50305和EN60216標準中規(guī)定了對線纜進行高溫加速壽命試驗。因此，對本項目中的線纜，考慮其實際使用過程中環(huán)境特性，對線纜進行高溫環(huán)境的老化考核。

 

線纜工作環(huán)境及失效機理分析

 

線纜失效的模式有多種多樣，主要分為電應力失效和機械應力失效。電應力失效模式包括：斷路、電擊穿、直流電阻及絕緣電阻超差等；力學性能導致的失效模式主要包括：線纜斷裂、絕緣材料斷裂、疲勞損傷等。線纜發(fā)生直流電阻超差，一般是由于線纜內(nèi)部金屬導線或鍍層材料長期使用過程中在熱和空氣中的氧工作作用下導致的氧化導致的電阻增加；而耐壓擊穿主要是電纜實際使用過程中承受交流供電的情況下，發(fā)生交流條件下的浪涌沖擊導致；絕緣電阻超差主要是長期使用過程中承受的熱應力、電應力導致的絕緣材料逐漸老化導致的介電性能下降導致的失效。而機械應力導致的線纜斷裂、絕緣斷裂失效，主要是線纜實際使用過程中由于線纜過短而長時間承受的拉力，或是由于線纜實際使用時是跨接的狀態(tài)導致材料疲勞失效以及機械應力超出線纜可承受的極限導致。

 

線纜進行壽命評估，首先要確定其失效機理與其工作環(huán)境特性。本項目中待進行壽命評估的線纜為中低壓電線電纜中的蓄電池連接的直流110V配線電纜，通過實際調(diào)研得知，線纜實際工作環(huán)境為車內(nèi)，并且是通過線槽進行固定，其實際使用中主要承受溫度和振動。按照GB/T21563-2018中安裝在車身位置的產(chǎn)品，其位移及加速度很小，如圖1所示。

圖1 振動譜

因此承受的機械應力可忽略不計。同時線纜是通過固定線槽在車內(nèi)部使用，主要承受的溫濕度的影響，而線纜外皮是屬于橡膠材料，依據(jù)相關標準主要是絕緣老化導致的失效。電線失效模式及失效機理見表1。

表1 線纜失效模式及失效機理

 

線纜加速壽命試驗

 

1、線纜壽命試驗應力確定

 

產(chǎn)品的壽命評估可以選擇多種應力，如要保證評估結(jié)果的真實、有效，則需要從產(chǎn)品實際工作環(huán)境中選擇一種最為敏感的環(huán)境應力進行考核。本項目中待評估線纜為蓄電池連接的直流110V配線電纜，實際使用過程中主要承受直流電流導致的電熱以及溫度影響，根據(jù)失效模式及失效機理分析，可統(tǒng)一到熱應力進行加速壽命試驗，因此對線纜進行基于溫度的加速壽命試驗。

 

2、最高試驗溫度確定

 

壽命評估的最高試驗溫度決定了進行了加速壽命試驗所選擇的其他溫度的大小。最高試驗溫度可通過HALT試驗，或者通過熱重分析線纜絕緣來確定，確定其初始分解溫度。

 

根據(jù)線纜絕緣材料特性，熱重分析的初始、結(jié)束以及加速速率分別為40℃、800℃、20℃/min。熱重曲線如圖2，從圖2中可確定初始溫度為258℃。

圖2 線纜熱重分解曲線

根據(jù)初始分解溫度確定預試驗的溫度為150℃，對3件樣品進行24小時的預實驗，預實驗前后測試拉斷力和拉斷伸長率。24 h后其拉斷力和拉斷伸長率均大于初始狀態(tài)的80%。則可以以150℃作為壽命實驗的最高溫度，以10℃為溫度間隔確定壽命試驗的溫度點，測試結(jié)果見表2.。

表2 150℃預實驗前后拉伸測試結(jié)果

根據(jù)預試驗的結(jié)果，以及GB/T 2689標準，線纜加速壽命試驗的四個溫度依次為：150℃，140℃，130℃，120℃，將線纜樣品放入溫箱進行高溫加速壽命試驗。試驗過程中，按照預先設置的時間間隔取樣進行拉斷力、拉斷伸長率、擊穿電壓和絕緣電阻的測試，確定線纜性能變化趨勢。線纜壽命試驗試樣、溫度示意以及拉伸后分別見圖3~圖5。

圖3 線纜拉伸測試試樣

圖4 線纜拉伸測試典型試驗

圖5 線纜拉伸測試后

 

3、壽命試驗程序

 

按照壽命試驗方案，將受試品分組，依次放入老化試驗箱，進行環(huán)境試驗，定期取出一段線纜進行拉斷力，拉斷伸長率，絕緣電阻，擊穿電壓測試。老化試驗具體步驟如下

（1）程序A：將第一組樣品8#；15#~44#；45#~74#試樣放入120℃的試驗箱進行1000h考核，按表3的時間點取出試樣，8#進行絕緣電阻測試，測試后立即放入老化試驗箱繼續(xù)試驗，15#~44#；45#~74#中每次各取3小段進行拉斷力，拉斷伸長率和擊穿電壓測試。

（2）程序B：將第二組樣品9#；75#~104#；105#~134#試樣放入130℃的試驗箱進行1000h考核，按表3規(guī)定的時間點取樣，9#進行絕緣電阻測試，測試后立即放入老化試驗箱繼續(xù)試驗，75#~104#；105#~134#中每次各取3小段進行拉斷力，拉斷伸長率和擊穿電壓測試。

（3）程序C：將第三組樣品10#；135#~164#；165#~194#試樣放入140℃的試驗箱進行1000h的考核，按表3規(guī)定的時間點取樣，10#進行絕緣電阻測試，測試后立即放入老化試驗箱繼續(xù)試驗，135#~164#；165#~194#中每次各取3小段進行拉斷力，拉斷伸長率和擊穿電壓測試。

（4）程序D：將第四組樣品11#；195#~224#；4#~6#；225#~254#試樣放入150℃的試驗箱，進行1000h考核，按表3的時間點取出試樣，11#進行絕緣電阻測試，測試后立即放入老化試驗箱繼續(xù)試驗，195#~224#；4#~6#和225#~254#中每次各取3小段進行拉斷力，拉斷伸長率和擊穿電壓測試。

4個溫度下，線纜的絕緣、耐壓均無異常，拉斷伸長率呈現(xiàn)出退化趨勢。線纜絕緣和耐壓、拉斷伸長率典型測試結(jié)果見表3、表4。

表3 150℃老化絕緣電阻和擊穿電壓測試結(jié)果

表4 150℃老化后拉斷伸長率變化

 

4、數(shù)據(jù)處理

 

通過對四個溫度下拉斷伸長率、絕緣及耐壓測試，絕緣電阻和耐電壓在測試過程中始終超出設備上限，拉斷伸長率隨老化時間呈現(xiàn)出退化的趨勢，見圖6。

圖6 四溫度下拉斷伸長率變化趨勢

從圖6中可看出，拉斷伸長率在低溫時呈現(xiàn)出緩慢的下降趨勢，在溫度較高時下降趨勢明顯增大，但整體呈現(xiàn)出單調(diào)下降的趨勢，因此線纜的剩余壽命研究中選用拉斷伸長率進行特征壽命參數(shù)。

本文中只有熱應力加速老化，根據(jù)GJB 92.2-86可知，熱老化過程中性能變化指標P與老化時間τ的關系，一般用如公式（1）描述：

公式中參數(shù)含義如下：

P—老化性能指標參數(shù)/%；

A—常數(shù)，與產(chǎn)品類型有關；

k—溫度變化速率常數(shù)/h-1；

τ—老化時間，也可稱為壽命時間，單位為h；

計算每個老化試驗溫度的性能變化速度常數(shù)k以及A值，令x=τ，y=lnP，a=lnA，b=-k。則可以用表示。利用最小二乘法求得系數(shù)a、b及相關系數(shù)r，見公式（2）~公式（4）；

依據(jù)上述公式，對四個試驗溫度條件下得到的拉斷伸長率隨時間變化擬合，得到拉斷伸長率隨時間變化關系，如圖7所示。

圖7 拉斷伸長率隨時間關系

根據(jù)壓縮率隨時間變化關系，發(fā)現(xiàn)性能變化速率系數(shù)k只與溫度有關系，所以對兩邊取對數(shù)，建立線性方程。

令

建立方程，采用最小二乘法計算c、d，經(jīng)過擬合，得到不同溫度下的剩余壽命τ的計算公式，如下：

 

5、壽命評估

 

根據(jù)以往運行經(jīng)驗，線纜在運行過程中考慮到外部環(huán)境最熱條件為40℃，同時考慮通電導致的溫升，按照最高使用溫度60℃來進行計算。因此，我們以60℃為基準預估線纜的剩余壽命，同時新品的使用壽命為32.6年，五級修為20.6年，按照理論推算次輪四級修的使用壽命小于20年。因此定義失效閾值依次為0.982計算次輪四級修的使用壽命依次為17.4年。

 

總結(jié)

 

本文對蓄電池線纜的工作環(huán)境進行了分析及計算，根據(jù)線纜的失效模式及失效機理得出影響蓄電池線纜壽命的關鍵環(huán)境因素，即高溫條件。隨后，通過熱重分析的以及線纜性能變化，得到高溫加速壽命試驗允許的最高試驗溫度。最后，依據(jù)GB/T2689，選擇四個溫度對線纜進行高溫加速壽命試驗考核，通過試驗數(shù)據(jù)計算出次輪四級修線纜在溫度為60℃條件下，其剩余壽命為17.4年。通過對次輪四級修線纜的壽命評估結(jié)果，為線纜的后期的檢測、更換提供了參考，為降低運營成本提供了依據(jù)。

 

引用本文：

 

安曉娜，王聰聰，張世歡，范占貝，劉一，李瑩，.動車組蓄電池線纜環(huán)境特性及壽命評估研究[J].環(huán)境技術,2024,42(06):84-90.