CRH2及CRH380A系列動車組電纜性能研究

孫衛平，史小利，牟銅，周利輝，譚帥

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.華東理工大學化工過程先進控制和優化技術教育部重點實驗室，上海 200237）

0 背景意義

電纜作為動車重要組件之一，其數量龐大，在不同電子設備之間進行功率輸送和信號傳輸，因此，承擔電力輸送任務的電纜的可靠性十分重要。由于動車組內部空間有限，為節省空間，需要將電纜以彎曲、疊放、交叉等方式放置在動車內部；并且在動車運行過程中，電纜受溫度、濕度、振動、導體電流等因素的影響[1]，導致電纜逐漸老化，電纜使用壽命降低。由于電纜價格昂貴，過早拆卸電纜會造成大量經濟損失，過晚拆卸電纜會產生嚴重安全問題。基于此，需要對多因素分析，建立電纜壽命評估模型，對電纜壽命進行合理預測。

1 動車組電纜壽命老化機理

1.1 電纜的失效原因

動車組電纜的運行故障多為絕緣損傷和電纜本身缺陷導致。其失效原因主要有外力破壞、安裝工藝不當、材料缺陷等。外力破壞表現形式有由于施工作業不當造成電纜損傷，電纜擠壓、拉伸及摩擦等造成電纜絕緣損傷，動車在運行中電纜由于受力不均發生位移，導致電纜絕緣結構錯位或者金屬屏蔽刺傷電纜絕緣；安裝工藝不當是指由于工藝控制不當，電纜出現外護套劃傷、接頭導體連接管壓不良等安裝質量問題；材料缺陷則是指電纜本體和電纜附件存在質量問題（氣隙、雜質、凸起），易引發水樹枝與電樹枝的生長。同時，電纜絕緣層會在電場、熱量、機械應力及環境因素作用下老化變質，最終導致電纜故障。

1.2 老化機理

老化分為電老化、熱老化、機械老化及化學老化[2]。受動車組電纜環境的影響，在動車組運行過程中，電老化和熱老化更易發生。

（1）電老化

電老化是由于絕緣材料中含有雜質，在場強集中的部位會發生局部放電，具有樹枝狀的痕跡逐步伸展至全部路徑而擊穿的老化形態。電老化分為水樹枝老化和電樹枝老化。

水樹枝老化是由于絕緣材料在與水共存的狀態下因電場作用產生的，具體體現在電纜的絕緣電阻下降、介質損耗角增大、交流電壓擊穿場強下降，同時發生水樹枝老化的部位易產生機械形變，導致機械損傷。誘發水樹枝產生的因素有多個，例如電場強度、溫度、濕度、機械應力、絕緣材料的結構等。

電樹枝老化一般是造成絕緣失效的直接原因。其主要體現在絕緣電阻、介質損耗角和交流電壓擊穿場強在短時內劇烈變化。電樹枝誘發因素有外施電壓、溫度、機械應力等。

（2）熱老化

在動車運行過程中，電纜的工作溫度及導體導電等會使電纜溫度上升，絕緣層受熱發生化學反應，對絕緣材料的結構和成分發生變化，改變材料的分子結構，使得電纜性能產生劣化，主要表現在絕緣材料的伸長率、拉伸強度等機械特性的變化。

1.3 老化特征指標

當電老化、熱老化、機械老化及化學老化一種或幾種發生在電纜上時，電纜的相應指標均會有所變化[3]。例如，結構尺寸指標如絕緣層的厚度、電纜平均外徑等，可以反映電纜因受熱發生形變程度的大小；力學性能指標如拉伸強度、斷裂伸長率、抗張強度等，可以直觀反映出電纜的老化程度；電氣性能指標如導體直流電阻、絕緣電阻等可以反映電纜絕緣狀態。因此，對動車組電纜分別測量上述性能指標，從中可以篩選出對電纜剩余壽命影響較大的因素。

2 熱壽命評估

電纜壽命一般用加熱老化的方式測得。因熱老化而失效的斷裂伸長率臨界值是公認的與電纜壽命高度關聯的特征，而斷裂伸長率的獲取是通過將電纜啞鈴片試樣放入加熱老化箱內，利用加熱老化箱內高溫快速模擬實際運行條件下的電纜絕緣材料的老化狀態，經過一定老化時間后，將樣品夾在拉伸儀器實驗臺上，對其進行拉伸，測得其斷裂伸長率保留率。

2.1 熱壽命計算數學模型

老化溫度對老化速率的影響遵循Arrhenius公式[4-5],其在有機材料長期熱降級評估中得到了最普遍使用和認可。該模型通過下面的冪數方程給出了降級速率隨溫度的變化關系：

式中：

K為化學反應速率；A為與評估材料有關的常數；E為材料活化能；R為氣體常數；T為絕對溫度。

設y為絕緣材料壽命，假定與化學反應速率K成比例，上式經推導可得下式：

根據試驗測得的電纜的不同老化溫度下對應的老化時間、斷裂伸長率及斷裂伸長保留率，求得上式中的C和E/2.303R，進而可以求出不同溫度T下的電纜壽命。

2.2 熱壽命試驗結果

本次試驗對CRH2及CRH380A系列動車組中截取不同里程、不同型號、不同位置的電纜，樣本清單如表1所示。

表1 電纜樣品清單

由于樣品絕緣材料的耐熱程度不同，需要先對樣本進行老化溫度的選取，依據標準IEC60216/GB/T 11026，最終選取老化溫度為170℃、155℃、140℃，并將所得數據進行曲線擬合，得到電纜在不同溫度下延伸率老化曲線，圖1為1號電纜樣品分別在170℃、155℃、140℃三個溫度下延伸率老化曲線，其他樣品曲線類似，此處忽略。根據圖1曲線，選擇50%斷裂伸長保留率作為電纜壽命終點[6]，得到不同溫度下壽命時間，如表2所示。

圖1 1號電纜樣本不同溫度下延伸率老化曲線

表2 樣品熱老化測試壽命數據

經壽命隨老化溫度擬合線外推可得各電纜線在導體溫度90℃下預估使用壽命，如圖2所示，電纜在導體溫度90℃下預估使用壽命見表2。

圖2 1號～6號電纜樣本熱壽命擬合曲線

3 電纜壽命關聯因素分析

依據1.3中對電纜老化指標的分析，建立電纜剩余壽命評估模型前，需對電纜的結構尺寸、電氣性能指標進行測試，并從中找出電纜壽命和各因素之間的關聯關系，篩選出對電纜壽命影響大的因素，對其進行測試與評估。

3.1 電纜結構尺寸檢測

電纜是由絕緣層和導體兩部分組成，其中電纜絕緣層在受熱情況下，會發生熱形變，熱形變程度的大小會直接影響電纜絕緣層的性能。在對電纜壽命分析中，需對電纜結構尺寸參數進行測試。

3.2 電纜電氣性能檢測

電纜電氣性能檢測一般包含導體直流電阻、絕緣電阻和交流耐電壓試驗3部分。電纜在使用一定時間后，由于材料老化，導體電阻變大，絕緣介質的泄漏電流增加。因此，需對比分析電纜不同里程下的導體電阻，掌握導體電阻隨時間的變化規律。絕緣電阻作為電氣設備和電路系統中最基本的電絕緣指標，通過測量電線電纜的絕緣電阻值，可準確判斷其絕緣程度。交流耐電壓試驗可以模擬實際運行工況，有效地鑒別電力電纜的絕緣水平[7]。

3.3 電纜壽命關鍵因素分析

對表1中的樣品進行電纜結構尺寸、電氣性能測試，測試結果如表3所示。

表3 電纜結構尺寸及電氣性能測試結果

Pearson相關系數[8]能夠考察兩個變量之間的關聯程度。對于兩個變量X、Y，其兩者之間的關聯程度可用如下公式計算：

通常情況下，可以通過相關系數的取值范圍判斷變量之間的相關強度。一般規定，│ρX，Y│介于0.8～1.0為極強相關，0.6～0.8之間為強相關，0.4～0.6為中等程度相關，0.2～0.4為弱相關，0～0.2為極弱相關或無相關。

對表3中各因素做壽命關聯分析，得到壽命與各因素的關聯程度，具體結果見表4。

由表4可以看出，對電纜壽命最相關的因素，分別為絕緣層的平均厚度和里程。

表4 電纜壽命影響因素分析

4 電纜剩余壽命評估

動車組電纜的老化經驗公式[9]為：

式中：H為電纜的健康狀態；H0為電纜初始健康狀態；B為老化系數；T1為電纜初始投入使用的年份；T2為所要計算的對應年份。

對其改進后：

由于各因素量綱不同，需首先對各因素歸一化處理，其公式如下：

對于里程因素，由于其數值越大，電纜的健康狀態越低，用y1=1-x1作為該指標的性能；對于絕緣層的厚度，其數值越大，電纜的將健康狀態越高，因此用y2=x2作為該指標性能。在各因素系數αi已知的情況下，利用下式計算電纜絕緣健康度H：

設電纜的已用年限取ΔT，電纜絕緣損壞時健康度值取H1，則老化系數為：

由此，電纜的剩余壽命為：

Year0為新線對應的壽命。

對于上述電纜剩余壽命評估模型，用最小二乘法對參數進行求解。建立的電纜剩余壽命預測模型擬合圖如圖3所示。

圖3 電纜剩余壽命擬合圖

5 總結

本文針對CRH2及CRH380A系列動車組電纜壽命評估，首先測量NH-WLM型號電纜的結構尺寸、電氣性能以及對電纜進行熱老化試驗，其中熱老化試驗是基于Arrhenius模型，根據熱老化試驗擬合得到電纜樣品的斷裂伸長保留率隨老化時間的變化趨勢，然后以50%斷裂伸長率保留率為限，求出各溫度下的壽命，對其擬合并外推出90℃下電纜的預估壽命值。然后基于上述3部分試驗，獲得對電纜壽命研究有影響的各因素值，并對各因素進行關聯分析，得到極強關聯性的兩個因素。最后依據動車電纜的老化經驗公式，用最小二乘法求解參數，建立壽命評估模型。本文所提出的針對CRH2及CRH380A系列動車組電纜壽命評估模型，能客觀地對電纜壽命進行評估，具有實際的應用價值。