城市軌道交通車載線纜狀態評估分類方法

張 軼,周 媛,趙立偉

(1.上海申通地鐵集團有限公司,上海 201100;2.中車青島四方車輛研究所有限公司,青島 266031)

0 引 言

城市軌道交通車輛的使用壽命一般要求為30 a。 隨著上海城市軌道交通的建設發展,將近一半車輛的使用年限已超過15 a,線纜故障時有發生。然而,車載導線、線纜均為車輛的預埋件,大多布置在車輛線槽中,且難以更換。 車輛運行環境相對惡劣,由于負載波動、濕熱環境、振動、檢修拆裝等因素,不可避免地會造成部分線纜壽命下降。 例如,6、7、8、9 號線車輛電氣柜內的110 V 線纜出現絕緣層破損,導線裸露;2 號線車輛線纜均存在熱老化、破損現象等。

目前,國內對車載線纜的壽命分析方法尚處于發展階段,對已裝車線纜的壽命分析幾乎處于空白階段,展開針對車載線纜的壽命評估方法研究十分必要。 線纜的測試評估一般分為離線測試和在線測試。 在線測試需要對復雜的電氣參數進行實時監測,但在地鐵車輛運行期間,線纜受到多種因素的影響,如高溫、濕度、振動等,可能會導致檢測結果的失真或不準確;此外,需要對線纜進行電氣測試和接線操作,存在較高的電氣安全風險;在運營狀態下對線纜進行在線檢測可能會干擾線路供電,甚至會引發火災、短路等嚴重事故。 因此,線纜的在線評估應用較為困難,一般采用離線測試的方法。

在車載線纜壽命評估的相關研究中,孫衛平等[1]針對動車組線纜壽命評估技術進行研究,通過線纜熱老化試驗,建立阿倫尼烏斯(Arrhenius)模型,對新、舊線纜的壽命進行測試,并利用線纜老化經驗公式,建立線纜剩余壽命評估模型,確定線纜壽命與里程和平均絕緣厚度之間的關系。 謝寶志等[2]對車載高壓線纜的剩余壽命進行評估,提出了一種基于EA 壽命模型和模糊層次分析法的壽命評估方法,推算出車載高壓線纜的剩余壽命。 龔國祥[3]通過常規絕緣材料的電氣性能和機械物理性能檢測、耐熱性能評定和傅里葉紅外光譜分析,研究了動車組線纜絕緣材料使用壽命和耐熱性能參數之間的關系,對降低動車組線纜的安全隱患、保證車輛安全運行具有重要意義。 王春鋒等[4]針對低煙無鹵阻燃聚烯烴線纜材料,分別用常規熱老化、差示掃描量熱法推斷線纜的剩余使用壽命;結果表明,絕緣材料的老化狀態與活化能的變化有著密切關系,其老化程度可以通過活化能的變化來反映。 胡廣勝等[5]以薄壁線纜為研究對象,在不同溫度下進行加速老化,得到其壽命與溫度的關系。

絕大多數研究只是對線纜進行熱老化試驗,獲得其理論剩余使用壽命。 這種方法的時間周期較長,工程實際應用較少,且車載線纜數量較多,無法對全部線纜進行壽命評估試驗。 因此,本工作針對上海地鐵的實際運營情況,從線纜特點、運行環境、機械應力、線纜外觀等角度對地鐵線纜進行分析,篩選出需要評估的線纜;根據執行標準對線纜進行檢測,獲取線纜的狀態,從而制定一套科學合理、工程實用的壽命評估規則,以優化車輛檢修方案。

1 車載線纜老化機理

軌道交通車載線纜在車輛運行過程中,受各種惡劣工況的影響,絕緣材料的化學結構和成分會發生變化,影響線纜的物理參數(如強度、顏色、硬度等),容易出現絕緣老化。 線纜的絕緣老化是影響軌道交通車載線纜使用壽命的主要因素之一。

線纜絕緣的老化方式包括熱老化、電老化、機械老化和環境老化等。 研究線纜絕緣的老化機理和影響因素,可以保護線纜絕緣,延長線纜使用壽命,對保證城市軌道交通車輛的安全運行具有重要意義。

1.1 熱老化

軌道交通部分車載線纜的工作電壓可達1 500 V,工作溫度能夠達到90 ℃以上。 當線纜負載過大或發生短路故障時,線纜絕緣的工作溫度會在短時間內迅速升高。 線纜絕緣長期在高溫環境下工作,不僅絕緣材料容易發生氧化降解和熱降解,還會降低絕緣材料的相對分子質量;高溫能夠加快化學反應速率,加速線纜絕緣材料性能的劣化,進而降低線纜的絕緣性能和使用壽命。

1.2 電老化

若線纜絕緣存在缺陷,如氣泡、劃痕、雜質等,當線纜承受高電壓時,電荷會在絕緣缺陷處堆積,當堆積到一定程度后,就會發生放電現象,嚴重的話會導致絕緣被擊穿,引起線纜的電老化。

引起線纜絕緣電老化的因素有很多,均會導致其在絕緣缺陷處形成局部放電。 當放電持續一定時間后,就有可能形成貫穿性導電通道,形成電樹枝[6]。 電樹枝見圖1(a)。

圖1 電樹枝和水樹枝

當有水分滲入其中后,長期在電應力和水分的共同作用下,線纜絕緣層中會產生呈樹狀生長的充水微孔,形成水樹枝[7-8],使得絕緣材料發生分解,失去絕緣效果。 水樹枝見圖1(b)。

1.3 機械老化

城市軌道交通車載線纜在敷設和車輛運行過程中,可能會受到摩擦、彎曲、機械振動、外力擠壓等應力的作用。 當以上應力作用在線纜的絕緣層時,從線纜外觀可能無法看出明顯損傷,線纜整體性能也不會下降。 但是,在線纜絕緣的受力集中處容易出現微小缺陷,缺陷的存在會導致電荷堆積,從而發生局部放電,隨著時間的延長,缺陷會發展成樹枝通道,降低絕緣性能[9]。

1.4 環境老化

環境因素是影響線纜絕緣老化的主要因素之一。 線纜所處環境惡劣會加快線纜的老化速率。 調研顯示,紫外線輻射、臭氧氧化、潮濕、酸堿鹽霧、油污等均會對線纜造成影響,加快線纜老化速率,降低線纜的使用壽命。

2 線纜應力分析

上海地鐵車載線纜以歐洲標準線纜(EN50306、EN50264、EN50382)為主。 EN50306 系列線纜為薄壁線纜,電壓等級為300 V,主要作為列車的控制線纜使用;EN50264 系列線纜的電壓等級為600 V 或1 800 V,主要作為列車的動力線纜使用;EN50382系列線纜的電壓等級為1 800 V 或3 600 V,主要作為列車的高壓供電線纜使用。

車載線纜作為城市軌道交通車輛的神經,對車輛的安全運行具有重要意義。 車載線纜在服役過程中易受機械應力、工作自身產生的熱量等多種因素的共同作用,使得絕緣材料逐漸老化,從而降低線纜的力學性能和電氣性能。 當線纜的性能下降至一定程度后,就會影響車輛的運行,甚至會對乘客產生安全隱患。 因此,對線纜進行評估,保證線纜安全可靠運行,對地鐵車輛的重要性不言而喻。

2.1 熱應力

溫度是影響線纜絕緣材料壽命的關鍵因素。 線纜絕緣溫度主要與線纜敷設方式和數量、線纜周邊環境溫度、導體工作溫度等因素有關。 在城市軌道交通車載線纜中,以下情況易導致線纜溫度升高,從而加快線纜的老化。

1)線纜承載的電流過大,導致線纜導體發熱,絕緣材料溫度上升。 例如,牽引系統的三相電機線纜,負責為牽引電機提供動力,從逆變器輸出的電流可達上百安;在車輛運行期間,輔助逆變器長時間向全車的空調、壓縮機、電燈等輔助設備持續供電。

2)部分車載線纜貼近高溫設備。 例如,接地電阻發熱,使得連接接地電阻的線纜溫度升高;制動電阻在地鐵車輛制動過程中吸收大量的熱量,使得制動電阻線纜的溫度升高。

3)動力線纜排列過于緊密或數量較多,在車輛運行時,線纜自身發熱,由于散熱性能較差,使得線纜周圍環境溫度升高。 例如,列車車底的中壓母線與多根線纜成束排列在線槽內部、車頂的空調動力線纜封閉在波紋管內部等,均會導致線纜周圍的環境和線纜絕緣溫度升高。

4)長期持續的陽光暴曬,如裸露在車頂的受電弓線纜。 長期持續的高溫使得線纜絕緣材料的結構和性能發生變化,出現熱老化現象,進而導致線纜的性能劣化。 車載線纜的熱老化主要表現為絕緣材料的抗張強度、斷裂伸長率等機械性能下降,如線纜熱老化壽命試驗通常以斷裂伸長率下降至初始性能的50%為判定基準。

2.2 電應力

車載線纜絕緣層存在缺陷時,電荷會在缺陷處堆積,達到一定程度后就會引起線纜電老化,使得線纜絕緣被擊穿。 例如,車輛車底車輪附近線纜,長期裸露無防護,隨著車輛的運行,泥水、污漬會從車輪甩到線纜上,并在其表面堆積,損傷線纜表面,電荷在損傷處累積,引起線纜局部電老化。

線纜電老化主要表現為線纜的耐壓強度、絕緣電阻等電氣性能的下降。 當線纜被擊穿或絕緣電阻下降至規定范圍之外時,線纜就會失效。

2.3 機械應力

車載線纜在敷設、運行過程中,難免會受到機械應力的影響,對線纜絕緣造成損傷,從而降低線纜的絕緣性能。 例如,跨接線纜裕量長,懸空在兩節車廂間,當車輛運行或轉彎時,隨著車輛的運行而頻繁晃動,承受額外的機械應力;設備柜內部空間有限,而線纜數量眾多,不得不彎折,其彎折程度較為嚴重時,也會受到額外的機械應力;當線纜在敷設過程中發生扭曲時,線纜絕緣表面隆起形成褶皺,從而降低線纜的絕緣性能;地鐵車輛在運行過程中受到振動和沖擊,特別是在起停或經過過渡區域時,對線纜產生額外的應力,導致線纜磨損、斷裂,或連接部件松動。

因此,線纜在承受額外的機械應力時,產生缺陷或發生形變,影響線纜的機械性能(如抗張強度、斷裂伸長率等) 和電氣性能(如耐壓強度、絕緣電阻等)。

2.4 環境應力

上海地鐵所處的環境相對惡劣,如紫外線強烈、潮濕、車道內部環境密閉、污染物較多、車上油污嚴重等。 裸露的線纜在長期工作時,如果不加以保護,就會降低絕緣材料的性能,加快線纜的老化。

1)表面油污。 當線纜受到油污污染時,油污可能會滲入絕緣層中,導致絕緣性能下降;油污中的物質可能會與線纜材料發生反應,使其變脆、硬化、劣化,加速線纜的老化過程,如車門電機附近線纜。

2)陽光直射。 線纜長期暴露在陽光下時,絕緣材料可能發生老化、劣化和硬化,導致絕緣性能下降。 紫外線也可能會使得線纜變脆、易碎,導致線纜的力學性能(如抗拉強度和耐沖擊性能)下降,如車頂裸露的線纜。

3)雨水或冷凝水。 雨水或冷凝水滲入絕緣層后,會導致絕緣性能下降;此外,雨水會加速線纜導體的氧化,腐蝕線纜的絕緣材料,使得線纜受到損傷。 例如,車頂裸露的線纜容易受到雨水的影響;空調附近的線纜容易受到冷凝水的腐蝕。

線纜遭受環境應力后,其機械性能(如抗張強度、斷裂伸長率等)和電氣性能(如耐壓強度、絕緣電阻等)均會受到影響而下降。

3 車載線纜壽命評估分類規則

線纜故障直接影響車輛運行的可靠性和安全性,一旦被動出現故障,將耗費大量人力、財力和時間成本對車輛進行整改和維修。 因此,需要研究車載線纜壽命狀態的評估方法,作為線纜質量考核和維修策略制定的依據。

由于地鐵車輛上線纜種類多、數量大,對全部車載線纜進行測試和老化評估難度較大。 因此,通過對線纜進行檢查分析,包括線纜外觀、運行環境、機械應力等,篩選出需要評估的線纜,設置線纜狀態評估試驗,以完成對線纜的評估。

結合現有的線纜壽命評估方法和線纜現場情況的統計分析,制定車載線纜分類評估規則,見圖2。

線纜外觀檢查。 對線纜進行常規檢查,初步判斷外觀是否有明顯異常。 例如,線纜顏色異常、嚴重褪色;線纜破損、導體裸露;線纜大面積皸裂;線纜護套發脆、發硬、掉皮;接線端子存在燒焦痕跡、變色。當出現以上情況時,建議直接更換線纜。 對沒有明顯異常的線纜進行下一步分析判斷。

工程實用性分析。 從車輛安裝布局造成的運行環境(如熱應力、陽光直射、雨水、冷凝水、臭氧、酸堿、油污、化學腐蝕等)、機械應力(如過度彎曲、晃動、褶皺、拉伸等)等角度,篩選出地鐵車輛工作環境較惡劣的線纜,對其進行狀態測試或老化評估分析。

狀態評估。 對線纜進行狀態測試,如電氣性能試驗、機械性能試驗、環境試驗等。 此類試驗的試驗周期較短,可以快速判斷線纜當前的狀態是否滿足標準規定的性能要求。

加速老化試驗。 測試線纜在不同老化溫度下的壽命,并對老化溫度和相關壽命的測試數據進行擬合,利用Arrhenius 方程推算其理論剩余使用壽命,有助于線纜的維修保養和使用壽命的延長。 其中,熱老化試驗可以評估線纜服役過程中的可靠性,熱老化試驗流程見圖3。

圖3 熱老化試驗評估流程

4 狀態檢測試驗

結合現場需求,充分考慮工程實用性,對篩選出的線纜進行電氣試驗、機械性能試驗、環境試驗和熱老化試驗。 其中,電氣試驗方法及參考標準見表1,機械性能試驗、環境試驗方法及參考標準見表2。

表1 電氣試驗方法及參考標準

表2 機械性能試驗、環境試驗方法及參考標準

5 線纜評估規則

地鐵車輛一般每10 a 會進行一次架大修。 在架大修期間,對運營約10 a 的上海13 號線地鐵車輛上的線纜進行檢查分析,主要包括車頂、車底、車廂內頂部蓋板、設備柜等位置的線纜。 經檢查,車載線纜外觀完整性良好,無明顯異常。 進一步對線纜進行分析,部分線纜評估規則如下。

1)牽引電機線纜。 從牽引逆變器到牽引電機的線纜為動力線纜,電流大,負載高;線纜數量較多,排列緊密,散熱性能較差,受熱應力影響較大;牽引電機線纜安裝固定在車底線槽之內,不易獲取。 可以對此類線纜進行熱老化試驗,評估其剩余使用壽命。

2)受電弓線纜。 受電弓線纜裸露在車頂,易受日光直射、雨水等氣候條件的影響,發生熱老化和環境老化;線纜較短,易更換。 可以對其進行電氣性能試驗和機械性能試驗,評估其當前狀態。

3)車門附近的線纜。 車門附近有電機和絲杠,附近線纜的表面容易附著油污,油污會對線纜的絕緣壽命造成影響。 因此,除了進行電氣性能試驗和機械性能試驗外,還應對其進行油料等環境試驗,評估其在油料污染情況下的線纜狀態。

4)跨接線纜。 跨接線纜是隨著車輛運行機械運動最多的線纜,不可避免地會造成機械損傷。 可以進行機械性能試驗和電氣性能試驗,評估其絕緣狀態,保證線纜的安全運行。

6 結 論

通過對上海地鐵車載線纜進行分類梳理,形成車載線纜壽命狀態評估流程,為車輛檢修方案提供依據,可有效提高地鐵車輛系統的安全性與可靠性,降低故障發生幾率。 除此之外,對線纜壽命及狀態進行評估,完善維修要求或提高對供應商的技術要求,從而降低維保成本和后期整改的可能。 從行業領域來看,有利于積極促進城軌裝備產業健康發展,具有非常重要的現實意義和良好的應用前景。