CRH2及CRH380A系列动车组电缆性能研究

孙卫平，史小利，牟铜，周利辉，谭帅

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.华东理工大学化工过程先进控制和优化技术教育部重点实验室，上海 200237）

0 背景意义

电缆作为动车重要组件之一，其数量庞大，在不同电子设备之间进行功率输送和信号传输，因此，承担电力输送任务的电缆的可靠性十分重要。由于动车组内部空间有限，为节省空间，需要将电缆以弯曲、叠放、交叉等方式放置在动车内部；并且在动车运行过程中，电缆受温度、湿度、振动、导体电流等因素的影响[1]，导致电缆逐渐老化，电缆使用寿命降低。由于电缆价格昂贵，过早拆卸电缆会造成大量经济损失，过晚拆卸电缆会产生严重安全问题。基于此，需要对多因素分析，建立电缆寿命评估模型，对电缆寿命进行合理预测。

1 动车组电缆寿命老化机理

1.1 电缆的失效原因

动车组电缆的运行故障多为绝缘损伤和电缆本身缺陷导致。其失效原因主要有外力破坏、安装工艺不当、材料缺陷等。外力破坏表现形式有由于施工作业不当造成电缆损伤，电缆挤压、拉伸及摩擦等造成电缆绝缘损伤，动车在运行中电缆由于受力不均发生位移，导致电缆绝缘结构错位或者金属屏蔽刺伤电缆绝缘；安装工艺不当是指由于工艺控制不当，电缆出现外护套划伤、接头导体连接管压不良等安装质量问题；材料缺陷则是指电缆本体和电缆附件存在质量问题（气隙、杂质、凸起），易引发水树枝与电树枝的生长。同时，电缆绝缘层会在电场、热量、机械应力及环境因素作用下老化变质，最终导致电缆故障。

1.2 老化机理

老化分为电老化、热老化、机械老化及化学老化[2]。受动车组电缆环境的影响，在动车组运行过程中，电老化和热老化更易发生。

（1）电老化

电老化是由于绝缘材料中含有杂质，在场强集中的部位会发生局部放电，具有树枝状的痕迹逐步伸展至全部路径而击穿的老化形态。电老化分为水树枝老化和电树枝老化。

水树枝老化是由于绝缘材料在与水共存的状态下因电场作用产生的，具体体现在电缆的绝缘电阻下降、介质损耗角增大、交流电压击穿场强下降，同时发生水树枝老化的部位易产生机械形变，导致机械损伤。诱发水树枝产生的因素有多个，例如电场强度、温度、湿度、机械应力、绝缘材料的结构等。

电树枝老化一般是造成绝缘失效的直接原因。其主要体现在绝缘电阻、介质损耗角和交流电压击穿场强在短时内剧烈变化。电树枝诱发因素有外施电压、温度、机械应力等。

（2）热老化

在动车运行过程中，电缆的工作温度及导体导电等会使电缆温度上升，绝缘层受热发生化学反应，对绝缘材料的结构和成分发生变化，改变材料的分子结构，使得电缆性能产生劣化，主要表现在绝缘材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。

1.3 老化特征指标

当电老化、热老化、机械老化及化学老化一种或几种发生在电缆上时，电缆的相应指标均会有所变化[3]。例如，结构尺寸指标如绝缘层的厚度、电缆平均外径等，可以反映电缆因受热发生形变程度的大小；力学性能指标如拉伸强度、断裂伸长率、抗张强度等，可以直观反映出电缆的老化程度；电气性能指标如导体直流电阻、绝缘电阻等可以反映电缆绝缘状态。因此，对动车组电缆分别测量上述性能指标，从中可以筛选出对电缆剩余寿命影响较大的因素。

2 热寿命评估

电缆寿命一般用加热老化的方式测得。因热老化而失效的断裂伸长率临界值是公认的与电缆寿命高度关联的特征，而断裂伸长率的获取是通过将电缆哑铃片试样放入加热老化箱内，利用加热老化箱内高温快速模拟实际运行条件下的电缆绝缘材料的老化状态，经过一定老化时间后，将样品夹在拉伸仪器实验台上，对其进行拉伸，测得其断裂伸长率保留率。

2.1 热寿命计算数学模型

老化温度对老化速率的影响遵循Arrhenius公式[4-5],其在有机材料长期热降级评估中得到了最普遍使用和认可。该模型通过下面的幂数方程给出了降级速率随温度的变化关系：

式中：

K为化学反应速率；A为与评估材料有关的常数；E为材料活化能；R为气体常数；T为绝对温度。

设y为绝缘材料寿命，假定与化学反应速率K成比例，上式经推导可得下式：

根据试验测得的电缆的不同老化温度下对应的老化时间、断裂伸长率及断裂伸长保留率，求得上式中的C和E/2.303R，进而可以求出不同温度T下的电缆寿命。

2.2 热寿命试验结果

本次试验对CRH2及CRH380A系列动车组中截取不同里程、不同型号、不同位置的电缆，样本清单如表1所示。

表1 电缆样品清单

由于样品绝缘材料的耐热程度不同，需要先对样本进行老化温度的选取，依据标准IEC60216/GB/T 11026，最终选取老化温度为170℃、155℃、140℃，并将所得数据进行曲线拟合，得到电缆在不同温度下延伸率老化曲线，图1为1号电缆样品分别在170℃、155℃、140℃三个温度下延伸率老化曲线，其他样品曲线类似，此处忽略。根据图1曲线，选择50%断裂伸长保留率作为电缆寿命终点[6]，得到不同温度下寿命时间，如表2所示。

图1 1号电缆样本不同温度下延伸率老化曲线

表2 样品热老化测试寿命数据

经寿命随老化温度拟合线外推可得各电缆线在导体温度90℃下预估使用寿命，如图2所示，电缆在导体温度90℃下预估使用寿命见表2。

图2 1号～6号电缆样本热寿命拟合曲线

3 电缆寿命关联因素分析

依据1.3中对电缆老化指标的分析，建立电缆剩余寿命评估模型前，需对电缆的结构尺寸、电气性能指标进行测试，并从中找出电缆寿命和各因素之间的关联关系，筛选出对电缆寿命影响大的因素，对其进行测试与评估。

3.1 电缆结构尺寸检测

电缆是由绝缘层和导体两部分组成，其中电缆绝缘层在受热情况下，会发生热形变，热形变程度的大小会直接影响电缆绝缘层的性能。在对电缆寿命分析中，需对电缆结构尺寸参数进行测试。

3.2 电缆电气性能检测

电缆电气性能检测一般包含导体直流电阻、绝缘电阻和交流耐电压试验3部分。电缆在使用一定时间后，由于材料老化，导体电阻变大，绝缘介质的泄漏电流增加。因此，需对比分析电缆不同里程下的导体电阻，掌握导体电阻随时间的变化规律。绝缘电阻作为电气设备和电路系统中最基本的电绝缘指标，通过测量电线电缆的绝缘电阻值，可准确判断其绝缘程度。交流耐电压试验可以模拟实际运行工况，有效地鉴别电力电缆的绝缘水平[7]。

3.3 电缆寿命关键因素分析

对表1中的样品进行电缆结构尺寸、电气性能测试，测试结果如表3所示。

表3 电缆结构尺寸及电气性能测试结果

Pearson相关系数[8]能够考察两个变量之间的关联程度。对于两个变量X、Y，其两者之间的关联程度可用如下公式计算：

通常情况下，可以通过相关系数的取值范围判断变量之间的相关强度。一般规定，│ρX，Y│介于0.8～1.0为极强相关，0.6～0.8之间为强相关，0.4～0.6为中等程度相关，0.2～0.4为弱相关，0～0.2为极弱相关或无相关。

对表3中各因素做寿命关联分析，得到寿命与各因素的关联程度，具体结果见表4。

由表4可以看出，对电缆寿命最相关的因素，分别为绝缘层的平均厚度和里程。

表4 电缆寿命影响因素分析

4 电缆剩余寿命评估

动车组电缆的老化经验公式[9]为：

式中：H为电缆的健康状态；H0为电缆初始健康状态；B为老化系数；T1为电缆初始投入使用的年份；T2为所要计算的对应年份。

对其改进后：

由于各因素量纲不同，需首先对各因素归一化处理，其公式如下：

对于里程因素，由于其数值越大，电缆的健康状态越低，用y1=1-x1作为该指标的性能；对于绝缘层的厚度，其数值越大，电缆的将健康状态越高，因此用y2=x2作为该指标性能。在各因素系数αi已知的情况下，利用下式计算电缆绝缘健康度H：

设电缆的已用年限取ΔT，电缆绝缘损坏时健康度值取H1，则老化系数为：

由此，电缆的剩余寿命为：

Year0为新线对应的寿命。

对于上述电缆剩余寿命评估模型，用最小二乘法对参数进行求解。建立的电缆剩余寿命预测模型拟合图如图3所示。

图3 电缆剩余寿命拟合图

5 总结

本文针对CRH2及CRH380A系列动车组电缆寿命评估，首先测量NH-WLM型号电缆的结构尺寸、电气性能以及对电缆进行热老化试验，其中热老化试验是基于Arrhenius模型，根据热老化试验拟合得到电缆样品的断裂伸长保留率随老化时间的变化趋势，然后以50%断裂伸长率保留率为限，求出各温度下的寿命，对其拟合并外推出90℃下电缆的预估寿命值。然后基于上述3部分试验，获得对电缆寿命研究有影响的各因素值，并对各因素进行关联分析，得到极强关联性的两个因素。最后依据动车电缆的老化经验公式，用最小二乘法求解参数，建立寿命评估模型。本文所提出的针对CRH2及CRH380A系列动车组电缆寿命评估模型，能客观地对电缆寿命进行评估，具有实际的应用价值。