龔國祥

（上海電纜研究所，上海200093）

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鐵道客車用電線電纜耐熱性參數(shù)與使用壽命的關聯(lián)性研究

龔國祥

（上海電纜研究所，上海200093）

摘要：低煙無鹵阻燃鐵道客車用電線電纜在某次A4-Ⅱ檢修時發(fā)現(xiàn)大量絕緣龜裂現(xiàn)象，嚴重影響高速動車組列車的安全。通過常規(guī)絕緣材料電氣性能和機械物理性能檢測、耐熱性評定和傅里葉型紅外光譜分析，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，消除鐵道客車用電線電纜的安全隱患，確保高速動車組列車安全運行。

關鍵詞：低煙無鹵阻燃鐵道客車用電線電纜；使用壽命；耐熱性參數(shù)

0 引 言

高速動車組列車的快速發(fā)展，催生了我國鐵路的大提速，縮短了城市之間的距離，極大地提升了鐵路運輸?shù)哪芰Γ瑸槲覈鴩窠?jīng)濟發(fā)展注入了強大的活力。

電線電纜是高速動車組列車的“血管”和“神經(jīng)”，是列車能否正常高速行駛的關鍵。隨著高速動車組列車對電線電纜的要求越來越高，傳統(tǒng)的含鹵電線電纜已不能繼續(xù)使用，當前使用的均是新型的低煙無鹵阻燃高性能鐵道客車用電線電纜。

由于長期以來鐵道客車用電線電纜生產(chǎn)技術相對處于落后的狀態(tài)，尤其是國內(nèi)聚合物材料基礎產(chǎn)業(yè)的薄弱，造成了鐵道客車用電線電纜的技術水平跟不上高速動車組列車發(fā)展的要求。

2012年3月國內(nèi)某客車裝備制造責任有限公司在進行25T型客車A4-II檢修時，發(fā)現(xiàn)大量電線電纜出現(xiàn)絕緣龜裂，嚴重影響使用[1］。同時，國內(nèi)另一機車車輛股份有限公司也發(fā)現(xiàn)了類似的問題。25T等型號的動車組列車所使用的電線電纜都是經(jīng)過CRCC產(chǎn)品認證和監(jiān)管的電線電纜產(chǎn)品，擁有認證證書、產(chǎn)品型式試驗報告和產(chǎn)品出廠合格證等一系列資質，不應該出現(xiàn)類似問題。為此相關技術人員進行了大量的分析研究，初步認為此類問題是由電線電纜絕緣材料長期耐熱性能差造成的。

本文針對高速動車組列車所使用電線電纜的絕緣材料長期耐熱性參數(shù)和使用壽命的關聯(lián)性進行深入研究，通過紅外光譜分析絕緣材料的基材，同時通過比較各種絕緣材料指紋區(qū)的差異來表征其唯一性，從而消除鐵道客車用電線電纜的安全隱患，保證高速動車組列車的安全運行。

1 試驗方案

1.1 電氣性能和機械物理性能試驗

根據(jù)TB/T 1484.1—2010[2］和TB/T 1484.2—2010[3］的要求，對當前廣泛使用的鐵道客車用電線電纜進行全性能試驗，確定常用鐵道客車用電線電纜絕緣材料，并對典型材料的試驗結果進行相關分析，評價其相應的電氣性能和機械物理性能試驗結果是否滿足標準的要求，重點關注短期老化性能。

1.2 長期耐熱性評定

對鐵道客車用電線電纜廣泛使用的典型絕緣材料，根據(jù)產(chǎn)品標準對絕緣厚度的規(guī)定，分成標準壁厚絕緣和薄壁絕緣兩種。對標準壁厚絕緣材料，根據(jù)IEC 60216標準[4-6］規(guī)定的試驗方法進行長期耐熱性評定，得出工作溫度90℃時是否滿足30年耐熱性壽命的試驗結果[7］。對薄壁絕緣材料根據(jù) EN 50305標準[8］規(guī)定的試驗方法進行耐熱性評定，得出125℃耐熱性溫度指數(shù)是否大于20000 h的試驗結果[9-10］。

在長期耐熱性評定的基礎上，將長期耐熱性參數(shù)與常規(guī)電氣性能和機械物理性能進行相關性分析，結合A4-Ⅱ檢修時發(fā)現(xiàn)的絕緣龜裂缺陷，分析長期耐熱性參數(shù)與使用壽命的關系。

1.3 紅外光譜分析

對鐵道客車用電線電纜廣泛使用的典型絕緣材料采用傅里葉型紅外分光光度計進行直讀式掃描，得到不同波數(shù)下的紅外光譜[11］，并對這些紅外光譜進行相應的分析，通過紅外光譜特征峰位置分析各種典型絕緣材料的基材，同時通過分析比較各種絕緣材料紅外光譜的特征指紋區(qū)，進一步表征絕緣材料的唯一性，尤其要表征長期耐熱性差的絕緣材料。從而杜絕這類材料在鐵道客車用電線電纜中的繼續(xù)使用。

2 試驗結果

2.1 絕緣和護套電氣性能和機械物理性能試驗

對鐵道客車用電線電纜廣泛使用的絕緣材料進行分析、對比和選擇，比較典型的4種鐵道客車用電線電纜絕緣材料的電氣性能和機械物理性能試驗結果見表1。

表1　4種鐵道客車用電線電纜的主要性能試驗結果

由表1可知，這4種典型絕緣材料基本符合TB/T 1484—2010的要求，其中3#絕緣材料的熱延伸試驗結果不符合TB/T 1484—2010標準要求。然而，由于較早的TB/T 1484—2001標準不考核絕緣材料的熱延伸，因此早期的鐵道客車用電線電纜廣泛使用了這種絕緣材料。

2.2 絕緣材料耐熱性評定

2.2.1 薄壁絕緣材料的耐熱性評定

薄壁絕緣材料耐熱性評定采用EN 50305標準方法（電氣法），各種常用絕緣材料的耐熱性評定試驗結果見表2，圖1～圖4為根據(jù)阿倫尼烏斯方程式計算得到的溫度指數(shù)曲線。

表2　薄壁絕緣材料耐熱性評定（電氣法）試驗結果

圖1　1#絕緣材料溫度指數(shù)

圖2　2#絕緣材料溫度指數(shù)

從圖1～圖4溫度指數(shù)曲線圖可得出如下試驗結果：（1）1#絕緣材料的溫度指數(shù)遠高于標準要求，表現(xiàn)出優(yōu)異的長期耐熱特性；（2）2#和4#絕緣材料125℃長期耐熱性溫度指數(shù)均大于20000 h；（3）3#絕緣材料125℃長期耐熱性溫度指數(shù)只有3527 h，可見3#絕緣材料的長期耐熱性較差。

2.2.2 標準壁厚絕緣材料的耐熱性評定

標準壁厚絕緣材料的耐熱性評定采用IEC 60216標準方法，以試樣斷裂伸長率保留率為50%作為壽命終止點。圖5～圖7為不同絕緣材料相應溫度下的壽命曲線，圖8～圖10為根據(jù)阿倫尼烏斯方程式計算得到的溫度指數(shù)曲線。

從圖8～圖10溫度指數(shù)曲線圖可得出如下試驗結果：（1）5#絕緣材料90℃溫度下的耐熱壽命只有5.4年；（2）6#絕緣材料在90℃溫度下的耐熱壽命為31.3年；（3）7#絕緣材料90℃溫度下的耐熱壽命為33.1年。

雖然用這三種材料制作的鐵道客車用電線電纜短期老化試驗結果表現(xiàn)出較小的差異，但在耐熱性評定時其長期耐熱性參數(shù)差異較大。

圖3　3#絕緣材料溫度指數(shù)

圖4　4#絕緣材料溫度指數(shù)

圖6　6#絕緣材料壽命曲線

圖7　7#絕緣材料壽命曲線

2.2.3 絕緣材料傅里葉紅外掃描試驗

在進行薄壁絕緣材料和標準壁厚絕緣材料耐熱性評定的同時，進行直讀式傅里葉紅外掃描，得到不同波數(shù)下的紅外光譜，圖11～圖14為薄壁絕緣材料的紅外光譜，圖15～圖17為標準壁厚絕緣材料的紅外光譜。

根據(jù)圖11分析，不同波數(shù)下的主要特征峰為1653 cm-1、1597 cm-1、1492 cm-1、1226 cm-1、1189 cm-1、1158 cm-1、928 cm-1、769 cm-1和682 cm-1，與IR圖譜庫中聚醚醚酮（PEEK）紅外光譜完全吻合。其中1597 cm-1和1492 cm-1主特征峰表征了極性基團取代的聚烴類，1226 cm-1主特征峰表征了芳香族聚醚類[12］，因此 1#絕緣材料表征為PEEK基材。

根據(jù)圖12和圖14分析，不同波數(shù)下的主要特征峰為 2920 cm-1、2851 cm-1、1717 cm-1、1279 cm-1（1280 cm-1）、1109 cm-1（1108 cm-1）和729 cm-1，主特征峰2920 cm-1和2851 cm-1表征了乙烯亞甲基伸縮振動，但這兩個特征峰縮得很小，1464 cm-1主特征峰缺失以及722 cm-1主特征峰偏移，因此認為這兩種材料乙烯含量極低。主特征峰1717 cm-1屬于乙酸乙烯酯的酯類C=O伸縮振動、1279 cm-1（1280 cm-1）屬于乙酸乙烯酯的乙酸酯基上C—O—C伸縮振動、1109 cm-1（1108 cm-1）屬于乙酸乙烯酯的酸酐上C—O伸縮振動，這些特征峰峰值高大，預示著該聚合物材料中乙酸乙烯酯含量極高，因此初步確認2#和4#絕緣材料為乙酸乙烯酯VA含量極高（估計大于80%）的乙烯和乙酸乙烯酯共聚物EVA基材，結合這兩種絕緣材料的電氣性能、機械性能、無鹵性能和熱延伸試驗結果，確認2# 和4#絕緣材料為乙酸乙烯酯VA含量極高的熱固性聚烯烴XLPO。

圖8　5#絕緣材料溫度指數(shù)

圖9　6#絕緣材料溫度指數(shù)

圖10　7#絕緣材料溫度指數(shù)

圖11　1#薄壁絕緣

圖12 2#薄壁絕緣

圖13 3#薄壁絕緣

圖14 4#薄壁絕緣

圖15 5#標準壁厚絕緣

根據(jù)圖13和圖15分析，不同波數(shù)下的主要特征峰為 2920 cm-1、2851 cm-1、1742 cm-1（1740 cm-1）、1464 cm-1、1243 cm-1、1022 cm-1和722 cm-1，主特征峰2920 cm-1和2851 cm-1表征了乙烯亞甲基伸縮振動，1464 cm-1和722 cm-1表征乙烯亞甲基扭曲變形伸縮振動，1742 cm-1（1740 cm-1）是乙酸乙烯酯的羥基伸縮振動，1243 cm-1是乙酸乙烯酯的乙酸酯基上的C—O單鍵的伸縮振動，1022 cm-1是乙酸乙烯酯的主碳鏈上的C—O單鍵的伸縮振動。根據(jù)圖中2920 cm-1、2851 cm-1、1464 cm-1（1465 cm-1）和722 cm-1特征峰的大小，初步確認3#和5#絕緣材料是乙烯含量較高的乙烯和乙酸乙烯酯共聚物EVA基材，其中3#樣品乙酸乙烯酯VA含量很低，而乙烯含量很高；5#樣品與3#樣品比較乙酸乙烯酯VA含量較高，而乙烯含量較低。結合這兩種絕緣材料的電氣性能、機械性能、無鹵性能和熱延伸試驗結果，確認3#和5#絕緣材料為熱塑性聚烯烴彈性體TPE。

圖16 6#標準壁厚絕緣

圖17 7#標準壁厚絕緣

根據(jù)圖16和圖17分析，不同波數(shù)下的主要特征峰為2920 cm-1、2851 cm-1、1736 cm-1（1737 cm-1）、1464 cm-1（1465 cm-1）、1242 cm-1和1022 cm-1，主特征峰2920 cm-1和2851 cm-1表征了聚乙烯亞甲基伸縮振動，1464 cm-1（1465 cm-1）表征乙烯亞甲基扭曲變形伸縮振動，1736 cm-1（1737 cm-1）是聚乙酸乙烯酯的羥基伸縮振動，1242 cm-1是乙酸乙烯酯的乙酸酯基上的 C—O單鍵的伸縮振動，1022 cm-1是乙酸乙烯酯的主碳鏈上C—O單鍵的伸縮振動。因此6#和7#絕緣材料為同一種基材，根據(jù)圖中 2920 cm-1、2851 cm-1和 1464 cm-1（1465 cm-1）特征峰較高，初步確認是乙烯含量較高的EVA基材，結合這兩種絕緣材料的電氣性能、機械性能、無鹵性能和熱延伸試驗結果，確認6#和7#絕緣材料為熱固性聚烯烴XLPO。

3 試驗結果的分析

根據(jù)試驗結果確認：1#絕緣材料為聚醚醚酮PEEK；2#絕緣材料為乙酸乙烯酯含量極高的熱固性聚烯烴XLPO；3#絕緣材料為乙酸乙烯酯含量較低的熱塑性聚烯烴彈性體TPE；4#絕緣材料為乙酸乙烯酯含量極高的新型熱固性聚烯烴XLPO；5#絕緣材料為乙酸乙烯酯含量較高的熱塑性聚烯烴彈性體TPE；6#絕緣材料為熱固性聚烯烴XLPO；7#絕緣材料為新型熱固性聚烯烴XLPO。

3.1 PEEK絕緣材料試驗結果分析

表1中1#樣品是用PEEK材料制造的鐵道客車用電線電纜，試驗結果顯示其抗張強度數(shù)值極高（61.3 N/mm2，是普通材料的6倍以上），斷裂伸長率指標較一般（150%），短期耐熱性能指標極好，但無鹵性能指標pH值和電導率均不是很理想。PEEK是用4，4'-二氟丙酮、對苯二酚和無水碳酸鈉為原料，在極性溶液（二苯砜）中進行親核取代反應制得，是一種高性能結晶性工程塑料，常作為航空航天用絕緣材料。分子結構主鏈中含有鏈接的線性芳香族高分子，分子結構式為“氧-對亞苯基-氧-羥-對亞苯基”，具有高耐熱性、耐熱水性、耐疲勞及耐蠕變性、耐腐蝕性、耐輻射、耐燃、機械強度高以及電氣絕緣性好等優(yōu)點。但最大的缺點是價格昂貴，且成型加工溫度高（370～400℃），熔體粘度高（η＞103 Pa·s），較難成型加工[13］。

從耐熱性評定結果可以看出，PEEK薄絕緣具有極好的長期耐熱性能，按照阿倫尼烏斯方程式計算，20000 h耐熱性溫度指數(shù)的溫度為166℃，遠高于歐盟標準EN 50306-1和EN 50264-1規(guī)定的125℃耐熱性溫度指數(shù)大于20000 h的要求。

由試驗結果可知，PEEK材料各項性能指標包括短期老化和長期耐熱性能均優(yōu)異，紅外光譜特征明確，是鐵道客車用電線電纜理想的絕緣材料。但PEEK材料加工難度大，價格昂貴，由PEEK絕緣材料制成的鐵道客車用電線電纜價格比較高，不適宜大規(guī)模推廣。

3.2 TPE絕緣材料試驗結果分析

從表1試驗結果可知，3#樣品是用TPE材料制造的鐵道客車用電線電纜，其絕緣熱延伸試驗結果不符合TB/T 1484—2010標準要求。由于早期的TB/T 1484—2001標準不進行絕緣熱延伸試驗，因此3#樣品試驗結果仍是滿足TB/T 1484—2001標準要求的，在早期的動車組列車上廣泛使用。聯(lián)系到25T型客車A4-Ⅱ檢修時發(fā)現(xiàn)的絕緣龜裂的絕緣材料是由同一家電纜生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)，且紅外光譜分析對比結果完全吻合，因此3#樣品TPE材料就是在A4-Ⅱ檢修時發(fā)現(xiàn)絕緣龜裂的同一種絕緣材料。由于A4-Ⅱ檢修時發(fā)現(xiàn)的絕緣龜裂情況表現(xiàn)為規(guī)律性橫向貫穿開裂，并造成電氣回路的擊穿和短路，因此此類絕緣材料制成的鐵道客車用電線電纜使用壽命存在嚴重問題。

從圖3的TPE溫度指數(shù)曲線可見，薄壁TPE在125℃時的耐熱性溫度指數(shù)僅3527 h，不符合歐盟標準EN 50306-1和EN 50264-1的要求。從圖5 TPE壽命曲線和圖8 TPE溫度指數(shù)曲線看到，按照阿倫尼烏斯方程式外推到工作溫度90℃時的耐熱壽命僅為5.4年，這與A4-Ⅱ檢修周期發(fā)現(xiàn)的損壞吻合?？梢婋m然TPE絕緣材料的短期熱老化（158℃，168 h）性能尚好，但長期耐熱性參數(shù)明顯不佳。

考慮到TPE絕緣材料是用EVA材料經(jīng)改性后制成，且長期耐熱性參數(shù)不佳，結合已經(jīng)使用的鐵道客車用電線電纜產(chǎn)品較短的使用壽命，因此應該杜絕此類材料在鐵道客車用電線電纜的使用。

3.3 兩種XLPO絕緣材料試驗結果分析

兩種薄壁絕緣XLPO耐熱性評定結果均滿足了125℃達到20000 h的歐盟標準要求，兩種標準壁厚絕緣XLPO的耐熱性評定結果為90℃工作溫度時均大于30年耐熱壽命。

兩種薄壁絕緣XLPO的耐熱性評定結果差異較小，而兩種標準壁厚絕緣XLPO的差異較大。圖6和圖9的XLPO絕緣材料比圖7和圖10的新型XLPO絕緣材料的耐熱性能差。分析圖6，最高溫度點的壽命終點時間小于IEC 60216-1標準規(guī)定的100 h，從而影響了最終的評定結果的有效性。因此薄壁絕緣的新型XLPO絕緣材料和標準壁厚的新型XLPO絕緣材料各項性能均優(yōu)良，滿足鐵道客車用電線電纜使用的要求。

根據(jù)紅外光譜分析結果，同樣的乙烯和乙酸乙烯酯共聚物EVA基材，由于VA含量和改性方法不同，反映在紅外光譜上有較大差異，反映在長期耐熱性方面也存在較大差異。因此用紅外光譜指紋區(qū)表征各種絕緣材料的唯一性是可行的。

4 結 論

短期耐熱性試驗結果合格的絕緣材料長期耐熱性評定結果存在兩種可能：一是長期耐熱性評定結果也合格或耐熱壽命良好；二是長期耐熱性評定結果較差。綜合A4-II檢修時發(fā)現(xiàn)絕緣龜裂的缺陷，可見短期老化試驗參數(shù)不能很好地表征鐵道客車用電線電纜的使用壽命，而長期耐熱性參數(shù)與鐵道客車用電線電纜的使用壽命相關性較好。因此，在綜合評定鐵道客車用電線電纜的使用壽命時，應以長期耐熱性參數(shù)來表征。

根據(jù)鐵道客車用電線電纜典型絕緣材料電氣性能和機械物理性能的試驗結果，以及與之對應的長期耐熱性評定結果確認：（1）早期常用的薄壁和標準壁厚的TPE絕緣材料長期耐熱性參數(shù)指標差，使用壽命短，不適宜作為鐵道客車用電線電纜絕緣使用；（2）常用的PEEK絕緣材料價格昂貴，性能指標富裕過度，不宜在鐵道客車用電線電纜中大力推廣；（3）新型XLPO絕緣材料雖然性能指標的富裕度不大，但其電氣性能和機械物理性能均滿足TB/T 1484的標準要求，耐熱性評定結果顯示，其長期耐熱性能參數(shù)指標良好，再加上其合適的價格，是鐵道客車用電線電纜理想的絕緣材料。

根據(jù)紅外光譜不同波數(shù)下特征峰的位置和大小可以分析各種絕緣材料的基本成分，從而確定絕緣材料的基材類型。根據(jù)相似材料紅外光譜特征指紋區(qū)的差異可以看出，紅外光譜的特征指紋區(qū)可以表征絕緣材料的唯一性。對鐵道客車用電線電纜絕緣材料進行紅外光譜分析，可以杜絕某些不良材料在鐵道客車用電線電纜中的誤用，從而消除高速動車組列車的安全隱患，保證高速動車組列車的安全運行。

參考文獻：

[1] 某軌道客車裝備有限責任公司.25T型客車A4-Ⅱ檢修技術研討會會議紀要[Z］.2012.

[2] TB/T 1484.1—2010 機車車輛電纜第1部分：額定電壓3 kV及以下標準壁厚絕緣電纜[S］.

[3] TB/T 1484.2—2010 機車車輛電纜第2部分：薄壁絕緣電纜[S］.

[4] IEC 60216-1：2013 Electrical insulating materials-Thermal endurance properties-Part 1：Ageing procedures and evaluation of test results[S］.

[5] IEC 60216-2：2005 Electrical insulating materials-Thermal endurance properties-Part 2：Determination of thermal endurance properties of electrical insulatingmaterials-Choice of test criteria[S］.

[6] IEC 60216-3：2002 Electrical insulating materials-Thermal endurance properties-Part3：Instructions for calculating thermalendurance characteristics[S］.

[7] TJ/CL 254—2013 鐵道客車用電線電纜技術條件（V1.0）[S］.

[8] EN 50305：2002 Railway applications—Railway rolling stock cables having special fire performance—Testmethods[S］.

[9] EN 50306-1：2002 Railway application—Railway rolling stock power and control cable having special fire performance—Thin wall—Part 1 General requirements[S］.

[10] EN 50264-1：2008 Railway application—Railway rolling stock power and control cable having special fire performance—Part 1 General requirements[S］.

[11] 沈德言.紅外光譜在高分子研究中的應用[M］.科學出版社，1982.

[12] 巫松楨，謝大榮，陳壽田，等.電氣絕緣材料科學與工程[M］.西安交通大學出版社，1996.

[13] 王玉琦，申從祥.塑料材料[M］.北京航空航天大學出版社，1993.

作者地址：上海市楊浦區(qū)軍工路1000號[200093］.

中圖分類號：TM246.9

文獻標識碼：A

文章編號：1672-6901（2016）04-0006-08

收稿日期：2015-12-09

作者簡介：龔國祥（1963—），男，工程師.

The Association Study between Param eters of Heat Resistance and Service Life of W ires and Cables for Railway Rolling Stock

GONG Guo-xiang
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

Abstract：Low smoke halogen-free flame retardantwiresand cables for railway rolling stock are found a larger number of insulation cracking atamaintenance of A4-Ⅱ.Through inspection of electric performance and mechanical properties，evaluation of heat resistance and analysis of fourier infrared spectrum，association studied between parameters of heat resistance and service life on insulated material，eliminated the potential risks of wires and cables for railway rolling stock，and ensured the safe operation of high-speed EMU trains.

Key words：low-smoke halogen-free flame retardantwires and cables；service life；parameters of heat resistance