劉博 李振輝

摘要：高壓跨接電纜作為動(dòng)車組動(dòng)力系統(tǒng)的重要部件，直接決定了動(dòng)車組能否平穩(wěn)運(yùn)行。本文對(duì)動(dòng)車組高壓跨接電纜進(jìn)行了溫度-振動(dòng)雙維度的加速壽命試驗(yàn)，建立了溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力的函數(shù)與某壽命特征的對(duì)數(shù)函數(shù)的加速壽命模型，通過極大似然函數(shù)方法求解模型中的未知參數(shù)，獲得電纜在常溫、正常振動(dòng)頻率時(shí)的使用壽命。

Abstract： As an important part of the power system of EMU， the high voltage jumper cable directly determines the stable operation of EMU. In this paper， the temperature vibration dual dimension accelerated life test of EMU high-voltage jumper cable is carried out. The accelerated life model of temperature stress， vibration stress function and logarithmic function of a certain life feature is established. The unknown parameters in the model are solved by the maximum likelihood function method to obtain the service life of the cable at normal temperature and normal vibration frequency.

關(guān)鍵詞：跨接電纜;加速壽命試驗(yàn);電纜老化;使用壽命

Key words： jumper cable;accelerated life test;cable aging;service life

0 ?引言

近年來，我國高速動(dòng)車組取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求也越來越高，作為動(dòng)車組的“主動(dòng)脈”，高壓跨接電纜的使用壽命對(duì)動(dòng)車組能否平穩(wěn)運(yùn)行具有直接影響。但目前動(dòng)車組高壓跨接電纜只能依靠工人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行更換和維修，缺少科學(xué)定量的更換依據(jù)，導(dǎo)致高鐵行業(yè)耗費(fèi)了大量的人力，物力和財(cái)力。

因此，本文根據(jù)跨接電纜的實(shí)際工作環(huán)境和失效機(jī)理對(duì)跨接電纜使用壽命進(jìn)行了深入分析，提出一種高溫疊加振動(dòng)的加速壽命試驗(yàn)方法，對(duì)動(dòng)車組高壓跨接電纜的使用壽命進(jìn)行評(píng)估，最終獲得電纜正常情況下的使用壽命，并為高鐵動(dòng)車組合理的更換跨接電纜提供了科學(xué)依據(jù)。

1 ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

動(dòng)車組高壓跨接電纜位于兩輛動(dòng)車之間的車頂部，長(zhǎng)期受到太陽光照射、風(fēng)沙侵蝕、工業(yè)廢氣造成的化學(xué)侵蝕等外部影響，以及內(nèi)部高壓電流產(chǎn)生的熱量和動(dòng)車組常規(guī)工作形成的機(jī)械振動(dòng)等內(nèi)部影響，其工作環(huán)境惡劣且復(fù)雜?？缃与娎|由雙螺旋電纜線，電纜接頭、夾鉗和支架、中間薄板、末端板、螺栓等子部件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通過對(duì)跨接電纜的一系列初步試驗(yàn)，對(duì)新電纜和四級(jí)修淘汰下來的報(bào)廢件進(jìn)行對(duì)比分析，其直流電阻、絕緣電阻、耐電壓、介電強(qiáng)度等電學(xué)性能并沒有特別明顯的下降，夾鉗和支架等剛性子部件也沒有明顯機(jī)械性能的下降，整個(gè)部件最先發(fā)生老化失效的部分就是兩根螺旋結(jié)構(gòu)電纜?；凇澳就霸怼?，最先發(fā)生失效而導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)車組跨接電纜失效的子部件，其使用壽命就是整個(gè)部件的使用壽命[1]。

一般的電纜老化主要是電纜絕緣層老化，主要有熱老化、濕度老化、化學(xué)老化等，但動(dòng)車組高壓跨接電纜的工作環(huán)境的特殊性，其老化不同于一般的高壓電纜老化，其電纜老化失效的主要成因是由于輸送高壓電流產(chǎn)生的熱量引起的老化，以及動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力引起的振動(dòng)老化。在電纜的老化過程中，化學(xué)材料不斷降解，電纜的一些物理特征比如斷裂伸長(zhǎng)保留率和抗拉強(qiáng)度就會(huì)出現(xiàn)性能下降[2]。

針對(duì)電纜老化成因設(shè)計(jì)溫度-振動(dòng)加速壽命試驗(yàn)，采用定時(shí)截尾恒定應(yīng)力的試驗(yàn)方法，并以斷裂伸長(zhǎng)保留率作為壽命終點(diǎn)指標(biāo)。

電纜外層絕緣材料為聚乙烯材料，具有良好的耐熱性，耐老化性和優(yōu)異的機(jī)械性能。電纜主要參數(shù)為，單組尺寸：1150mm×21.5mm;重量：16kg;儲(chǔ)藏時(shí)溫度：-25°C到

+80°C;濕度：75%到95%;電纜外層為絕緣層，內(nèi)部是金屬電纜，本文所研究的絕緣層厚度為1.5 mm。試驗(yàn)樣件一般選取多根電纜的相同位置，并對(duì)樣件進(jìn)行標(biāo)記。電纜老化試驗(yàn)樣件制備采用國標(biāo)GB/T528-2009的規(guī)定，通過如下方法截取：采用電纜護(hù)套切割機(jī)從被測(cè)試動(dòng)車雙螺旋電纜絕緣線芯上切取約75mm長(zhǎng)的成啞鈴型樣件。然后用酒精擦拭電纜絕緣層表面，去除附在表面的雜質(zhì)。

試驗(yàn)選用溫度-濕度-振動(dòng)三綜合試驗(yàn)箱，可以精準(zhǔn)穩(wěn)定的控制溫度、濕度、振動(dòng)頻率，能夠盡量接近動(dòng)車組跨接電纜的實(shí)際工況。選用拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試驗(yàn)老化后的電纜進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，最后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

由于已知跨接電纜工作最高溫度為90℃，加速壽命試驗(yàn)溫度根據(jù)實(shí)際需求分別選擇為110℃、130℃、150℃和170℃。另外，根據(jù)前期掌握的電纜振動(dòng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和振動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)應(yīng)力范圍，振動(dòng)應(yīng)力分別選取0.2g2/Hz、0.4g2/Hz、0.6g2/Hz和0.8g2/Hz;試驗(yàn)分為A、B、C三組，根據(jù)均勻正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，確定溫度-振動(dòng)的多因子應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方案如表2所示。在該試驗(yàn)中，每個(gè)試樣編號(hào)試樣選4個(gè)樣件，以溫度和振動(dòng)作為加速應(yīng)力，進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，按照試驗(yàn)安排，定期檢查電纜的失效狀況，并記錄電纜試驗(yàn)壽命時(shí)間數(shù)據(jù)。

檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)的確定，在各溫度-振動(dòng)下需要設(shè)置一定的時(shí)間檢測(cè)點(diǎn)來檢測(cè)電纜的各項(xiàng)參數(shù)，用以判斷電纜失效與否，各溫度下的檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)間間隔如表3所示。

2 ?試驗(yàn)過程

試驗(yàn)中樣件壽命終點(diǎn)的選擇是根據(jù)跨接電纜絕緣材料的斷裂伸長(zhǎng)保留率這一特性。同時(shí)，根據(jù)IEC60216標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將雙螺旋電纜用絕緣材料的斷裂伸長(zhǎng)保留率數(shù)值的50%作為加速壽命試驗(yàn)的終止點(diǎn)，超過該閾值則判定為失效。

根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃的安排，首先在溫度-振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)定各組溫度及振動(dòng)參數(shù)，然后把樣件按照批次進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中定期檢查樣件的失效狀況，并保持記錄。具體試驗(yàn)參數(shù)按表2進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，以定時(shí)截尾恒定應(yīng)力方式采集電纜試驗(yàn)樣件壽命數(shù)據(jù)信息。在各溫度-振動(dòng)作用下，各試驗(yàn)小組檢測(cè)點(diǎn)累積失效個(gè)數(shù)如下圖所示，其中第A組下失效12個(gè)，B組失效12個(gè)，C組下失效16個(gè)。從圖4中可以看出，隨著檢測(cè)次數(shù)的增加，即試驗(yàn)時(shí)間增加，樣件失效的數(shù)量逐漸增多。

3 ?數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

將表2中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件進(jìn)行處理得到如圖5所示的溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力下的壽命特征的分布圖，從圖中可以看出，溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力的函數(shù)中（s）常與壽命特征（斷裂伸長(zhǎng)保留率）的對(duì)數(shù)ln呈線性關(guān)系[3]。此時(shí)加速壽命模型為：

式中，c=lnA，d=E/R，？濁為壽命特征（斷裂伸長(zhǎng)保留率），A為常數(shù);E為活化能;R為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度。

對(duì)圖5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，由加速壽命模型計(jì)算可得：

則在溫度60℃，振動(dòng)0.63Hz下的特征壽命形狀參數(shù)為：

可靠度函數(shù)為：

由可靠度函數(shù)可知，在可靠度為 0.995 時(shí)，動(dòng)車組電纜壽命時(shí)間為72270小時(shí)，約為 8.25 年，即：t=8.25年。參考該動(dòng)車組電纜開具的合格證明文件，與其中標(biāo)明的一般貯存時(shí)間 7-12年相比，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況大體一致，說明本文所提方法是有效和可靠的。

4 ?結(jié)論

本文對(duì)動(dòng)車組高壓跨接電纜進(jìn)行了溫度-振動(dòng)加速壽命試驗(yàn)，建立了溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力的函數(shù)與某壽命特征的對(duì)數(shù)ln函數(shù)的加速壽命模型。采用極大似然函數(shù)方法求解模型中的未知參數(shù)，并外推得到電纜在常溫下和正常振動(dòng)頻率的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂事桂，楊立，李偉華.船用橡膠電纜整體老化剩余壽命研究[J].船海工程，2010，39（4）：37-39.

[2]Wang Hexun，Ji Yulong，Liu Gaishi，et al. Accelerated aging experiment and remaining lifetime analysis of insulation for Cxf type-cable on vessels[J]. Gao dianya Jishu / High Voltage Engineering，2013，39（8）：1886-1892.

[3]茆詩松.加速壽命試驗(yàn)的加速模型[J].質(zhì)量與可靠性，2003 （2）：15-17.

[4]胡俊祥，羅昭強(qiáng)，馬松林.高速列車電線電纜的質(zhì)量檢驗(yàn)問題探析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（08）：147-149.

作者簡(jiǎn)介：劉博（1995-），男，吉林公主嶺人，碩士研究生（在讀），研究方向?yàn)楝F(xiàn)代檢測(cè)理論與技術(shù)。