張 軼,周 媛,趙立偉

(1.上海申通地鐵集團(tuán)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(shè)發(fā)展,將近一半車輛的使用年限已超過15 a,線纜故障時(shí)有發(fā)生。然而,車載導(dǎo)線、線纜均為車輛的預(yù)埋件,大多布置在車輛線槽中,且難以更換。 車輛運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣,由于負(fù)載波動(dòng)、濕熱環(huán)境、振動(dòng)、檢修拆裝等因素,不可避免地會(huì)造成部分線纜壽命下降。 例如,6、7、8、9 號(hào)線車輛電氣柜內(nèi)的110 V 線纜出現(xiàn)絕緣層破損,導(dǎo)線裸露;2 號(hào)線車輛線纜均存在熱老化、破損現(xiàn)象等。

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)車載線纜的壽命分析方法尚處于發(fā)展階段,對(duì)已裝車線纜的壽命分析幾乎處于空白階段,展開針對(duì)車載線纜的壽命評(píng)估方法研究十分必要。 線纜的測(cè)試評(píng)估一般分為離線測(cè)試和在線測(cè)試。 在線測(cè)試需要對(duì)復(fù)雜的電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),但在地鐵車輛運(yùn)行期間,線纜受到多種因素的影響,如高溫、濕度、振動(dòng)等,可能會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的失真或不準(zhǔn)確;此外,需要對(duì)線纜進(jìn)行電氣測(cè)試和接線操作,存在較高的電氣安全風(fēng)險(xiǎn);在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下對(duì)線纜進(jìn)行在線檢測(cè)可能會(huì)干擾線路供電,甚至?xí)l(fā)火災(zāi)、短路等嚴(yán)重事故。 因此,線纜的在線評(píng)估應(yīng)用較為困難,一般采用離線測(cè)試的方法。

在車載線纜壽命評(píng)估的相關(guān)研究中,孫衛(wèi)平等[1]針對(duì)動(dòng)車組線纜壽命評(píng)估技術(shù)進(jìn)行研究,通過線纜熱老化試驗(yàn),建立阿倫尼烏斯(Arrhenius)模型,對(duì)新、舊線纜的壽命進(jìn)行測(cè)試,并利用線纜老化經(jīng)驗(yàn)公式,建立線纜剩余壽命評(píng)估模型,確定線纜壽命與里程和平均絕緣厚度之間的關(guān)系。 謝寶志等[2]對(duì)車載高壓線纜的剩余壽命進(jìn)行評(píng)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(píng)估方法,推算出車載高壓線纜的剩余壽命。 龔國(guó)祥[3]通過常規(guī)絕緣材料的電氣性能和機(jī)械物理性能檢測(cè)、耐熱性能評(píng)定和傅里葉紅外光譜分析,研究了動(dòng)車組線纜絕緣材料使用壽命和耐熱性能參數(shù)之間的關(guān)系,對(duì)降低動(dòng)車組線纜的安全隱患、保證車輛安全運(yùn)行具有重要意義。 王春鋒等[4]針對(duì)低煙無鹵阻燃聚烯烴線纜材料,分別用常規(guī)熱老化、差示掃描量熱法推斷線纜的剩余使用壽命;結(jié)果表明,絕緣材料的老化狀態(tài)與活化能的變化有著密切關(guān)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(duì)象,在不同溫度下進(jìn)行加速老化,得到其壽命與溫度的關(guān)系。

絕大多數(shù)研究只是對(duì)線纜進(jìn)行熱老化試驗(yàn),獲得其理論剩余使用壽命。 這種方法的時(shí)間周期較長(zhǎng),工程實(shí)際應(yīng)用較少,且車載線纜數(shù)量較多,無法對(duì)全部線纜進(jìn)行壽命評(píng)估試驗(yàn)。 因此,本工作針對(duì)上海地鐵的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況,從線纜特點(diǎn)、運(yùn)行環(huán)境、機(jī)械應(yīng)力、線纜外觀等角度對(duì)地鐵線纜進(jìn)行分析,篩選出需要評(píng)估的線纜;根據(jù)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)線纜進(jìn)行檢測(cè),獲取線纜的狀態(tài),從而制定一套科學(xué)合理、工程實(shí)用的壽命評(píng)估規(guī)則,以優(yōu)化車輛檢修方案。

1 車載線纜老化機(jī)理

軌道交通車載線纜在車輛運(yùn)行過程中,受各種惡劣工況的影響,絕緣材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分會(huì)發(fā)生變化,影響線纜的物理參數(shù)(如強(qiáng)度、顏色、硬度等),容易出現(xiàn)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(jī)械老化和環(huán)境老化等。 研究線纜絕緣的老化機(jī)理和影響因素,可以保護(hù)線纜絕緣,延長(zhǎng)線纜使用壽命,對(duì)保證城市軌道交通車輛的安全運(yùn)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(dá)1 500 V,工作溫度能夠達(dá)到90 ℃以上。 當(dāng)線纜負(fù)載過大或發(fā)生短路故障時(shí),線纜絕緣的工作溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速升高。 線纜絕緣長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作,不僅絕緣材料容易發(fā)生氧化降解和熱降解,還會(huì)降低絕緣材料的相對(duì)分子質(zhì)量;高溫能夠加快化學(xué)反應(yīng)速率,加速線纜絕緣材料性能的劣化,進(jìn)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(zhì)等,當(dāng)線纜承受高電壓時(shí),電荷會(huì)在絕緣缺陷處堆積,當(dāng)堆積到一定程度后,就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象,嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致其在絕緣缺陷處形成局部放電。 當(dāng)放電持續(xù)一定時(shí)間后,就有可能形成貫穿性導(dǎo)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(dāng)有水分滲入其中后,長(zhǎng)期在電應(yīng)力和水分的共同作用下,線纜絕緣層中會(huì)產(chǎn)生呈樹狀生長(zhǎng)的充水微孔,形成水樹枝[7-8],使得絕緣材料發(fā)生分解,失去絕緣效果。 水樹枝見圖1(b)。

1.3 機(jī)械老化

城市軌道交通車載線纜在敷設(shè)和車輛運(yùn)行過程中,可能會(huì)受到摩擦、彎曲、機(jī)械振動(dòng)、外力擠壓等應(yīng)力的作用。 當(dāng)以上應(yīng)力作用在線纜的絕緣層時(shí),從線纜外觀可能無法看出明顯損傷,線纜整體性能也不會(huì)下降。 但是,在線纜絕緣的受力集中處容易出現(xiàn)微小缺陷,缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致電荷堆積,從而發(fā)生局部放電,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),缺陷會(huì)發(fā)展成樹枝通道,降低絕緣性能[9]。

1.4 環(huán)境老化

環(huán)境因素是影響線纜絕緣老化的主要因素之一。 線纜所處環(huán)境惡劣會(huì)加快線纜的老化速率。 調(diào)研顯示,紫外線輻射、臭氧氧化、潮濕、酸堿鹽霧、油污等均會(huì)對(duì)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(yīng)力分析

上海地鐵車載線纜以歐洲標(biāo)準(zhǔn)線纜(EN50306、EN50264、EN50382)為主。 EN50306 系列線纜為薄壁線纜,電壓等級(jí)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(jí)為600 V 或1 800 V,主要作為列車的動(dòng)力線纜使用;EN50382系列線纜的電壓等級(jí)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(jīng),對(duì)車輛的安全運(yùn)行具有重要意義。 車載線纜在服役過程中易受機(jī)械應(yīng)力、工作自身產(chǎn)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(xué)性能和電氣性能。 當(dāng)線纜的性能下降至一定程度后,就會(huì)影響車輛的運(yùn)行,甚至?xí)?duì)乘客產(chǎn)生安全隱患。 因此,對(duì)線纜進(jìn)行評(píng)估,保證線纜安全可靠運(yùn)行,對(duì)地鐵車輛的重要性不言而喻。

2.1 熱應(yīng)力

溫度是影響線纜絕緣材料壽命的關(guān)鍵因素。 線纜絕緣溫度主要與線纜敷設(shè)方式和數(shù)量、線纜周邊環(huán)境溫度、導(dǎo)體工作溫度等因素有關(guān)。 在城市軌道交通車載線纜中,以下情況易導(dǎo)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(dǎo)致線纜導(dǎo)體發(fā)熱,絕緣材料溫度上升。 例如,牽引系統(tǒng)的三相電機(jī)線纜,負(fù)責(zé)為牽引電機(jī)提供動(dòng)力,從逆變器輸出的電流可達(dá)上百安;在車輛運(yùn)行期間,輔助逆變器長(zhǎng)時(shí)間向全車的空調(diào)、壓縮機(jī)、電燈等輔助設(shè)備持續(xù)供電。

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

3)動(dòng)力線纜排列過于緊密或數(shù)量較多,在車輛運(yùn)行時(shí),線纜自身發(fā)熱,由于散熱性能較差,使得線纜周圍環(huán)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(nèi)部、車頂?shù)目照{(diào)動(dòng)力線纜封閉在波紋管內(nèi)部等,均會(huì)導(dǎo)致線纜周圍的環(huán)境和線纜絕緣溫度升高。

4)長(zhǎng)期持續(xù)的陽光暴曬,如裸露在車頂?shù)氖茈姽€纜。 長(zhǎng)期持續(xù)的高溫使得線纜絕緣材料的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化,出現(xiàn)熱老化現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致線纜的性能劣化。 車載線纜的熱老化主要表現(xiàn)為絕緣材料的抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等機(jī)械性能下降,如線纜熱老化壽命試驗(yàn)通常以斷裂伸長(zhǎng)率下降至初始性能的50%為判定基準(zhǔn)。

2.2 電應(yīng)力

車載線纜絕緣層存在缺陷時(shí),電荷會(huì)在缺陷處堆積,達(dá)到一定程度后就會(huì)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(zhǎng)期裸露無防護(hù),隨著車輛的運(yùn)行,泥水、污漬會(huì)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(xiàn)為線纜的耐壓強(qiáng)度、絕緣電阻等電氣性能的下降。 當(dāng)線纜被擊穿或絕緣電阻下降至規(guī)定范圍之外時(shí),線纜就會(huì)失效。

2.3 機(jī)械應(yīng)力

車載線纜在敷設(shè)、運(yùn)行過程中,難免會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力的影響,對(duì)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(zhǎng),懸空在兩節(jié)車廂間,當(dāng)車輛運(yùn)行或轉(zhuǎn)彎時(shí),隨著車輛的運(yùn)行而頻繁晃動(dòng),承受額外的機(jī)械應(yīng)力;設(shè)備柜內(nèi)部空間有限,而線纜數(shù)量眾多,不得不彎折,其彎折程度較為嚴(yán)重時(shí),也會(huì)受到額外的機(jī)械應(yīng)力;當(dāng)線纜在敷設(shè)過程中發(fā)生扭曲時(shí),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(yùn)行過程中受到振動(dòng)和沖擊,特別是在起?；蚪?jīng)過過渡區(qū)域時(shí),對(duì)線纜產(chǎn)生額外的應(yīng)力,導(dǎo)致線纜磨損、斷裂,或連接部件松動(dòng)。

因此,線纜在承受額外的機(jī)械應(yīng)力時(shí),產(chǎn)生缺陷或發(fā)生形變,影響線纜的機(jī)械性能(如抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等) 和電氣性能(如耐壓強(qiáng)度、絕緣電阻等)。

2.4 環(huán)境應(yīng)力

上海地鐵所處的環(huán)境相對(duì)惡劣,如紫外線強(qiáng)烈、潮濕、車道內(nèi)部環(huán)境密閉、污染物較多、車上油污嚴(yán)重等。 裸露的線纜在長(zhǎng)期工作時(shí),如果不加以保護(hù),就會(huì)降低絕緣材料的性能,加快線纜的老化。

1)表面油污。 當(dāng)線纜受到油污污染時(shí),油污可能會(huì)滲入絕緣層中,導(dǎo)致絕緣性能下降;油污中的物質(zhì)可能會(huì)與線纜材料發(fā)生反應(yīng),使其變脆、硬化、劣化,加速線纜的老化過程,如車門電機(jī)附近線纜。

2)陽光直射。 線纜長(zhǎng)期暴露在陽光下時(shí),絕緣材料可能發(fā)生老化、劣化和硬化,導(dǎo)致絕緣性能下降。 紫外線也可能會(huì)使得線纜變脆、易碎,導(dǎo)致線纜的力學(xué)性能(如抗拉強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致絕緣性能下降;此外,雨水會(huì)加速線纜導(dǎo)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(diào)附近的線纜容易受到冷凝水的腐蝕。

線纜遭受環(huán)境應(yīng)力后,其機(jī)械性能(如抗張強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等)和電氣性能(如耐壓強(qiáng)度、絕緣電阻等)均會(huì)受到影響而下降。

3 車載線纜壽命評(píng)估分類規(guī)則

線纜故障直接影響車輛運(yùn)行的可靠性和安全性,一旦被動(dòng)出現(xiàn)故障,將耗費(fèi)大量人力、財(cái)力和時(shí)間成本對(duì)車輛進(jìn)行整改和維修。 因此,需要研究車載線纜壽命狀態(tài)的評(píng)估方法,作為線纜質(zhì)量考核和維修策略制定的依據(jù)。

由于地鐵車輛上線纜種類多、數(shù)量大,對(duì)全部車載線纜進(jìn)行測(cè)試和老化評(píng)估難度較大。 因此,通過對(duì)線纜進(jìn)行檢查分析,包括線纜外觀、運(yùn)行環(huán)境、機(jī)械應(yīng)力等,篩選出需要評(píng)估的線纜,設(shè)置線纜狀態(tài)評(píng)估試驗(yàn),以完成對(duì)線纜的評(píng)估。

結(jié)合現(xiàn)有的線纜壽命評(píng)估方法和線纜現(xiàn)場(chǎng)情況的統(tǒng)計(jì)分析,制定車載線纜分類評(píng)估規(guī)則,見圖2。

線纜外觀檢查。 對(duì)線纜進(jìn)行常規(guī)檢查,初步判斷外觀是否有明顯異常。 例如,線纜顏色異常、嚴(yán)重褪色;線纜破損、導(dǎo)體裸露;線纜大面積皸裂;線纜護(hù)套發(fā)脆、發(fā)硬、掉皮;接線端子存在燒焦痕跡、變色。當(dāng)出現(xiàn)以上情況時(shí),建議直接更換線纜。 對(duì)沒有明顯異常的線纜進(jìn)行下一步分析判斷。

工程實(shí)用性分析。 從車輛安裝布局造成的運(yùn)行環(huán)境(如熱應(yīng)力、陽光直射、雨水、冷凝水、臭氧、酸堿、油污、化學(xué)腐蝕等)、機(jī)械應(yīng)力(如過度彎曲、晃動(dòng)、褶皺、拉伸等)等角度,篩選出地鐵車輛工作環(huán)境較惡劣的線纜,對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試或老化評(píng)估分析。

狀態(tài)評(píng)估。 對(duì)線纜進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試,如電氣性能試驗(yàn)、機(jī)械性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)等。 此類試驗(yàn)的試驗(yàn)周期較短,可以快速判斷線纜當(dāng)前的狀態(tài)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能要求。

加速老化試驗(yàn)。 測(cè)試線纜在不同老化溫度下的壽命,并對(duì)老化溫度和相關(guān)壽命的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)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(yǎng)和使用壽命的延長(zhǎng)。 其中,熱老化試驗(yàn)可以評(píng)估線纜服役過程中的可靠性,熱老化試驗(yàn)流程見圖3。

圖3 熱老化試驗(yàn)評(píng)估流程

4 狀態(tài)檢測(cè)試驗(yàn)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求,充分考慮工程實(shí)用性,對(duì)篩選出的線纜進(jìn)行電氣試驗(yàn)、機(jī)械性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)和熱老化試驗(yàn)。 其中,電氣試驗(yàn)方法及參考標(biāo)準(zhǔn)見表1,機(jī)械性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)方法及參考標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表1 電氣試驗(yàn)方法及參考標(biāo)準(zhǔn)

表2 機(jī)械性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)方法及參考標(biāo)準(zhǔn)

5 線纜評(píng)估規(guī)則

地鐵車輛一般每10 a 會(huì)進(jìn)行一次架大修。 在架大修期間,對(duì)運(yùn)營(yíng)約10 a 的上海13 號(hào)線地鐵車輛上的線纜進(jìn)行檢查分析,主要包括車頂、車底、車廂內(nèi)頂部蓋板、設(shè)備柜等位置的線纜。 經(jīng)檢查,車載線纜外觀完整性良好,無明顯異常。 進(jìn)一步對(duì)線纜進(jìn)行分析,部分線纜評(píng)估規(guī)則如下。

1)牽引電機(jī)線纜。 從牽引逆變器到牽引電機(jī)的線纜為動(dòng)力線纜,電流大,負(fù)載高;線纜數(shù)量較多,排列緊密,散熱性能較差,受熱應(yīng)力影響較大;牽引電機(jī)線纜安裝固定在車底線槽之內(nèi),不易獲取。 可以對(duì)此類線纜進(jìn)行熱老化試驗(yàn),評(píng)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(fā)生熱老化和環(huán)境老化;線纜較短,易更換。 可以對(duì)其進(jìn)行電氣性能試驗(yàn)和機(jī)械性能試驗(yàn),評(píng)估其當(dāng)前狀態(tài)。

3)車門附近的線纜。 車門附近有電機(jī)和絲杠,附近線纜的表面容易附著油污,油污會(huì)對(duì)線纜的絕緣壽命造成影響。 因此,除了進(jìn)行電氣性能試驗(yàn)和機(jī)械性能試驗(yàn)外,還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行油料等環(huán)境試驗(yàn),評(píng)估其在油料污染情況下的線纜狀態(tài)。

4)跨接線纜。 跨接線纜是隨著車輛運(yùn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)最多的線纜,不可避免地會(huì)造成機(jī)械損傷。 可以進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)和電氣性能試驗(yàn),評(píng)估其絕緣狀態(tài),保證線纜的安全運(yùn)行。

6 結(jié) 論

通過對(duì)上海地鐵車載線纜進(jìn)行分類梳理,形成車載線纜壽命狀態(tài)評(píng)估流程,為車輛檢修方案提供依據(jù),可有效提高地鐵車輛系統(tǒng)的安全性與可靠性,降低故障發(fā)生幾率。 除此之外,對(duì)線纜壽命及狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,完善維修要求或提高對(duì)供應(yīng)商的技術(shù)要求,從而降低維保成本和后期整改的可能。 從行業(yè)領(lǐng)域來看,有利于積極促進(jìn)城軌裝備產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展,具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和良好的應(yīng)用前景。