铁道客车用电线电缆耐热性参数与使用寿命的关联性研究

龚国祥

（上海电缆研究所，上海200093）



铁道客车用电线电缆耐热性参数与使用寿命的关联性研究

龚国祥

（上海电缆研究所，上海200093）

摘要：低烟无卤阻燃铁道客车用电线电缆在某次A4-Ⅱ检修时发现大量绝缘龟裂现象，严重影响高速动车组列车的安全。通过常规绝缘材料电气性能和机械物理性能检测、耐热性评定和傅里叶型红外光谱分析，对高速动车组列车所使用的电线电缆绝缘材料耐热性参数和使用寿命的关联性进行深入研究，消除铁道客车用电线电缆的安全隐患，确保高速动车组列车安全运行。

关键词：低烟无卤阻燃铁道客车用电线电缆；使用寿命；耐热性参数

0 引 言

高速动车组列车的快速发展，催生了我国铁路的大提速，缩短了城市之间的距离，极大地提升了铁路运输的能力，为我国国民经济发展注入了强大的活力。

电线电缆是高速动车组列车的“血管”和“神经”，是列车能否正常高速行驶的关键。随着高速动车组列车对电线电缆的要求越来越高，传统的含卤电线电缆已不能继续使用，当前使用的均是新型的低烟无卤阻燃高性能铁道客车用电线电缆。

由于长期以来铁道客车用电线电缆生产技术相对处于落后的状态，尤其是国内聚合物材料基础产业的薄弱，造成了铁道客车用电线电缆的技术水平跟不上高速动车组列车发展的要求。

2012年3月国内某客车装备制造责任有限公司在进行25T型客车A4-II检修时，发现大量电线电缆出现绝缘龟裂，严重影响使用[1］。同时，国内另一机车车辆股份有限公司也发现了类似的问题。25T等型号的动车组列车所使用的电线电缆都是经过CRCC产品认证和监管的电线电缆产品，拥有认证证书、产品型式试验报告和产品出厂合格证等一系列资质，不应该出现类似问题。为此相关技术人员进行了大量的分析研究，初步认为此类问题是由电线电缆绝缘材料长期耐热性能差造成的。

本文针对高速动车组列车所使用电线电缆的绝缘材料长期耐热性参数和使用寿命的关联性进行深入研究，通过红外光谱分析绝缘材料的基材，同时通过比较各种绝缘材料指纹区的差异来表征其唯一性，从而消除铁道客车用电线电缆的安全隐患，保证高速动车组列车的安全运行。

1 试验方案

1.1 电气性能和机械物理性能试验

根据TB/T 1484.1—2010[2］和TB/T 1484.2—2010[3］的要求，对当前广泛使用的铁道客车用电线电缆进行全性能试验，确定常用铁道客车用电线电缆绝缘材料，并对典型材料的试验结果进行相关分析，评价其相应的电气性能和机械物理性能试验结果是否满足标准的要求，重点关注短期老化性能。

1.2 长期耐热性评定

对铁道客车用电线电缆广泛使用的典型绝缘材料，根据产品标准对绝缘厚度的规定，分成标准壁厚绝缘和薄壁绝缘两种。对标准壁厚绝缘材料，根据IEC 60216标准[4-6］规定的试验方法进行长期耐热性评定，得出工作温度90℃时是否满足30年耐热性寿命的试验结果[7］。对薄壁绝缘材料根据 EN 50305标准[8］规定的试验方法进行耐热性评定，得出125℃耐热性温度指数是否大于20000 h的试验结果[9-10］。

在长期耐热性评定的基础上，将长期耐热性参数与常规电气性能和机械物理性能进行相关性分析，结合A4-Ⅱ检修时发现的绝缘龟裂缺陷，分析长期耐热性参数与使用寿命的关系。

1.3 红外光谱分析

对铁道客车用电线电缆广泛使用的典型绝缘材料采用傅里叶型红外分光光度计进行直读式扫描，得到不同波数下的红外光谱[11］，并对这些红外光谱进行相应的分析，通过红外光谱特征峰位置分析各种典型绝缘材料的基材，同时通过分析比较各种绝缘材料红外光谱的特征指纹区，进一步表征绝缘材料的唯一性，尤其要表征长期耐热性差的绝缘材料。从而杜绝这类材料在铁道客车用电线电缆中的继续使用。

2 试验结果

2.1 绝缘和护套电气性能和机械物理性能试验

对铁道客车用电线电缆广泛使用的绝缘材料进行分析、对比和选择，比较典型的4种铁道客车用电线电缆绝缘材料的电气性能和机械物理性能试验结果见表1。

表1　4种铁道客车用电线电缆的主要性能试验结果

由表1可知，这4种典型绝缘材料基本符合TB/T 1484—2010的要求，其中3#绝缘材料的热延伸试验结果不符合TB/T 1484—2010标准要求。然而，由于较早的TB/T 1484—2001标准不考核绝缘材料的热延伸，因此早期的铁道客车用电线电缆广泛使用了这种绝缘材料。

2.2 绝缘材料耐热性评定

2.2.1 薄壁绝缘材料的耐热性评定

薄壁绝缘材料耐热性评定采用EN 50305标准方法（电气法），各种常用绝缘材料的耐热性评定试验结果见表2，图1～图4为根据阿伦尼乌斯方程式计算得到的温度指数曲线。

表2　薄壁绝缘材料耐热性评定（电气法）试验结果

图1　1#绝缘材料温度指数

图2　2#绝缘材料温度指数

从图1～图4温度指数曲线图可得出如下试验结果：（1）1#绝缘材料的温度指数远高于标准要求，表现出优异的长期耐热特性；（2）2#和4#绝缘材料125℃长期耐热性温度指数均大于20000 h；（3）3#绝缘材料125℃长期耐热性温度指数只有3527 h，可见3#绝缘材料的长期耐热性较差。

2.2.2 标准壁厚绝缘材料的耐热性评定

标准壁厚绝缘材料的耐热性评定采用IEC 60216标准方法，以试样断裂伸长率保留率为50%作为寿命终止点。图5～图7为不同绝缘材料相应温度下的寿命曲线，图8～图10为根据阿伦尼乌斯方程式计算得到的温度指数曲线。

从图8～图10温度指数曲线图可得出如下试验结果：（1）5#绝缘材料90℃温度下的耐热寿命只有5.4年；（2）6#绝缘材料在90℃温度下的耐热寿命为31.3年；（3）7#绝缘材料90℃温度下的耐热寿命为33.1年。

虽然用这三种材料制作的铁道客车用电线电缆短期老化试验结果表现出较小的差异，但在耐热性评定时其长期耐热性参数差异较大。

图3　3#绝缘材料温度指数

图4　4#绝缘材料温度指数

图6　6#绝缘材料寿命曲线

图7　7#绝缘材料寿命曲线

2.2.3 绝缘材料傅里叶红外扫描试验

在进行薄壁绝缘材料和标准壁厚绝缘材料耐热性评定的同时，进行直读式傅里叶红外扫描，得到不同波数下的红外光谱，图11～图14为薄壁绝缘材料的红外光谱，图15～图17为标准壁厚绝缘材料的红外光谱。

根据图11分析，不同波数下的主要特征峰为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，与IR图谱库中聚醚醚酮（PEEK）红外光谱完全吻合。其中1597 cm-1和1492 cm-1主特征峰表征了极性基团取代的聚烃类，1226 cm-1主特征峰表征了芳香族聚醚类[12］，因此 1#绝缘材料表征为PEEK基材。

根据图12和图14分析，不同波数下的主要特征峰为 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表征了乙烯亚甲基伸缩振动，但这两个特征峰缩得很小，1464 cm-1主特征峰缺失以及722 cm-1主特征峰偏移，因此认为这两种材料乙烯含量极低。主特征峰1717 cm-1属于乙酸乙烯酯的酯类C=O伸缩振动、1279 cm-1（1280 cm-1）属于乙酸乙烯酯的乙酸酯基上C—O—C伸缩振动、1109 cm-1（1108 cm-1）属于乙酸乙烯酯的酸酐上C—O伸缩振动，这些特征峰峰值高大，预示着该聚合物材料中乙酸乙烯酯含量极高，因此初步确认2#和4#绝缘材料为乙酸乙烯酯VA含量极高（估计大于80%）的乙烯和乙酸乙烯酯共聚物EVA基材，结合这两种绝缘材料的电气性能、机械性能、无卤性能和热延伸试验结果，确认2# 和4#绝缘材料为乙酸乙烯酯VA含量极高的热固性聚烯烃XLPO。

图8　5#绝缘材料温度指数

图9　6#绝缘材料温度指数

图10　7#绝缘材料温度指数

图11　1#薄壁绝缘

图12 2#薄壁绝缘

图13 3#薄壁绝缘

图14 4#薄壁绝缘

图15 5#标准壁厚绝缘

根据图13和图15分析，不同波数下的主要特征峰为 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表征了乙烯亚甲基伸缩振动，1464 cm-1和722 cm-1表征乙烯亚甲基扭曲变形伸缩振动，1742 cm-1（1740 cm-1）是乙酸乙烯酯的羟基伸缩振动，1243 cm-1是乙酸乙烯酯的乙酸酯基上的C—O单键的伸缩振动，1022 cm-1是乙酸乙烯酯的主碳链上的C—O单键的伸缩振动。根据图中2920 cm-1、2851 cm-1、1464 cm-1（1465 cm-1）和722 cm-1特征峰的大小，初步确认3#和5#绝缘材料是乙烯含量较高的乙烯和乙酸乙烯酯共聚物EVA基材，其中3#样品乙酸乙烯酯VA含量很低，而乙烯含量很高；5#样品与3#样品比较乙酸乙烯酯VA含量较高，而乙烯含量较低。结合这两种绝缘材料的电气性能、机械性能、无卤性能和热延伸试验结果，确认3#和5#绝缘材料为热塑性聚烯烃弹性体TPE。

图16 6#标准壁厚绝缘

图17 7#标准壁厚绝缘

根据图16和图17分析，不同波数下的主要特征峰为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表征了聚乙烯亚甲基伸缩振动，1464 cm-1（1465 cm-1）表征乙烯亚甲基扭曲变形伸缩振动，1736 cm-1（1737 cm-1）是聚乙酸乙烯酯的羟基伸缩振动，1242 cm-1是乙酸乙烯酯的乙酸酯基上的 C—O单键的伸缩振动，1022 cm-1是乙酸乙烯酯的主碳链上C—O单键的伸缩振动。因此6#和7#绝缘材料为同一种基材，根据图中 2920 cm-1、2851 cm-1和 1464 cm-1（1465 cm-1）特征峰较高，初步确认是乙烯含量较高的EVA基材，结合这两种绝缘材料的电气性能、机械性能、无卤性能和热延伸试验结果，确认6#和7#绝缘材料为热固性聚烯烃XLPO。

3 试验结果的分析

根据试验结果确认：1#绝缘材料为聚醚醚酮PEEK；2#绝缘材料为乙酸乙烯酯含量极高的热固性聚烯烃XLPO；3#绝缘材料为乙酸乙烯酯含量较低的热塑性聚烯烃弹性体TPE；4#绝缘材料为乙酸乙烯酯含量极高的新型热固性聚烯烃XLPO；5#绝缘材料为乙酸乙烯酯含量较高的热塑性聚烯烃弹性体TPE；6#绝缘材料为热固性聚烯烃XLPO；7#绝缘材料为新型热固性聚烯烃XLPO。

3.1 PEEK绝缘材料试验结果分析

表1中1#样品是用PEEK材料制造的铁道客车用电线电缆，试验结果显示其抗张强度数值极高（61.3 N/mm2，是普通材料的6倍以上），断裂伸长率指标较一般（150%），短期耐热性能指标极好，但无卤性能指标pH值和电导率均不是很理想。PEEK是用4，4'-二氟丙酮、对苯二酚和无水碳酸钠为原料，在极性溶液（二苯砜）中进行亲核取代反应制得，是一种高性能结晶性工程塑料，常作为航空航天用绝缘材料。分子结构主链中含有链接的线性芳香族高分子，分子结构式为“氧-对亚苯基-氧-羟-对亚苯基”，具有高耐热性、耐热水性、耐疲劳及耐蠕变性、耐腐蚀性、耐辐射、耐燃、机械强度高以及电气绝缘性好等优点。但最大的缺点是价格昂贵，且成型加工温度高（370～400℃），熔体粘度高（η＞103 Pa·s），较难成型加工[13］。

从耐热性评定结果可以看出，PEEK薄绝缘具有极好的长期耐热性能，按照阿伦尼乌斯方程式计算，20000 h耐热性温度指数的温度为166℃，远高于欧盟标准EN 50306-1和EN 50264-1规定的125℃耐热性温度指数大于20000 h的要求。

由试验结果可知，PEEK材料各项性能指标包括短期老化和长期耐热性能均优异，红外光谱特征明确，是铁道客车用电线电缆理想的绝缘材料。但PEEK材料加工难度大，价格昂贵，由PEEK绝缘材料制成的铁道客车用电线电缆价格比较高，不适宜大规模推广。

3.2 TPE绝缘材料试验结果分析

从表1试验结果可知，3#样品是用TPE材料制造的铁道客车用电线电缆，其绝缘热延伸试验结果不符合TB/T 1484—2010标准要求。由于早期的TB/T 1484—2001标准不进行绝缘热延伸试验，因此3#样品试验结果仍是满足TB/T 1484—2001标准要求的，在早期的动车组列车上广泛使用。联系到25T型客车A4-Ⅱ检修时发现的绝缘龟裂的绝缘材料是由同一家电缆生产企业生产，且红外光谱分析对比结果完全吻合，因此3#样品TPE材料就是在A4-Ⅱ检修时发现绝缘龟裂的同一种绝缘材料。由于A4-Ⅱ检修时发现的绝缘龟裂情况表现为规律性横向贯穿开裂，并造成电气回路的击穿和短路，因此此类绝缘材料制成的铁道客车用电线电缆使用寿命存在严重问题。

从图3的TPE温度指数曲线可见，薄壁TPE在125℃时的耐热性温度指数仅3527 h，不符合欧盟标准EN 50306-1和EN 50264-1的要求。从图5 TPE寿命曲线和图8 TPE温度指数曲线看到，按照阿伦尼乌斯方程式外推到工作温度90℃时的耐热寿命仅为5.4年，这与A4-Ⅱ检修周期发现的损坏吻合。可见虽然TPE绝缘材料的短期热老化（158℃，168 h）性能尚好，但长期耐热性参数明显不佳。

考虑到TPE绝缘材料是用EVA材料经改性后制成，且长期耐热性参数不佳，结合已经使用的铁道客车用电线电缆产品较短的使用寿命，因此应该杜绝此类材料在铁道客车用电线电缆的使用。

3.3 两种XLPO绝缘材料试验结果分析

两种薄壁绝缘XLPO耐热性评定结果均满足了125℃达到20000 h的欧盟标准要求，两种标准壁厚绝缘XLPO的耐热性评定结果为90℃工作温度时均大于30年耐热寿命。

两种薄壁绝缘XLPO的耐热性评定结果差异较小，而两种标准壁厚绝缘XLPO的差异较大。图6和图9的XLPO绝缘材料比图7和图10的新型XLPO绝缘材料的耐热性能差。分析图6，最高温度点的寿命终点时间小于IEC 60216-1标准规定的100 h，从而影响了最终的评定结果的有效性。因此薄壁绝缘的新型XLPO绝缘材料和标准壁厚的新型XLPO绝缘材料各项性能均优良，满足铁道客车用电线电缆使用的要求。

根据红外光谱分析结果，同样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，反映在红外光谱上有较大差异，反映在长期耐热性方面也存在较大差异。因此用红外光谱指纹区表征各种绝缘材料的唯一性是可行的。

4 结 论

短期耐热性试验结果合格的绝缘材料长期耐热性评定结果存在两种可能：一是长期耐热性评定结果也合格或耐热寿命良好；二是长期耐热性评定结果较差。综合A4-II检修时发现绝缘龟裂的缺陷，可见短期老化试验参数不能很好地表征铁道客车用电线电缆的使用寿命，而长期耐热性参数与铁道客车用电线电缆的使用寿命相关性较好。因此，在综合评定铁道客车用电线电缆的使用寿命时，应以长期耐热性参数来表征。

根据铁道客车用电线电缆典型绝缘材料电气性能和机械物理性能的试验结果，以及与之对应的长期耐热性评定结果确认：（1）早期常用的薄壁和标准壁厚的TPE绝缘材料长期耐热性参数指标差，使用寿命短，不适宜作为铁道客车用电线电缆绝缘使用；（2）常用的PEEK绝缘材料价格昂贵，性能指标富裕过度，不宜在铁道客车用电线电缆中大力推广；（3）新型XLPO绝缘材料虽然性能指标的富裕度不大，但其电气性能和机械物理性能均满足TB/T 1484的标准要求，耐热性评定结果显示，其长期耐热性能参数指标良好，再加上其合适的价格，是铁道客车用电线电缆理想的绝缘材料。

根据红外光谱不同波数下特征峰的位置和大小可以分析各种绝缘材料的基本成分，从而确定绝缘材料的基材类型。根据相似材料红外光谱特征指纹区的差异可以看出，红外光谱的特征指纹区可以表征绝缘材料的唯一性。对铁道客车用电线电缆绝缘材料进行红外光谱分析，可以杜绝某些不良材料在铁道客车用电线电缆中的误用，从而消除高速动车组列车的安全隐患，保证高速动车组列车的安全运行。

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[13] 王玉琦，申从祥.塑料材料[M］.北京航空航天大学出版社，1993.

作者地址：上海市杨浦区军工路1000号[200093］.

中图分类号：TM246.9

文献标识码：A

文章编号：1672-6901（2016）04-0006-08

收稿日期：2015-12-09

作者简介：龚国祥（1963—），男，工程师.

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