动车双螺旋电缆线剩余寿命预测模型设计与实验

李 彬，刘 悦, 陈明颖

(长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022)

0 引 言

随着铁路运输的快速发展，对高速动车组的可靠性、可用性、维修性和安全性等方面的要求不断提高。电缆是动车组电力传输系统中非常重要的设备，对电力安全，电力可靠传输具有不可或缺的作用。动车在运行过程中，动车电缆长期处于温度、湿度和振动等多种环境因素共同作用下，会引起电缆绝缘材料的多种性能降低，造成安全隐患。如果无法得到及时排除，则动车组整个供电系统乃至整个动车的安全都会受到严重威胁。出于安全性考虑，电缆服役到一定期限需要按照规定进行更换。但由于电缆的价格昂贵、拆卸或更换电缆频率过高会引起其耐用周期性能损失，更会耗费大量人力、物力及财力。因此，动车电缆剩余寿命的研究势在必行。

1 车顶高压螺旋线绝缘老化

车顶高压螺旋线是车辆驱动系统的重要组成部分，是两车端部之间的活动部件。其质量、性能和工作状态直接影响到车辆的功能、性能、运行状态和运行安全。但是，由于运行环境,自身损耗等因素影响，电缆会逐渐老化，其寿命会逐渐降低直至失效。正确评估电缆生命，延长替换周期，可以降低因电缆绝缘老化造成安全事故的几率，提高动车运行安全性。

1.1 电缆老化

研究电缆寿命首先要研究其失效机理和失效模式。通过对车顶高压螺旋线的使用环境及相关资料的分析，其主要失效机理是损伤累积机理，对用的失效模式是退化性失效[1]。下面对电缆的老化机理做简单介绍。

1.1.1 热老化机理

热老化是指在高压电缆运行过程中，高分子材料在高温作用下逐渐融化、结晶、发生交联，致使分子结构改变，电缆绝缘层绝缘性能下降。在热老化过程中，绝缘材料发生热降解反应。温度越高，热老化速率越快，绝缘材料的使用寿命越短。在热老化作用下，绝缘材料性能发生劣化，机械性能也急剧改变。如材料的拉伸强度，断裂伸长率等。一般来说，环境温度下高分子材料发生变化的过程较为缓慢，不会对电缆造成很大影响，当温度升高到一定值时，高分子材料结构变化速率加快，电缆热老化速率也相对提升。相对其他因素，环境温度对电缆绝缘层热老化的影响仍相对较小。电流流经电缆时会因自身原因局产生局部放电，电能损耗等产生较大热量，引起温度大幅度上升，热老化速率会急速增大，使绝缘材料发生分解、碳化，最终导致电击穿的发生。

1.1.2 水树老化机理

绝缘材料长时间与水共存的状态下，因电场的存在会产生充满水的各种树枝状的细微通道和气隙，这种变化被称为水树老化现象。2007年，国际大电网委员会(CIGRE)对电缆的剩余寿命进行调研，研究表明由于电缆水树老化的影响，电缆失效率会随着时间指数式的增长，并以此为依据对电缆的剩余寿命进行评估，分为小于1年，1～10年，大于10年3大类[2]。

电缆在运行过程中，由于长期雨雪侵蚀，在电缆本体与其附件连接部分较易形成水树。水树枝的生长主要受应力变化、化学势能作用、局部放电等因素的影响。电缆在电压及水分子的共同作用下，内部应力增加。如绝缘材料间隙中水分受热膨胀产生的膨胀应力，电场作用下，产生的电致伸缩外向力，这些应力增大绝缘材料的微观间隙，形成水树枝[3]。局部放电诱发水树枝出现，水树枝末端电场集中又加剧局部放电，二者相互诱发，加剧电缆水电老化。水树枝一旦生长就无法消退，使得水树枝成为影响电缆正常运行的重要隐患。水树枝生长会造成绝缘电阻下降，介质损耗加剧，最终导致绝缘击穿事故。

1.1.3 电树老化机理

在电缆制造过程中，由于制造材料、工艺、环境等因素的影响，电缆绝缘层中含有少量杂质。电流流经绝缘层时，电缆中的杂质在电流作用下会在电缆中形成场强集中甚至发生局部放电，产生具有树枝状痕迹的电树枝。在实际生产过程中，电缆无法彻底消除空隙、杂质、毛刺等缺陷，在电、热机械应力﹑环境等因素的综合应力下，极易诱发电树枝。因此，电树枝是造成绝缘失效的直接原因。

电树枝在诱发后，由于电压、温度、机械应力等因素的影响会迅速进入生长状态。其中电压的影响最为明显，电树枝在生长阶段早期，一般为枝状结构，随着电压升高，迅速发展成丛林装结构，最终形成枝状、丛林状、枝状与丛林状混合状三类电树枝，进一步增强局部场强[4]。电树枝从诱发至击穿电缆绝缘层，整个过程非常迅速，一般只需几天。通过提高电缆制造工艺减少绝缘层中的缺陷，降低诱发电树枝的可能是防止电树枝出现的重要措施。电缆在自然环境中的老化并不仅受单一因素影响，电缆绝缘层的老化是电场，热，环境应力等内部，外部因素混合作用的影响。在多种因素影响下，电缆绝缘层的缺陷被诱发，产生电缆气隙，局部放电等，继而产生水树枝、电树枝，二者又增大电缆缺陷，最终导致电缆绝缘层被击穿。

电缆在退化失效过程中，除受温度影响的热老化、湿度影响的水树老化、电压影响的电树老化外，还受到其他诸多因素的影响，如振动、化学腐蚀等。振动会造成电缆的机械疲劳，产生变形或者断裂。振动产生的机械应力还会使绝缘材料中的微观缺陷发生规律运动，形成微裂痕，促使电缆发生局部放电。自然环境中的酸、碱、盐雾、硫化物等物质会溶解护套绝缘层材料，还会通过材料的微孔渗透到内部，与绝缘层发生反应使材料发生老化。同时也腐蚀电缆的金属附件，破坏电缆的导电性能。电缆的退化性失效，是多种因素共同影响的结果。在多种因素影响下，电缆性能逐渐降低，最终导致电缆失效。

1.2 电缆老化特征

电缆绝缘层大多由高分子材料制作而成，种类繁多的高分子材料造就了电缆绝缘层不同的构造。不同的影响因素，不同的使用时间，复杂的工作环境使得电缆老化状态及特征各不相同。一般电缆绝缘老化特征表现主要由三方面评定；力学性能指标、物理性能指标、电力性能指标。下面简要介绍跨接电缆老化的各种特征表现。

1.2.1 力学性能

电缆正常运行时，电缆绝缘层会发生变形和损坏，其力学性能亦会发生相应改变。拉伸强度、弯折强度、冲击强度、断裂伸长率等力学性能均可表现材料的绝缘性能变化。与之相对应的数据测量可通过性能拉伸实验，弯折性能实验，冲击性能实验等收集。目前，对电缆绝缘层力学性能的评估主要为断裂伸长率，通过断裂伸长率的变化来评估绝缘材料的剩余寿命。在相同实验条件下，相对于其他力学性能，断裂伸长率的测量相对较为容易，且结果较为精确。

1.2.2 物理性能

物理性能是电缆老化状态最直接的表现，主要包括外观，物理光学性能，物理测试性能等。电缆在正常使用一段时间后，由于各种环境因素的影响电缆绝缘会出现龟裂、气泡、斑点、变形、分化等症状，这些是判断电缆老化程度最直观的表现[5]。在微观方面，通过测量电缆绝缘层的密度，相对分子质量，样品质量等均可判断。在光学性能方面，电缆颜色的改变是最直观的变化，一般而言，在经过一段时间后，电缆绝缘层颜色会逐渐改变，光泽，透射率等也会逐渐降低。

1.2.3 电学性能

电学性能是指在电缆老化过程中，电缆绝缘层对电流的耐受能力，其主要的性能参数包括绝缘电阻，泄露电流，耐电压，电容，电感等诸多参数。电缆正常运行过程中，随着老化进行电缆绝缘层对电压的耐受能力逐渐降低，当降低至一定程度时，电缆绝缘层会被电压击穿，导致电缆失效。在实际测量过程中，耐电压可以相对直观的表现出电缆绝缘层的介电强度，从而计算出电缆寿命。而对于其他电学性能参数，在表现电缆老化状态时没有相对的优势与劣势，所以可以依据老化实验的不同进行相应的选择。

电缆老化过程中，电缆各部件的性能会发生不可逆转的劣化。具体表现为力学性能，物理性能，电学性能的改变。性能的改变会引发电缆故障，如因振动导致连接松动，会导致产生短路故障；因电缆绝缘层高分子材料发生改变，绝缘电阻发生改变产生低阻故障；因泄漏电流超过泄露电流的允许值，产生高阻泄露性故障和高阻闪络性故障。故障的产生会造成动车安全隐患，增加维修成本甚至导致事故的发生。

2 车顶高压螺旋线剩余寿命评估实验方法

对于电缆剩余寿命评估技术研究，我国起步较晚。目前，运行单位对是否更换电缆依据一个定义为年失效数的参数，大于某值时就更换电缆，而不对剩余寿命做预测。20世纪60年代，西方国家已经开始对其进行相关研究，取得较多成果。

2.1 车顶高压螺旋线剩余寿命评估实验设计

动车运行过程中，车顶高压螺旋线的线芯会因电流的损耗温度逐渐升高，使得电缆温度高于环境温度。电缆线芯与绝缘层直接接触,线芯工作温度直接影响电缆老化的程度。对于电缆剩余寿命的研究，实质上是对电缆绝缘层剩余寿命的研究。对于车顶高压螺旋线剩余寿命的试验研究，本文采用“一主二辅”的方式进行，“一主”热老化加速寿命实验。“二辅”断裂拉伸实验，击穿电压对比实验。

2.1.1 热老化实验

根据GB/T 528-2009的相关规定，本实验采用标准的哑铃形试样[6]。试样的形状和尺寸均符合相关标准。为提高实验精度，降低误差，需保证电缆的取样、片材的切取、哑铃试样的切取及预处理等方面都必须按照相同的方法进行。老化实验设备选择ZH-TH-150型复合老化实验箱。根据电缆运行环境的相关资料，设定设备相对空气湿度为75%，振动频率为35 Hz。实验选取85 ℃、100 ℃、115 ℃、130 ℃ 4个老化温度。

为更加准确的获得试样热老化后的性能值变化，在热老化实验开始前需要对电缆进行初始性能值的测量。根据GB/T2951.2-1997中相关规定，在对电缆性能值测定之前，需要对式样进行预处理[7]。本实验随机选取10个试样，在老化最低水平温度(本实验为85 ℃)下暴露48 h，取出置于干燥皿中在室温下放置至少16 h，避免阳光直射，然后对初始性能值进行测量，如表1、2所列。

表1 初始性能值

表2 热老化试验数据

将老化试样放在设置好参数的复合老化实验箱内进行老化实验，以48 h为时间间隔，取出在23.5 ℃下存放24 h后，用YHS-229WJ-5k N-510型拉力实验机进行机械拉伸测量。

2.1.2 击穿电压对比实验

击穿电压对比实验是通过测量电缆绝缘层的击穿电压确定电缆的老化状态，从而计算电缆寿命的实验方法。选择8个使用过的电缆(达到五级修标准)，8个新的电缆。采用分布加压法分别对其进行试验。在测量之前需要对电缆进行预处理，将电缆在23.5 ℃下存放24 h后，用专用固定装置进行固定，连接耐压测试仪，对两种电缆分别施加3 kV，6 kV的电压，各自持续1 min和30 min，相邻电压比为q=1.32，电压增加的速率为12 kV/min。直至电缆被电压击穿，切断耐压测试仪输出并拆除固定装置，记录得到的相关数据。

电缆的寿命方程为：

Unt=C

(1)

式中：U为电缆施加的电压；n为寿命时间指数；t为电缆寿命；C为常数。

根据式(1)，新旧电缆的寿命表达式分别为:

[un+qnun+…+q(p1-1)nun]T1+qp1nunt1=C

(2)

[un+qnun+…+q(p2-1)nun]T2+qp2nunt2=C

(3)

式中：T1，T2测试时间；p1，p2开始至击穿所需步数；t1，t2最后一步持续时间。

表3 击穿电压试验数据

根据击穿电压试验数据计算，达到五级修的车顶高压螺旋电缆(运行3年)的平均击穿电压比新的电缆要减少大约50%。假定在该实验中，车顶高压螺旋电缆的击穿电压成线性退化，则对于运行3年的旧电缆再运行3年后，平均击穿电压将再降50%，电缆的击穿电压约为14.73～18.61 kV。运行3年的车顶高压螺旋电缆的击穿电压是额定电压为5 kV，运行电压为3.52 kV的4.2倍，运行6年则为2.1倍，根据相关规定需要对其进行替换。所以推测剩余寿命是3～6年之间[8]。

2.2 数学模型与剩余寿命评估

本文是基于阿伦尼斯方程推导各相关因素之间的关系，本文利用对数形式的多元非线性回归分析方法进行数据分析。根据阿伦尼斯方程:

(4)

将方程变形可得:

(5)

运用数据分析软件Matlab，对热老化试验数据进行曲线拟合，得出车顶高压螺旋线的断裂伸长保留率率随老化时间的变化曲线，如图4所示。

由图1可以看出，在同一老化温度下，断裂伸长率保留率随老化时间的增加而下降。老化温度越高，断裂伸长率保留率下降越快。拟合公式如下：

(6)

对式进行公式变换，得到关于时间对数的公式:

(7)

(8)

经计算，车顶高压螺旋线在达到五级修(运行3年)后，在相对空气湿度为75%，振动频率为35 Hz，运行温度为85 ℃(最高运行温度)的环境中，剩余寿命为3.8年，符合击穿对比实验结果。

图1 热老化数据拟合图像

3 结 语

本文是针对动车车顶高压螺旋电缆剩余寿命进行研究，通过对电缆进行热老化实验，击穿电压对比实验获得相关数据。利用击穿电压对比实验计算电缆剩余寿命的大致范围。基于阿伦尼斯方程，根据热老化实验数据利用Matlab拟合得出老化试样的断裂伸长保留率随时间变化的图像及退化模型。然后将新电缆实验数据中的性能失效值作为使用中电缆实验性能失效评判标准值，对使用中的电缆的剩余寿命进行计算，得到相对精确的剩余寿命。本文所提出的剩余寿命预测模型，虽然在一定程度上可以对电缆的剩余寿命进行评估，但同样存在缺点。如本实验属于定性实验，缺乏实验精度；文中性能参数的选择，是建立在性能参数不相互影响的基础上的。总之，剩余寿命评估技术研究做为预测与健康管理的一项核心问题，不论其理论还是实际应用，仍有许多问题悬待解决。