動車雙螺旋電纜線剩余壽命預(yù)測模型設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

李 彬，劉 悅, 陳明穎

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

0 引 言

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，對高速動車組的可靠性、可用性、維修性和安全性等方面的要求不斷提高。電纜是動車組電力傳輸系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備，對電力安全，電力可靠傳輸具有不可或缺的作用。動車在運(yùn)行過程中，動車電纜長期處于溫度、濕度和振動等多種環(huán)境因素共同作用下，會引起電纜絕緣材料的多種性能降低，造成安全隱患。如果無法得到及時(shí)排除，則動車組整個(gè)供電系統(tǒng)乃至整個(gè)動車的安全都會受到嚴(yán)重威脅。出于安全性考慮，電纜服役到一定期限需要按照規(guī)定進(jìn)行更換。但由于電纜的價(jià)格昂貴、拆卸或更換電纜頻率過高會引起其耐用周期性能損失，更會耗費(fèi)大量人力、物力及財(cái)力。因此，動車電纜剩余壽命的研究勢在必行。

1 車頂高壓螺旋線絕緣老化

車頂高壓螺旋線是車輛驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分，是兩車端部之間的活動部件。其質(zhì)量、性能和工作狀態(tài)直接影響到車輛的功能、性能、運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行安全。但是，由于運(yùn)行環(huán)境,自身損耗等因素影響，電纜會逐漸老化，其壽命會逐漸降低直至失效。正確評估電纜生命，延長替換周期，可以降低因電纜絕緣老化造成安全事故的幾率，提高動車運(yùn)行安全性。

1.1 電纜老化

研究電纜壽命首先要研究其失效機(jī)理和失效模式。通過對車頂高壓螺旋線的使用環(huán)境及相關(guān)資料的分析，其主要失效機(jī)理是損傷累積機(jī)理，對用的失效模式是退化性失效[1]。下面對電纜的老化機(jī)理做簡單介紹。

1.1.1 熱老化機(jī)理

熱老化是指在高壓電纜運(yùn)行過程中，高分子材料在高溫作用下逐漸融化、結(jié)晶、發(fā)生交聯(lián)，致使分子結(jié)構(gòu)改變，電纜絕緣層絕緣性能下降。在熱老化過程中，絕緣材料發(fā)生熱降解反應(yīng)。溫度越高，熱老化速率越快，絕緣材料的使用壽命越短。在熱老化作用下，絕緣材料性能發(fā)生劣化，機(jī)械性能也急劇改變。如材料的拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長率等。一般來說，環(huán)境溫度下高分子材料發(fā)生變化的過程較為緩慢，不會對電纜造成很大影響，當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，高分子材料結(jié)構(gòu)變化速率加快，電纜熱老化速率也相對提升。相對其他因素，環(huán)境溫度對電纜絕緣層熱老化的影響仍相對較小。電流流經(jīng)電纜時(shí)會因自身原因局產(chǎn)生局部放電，電能損耗等產(chǎn)生較大熱量，引起溫度大幅度上升，熱老化速率會急速增大，使絕緣材料發(fā)生分解、碳化，最終導(dǎo)致電擊穿的發(fā)生。

1.1.2 水樹老化機(jī)理

絕緣材料長時(shí)間與水共存的狀態(tài)下，因電場的存在會產(chǎn)生充滿水的各種樹枝狀的細(xì)微通道和氣隙，這種變化被稱為水樹老化現(xiàn)象。2007年，國際大電網(wǎng)委員會(CIGRE)對電纜的剩余壽命進(jìn)行調(diào)研，研究表明由于電纜水樹老化的影響，電纜失效率會隨著時(shí)間指數(shù)式的增長，并以此為依據(jù)對電纜的剩余壽命進(jìn)行評估，分為小于1年，1～10年，大于10年3大類[2]。

電纜在運(yùn)行過程中，由于長期雨雪侵蝕，在電纜本體與其附件連接部分較易形成水樹。水樹枝的生長主要受應(yīng)力變化、化學(xué)勢能作用、局部放電等因素的影響。電纜在電壓及水分子的共同作用下，內(nèi)部應(yīng)力增加。如絕緣材料間隙中水分受熱膨脹產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力，電場作用下，產(chǎn)生的電致伸縮外向力，這些應(yīng)力增大絕緣材料的微觀間隙，形成水樹枝[3]。局部放電誘發(fā)水樹枝出現(xiàn)，水樹枝末端電場集中又加劇局部放電，二者相互誘發(fā)，加劇電纜水電老化。水樹枝一旦生長就無法消退，使得水樹枝成為影響電纜正常運(yùn)行的重要隱患。水樹枝生長會造成絕緣電阻下降，介質(zhì)損耗加劇，最終導(dǎo)致絕緣擊穿事故。

1.1.3 電樹老化機(jī)理

在電纜制造過程中，由于制造材料、工藝、環(huán)境等因素的影響，電纜絕緣層中含有少量雜質(zhì)。電流流經(jīng)絕緣層時(shí)，電纜中的雜質(zhì)在電流作用下會在電纜中形成場強(qiáng)集中甚至發(fā)生局部放電，產(chǎn)生具有樹枝狀痕跡的電樹枝。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，電纜無法徹底消除空隙、雜質(zhì)、毛刺等缺陷，在電、熱機(jī)械應(yīng)力﹑環(huán)境等因素的綜合應(yīng)力下，極易誘發(fā)電樹枝。因此，電樹枝是造成絕緣失效的直接原因。

電樹枝在誘發(fā)后，由于電壓、溫度、機(jī)械應(yīng)力等因素的影響會迅速進(jìn)入生長狀態(tài)。其中電壓的影響最為明顯，電樹枝在生長階段早期，一般為枝狀結(jié)構(gòu)，隨著電壓升高，迅速發(fā)展成叢林裝結(jié)構(gòu)，最終形成枝狀、叢林狀、枝狀與叢林狀混合狀三類電樹枝，進(jìn)一步增強(qiáng)局部場強(qiáng)[4]。電樹枝從誘發(fā)至擊穿電纜絕緣層，整個(gè)過程非常迅速，一般只需幾天。通過提高電纜制造工藝減少絕緣層中的缺陷，降低誘發(fā)電樹枝的可能是防止電樹枝出現(xiàn)的重要措施。電纜在自然環(huán)境中的老化并不僅受單一因素影響，電纜絕緣層的老化是電場，熱，環(huán)境應(yīng)力等內(nèi)部，外部因素混合作用的影響。在多種因素影響下，電纜絕緣層的缺陷被誘發(fā)，產(chǎn)生電纜氣隙，局部放電等，繼而產(chǎn)生水樹枝、電樹枝，二者又增大電纜缺陷，最終導(dǎo)致電纜絕緣層被擊穿。

電纜在退化失效過程中，除受溫度影響的熱老化、濕度影響的水樹老化、電壓影響的電樹老化外，還受到其他諸多因素的影響，如振動、化學(xué)腐蝕等。振動會造成電纜的機(jī)械疲勞，產(chǎn)生變形或者斷裂。振動產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力還會使絕緣材料中的微觀缺陷發(fā)生規(guī)律運(yùn)動，形成微裂痕，促使電纜發(fā)生局部放電。自然環(huán)境中的酸、堿、鹽霧、硫化物等物質(zhì)會溶解護(hù)套絕緣層材料，還會通過材料的微孔滲透到內(nèi)部，與絕緣層發(fā)生反應(yīng)使材料發(fā)生老化。同時(shí)也腐蝕電纜的金屬附件，破壞電纜的導(dǎo)電性能。電纜的退化性失效，是多種因素共同影響的結(jié)果。在多種因素影響下，電纜性能逐漸降低，最終導(dǎo)致電纜失效。

1.2 電纜老化特征

電纜絕緣層大多由高分子材料制作而成，種類繁多的高分子材料造就了電纜絕緣層不同的構(gòu)造。不同的影響因素，不同的使用時(shí)間，復(fù)雜的工作環(huán)境使得電纜老化狀態(tài)及特征各不相同。一般電纜絕緣老化特征表現(xiàn)主要由三方面評定；力學(xué)性能指標(biāo)、物理性能指標(biāo)、電力性能指標(biāo)。下面簡要介紹跨接電纜老化的各種特征表現(xiàn)。

1.2.1 力學(xué)性能

電纜正常運(yùn)行時(shí)，電纜絕緣層會發(fā)生變形和損壞，其力學(xué)性能亦會發(fā)生相應(yīng)改變。拉伸強(qiáng)度、彎折強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、斷裂伸長率等力學(xué)性能均可表現(xiàn)材料的絕緣性能變化。與之相對應(yīng)的數(shù)據(jù)測量可通過性能拉伸實(shí)驗(yàn)，彎折性能實(shí)驗(yàn)，沖擊性能實(shí)驗(yàn)等收集。目前，對電纜絕緣層力學(xué)性能的評估主要為斷裂伸長率，通過斷裂伸長率的變化來評估絕緣材料的剩余壽命。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，相對于其他力學(xué)性能，斷裂伸長率的測量相對較為容易，且結(jié)果較為精確。

1.2.2 物理性能

物理性能是電纜老化狀態(tài)最直接的表現(xiàn)，主要包括外觀，物理光學(xué)性能，物理測試性能等。電纜在正常使用一段時(shí)間后，由于各種環(huán)境因素的影響電纜絕緣會出現(xiàn)龜裂、氣泡、斑點(diǎn)、變形、分化等癥狀，這些是判斷電纜老化程度最直觀的表現(xiàn)[5]。在微觀方面，通過測量電纜絕緣層的密度，相對分子質(zhì)量，樣品質(zhì)量等均可判斷。在光學(xué)性能方面，電纜顏色的改變是最直觀的變化，一般而言，在經(jīng)過一段時(shí)間后，電纜絕緣層顏色會逐漸改變，光澤，透射率等也會逐漸降低。

1.2.3 電學(xué)性能

電學(xué)性能是指在電纜老化過程中，電纜絕緣層對電流的耐受能力，其主要的性能參數(shù)包括絕緣電阻，泄露電流，耐電壓，電容，電感等諸多參數(shù)。電纜正常運(yùn)行過程中，隨著老化進(jìn)行電纜絕緣層對電壓的耐受能力逐漸降低，當(dāng)降低至一定程度時(shí)，電纜絕緣層會被電壓擊穿，導(dǎo)致電纜失效。在實(shí)際測量過程中，耐電壓可以相對直觀的表現(xiàn)出電纜絕緣層的介電強(qiáng)度，從而計(jì)算出電纜壽命。而對于其他電學(xué)性能參數(shù)，在表現(xiàn)電纜老化狀態(tài)時(shí)沒有相對的優(yōu)勢與劣勢，所以可以依據(jù)老化實(shí)驗(yàn)的不同進(jìn)行相應(yīng)的選擇。

電纜老化過程中，電纜各部件的性能會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的劣化。具體表現(xiàn)為力學(xué)性能，物理性能，電學(xué)性能的改變。性能的改變會引發(fā)電纜故障，如因振動導(dǎo)致連接松動，會導(dǎo)致產(chǎn)生短路故障；因電纜絕緣層高分子材料發(fā)生改變，絕緣電阻發(fā)生改變產(chǎn)生低阻故障；因泄漏電流超過泄露電流的允許值，產(chǎn)生高阻泄露性故障和高阻閃絡(luò)性故障。故障的產(chǎn)生會造成動車安全隱患，增加維修成本甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生。

2 車頂高壓螺旋線剩余壽命評估實(shí)驗(yàn)方法

對于電纜剩余壽命評估技術(shù)研究，我國起步較晚。目前，運(yùn)行單位對是否更換電纜依據(jù)一個(gè)定義為年失效數(shù)的參數(shù)，大于某值時(shí)就更換電纜，而不對剩余壽命做預(yù)測。20世紀(jì)60年代，西方國家已經(jīng)開始對其進(jìn)行相關(guān)研究，取得較多成果。

2.1 車頂高壓螺旋線剩余壽命評估實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

動車運(yùn)行過程中，車頂高壓螺旋線的線芯會因電流的損耗溫度逐漸升高，使得電纜溫度高于環(huán)境溫度。電纜線芯與絕緣層直接接觸,線芯工作溫度直接影響電纜老化的程度。對于電纜剩余壽命的研究，實(shí)質(zhì)上是對電纜絕緣層剩余壽命的研究。對于車頂高壓螺旋線剩余壽命的試驗(yàn)研究，本文采用“一主二輔”的方式進(jìn)行，“一主”熱老化加速壽命實(shí)驗(yàn)。“二輔”斷裂拉伸實(shí)驗(yàn)，擊穿電壓對比實(shí)驗(yàn)。

2.1.1 熱老化實(shí)驗(yàn)

根據(jù)GB/T 528-2009的相關(guān)規(guī)定，本實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的啞鈴形試樣[6]。試樣的形狀和尺寸均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。為提高實(shí)驗(yàn)精度，降低誤差，需保證電纜的取樣、片材的切取、啞鈴試樣的切取及預(yù)處理等方面都必須按照相同的方法進(jìn)行。老化實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇ZH-TH-150型復(fù)合老化實(shí)驗(yàn)箱。根據(jù)電纜運(yùn)行環(huán)境的相關(guān)資料，設(shè)定設(shè)備相對空氣濕度為75%，振動頻率為35 Hz。實(shí)驗(yàn)選取85 ℃、100 ℃、115 ℃、130 ℃ 4個(gè)老化溫度。

為更加準(zhǔn)確的獲得試樣熱老化后的性能值變化，在熱老化實(shí)驗(yàn)開始前需要對電纜進(jìn)行初始性能值的測量。根據(jù)GB/T2951.2-1997中相關(guān)規(guī)定，在對電纜性能值測定之前，需要對式樣進(jìn)行預(yù)處理[7]。本實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取10個(gè)試樣，在老化最低水平溫度(本實(shí)驗(yàn)為85 ℃)下暴露48 h，取出置于干燥皿中在室溫下放置至少16 h，避免陽光直射，然后對初始性能值進(jìn)行測量，如表1、2所列。

表1 初始性能值

表2 熱老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將老化試樣放在設(shè)置好參數(shù)的復(fù)合老化實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，以48 h為時(shí)間間隔，取出在23.5 ℃下存放24 h后，用YHS-229WJ-5k N-510型拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行機(jī)械拉伸測量。

2.1.2 擊穿電壓對比實(shí)驗(yàn)

擊穿電壓對比實(shí)驗(yàn)是通過測量電纜絕緣層的擊穿電壓確定電纜的老化狀態(tài)，從而計(jì)算電纜壽命的實(shí)驗(yàn)方法。選擇8個(gè)使用過的電纜(達(dá)到五級修標(biāo)準(zhǔn))，8個(gè)新的電纜。采用分布加壓法分別對其進(jìn)行試驗(yàn)。在測量之前需要對電纜進(jìn)行預(yù)處理，將電纜在23.5 ℃下存放24 h后，用專用固定裝置進(jìn)行固定，連接耐壓測試儀，對兩種電纜分別施加3 kV，6 kV的電壓，各自持續(xù)1 min和30 min，相鄰電壓比為q=1.32，電壓增加的速率為12 kV/min。直至電纜被電壓擊穿，切斷耐壓測試儀輸出并拆除固定裝置，記錄得到的相關(guān)數(shù)據(jù)。

電纜的壽命方程為：

Unt=C

(1)

式中：U為電纜施加的電壓；n為壽命時(shí)間指數(shù)；t為電纜壽命；C為常數(shù)。

根據(jù)式(1)，新舊電纜的壽命表達(dá)式分別為:

[un+qnun+…+q(p1-1)nun]T1+qp1nunt1=C

(2)

[un+qnun+…+q(p2-1)nun]T2+qp2nunt2=C

(3)

式中：T1，T2測試時(shí)間；p1，p2開始至擊穿所需步數(shù)；t1，t2最后一步持續(xù)時(shí)間。

表3 擊穿電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)擊穿電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，達(dá)到五級修的車頂高壓螺旋電纜(運(yùn)行3年)的平均擊穿電壓比新的電纜要減少大約50%。假定在該實(shí)驗(yàn)中，車頂高壓螺旋電纜的擊穿電壓成線性退化，則對于運(yùn)行3年的舊電纜再運(yùn)行3年后，平均擊穿電壓將再降50%，電纜的擊穿電壓約為14.73～18.61 kV。運(yùn)行3年的車頂高壓螺旋電纜的擊穿電壓是額定電壓為5 kV，運(yùn)行電壓為3.52 kV的4.2倍，運(yùn)行6年則為2.1倍，根據(jù)相關(guān)規(guī)定需要對其進(jìn)行替換。所以推測剩余壽命是3～6年之間[8]。

2.2 數(shù)學(xué)模型與剩余壽命評估

本文是基于阿倫尼斯方程推導(dǎo)各相關(guān)因素之間的關(guān)系，本文利用對數(shù)形式的多元非線性回歸分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)阿倫尼斯方程:

(4)

將方程變形可得:

(5)

運(yùn)用數(shù)據(jù)分析軟件Matlab，對熱老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得出車頂高壓螺旋線的斷裂伸長保留率率隨老化時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。

由圖1可以看出，在同一老化溫度下，斷裂伸長率保留率隨老化時(shí)間的增加而下降。老化溫度越高，斷裂伸長率保留率下降越快。擬合公式如下：

(6)

對式進(jìn)行公式變換，得到關(guān)于時(shí)間對數(shù)的公式:

(7)

(8)

經(jīng)計(jì)算，車頂高壓螺旋線在達(dá)到五級修(運(yùn)行3年)后，在相對空氣濕度為75%，振動頻率為35 Hz，運(yùn)行溫度為85 ℃(最高運(yùn)行溫度)的環(huán)境中，剩余壽命為3.8年，符合擊穿對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 熱老化數(shù)據(jù)擬合圖像

3 結(jié) 語

本文是針對動車車頂高壓螺旋電纜剩余壽命進(jìn)行研究，通過對電纜進(jìn)行熱老化實(shí)驗(yàn)，擊穿電壓對比實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。利用擊穿電壓對比實(shí)驗(yàn)計(jì)算電纜剩余壽命的大致范圍。基于阿倫尼斯方程，根據(jù)熱老化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Matlab擬合得出老化試樣的斷裂伸長保留率隨時(shí)間變化的圖像及退化模型。然后將新電纜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的性能失效值作為使用中電纜實(shí)驗(yàn)性能失效評判標(biāo)準(zhǔn)值，對使用中的電纜的剩余壽命進(jìn)行計(jì)算，得到相對精確的剩余壽命。本文所提出的剩余壽命預(yù)測模型，雖然在一定程度上可以對電纜的剩余壽命進(jìn)行評估，但同樣存在缺點(diǎn)。如本實(shí)驗(yàn)屬于定性實(shí)驗(yàn)，缺乏實(shí)驗(yàn)精度；文中性能參數(shù)的選擇，是建立在性能參數(shù)不相互影響的基礎(chǔ)上的。總之，剩余壽命評估技術(shù)研究做為預(yù)測與健康管理的一項(xiàng)核心問題，不論其理論還是實(shí)際應(yīng)用，仍有許多問題懸待解決。