城市軌道交通車輛的使用壽命一般要求為30a。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15a，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110V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，國內(nèi)對車載線纜的壽命分析方法尚處于發(fā)展階段，對已裝車線纜的壽命分析幾乎處于空白階段，展開針對車載線纜的壽命評(píng)估方法研究十分必要。線纜的測試評(píng)估一般分為離線測試和在線測試。
在線測試需要對復(fù)雜的電氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，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)致檢測結(jié)果的失真或不準(zhǔn)確；此外，需要對線纜進(jìn)行電氣測試和接線操作，存在較高的電氣安全風(fēng)險(xiǎn)；在運(yùn)營狀態(tài)下對線纜進(jìn)行在線檢測可能會(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，一般采用離線測試的方法。
在車載線纜壽命評(píng)估的相關(guān)研究中，絕大多數(shù)只是對線纜進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，獲得其理論剩余使用壽命。然而，這種方法的時(shí)間周期較長，工程實(shí)際應(yīng)用較少，且車載線纜數(shù)量較多，無法對全部線纜進(jìn)行壽命評(píng)估試驗(yàn)。
因此，本工作針對上海地鐵的實(shí)際運(yùn)營情況，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)對線纜進(jìn)行檢測，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。
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，延長線纜使用壽命，對保證城市軌道交通車輛的安全運(yùn)行具有重要意義。
熱老化
軌道交通部分車載線纜的工作電壓可達(dá)1500V，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。
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。電樹枝見圖1（a）。
當(dāng)有水分滲入其中后，長期在電應(yīng)力和水分的共同作用下，線纜絕緣層中會(huì)產(chǎn)生呈樹狀生長的充水微孔，形成水樹枝，使得絕緣材料發(fā)生分解，失去絕緣效果。水樹枝見圖1（b）。
圖1 電樹枝和水樹枝
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，缺陷會(huì)發(fā)展成樹枝通道，降低絕緣性能。
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)對線纜造成影響，加快線纜老化速率，降低線纜的使用壽命。
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300V，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600V或1800V，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 1800V或3600V，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)Τ丝彤a(chǎn)生安全隱患。因此，對線纜進(jìn)行評(píng)估，保證線纜安全可靠運(yùn)行，對地鐵車輛的重要性不言而喻。
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）長期持續(xù)的陽光暴曬，如裸露在車頂?shù)氖茈姽€纜。長期持續(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)通常以斷裂伸長率下降至初始性能的50%為判定基準(zhǔn)。
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。
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，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、斷裂伸長率等）和電氣性能（如耐壓強(qiáng)度、絕緣電阻等）。
環(huán)境應(yīng)力
上海地鐵所處的環(huán)境相對惡劣，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。
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，對全部車載線纜進(jìn)行測試和老化評(píng)估難度較大。因此，通過對線纜進(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。
圖2 車載線纜分類評(píng)估規(guī)則
線纜外觀檢查。對線纜進(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，對其進(jìn)行狀態(tài)測試或老化評(píng)估分析。
狀態(tài)評(píng)估。對線纜進(jìn)行狀態(tài)測試，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)。測試線纜在不同老化溫度下的壽命，并對老化溫度和相關(guān)壽命的測試數(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。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
結(jié)合現(xiàn)場需求，充分考慮工程實(shí)用性，對篩選出的線纜進(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)
地鐵車輛一般每10a會(huì)進(jìn)行一次架大修。在架大修期間，對運(yùn)營約10a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?？梢詫Υ祟惥€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?？梢詫ζ溥M(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?？缃泳€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。
《電線電纜》 1958 年正式創(chuàng)刊，上海電纜研究所有限公司主辦，是電線電纜行業(yè)的電工技術(shù)類科技期刊。及時(shí)、全面地刊載國內(nèi)外電線電纜行業(yè)專業(yè)領(lǐng)域的新理論、新方法、新技術(shù)、新成果，引導(dǎo)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究融會(huì)貫通，推動(dòng)學(xué)科交叉融合，為電線電纜的研究、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用等方面構(gòu)建學(xué)術(shù)交流和科技開放平臺(tái)。主要欄目有綜述、線纜產(chǎn)品、線纜材料、測試技術(shù)、敷設(shè)運(yùn)行、工藝設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)交流等。歡迎來稿!
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來源 | 上纜所傳媒
編輯 | 常 佳
審核 | 何曉芳
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