動車組高壓跨接電纜加速壽命試驗研究

劉博 李振輝

摘要：高壓跨接電纜作為動車組動力系統(tǒng)的重要部件，直接決定了動車組能否平穩(wěn)運行。本文對動車組高壓跨接電纜進(jìn)行了溫度-振動雙維度的加速壽命試驗，建立了溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力的函數(shù)與某壽命特征的對數(shù)函數(shù)的加速壽命模型，通過極大似然函數(shù)方法求解模型中的未知參數(shù)，獲得電纜在常溫、正常振動頻率時的使用壽命。

Abstract： As an important part of the power system of EMU， the high voltage jumper cable directly determines the stable operation of EMU. In this paper， the temperature vibration dual dimension accelerated life test of EMU high-voltage jumper cable is carried out. The accelerated life model of temperature stress， vibration stress function and logarithmic function of a certain life feature is established. The unknown parameters in the model are solved by the maximum likelihood function method to obtain the service life of the cable at normal temperature and normal vibration frequency.

關(guān)鍵詞：跨接電纜;加速壽命試驗;電纜老化;使用壽命

Key words： jumper cable;accelerated life test;cable aging;service life

0 ?引言

近年來，我國高速動車組取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，對整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求也越來越高，作為動車組的“主動脈”，高壓跨接電纜的使用壽命對動車組能否平穩(wěn)運行具有直接影響。但目前動車組高壓跨接電纜只能依靠工人經(jīng)驗進(jìn)行更換和維修，缺少科學(xué)定量的更換依據(jù)，導(dǎo)致高鐵行業(yè)耗費了大量的人力，物力和財力。

因此，本文根據(jù)跨接電纜的實際工作環(huán)境和失效機(jī)理對跨接電纜使用壽命進(jìn)行了深入分析，提出一種高溫疊加振動的加速壽命試驗方法，對動車組高壓跨接電纜的使用壽命進(jìn)行評估，最終獲得電纜正常情況下的使用壽命，并為高鐵動車組合理的更換跨接電纜提供了科學(xué)依據(jù)。

1 ?試驗設(shè)計

動車組高壓跨接電纜位于兩輛動車之間的車頂部，長期受到太陽光照射、風(fēng)沙侵蝕、工業(yè)廢氣造成的化學(xué)侵蝕等外部影響，以及內(nèi)部高壓電流產(chǎn)生的熱量和動車組常規(guī)工作形成的機(jī)械振動等內(nèi)部影響，其工作環(huán)境惡劣且復(fù)雜?？缃与娎|由雙螺旋電纜線，電纜接頭、夾鉗和支架、中間薄板、末端板、螺栓等子部件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通過對跨接電纜的一系列初步試驗，對新電纜和四級修淘汰下來的報廢件進(jìn)行對比分析，其直流電阻、絕緣電阻、耐電壓、介電強(qiáng)度等電學(xué)性能并沒有特別明顯的下降，夾鉗和支架等剛性子部件也沒有明顯機(jī)械性能的下降，整個部件最先發(fā)生老化失效的部分就是兩根螺旋結(jié)構(gòu)電纜。基于“木桶原理”，最先發(fā)生失效而導(dǎo)致整個動車組跨接電纜失效的子部件，其使用壽命就是整個部件的使用壽命[1]。

一般的電纜老化主要是電纜絕緣層老化，主要有熱老化、濕度老化、化學(xué)老化等，但動車組高壓跨接電纜的工作環(huán)境的特殊性，其老化不同于一般的高壓電纜老化，其電纜老化失效的主要成因是由于輸送高壓電流產(chǎn)生的熱量引起的老化，以及動車組高速運行時產(chǎn)生的振動應(yīng)力引起的振動老化。在電纜的老化過程中，化學(xué)材料不斷降解，電纜的一些物理特征比如斷裂伸長保留率和抗拉強(qiáng)度就會出現(xiàn)性能下降[2]。

針對電纜老化成因設(shè)計溫度-振動加速壽命試驗，采用定時截尾恒定應(yīng)力的試驗方法，并以斷裂伸長保留率作為壽命終點指標(biāo)。

電纜外層絕緣材料為聚乙烯材料，具有良好的耐熱性，耐老化性和優(yōu)異的機(jī)械性能。電纜主要參數(shù)為，單組尺寸：1150mm×21.5mm;重量：16kg;儲藏時溫度：-25°C到

+80°C;濕度：75%到95%;電纜外層為絕緣層，內(nèi)部是金屬電纜，本文所研究的絕緣層厚度為1.5 mm。試驗樣件一般選取多根電纜的相同位置，并對樣件進(jìn)行標(biāo)記。電纜老化試驗樣件制備采用國標(biāo)GB/T528-2009的規(guī)定，通過如下方法截?。翰捎秒娎|護(hù)套切割機(jī)從被測試動車雙螺旋電纜絕緣線芯上切取約75mm長的成啞鈴型樣件。然后用酒精擦拭電纜絕緣層表面，去除附在表面的雜質(zhì)。

試驗選用溫度-濕度-振動三綜合試驗箱，可以精準(zhǔn)穩(wěn)定的控制溫度、濕度、振動頻率，能夠盡量接近動車組跨接電纜的實際工況。選用拉力試驗機(jī)對試驗老化后的電纜進(jìn)行拉伸試驗，最后對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

由于已知跨接電纜工作最高溫度為90℃，加速壽命試驗溫度根據(jù)實際需求分別選擇為110℃、130℃、150℃和170℃。另外，根據(jù)前期掌握的電纜振動試驗經(jīng)驗和振動設(shè)備的振動應(yīng)力范圍，振動應(yīng)力分別選取0.2g2/Hz、0.4g2/Hz、0.6g2/Hz和0.8g2/Hz;試驗分為A、B、C三組，根據(jù)均勻正交試驗設(shè)計理論，確定溫度-振動的多因子應(yīng)力加速壽命試驗方案如表2所示。在該試驗中，每個試樣編號試樣選4個樣件，以溫度和振動作為加速應(yīng)力，進(jìn)行加速壽命試驗，按照試驗安排，定期檢查電纜的失效狀況，并記錄電纜試驗壽命時間數(shù)據(jù)。

檢測時間點的確定，在各溫度-振動下需要設(shè)置一定的時間檢測點來檢測電纜的各項參數(shù)，用以判斷電纜失效與否，各溫度下的檢測時間點時間間隔如表3所示。

2 ?試驗過程

試驗中樣件壽命終點的選擇是根據(jù)跨接電纜絕緣材料的斷裂伸長保留率這一特性。同時，根據(jù)IEC60216標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將雙螺旋電纜用絕緣材料的斷裂伸長保留率數(shù)值的50%作為加速壽命試驗的終止點，超過該閾值則判定為失效。

根據(jù)試驗計劃的安排，首先在溫度-振動試驗臺上設(shè)定各組溫度及振動參數(shù)，然后把樣件按照批次進(jìn)行試驗，在試驗過程中定期檢查樣件的失效狀況，并保持記錄。具體試驗參數(shù)按表2進(jìn)行加速壽命試驗，以定時截尾恒定應(yīng)力方式采集電纜試驗樣件壽命數(shù)據(jù)信息。在各溫度-振動作用下，各試驗小組檢測點累積失效個數(shù)如下圖所示，其中第A組下失效12個，B組失效12個，C組下失效16個。從圖4中可以看出，隨著檢測次數(shù)的增加，即試驗時間增加，樣件失效的數(shù)量逐漸增多。

3 ?數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

將表2中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件進(jìn)行處理得到如圖5所示的溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力下的壽命特征的分布圖，從圖中可以看出，溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力的函數(shù)中（s）常與壽命特征（斷裂伸長保留率）的對數(shù)ln呈線性關(guān)系[3]。此時加速壽命模型為：

式中，c=lnA，d=E/R，？濁為壽命特征（斷裂伸長保留率），A為常數(shù);E為活化能;R為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度。

對圖5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，由加速壽命模型計算可得：

則在溫度60℃，振動0.63Hz下的特征壽命形狀參數(shù)為：

可靠度函數(shù)為：

由可靠度函數(shù)可知，在可靠度為 0.995 時，動車組電纜壽命時間為72270小時，約為 8.25 年，即：t=8.25年。參考該動車組電纜開具的合格證明文件，與其中標(biāo)明的一般貯存時間 7-12年相比，計算結(jié)果與實際情況大體一致，說明本文所提方法是有效和可靠的。

4 ?結(jié)論

本文對動車組高壓跨接電纜進(jìn)行了溫度-振動加速壽命試驗，建立了溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力的函數(shù)與某壽命特征的對數(shù)ln函數(shù)的加速壽命模型。采用極大似然函數(shù)方法求解模型中的未知參數(shù)，并外推得到電纜在常溫下和正常振動頻率的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂事桂，楊立，李偉華.船用橡膠電纜整體老化剩余壽命研究[J].船海工程，2010，39（4）：37-39.

[2]Wang Hexun，Ji Yulong，Liu Gaishi，et al. Accelerated aging experiment and remaining lifetime analysis of insulation for Cxf type-cable on vessels[J]. Gao dianya Jishu / High Voltage Engineering，2013，39（8）：1886-1892.

[3]茆詩松.加速壽命試驗的加速模型[J].質(zhì)量與可靠性，2003 （2）：15-17.

[4]胡俊祥，羅昭強(qiáng)，馬松林.高速列車電線電纜的質(zhì)量檢驗問題探析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（08）：147-149.

作者簡介：劉博（1995-），男，吉林公主嶺人，碩士研究生（在讀），研究方向為現(xiàn)代檢測理論與技術(shù)。