动车组高压跨接电缆加速寿命试验研究

刘博 李振辉

摘要：高压跨接电缆作为动车组动力系统的重要部件，直接决定了动车组能否平稳运行。本文对动车组高压跨接电缆进行了温度-振动双维度的加速寿命试验，建立了温度应力和振动应力的函数与某寿命特征的对数函数的加速寿命模型，通过极大似然函数方法求解模型中的未知参数，获得电缆在常温、正常振动频率时的使用寿命。

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.

关键词：跨接电缆;加速寿命试验;电缆老化;使用寿命

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

0  引言

近年来，我国高速动车组取得了突飞猛进的发展，对整个电力系统的稳定性，安全性和经济性的要求也越来越高，作为动车组的“主动脉”，高压跨接电缆的使用寿命对动车组能否平稳运行具有直接影响。但目前动车组高压跨接电缆只能依靠工人经验进行更换和维修，缺少科学定量的更换依据，导致高铁行业耗费了大量的人力，物力和财力。

因此，本文根据跨接电缆的实际工作环境和失效机理对跨接电缆使用寿命进行了深入分析，提出一种高温叠加振动的加速寿命试验方法，对动车组高压跨接电缆的使用寿命进行评估，最终获得电缆正常情况下的使用寿命，并为高铁动车组合理的更换跨接电缆提供了科学依据。

1  试验设计

动车组高压跨接电缆位于两辆动车之间的车顶部，长期受到太阳光照射、风沙侵蚀、工业废气造成的化学侵蚀等外部影响，以及内部高压电流产生的热量和动车组常规工作形成的机械振动等内部影响，其工作环境恶劣且复杂。跨接电缆由双螺旋电缆线，电缆接头、夹钳和支架、中间薄板、末端板、螺栓等子部件组成，结构复杂。通过对跨接电缆的一系列初步试验，对新电缆和四级修淘汰下来的报废件进行对比分析，其直流电阻、绝缘电阻、耐电压、介电强度等电学性能并没有特别明显的下降，夹钳和支架等刚性子部件也没有明显机械性能的下降，整个部件最先发生老化失效的部分就是两根螺旋结构电缆。基于“木桶原理”，最先发生失效而导致整个动车组跨接电缆失效的子部件，其使用寿命就是整个部件的使用寿命[1]。

一般的电缆老化主要是电缆绝缘层老化，主要有热老化、湿度老化、化学老化等，但动车组高压跨接电缆的工作环境的特殊性，其老化不同于一般的高压电缆老化，其电缆老化失效的主要成因是由于输送高压电流产生的热量引起的老化，以及动车组高速运行时产生的振动应力引起的振动老化。在电缆的老化过程中，化学材料不断降解，电缆的一些物理特征比如断裂伸长保留率和抗拉强度就会出现性能下降[2]。

针对电缆老化成因设计温度-振动加速寿命试验，采用定时截尾恒定应力的试验方法，并以断裂伸长保留率作为寿命终点指标。

电缆外层绝缘材料为聚乙烯材料，具有良好的耐热性，耐老化性和优异的机械性能。电缆主要参数为，单组尺寸：1150mm×21.5mm;重量：16kg;储藏时温度：-25°C到

+80°C;湿度：75%到95%;电缆外层为绝缘层，内部是金属电缆，本文所研究的绝缘层厚度为1.5 mm。试验样件一般选取多根电缆的相同位置，并对样件进行标记。电缆老化试验样件制备采用国标GB/T528-2009的规定，通过如下方法截取：采用电缆护套切割机从被测试动车双螺旋电缆绝缘线芯上切取约75mm长的成哑铃型样件。然后用酒精擦拭电缆绝缘层表面，去除附在表面的杂质。

试验选用温度-湿度-振动三综合试验箱，可以精准稳定的控制温度、湿度、振动频率，能够尽量接近动车组跨接电缆的实际工况。选用拉力试验机对试验老化后的电缆进行拉伸試验，最后对试验数据进行处理分析。

由于已知跨接电缆工作最高温度为90℃，加速寿命试验温度根据实际需求分别选择为110℃、130℃、150℃和170℃。另外，根据前期掌握的电缆振动试验经验和振动设备的振动应力范围，振动应力分别选取0.2g2/Hz、0.4g2/Hz、0.6g2/Hz和0.8g2/Hz;试验分为A、B、C三组，根据均匀正交试验设计理论，确定温度-振动的多因子应力加速寿命试验方案如表2所示。在该试验中，每个试样编号试样选4个样件，以温度和振动作为加速应力，进行加速寿命试验，按照试验安排，定期检查电缆的失效状况，并记录电缆试验寿命时间数据。

检测时间点的确定，在各温度-振动下需要设置一定的时间检测点来检测电缆的各项参数，用以判断电缆失效与否，各温度下的检测时间点时间间隔如表3所示。

2  试验过程

试验中样件寿命终点的选择是根据跨接电缆绝缘材料的断裂伸长保留率这一特性。同时，根据IEC60216标准规定，将双螺旋电缆用绝缘材料的断裂伸长保留率数值的50%作为加速寿命试验的终止点，超过该阈值则判定为失效。

根据试验计划的安排，首先在温度-振动试验台上设定各组温度及振动参数，然后把样件按照批次进行试验，在试验过程中定期检查样件的失效状况，并保持记录。具体试验参数按表2进行加速寿命试验，以定时截尾恒定应力方式采集电缆试验样件寿命数据信息。在各温度-振动作用下，各试验小组检测点累积失效个数如下图所示，其中第A组下失效12个，B组失效12个，C组下失效16个。从图4中可以看出，随着检测次数的增加，即试验时间增加，样件失效的数量逐渐增多。

3  数据处理与结果分析

将表2中的数据导入Matlab软件进行处理得到如图5所示的温度应力和振动应力下的寿命特征的分布图，从图中可以看出，温度应力和振动应力的函数中（s）常与寿命特征（断裂伸长保留率）的对数ln呈线性关系[3]。此时加速寿命模型为：

式中，c=lnA，d=E/R，？浊为寿命特征（断裂伸长保留率），A为常数;E为活化能;R为玻尔兹曼常数;T为绝对温度。

对图5进行数据处理与分析，由加速寿命模型计算可得：

则在温度60℃，振动0.63Hz下的特征寿命形状参数为：

可靠度函数为：

由可靠度函数可知，在可靠度为 0.995 时，动车组电缆寿命时间为72270小時，约为 8.25 年，即：t=8.25年。参考该动车组电缆开具的合格证明文件，与其中标明的一般贮存时间 7-12年相比，计算结果与实际情况大体一致，说明本文所提方法是有效和可靠的。

4  结论

本文对动车组高压跨接电缆进行了温度-振动加速寿命试验，建立了温度应力和振动应力的函数与某寿命特征的对数ln函数的加速寿命模型。采用极大似然函数方法求解模型中的未知参数，并外推得到电缆在常温下和正常振动频率的使用寿命。

参考文献：

[1]吕事桂，杨立，李伟华.船用橡胶电缆整体老化剩余寿命研究[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]茆诗松.加速寿命试验的加速模型[J].质量与可靠性，2003 （2）：15-17.

[4]胡俊祥，罗昭强，马松林.高速列车电线电缆的质量检验问题探析[J].内燃机与配件，2018（08）：147-149.

作者简介：刘博（1995-），男，吉林公主岭人，硕士研究生（在读），研究方向为现代检测理论与技术。