城市轨道交通车辆的使用寿命一般要求为30a。随着上海城市轨道交通的建设发展，将近一半车辆的使用年限已超过15a，线缆故障时有发生。然而，车载导线、线缆均为车辆的预埋件，大多布置在车辆线槽中，且难以更换。车辆运行环境相对恶劣，由于负载波动、湿热环境、振动、检修拆装等因素，不可避免地会造成部分线缆寿命下降。例如，6、7、8、9号线车辆电气柜内的110V线缆出现绝缘层破损，导线裸露；2号线车辆线缆均存在热老化、破损现象等。
目前，国内对车载线缆的寿命分析方法尚处于发展阶段，对已装车线缆的寿命分析几乎处于空白阶段，展开针对车载线缆的寿命评估方法研究十分必要。线缆的测试评估一般分为离线测试和在线测试。
在线测试需要对复杂的电气参数进行实时监测，但在地铁车辆运行期间，线缆受到多种因素的影响，如高温、湿度、振动等，可能会导致检测结果的失真或不准确；此外，需要对线缆进行电气测试和接线操作，存在较高的电气安全风险；在运营状态下对线缆进行在线检测可能会干扰线路供电，甚至会引发火灾、短路等严重事故。因此，线缆的在线评估应用较为困难，一般采用离线测试的方法。
在车载线缆寿命评估的相关研究中，绝大多数只是对线缆进行热老化试验，获得其理论剩余使用寿命。然而，这种方法的时间周期较长，工程实际应用较少，且车载线缆数量较多，无法对全部线缆进行寿命评估试验。
因此，本工作针对上海地铁的实际运营情况，从线缆特点、运行环境、机械应力、线缆外观等角度对地铁线缆进行分析，筛选出需要评估的线缆；根据执行标准对线缆进行检测，获取线缆的状态，从而制定一套科学合理、工程实用的寿命评估规则，以优化车辆检修方案。
车载线缆老化机理
轨道交通车载线缆在车辆运行过程中，受各种恶劣工况的影响，绝缘材料的化学结构和成分会发生变化，影响线缆的物理参数（如强度、颜色、硬度等），容易出现绝缘老化。
线缆的绝缘老化是影响轨道交通车载线缆使用寿命的主要因素之一。线缆绝缘的老化方式包括热老化、电老化、机械老化和环境老化等。研究线缆绝缘的老化机理和影响因素，可以保护线缆绝缘，延长线缆使用寿命，对保证城市轨道交通车辆的安全运行具有重要意义。
热老化
轨道交通部分车载线缆的工作电压可达1500V，工作温度能够达到90℃以上。当线缆负载过大或发生短路故障时，线缆绝缘的工作温度会在短时间内迅速升高。线缆绝缘长期在高温环境下工作，不仅绝缘材料容易发生氧化降解和热降解，还会降低绝缘材料的相对分子质量；高温能够加快化学反应速率，加速线缆绝缘材料性能的劣化，进而降低线缆的绝缘性能和使用寿命。
电老化
若线缆绝缘存在缺陷，如气泡、划痕、杂质等，当线缆承受高电压时，电荷会在绝缘缺陷处堆积，当堆积到一定程度后，就会发生放电现象，严重的话会导致绝缘被击穿，引起线缆的电老化。
引起线缆绝缘电老化的因素有很多，均会导致其在绝缘缺陷处形成局部放电。当放电持续一定时间后，就有可能形成贯穿性导电通道，形成电树枝。电树枝见图1（a）。
当有水分渗入其中后，长期在电应力和水分的共同作用下，线缆绝缘层中会产生呈树状生长的充水微孔，形成水树枝，使得绝缘材料发生分解，失去绝缘效果。水树枝见图1（b）。
图1 电树枝和水树枝
机械老化
城市轨道交通车载线缆在敷设和车辆运行过程中，可能会受到摩擦、弯曲、机械振动、外力挤压等应力的作用。当以上应力作用在线缆的绝缘层时，从线缆外观可能无法看出明显损伤，线缆整体性能也不会下降。但是，在线缆绝缘的受力集中处容易出现微小缺陷，缺陷的存在会导致电荷堆积，从而发生局部放电，随着时间的延长，缺陷会发展成树枝通道，降低绝缘性能。
环境老化
环境因素是影响线缆绝缘老化的主要因素之一。线缆所处环境恶劣会加快线缆的老化速率。调研显示，紫外线辐射、臭氧氧化、潮湿、酸碱盐雾、油污等均会对线缆造成影响，加快线缆老化速率，降低线缆的使用寿命。
上海地铁车载线缆以欧洲标准线缆（EN50306、EN50264、EN50382）为主。EN50306系列线缆为薄壁线缆，电压等级为300V，主要作为列车的控制线缆使用；EN50264系列线缆的电压等级为600V或1800V，主要作为列车的动力线缆使用；EN50382系列线缆的电压等级为 1800V或3600V，主要作为列车的高压供电线缆使用。
车载线缆作为城市轨道交通车辆的神经，对车辆的安全运行具有重要意义。车载线缆在服役过程中易受机械应力、工作自身产生的热量等多种因素的共同作用，使得绝缘材料逐渐老化，从而降低线缆的力学性能和电气性能。当线缆的性能下降至一定程度后，就会影响车辆的运行，甚至会对乘客产生安全隐患。因此，对线缆进行评估，保证线缆安全可靠运行，对地铁车辆的重要性不言而喻。
热应力
温度是影响线缆绝缘材料寿命的关键因素。线缆绝缘温度主要与线缆敷设方式和数量、线缆周边环境温度、导体工作温度等因素有关。在城市轨道交通车载线缆中，以下情况易导致线缆温度升高，从而加快线缆的老化。
1）线缆承载的电流过大，导致线缆导体发热，绝缘材料温度上升。例如，牵引系统的三相电机线缆，负责为牵引电机提供动力，从逆变器输出的电流可达上百安；在车辆运行期间，辅助逆变器长时间向全车的空调、压缩机、电灯等辅助设备持续供电。
2）部分车载线缆贴近高温设备。例如，接地电阻发热，使得连接接地电阻的线缆温度升高；制动电阻在地铁车辆制动过程中吸收大量的热量，使得制动电阻线缆的温度升高。
3）动力线缆排列过于紧密或数量较多，在车辆运行时，线缆自身发热，由于散热性能较差，使得线缆周围环境温度升高。例如，列车车底的中压母线与多根线缆成束排列在线槽内部、车顶的空调动力线缆封闭在波纹管内部等，均会导致线缆周围的环境和线缆绝缘温度升高。
4）长期持续的阳光暴晒，如裸露在车顶的受电弓线缆。长期持续的高温使得线缆绝缘材料的结构和性能发生变化，出现热老化现象，进而导致线缆的性能劣化。车载线缆的热老化主要表现为绝缘材料的抗张强度、断裂伸长率等机械性能下降，如线缆热老化寿命试验通常以断裂伸长率下降至初始性能的50%为判定基准。
电应力
车载线缆绝缘层存在缺陷时，电荷会在缺陷处堆积，达到一定程度后就会引起线缆电老化，使得线缆绝缘被击穿。例如，车辆车底车轮附近线缆，长期裸露无防护，随着车辆的运行，泥水、污渍会从车轮甩到线缆上，并在其表面堆积，损伤线缆表面，电荷在损伤处累积，引起线缆局部电老化。
线缆电老化主要表现为线缆的耐压强度、绝缘电阻等电气性能的下降。当线缆被击穿或绝缘电阻下降至规定范围之外时，线缆就会失效。
机械应力
车载线缆在敷设、运行过程中，难免会受到机械应力的影响，对线缆绝缘造成损伤，从而降低线缆的绝缘性能。
例如，跨接线缆裕量长，悬空在两节车厢间，当车辆运行或转弯时，随着车辆的运行而频繁晃动，承受额外的机械应力；设备柜内部空间有限，而线缆数量众多，不得不弯折，其弯折程度较为严重时，也会受到额外的机械应力；当线缆在敷设过程中发生扭曲时，线缆绝缘表面隆起形成褶皱，从而降低线缆的绝缘性能；地铁车辆在运行过程中受到振动和冲击，特别是在起停或经过过渡区域时，对线缆产生额外的应力，导致线缆磨损、断裂，或连接部件松动。
因此，线缆在承受额外的机械应力时，产生缺陷或发生形变，影响线缆的机械性能（如抗张强度、断裂伸长率等）和电气性能（如耐压强度、绝缘电阻等）。
环境应力
上海地铁所处的环境相对恶劣，如紫外线强烈、潮湿、车道内部环境密闭、污染物较多、车上油污严重等。裸露的线缆在长期工作时，如果不加以保护，就会降低绝缘材料的性能，加快线缆的老化。
1）表面油污。当线缆受到油污污染时，油污可能会渗入绝缘层中，导致绝缘性能下降；油污中的物质可能会与线缆材料发生反应，使其变脆、硬化、劣化，加速线缆的老化过程，如车门电机附近线缆。
2）阳光直射。线缆长期暴露在阳光下时，绝缘材料可能发生老化、劣化和硬化，导致绝缘性能下降。紫外线也可能会使线缆变脆、易碎，导致线缆的力学性能（如抗拉强度和耐冲击性能）下降，如车顶裸露的线缆。
3）雨水或冷凝水。雨水或冷凝水渗入绝缘层后，会导致绝缘性能下降；此外，雨水会加速线缆导体的氧化，腐蚀线缆的绝缘材料，使得线缆受到损伤。例如，车顶裸露的线缆容易受到雨水的影响；空调附近的线缆容易受到冷凝水的腐蚀。
线缆遭受环境应力后，其机械性能（如抗张强度、断裂伸长率等）和电气性能（如耐压强度、绝缘电阻等）均会受到影响而下降。
线缆故障直接影响车辆运行的可靠性和安全性，一旦被动出现故障，将耗费大量人力、财力和时间成本对车辆进行整改和维修。因此，需要研究车载线缆寿命状态的评估方法，作为线缆质量考核和维修策略制定的依据。
由于地铁车辆上线缆种类多、数量大，对全部车载线缆进行测试和老化评估难度较大。因此，通过对线缆进行检查分析，包括线缆外观、运行环境、机械应力等，筛选出需要评估的线缆，设置线缆状态评估试验，以完成对线缆的评估。
结合现有的线缆寿命评估方法和线缆现场情况的统计分析，制定车载线缆分类评估规则，见图2。
图2 车载线缆分类评估规则
线缆外观检查。对线缆进行常规检查，初步判断外观是否有明显异常。例如，线缆颜色异常、严重褪色；线缆破损、导体裸露；线缆大面积皲裂；线缆护套发脆、发硬、掉皮；接线端子存在烧焦痕迹、变色。当出现以上情况时，建议直接更换线缆。对没有明显异常的线缆进行下一步分析判断。
工程实用性分析。从车辆安装布局造成的运行环境（如热应力、阳光直射、雨水、冷凝水、臭氧、酸碱、油污、化学腐蚀等）、机械应力（如过度弯曲、晃动、褶皱、拉伸等）等角度，筛选出地铁车辆工作环境较恶劣的线缆，对其进行状态测试或老化评估分析。
状态评估。对线缆进行状态测试，如电气性能试验、机械性能试验、环境试验等。此类试验的试验周期较短，可以快速判断线缆当前的状态是否满足标准规定的性能要求。
加速老化试验。测试线缆在不同老化温度下的寿命，并对老化温度和相关寿命的测试数据进行拟合，利用Arrhenius方程推算其理论剩余使用寿命，有助于线缆的维修保养和使用寿命的延长。其中，热老化试验可以评估线缆服役过程中的可靠性，热老化试验流程见图3。
图3 热老化试验评估流程
结合现场需求，充分考虑工程实用性，对筛选出的线缆进行电气试验、机械性能试验、环境试验和热老化试验。其中，电气试验方法及参考标准见表1，机械性能试验、环境试验方法及参考标准见表2。
表1 电气试验方法及参考标准
表2 机械性能试验、环境试验方法及参考标准
地铁车辆一般每10a会进行一次架大修。在架大修期间，对运营约10a的上海13号线地铁车辆上的线缆进行检查分析，主要包括车顶、车底、车厢内顶部盖板、设备柜等位置的线缆。经检查，车载线缆外观完整性良好，无明显异常。进一步对线缆进行分析，部分线缆评估规则如下。
1）牵引电机线缆。从牵引逆变器到牵引电机的线缆为动力线缆，电流大，负载高；线缆数量较多，排列紧密，散热性能较差，受热应力影响较大；牵引电机线缆安装固定在车底线槽之内，不易获取。可以对此类线缆进行热老化试验，评估其剩余使用寿命。
2）受电弓线缆。受电弓线缆裸露在车顶，易受日光直射、雨水等气候条件的影响，发生热老化和环境老化；线缆较短，易更换。可以对其进行电气性能试验和机械性能试验，评估其当前状态。
3）车门附近的线缆。车门附近有电机和丝杠，附近线缆的表面容易附着油污，油污会对线缆的绝缘寿命造成影响。因此，除了进行电气性能试验和机械性能试验外，还应对其进行油料等环境试验，评估其在油料污染情况下的线缆状态。
4）跨接线缆。跨接线缆是随着车辆运行机械运动最多的线缆，不可避免地会造成机械损伤。可以进行机械性能试验和电气性能试验，评估其绝缘状态，保证线缆的安全运行。
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来源 | 尊龙人生就是博传媒
编辑 | 常 佳
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