- 頭條軌道交通車輛用電纜絕緣材料熱老化壽命評估的新方法2022-03-30 作者：王春鋒、周佳龍 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語哈爾濱理工大學材料科學與工程學院、中天科技裝備電纜有限公司等單位的研究人員王春鋒、周佳龍 等，在2021年第12期《電氣技術》雜志上撰文，研究軌道交通車輛用低煙無鹵阻燃電纜材料的老化特性，并評價電纜在服役過程中絕緣材料的可靠性。研究結果顯示，以抗拉強度為依據推導出的老化壽命小于按斷裂伸長率為依據推導的壽命；起始氧化活化能隨材料的老化程度不同而發生變化，通過DSC獲得的活化能不適宜用來推導材料的老化壽命，但可作為材料老化狀態的重要參考指標。
城市化進程的不斷推進給城市軌道交通的發展提供了新機遇與挑戰。電線電纜作為能源和信息的載體，在軌道交通領域起著重要的作用。軌道交通車輛用電纜通常指用于軌道交通車輛車體布線或車載設備間的連接線，根據應用可分為傳輸電能的電力電纜、傳遞信號的控制電纜，以及傳輸信息的通信網絡電纜。
在軌道交通發展初期，中車集團引進了德國、法國、日本及加拿大相關技術進行軌道交通車輛設計與制造，由于各技術平臺及設計理念不同，所造車型各不相同，因此引進的原型車所搭載的電纜也各不相同。隨著自主化研發能力的不斷提升，中國標準化動車組被成功研制，其使用的電纜為歐標系列市場主流電纜。
市場上現有的軌道交通車輛用電纜產品主要包括：歐標EN 50264、EN 50306、EN 50382系列電纜；國標GB/T 12528系列電纜及TJ/CL 254、TJ/CL 313技術要求電纜。其中，歐標EN 50382、EN 50264、EN 50306、MVB、WTB、CAT系列電纜用量最大。
絕緣材料及護套材料作為電纜的關鍵材料，需要具備優良的力學性能、耐高低溫、耐環境介質、阻燃等性能，技術含量高、開發難度大，目前主要依賴進口材料。作為絕緣材料和護套材料主要成分的聚烯烴材料屬于易燃高分子材料，燃燒熱量大，易產生熔滴，導致極大的安全隱患；其要求應用環境具有低煙、無鹵特性，增加了材料的阻燃技術難度，使阻燃技術成為電線電纜絕緣材料和護套材料開發過程中的關鍵技術之一。
鑒于健康、環境保護和安全等發展需求，以及越來越嚴格的法律法規限制，低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料（halogen-free flame retardant polyolefin, HFFRPO）得到快速發展和廣泛應用。
軌道交通車輛用電纜在服役過程中受到機械、油特別是其工作過程中產生的熱量等多種環境因素的共同作用，絕緣材料逐漸老化導致其電氣性能、力學性能等降低，當性能下降至一定程度后，會破壞軌道交通的正常運行，造成安全隱患，因此進行絕緣材料熱老化壽命評估對軌道交通的重要性不言而喻。
一般可將絕緣材料的熱老化壽命評估方法劃分為兩類：一類是基于熱老化試驗的常規壽命評估方法，該方法可靠性較高，但需要在幾個恒定的溫度下進行老化試驗并按期檢測性能指標的變化，試驗周期長、占用人力物力多、耗能大，對新產品的開發和應用來說，評估結果反饋嚴重滯后，如時溫平移法；另一類是基于熱分析技術的快速熱老化壽命評估方法，如差式掃描量熱法（differential scanning calorimetry, DSC）、熱重分析（thermo- gravimetry, TG）法、熱重點斜（thermogravimetric point slope, TPS）法等方法，這類方法檢測過程簡單、時間短且樣品需求量少，能夠對線纜老化現象進行快速評估。
對于工作中經常受到電、熱和機械等因素作用而老化的絕緣材料，如電機中定子絕緣材料，常采用回歸分析、智能算法及數據采集方法進行老化壽命的分析。對于輸電網絡中應用的交聯聚乙烯絕緣電纜，目前超低頻介質損耗法可以檢測電纜的大部分缺陷，并能夠衡量電纜總體的工作狀態及絕緣材料的老化狀態。此外，通過絕緣材料本身理化特征的變化能夠反映絕緣材料的老化程度，此方法對于交聯聚乙烯絕緣材料較為適用。
在材料長期服役過程中，樹脂材料中的樹脂部分會發生氧化，而無鹵阻燃聚烯烴材料內含有較多阻燃劑，阻燃劑穩定性較好不會發生氧化。因此，用TG法和TPS法來研究低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料的熱老化行為會受到內部阻燃劑的影響。
哈爾濱理工大學等單位的研究人員以低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜料（HFFRPO）為研究對象，采用常規熱老化壽命評估方法獲得熱老化的基礎數據，用Boltzmann模型對熱老化數據進行擬合并推導力學性能參數變化至50%時的時間參數，以此為依據擬合出老化壽命曲線。此外，利用差式掃描量熱法（DSC）獲得活化能計算HFFRPO材料的老化壽命。
圖1 兩種熱老化壽命曲線的比較
他們最后得到以下結論：
1）采用Boltzmann模型擬合常規老化方法獲得的熱老化數據，擬合后的抗拉強度保留率及斷裂伸長率保留率為50%時所對應的時間較為接近，擬合效果較好，以此為依據推導材料在90℃工作的老化壽命分別為28.2年和47年。
2）以非等溫DSC熱氧老化方法獲得的活化能為依據推導出的老化壽命較常規法偏離較大，不適合用于無鹵阻燃電纜材料老化壽命的計算，但材料活化能的變化與材料老化狀態密切相關，通過活化能的變化可反映材料的氧化程度。
因此，對于添加助劑較多的低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜材料，基于常規老化方法以力學性能指標保留率為壽命評價標準，能夠獲得符合實際應用情況的老化壽命；基于活化能計算的壽命結果偏離較大，不適合對低煙無鹵阻燃聚烯烴電纜材料進行壽命評估。
本文編自2021年第12期《電氣技術》，論文標題為“軌道交通車輛用電纜絕緣材料熱老化壽命評估方法”，作者為王春鋒、周佳龍 等。
