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。
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。
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。
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)。
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。