- 頭條高寒環境下，低溫對高鐵電纜終端界面放電特性的影響2021-03-30 作者：白龍雷 周利軍 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語乙丙橡膠（EPR）電纜作為高鐵列車中應用最為廣泛的電纜類型，其終端在高寒環境下接連出現多起擊穿事故。為研究高寒環境下低溫條件對EPR電纜終端擊穿過程及界面間放電特性的影響，西南交通大學電氣工程學院，云南電網有限責任公司電力科學研究院的研究人員白龍雷、周利軍、邢立勐、李麗妮、項恩新，在2020年第3期《電工技術學報》上撰文，以實際運行中EPR電纜終端為試驗樣品，建立能夠模擬最低溫度可達-50℃的高壓低溫試驗系統，對比研究20~-40℃范圍內終端絕緣的局部放電特性及材料性質變化。 結果表明：高寒環境下，EPR絕緣層和應力控制管（SCT）的彈性模量與自由空間體積等性質的差異，導致二者間易出現結構性缺陷，誘使終端內部局部放電現象的出現；低溫條件下局部放電的起始電壓和熄滅電壓與常溫相比均降低40%以上，擊穿概率顯著增大，放電圖譜有明顯的形狀特征改變。經試驗驗證得出：高壓低溫條件下終端內部EPR/SCT界面間很容易出現結構不匹配現象，導致放電產生，嚴重威脅EPR電纜終端的安全穩定運行。
自從2008年中國進入高鐵時代至今，高速鐵路技術得到迅速發展。高鐵列車在各類惡劣環境條件中運行的情況越來越多地出現，導致以乙丙橡膠（Ethylene-Propylene Rubber, EPR）電纜為代表的列車供電系統的運行可靠性受到了極大挑戰，尤其是在高寒等極端天氣出現頻繁的地區，EPR電纜終端出現整體絕緣性能下降，擊穿事故頻發的現象，嚴重影響到列車的安全運行。
隨著“一帶一路”的建設，高鐵列車將在環境更為惡劣的中亞及西伯利亞地區運行，EPR電纜終端將面臨更加嚴苛的低溫環境考驗，對其運行可靠性提出了更高的要求。但是，目前有關EPR電纜在高寒環境下頻繁出現擊穿故障的原因，以及終端整體在低溫環境中的絕緣特征都不明確，使得高寒地區列車結構設計和試驗檢測均缺乏相關的理論依據，因此迫切需要開展高寒環境下EPR電纜終端擊穿過程及界面間放電特性的研究，提高列車供電系統的運行可靠性。
EPR電纜終端大多是由多層應力控制管（Stress Control Tube, SCT）經熱縮方式制作而成，其EPR/SCT的界面間放電特性是評估電纜終端絕緣性能的重要指標，因此研究低溫條件下終端內界面間放電特性有助于其結構的優化和改進。
目前，國內外學者對于各類電纜終端的研究主要集中在內部材料特性與絕緣缺陷特征檢測方面：
- 有學者研究了電纜在經熱老化處理后，介電性能對于整體絕緣性能評估及壽命模型的影響；
- 有學者則進一步通過老化前后EPR材料的物性測試結果展開了相關研究，從微觀角度進一步揭示了材料特性與絕緣性能的關系；
- 為解決因材料問題導致的電場畸變，甚至老化加速問題，有學者開展了終端內部使用非線性電導材料情況下，電場分布的仿真研究與優化設計，有學者則根據終端附件的形變參數與位移方程，提出了新型附件設計方法，且均起到了提高電纜終端整體絕緣性能的作用；
- 除材料特性研究外，有學者針對EPR電纜中常見的氣隙缺陷，研究了氣隙缺陷尺寸、形態及環境溫度對放電特性變化的影響，有學者則通過對EPR與其他介質交界面處的空間電荷和放電特征的研究，發現不同絕緣材料界面處也是電纜終端絕緣薄弱部位，需進行重點關注。
綜上，有關電纜終端內絕緣材料性質與優化設計的研究已取得了豐富的成果，對于界面間放電性質有了一定的探究，但是以上研究大多是針對常溫或高溫狀況，對于高寒環境下EPR電纜終端的放電特性以及擊穿過程的研究一直較為缺乏，導致目前的研究成果對于頻繁出現的高鐵列車電纜終端擊穿故障的解決缺乏必要的參考與指導。因此研究高寒環境下低溫對終端結構特點與絕緣性能的影響，是一項具有重要實際工程意義的課題。
針對高鐵列車EPR電纜終端在高寒環境下頻繁出現擊穿故障的問題，西南交通大學電氣工程學院，云南電網有限責任公司電力科學研究院的研究人員，對其擊穿過程和放電特性進行了探究。
圖1 試驗樣品和試驗系統示意圖
圖2 局部放電試驗系統原理
基于EPR電纜運行中“受壓不受流”的特殊工況，建立能夠模擬高寒環境的高電壓低溫試驗系統，選用32根高鐵列車中實際運行狀態良好的電纜及終端作為試驗樣品，測量了不同低溫條件下EPR電纜終端局部放電信號特征，并觀察界面間刷形放電痕跡和形態，分析低溫下交界面處材料性質差異對終端結構匹配性及界面間放電發展特性的影響，為高寒環境下EPR電纜終端結構優化及狀態檢測提供依據。
圖7 不同溫度下SCT與EPR間界面應力測試
圖11 試樣d55受典型放電燒蝕后痕跡
研究者最后得到如下結論：
- 1）隨著溫度的降低，電纜終端試樣的局部放電起始電壓和熄滅電壓呈降低的趨勢，-40℃下起始電壓和熄滅電壓與常溫20℃相比，分別降低約45%和53%。
- 2）低溫條件下，隨著溫度的持續下降，SCT材料管出現分子鏈段運動被凍結，彈性下降等的玻璃化轉變過程，而EPR材料的性質轉變過程出現較晚，因此造成EPR絕緣層與SCT管間界面處出現結構不匹配問題，導致界面間缺陷出現，進而引發界面放電等問題。
- 3）高寒環境下，以多層熱縮式應力管為主的電纜終端結構，出現終端內部放電，進而導致絕緣擊穿的隱患較大，且其放電譜圖特征呈龜背形或翼形，具有顯著的特點，應引起現場工作人員的注意。
以上研究成果發表在2020年第3期《電工技術學報》，論文標題為“高寒環境下低溫對乙丙橡膠電纜終端界面放電特性的影響”，作者為白龍雷、周利軍、邢立勐、李麗妮、項恩新。
