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自從2008年中國進(jìn)入高鐵時代至今，高速鐵路技術(shù)得到迅速發(fā)展。高鐵列車在各類惡劣環(huán)境條件中運行的情況越來越多地出現(xiàn)，導(dǎo)致以乙丙橡膠（Ethylene-Propylene Rubber, EPR）電纜為代表的列車供電系統(tǒng)的運行可靠性受到了極大挑戰(zhàn)，尤其是在高寒等極端天氣出現(xiàn)頻繁的地區(qū)，EPR電纜終端出現(xiàn)整體絕緣性能下降，擊穿事故頻發(fā)的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到列車的安全運行。

隨著“一帶一路”的建設(shè)，高鐵列車將在環(huán)境更為惡劣的中亞及西伯利亞地區(qū)運行，EPR電纜終端將面臨更加嚴(yán)苛的低溫環(huán)境考驗，對其運行可靠性提出了更高的要求。但是，目前有關(guān)EPR電纜在高寒環(huán)境下頻繁出現(xiàn)擊穿故障的原因，以及終端整體在低溫環(huán)境中的絕緣特征都不明確，使得高寒地區(qū)列車結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗檢測均缺乏相關(guān)的理論依據(jù)，因此迫切需要開展高寒環(huán)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(tǒng)的運行可靠性。

EPR電纜終端大多是由多層應(yīng)力控制管（Stress Control Tube, SCT）經(jīng)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(biāo)，因此研究低溫條件下終端內(nèi)界面間放電特性有助于其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于各類電纜終端的研究主要集中在內(nèi)部材料特性與絕緣缺陷特征檢測方面：

• 有學(xué)者研究了電纜在經(jīng)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(xué)者則進(jìn)一步通過老化前后EPR材料的物性測試結(jié)果展開了相關(guān)研究，從微觀角度進(jìn)一步揭示了材料特性與絕緣性能的關(guān)系；
• 為解決因材料問題導(dǎo)致的電場畸變，甚至老化加速問題，有學(xué)者開展了終端內(nèi)部使用非線性電導(dǎo)材料情況下，電場分布的仿真研究與優(yōu)化設(shè)計，有學(xué)者則根據(jù)終端附件的形變參數(shù)與位移方程，提出了新型附件設(shè)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(xué)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(tài)及環(huán)境溫度對放電特性變化的影響，有學(xué)者則通過對EPR與其他介質(zhì)交界面處的空間電荷和放電特征的研究，發(fā)現(xiàn)不同絕緣材料界面處也是電纜終端絕緣薄弱部位，需進(jìn)行重點關(guān)注。

綜上，有關(guān)電纜終端內(nèi)絕緣材料性質(zhì)與優(yōu)化設(shè)計的研究已取得了豐富的成果，對于界面間放電性質(zhì)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(huán)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(dǎo)致目前的研究成果對于頻繁出現(xiàn)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(dǎo)。因此研究高寒環(huán)境下低溫對終端結(jié)構(gòu)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(huán)境下頻繁出現(xiàn)擊穿故障的問題，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院的研究人員，對其擊穿過程和放電特性進(jìn)行了探究。

圖1 試驗樣品和試驗系統(tǒng)示意圖

圖2 局部放電試驗系統(tǒng)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(huán)境的高電壓低溫試驗系統(tǒng)，選用32根高鐵列車中實際運行狀態(tài)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(tài)，分析低溫下交界面處材料性質(zhì)差異對終端結(jié)構(gòu)匹配性及界面間放電發(fā)展特性的影響，為高寒環(huán)境下EPR電纜終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化及狀態(tài)檢測提供依據(jù)。

圖7 不同溫度下SCT與EPR間界面應(yīng)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(jié)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(xù)下降，SCT材料管出現(xiàn)分子鏈段運動被凍結(jié)，彈性下降等的玻璃化轉(zhuǎn)變過程，而EPR材料的性質(zhì)轉(zhuǎn)變過程出現(xiàn)較晚，因此造成EPR絕緣層與SCT管間界面處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不匹配問題，導(dǎo)致界面間缺陷出現(xiàn)，進(jìn)而引發(fā)界面放電等問題。
• 3）高寒環(huán)境下，以多層熱縮式應(yīng)力管為主的電纜終端結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)終端內(nèi)部放電，進(jìn)而導(dǎo)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(yīng)引起現(xiàn)場工作人員的注意。

以上研究成果發(fā)表在2020年第3期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“高寒環(huán)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。