郭 蕾，李麗妮，白龍雷，車雨軒，余 洋，周利軍

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756)

近年來(lái)，我國(guó)在高鐵列車核心技術(shù)方面的研究不斷取得突破，高速動(dòng)車組在運(yùn)行速度不斷提高的情況下，對(duì)于運(yùn)行安全及可靠性也提出了更高的要求[1]。作為列車電能傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，車載乙丙橡膠電纜及終端的可靠性直接影響動(dòng)車組的運(yùn)行安全[2]，尤其是絕緣能力薄弱的電纜終端部分，其故障發(fā)生率占到所有車載電纜事故的70%以上[3]，是動(dòng)車組可靠運(yùn)行的巨大隱患。因此有必要對(duì)終端內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特征進(jìn)行全面分析，以降低故障發(fā)生率。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)電纜炸裂事故分析發(fā)現(xiàn)，終端故障均是由內(nèi)部電場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變引起的[4]，而終端內(nèi)部存在氣隙、導(dǎo)電微粒等雜質(zhì)或遭受雷擊過(guò)電壓作用時(shí)，電場(chǎng)畸變狀況會(huì)急劇惡化，導(dǎo)致終端擊穿事故的頻發(fā)。因此，研究并優(yōu)化電纜終端在不同運(yùn)行故障下的內(nèi)部電場(chǎng)分布狀況，提高車載電纜整體絕緣性能，對(duì)于保障動(dòng)車組安全運(yùn)行具有重要意義。

車載電纜終端由于安裝部位的限制，大多采用熱縮式終端結(jié)構(gòu)，其電纜本體乙丙橡膠(Ethylene-Propylene Rubber, EPR)絕緣與附件氯丁橡膠(Chloroprene or Neoprene Rubber,CR)應(yīng)力控制管(以下簡(jiǎn)稱應(yīng)控管)之間介電常數(shù)差別較大，且終端制作過(guò)程中，該雙層復(fù)合介質(zhì)間易混入雜質(zhì)或因熱縮不均產(chǎn)生氣隙，致使終端內(nèi)部電場(chǎng)分布不均勻。同時(shí)，由于運(yùn)行過(guò)程中EPR絕緣的電導(dǎo)率受溫度影響呈逐漸增大趨勢(shì)，EPR與CR間電導(dǎo)率差異逐漸增大，導(dǎo)致EPR/CR介質(zhì)中電場(chǎng)不均勻程度加劇，造成終端故障的頻繁出現(xiàn)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞電纜電場(chǎng)分布優(yōu)化問題展開了大量研究[5-11]，取得了豐碩的成果。文獻(xiàn)[5]研究了電纜接頭中存在缺陷時(shí)的電場(chǎng)分布，探究了影響電場(chǎng)分布的主要因素，得出缺陷處電場(chǎng)畸變遠(yuǎn)大于周圍絕緣材料的電場(chǎng)分布。文獻(xiàn)[6]研究了電纜終端氣隙缺陷附近電場(chǎng)的分布特征，表明氣隙位置的場(chǎng)強(qiáng)與其他位置差別達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。文獻(xiàn)[7]利用電場(chǎng)仿真與老化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，探究了氣隙缺陷處放電特征，認(rèn)為氣隙缺陷處電場(chǎng)的集中是導(dǎo)致絕緣被不斷燒蝕并最終擊穿的重要原因。文獻(xiàn)[8]研發(fā)出填充彈性高介質(zhì)材料并使用于電纜終端，能夠使終端電場(chǎng)分布更加均勻。文獻(xiàn)[9]從中間接頭處不同材料的非線性關(guān)系入手，分析了絕緣交界面的場(chǎng)強(qiáng)分布，得出使電纜絕緣與附件絕緣的電導(dǎo)率相匹配，是優(yōu)化接頭電場(chǎng)分布的重要措施。ABB及Raychem公司在電纜本體與附件絕緣間使用非線性材料控制層，對(duì)其交界面處空間電荷的消散起到了顯著作用。非線性材料對(duì)于提高電纜終端的絕緣性能具有公認(rèn)的效果，但對(duì)于利用非線性材料改善各類運(yùn)行條件終端復(fù)合介質(zhì)處的電場(chǎng)分布狀況，并在動(dòng)車組電纜中安全有效使用，目前仍需要做大量的探究工作。

本文將非線性電導(dǎo)率材料混入附件應(yīng)控管中，利用非線性材料在低場(chǎng)強(qiáng)下為高電阻，且隨場(chǎng)強(qiáng)增大逐漸減小的特性，達(dá)到均勻電場(chǎng)分布的目的[12]。同時(shí),采用多物理場(chǎng)仿真軟件Comosol Multiphysics模擬了應(yīng)控管中非線性材料電導(dǎo)對(duì)終端內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的依賴性，實(shí)現(xiàn)了材料性能參數(shù)與電場(chǎng)大小的自適應(yīng)匹配，探究了在各類運(yùn)行條件下車載電纜終端內(nèi)部電場(chǎng)分布的優(yōu)化效果。最后分別對(duì)兩種電纜終端進(jìn)行耐壓實(shí)驗(yàn)分析，并進(jìn)一步研究電纜終端的局部放電活動(dòng)，對(duì)提高EPR車載電纜終端的絕緣性能及運(yùn)行可靠性，具有重要的參考價(jià)值。

1 車載電纜終端模型

1.1 終端結(jié)構(gòu)模型

電纜終端是電力輸電系統(tǒng)的重要組成部分，按照制作工藝可分為冷縮式和熱縮式電纜終端，由于安裝和運(yùn)行條件的限制，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的電力機(jī)車，常使用熱縮式電纜終端。熱縮式終端制作時(shí)將電纜外半導(dǎo)體層及其以外的結(jié)構(gòu)截?cái)?，使用?yīng)控管、熱縮管、膠等材料熱縮連接，本文的實(shí)驗(yàn)分析都以熱縮式電纜終端為基礎(chǔ)。

根據(jù)電力機(jī)車電纜終端實(shí)際結(jié)構(gòu)，本文選用軸對(duì)稱場(chǎng)對(duì)應(yīng)的柱坐標(biāo)作為建模的坐標(biāo)形式，設(shè)計(jì)電纜終端全長(zhǎng)507 mm，以1∶1的比例搭建終端模型，圖1所示為27.5 kV車載電纜柔性終端模型。

圖1 27.5 kV車載電纜柔性終端模型

本研究旨在分析電纜終端電場(chǎng)分布，需要的材料參數(shù)為各層材料的相對(duì)介電常數(shù)和參考電導(dǎo)率[9]，電纜終端材料參數(shù)見表 1。通過(guò)更換應(yīng)控管材料的電導(dǎo)率，以實(shí)現(xiàn)改善電纜終端電場(chǎng)分布的作用[13]。

表1 電纜終端材料參數(shù)

1.2 材料導(dǎo)電率參數(shù)的研究

應(yīng)控管的電導(dǎo)率是決定電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度的重要參數(shù)[14-15]。通過(guò)選用不同電導(dǎo)率的應(yīng)控管材料，研究其在同一運(yùn)行條件下對(duì)電纜終端電場(chǎng)分布的優(yōu)化效果。基于實(shí)驗(yàn)條件，選用非線性及高介質(zhì)材料作為應(yīng)控管材料。制備直徑為90 mm、厚度約2 mm的圓片狀非線性和高介質(zhì)應(yīng)控管材料樣品各5個(gè)，分別標(biāo)號(hào)為F1～F5，G1～G5，具體編號(hào)見表2。

表2 材料試樣編號(hào)

利用絕緣電阻測(cè)試儀、RY2A型固體材料測(cè)試電極和多支路開關(guān)箱組成的微電流測(cè)試系統(tǒng)探究?jī)煞N材料的電導(dǎo)特性，測(cè)試電路如圖2所示。依次將10個(gè)備制好的樣品放入RY2A型固體材料測(cè)試電極，接好電極接線，絕緣電阻測(cè)試儀的電壓范圍為0～5 kV，恒溫下逐步升高電壓，每次調(diào)壓的時(shí)間間距為2 min，記錄每個(gè)測(cè)試電壓對(duì)應(yīng)的電阻值，由此測(cè)出電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。

圖2 電導(dǎo)率測(cè)試電路

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分別獲取非線性材料和高介質(zhì)材料所測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，得出兩種材料電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 兩種材料電導(dǎo)率關(guān)系

由圖3可知，高介質(zhì)材料在不同電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，電導(dǎo)率變化較小，基本呈現(xiàn)不變的趨勢(shì)；而非線性材料在低電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，電導(dǎo)率呈線性變化，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，非線性趨勢(shì)明顯。結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并擬合，得出高介質(zhì)材料和非線性材料電導(dǎo)率公式為

σ1=10-8

(1)

σ2=2.423 ×10-9×e3.796 ×10-6×E

(2)

1.3 電場(chǎng)有限元仿真原理

根據(jù)實(shí)際工況，電纜終端運(yùn)行于工頻27.5 kV，纜心周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，工頻電在時(shí)間上變化緩慢，電纜終端的動(dòng)態(tài)物理過(guò)程可用準(zhǔn)靜態(tài)麥克斯韋方程表述為

(5)

式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度；J為全電流密度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；D為電感應(yīng)強(qiáng)度。

同時(shí)電纜終端在各同向性的線性材料媒介中，上述的電場(chǎng)參數(shù)還應(yīng)滿足如下媒質(zhì)本構(gòu)關(guān)系[13-14]。

D=εE

(6)

J=(σ+jωε)E

(7)

B=μH

(8)

式中：ε為絕緣介電常數(shù)；σ為電導(dǎo)率；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；μ為磁導(dǎo)率；ω為角頻率。

根據(jù)任意一個(gè)標(biāo)量函數(shù)梯度的旋度恒等于零，由式(3)、式(6)引入標(biāo)量電位函數(shù)φ，有

(9)

考慮媒質(zhì)本構(gòu)方程與麥克斯韋方程組，得到關(guān)于φ的拉普拉斯方程為

(10)

由于電纜終端各層材料參數(shù)不同，產(chǎn)生多個(gè)媒質(zhì)交界面，在交界面上，參數(shù)的突變導(dǎo)致其電場(chǎng)隨之發(fā)生變化，麥克斯韋方程還需邊界條件支撐。在分界面處需要滿足電位的連續(xù)性和法向電流密度連續(xù)性，如圖4所示，即滿足

φ+=φ-

(11)

(12)

在電纜終端運(yùn)行過(guò)程中，式(13)滿足導(dǎo)體運(yùn)行電壓引起的電位在該處恒定，如圖4所示，式(14)滿足在金屬屏蔽層處電位為零的邊界條件。

圖4 分界面電位

φ導(dǎo)體=φ0

(13)

φ金屬屏蔽層=0

(14)

針對(duì)有限元仿真，將研究區(qū)域劃分為多個(gè)單位三角形，單元電位可以表示為

(15)

(16)

其中，(xj,yj)為單位三角形3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)。

根據(jù)格林第一公式以及散度定理，全區(qū)域內(nèi)頂點(diǎn)電位可表示為

Fφ=g

(17)

式中：g為電纜終端中所有節(jié)點(diǎn)的輸入邊界條件向量與基函數(shù)的內(nèi)積矩陣；F為有限元方程的系數(shù)矩陣。

(18)

式中：S為分界面的面積單元。

2 電場(chǎng)仿真結(jié)果

電纜終端在制作過(guò)程中由于制作工藝水平的原因，常引入一些氣隙或金屬顆粒，同時(shí)在投入運(yùn)行后，高鐵列車常常遭受雷電波的侵襲，這些原因?qū)?huì)導(dǎo)致電纜終端絕緣劣化，加速終端放電擊穿[16-20]。本文分別針對(duì)正常運(yùn)行條件和特殊運(yùn)行條件下，應(yīng)控管使用高介質(zhì)及非線性材料時(shí)的電場(chǎng)進(jìn)行仿真，研究在不同運(yùn)行條件下電纜終端內(nèi)部電場(chǎng)優(yōu)化效果。

2.1 正常運(yùn)行條件下仿真

根據(jù)實(shí)際電纜終端模型，外半導(dǎo)體層于徑向202 mm處截?cái)啵褂脩?yīng)控管熱縮連接。分別使用高介質(zhì)材料σ1和非線性材料σ2作為應(yīng)控管材料電導(dǎo)率進(jìn)行仿真，設(shè)置邊界條件，模擬正常工況下場(chǎng)強(qiáng)分布狀況，將金屬屏蔽層設(shè)置接地，得出電纜終端在兩種材料下的電場(chǎng)強(qiáng)度以及等位線分布，如圖5所示。

圖5 正常情況下仿真結(jié)果

對(duì)比分析圖5(a)、圖5(b)可知，電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度最大值都位于(202，20)，即外半導(dǎo)體層截?cái)嗵帲谠撐恢酶浇妶?chǎng)線比較集中，電場(chǎng)強(qiáng)度局部變化大。當(dāng)應(yīng)控管的材料為高介質(zhì)材料時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為5.368 79 MV/m，此時(shí)在電場(chǎng)強(qiáng)度最大值周圍，電場(chǎng)線分布密集；當(dāng)應(yīng)控管使用非線性材料時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為2.492 05 MV/m，在電場(chǎng)強(qiáng)度最大值的周圍，電場(chǎng)線分布較為稀松。

為了對(duì)比兩種材料的終端電場(chǎng)分布特性，獲取電場(chǎng)強(qiáng)度最大值點(diǎn)水平方向隨徑向弧長(zhǎng)變化的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，如圖6所示。由圖6可知，在正常工況下，相對(duì)于高介質(zhì)材料，由于非線性材料的電導(dǎo)率隨場(chǎng)強(qiáng)增加而增大，使用非線性材料能減小電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度，起到了均勻電場(chǎng)分布的作用。

圖6 正常情況下不同材料電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度徑向變化分布

2.2 特殊運(yùn)行條件下仿真

電纜終端在遭受雷電壓作用或絕緣界面含有氣隙、金屬顆粒等特殊運(yùn)行條件下，將使終端內(nèi)部電場(chǎng)分布發(fā)生嚴(yán)重的畸變，通過(guò)引入非線性材料應(yīng)控管，研究在各類特殊運(yùn)行條件下終端內(nèi)部電場(chǎng)分布的均勻效果。

2.2.1 雷電過(guò)電壓作用下仿真

電力機(jī)車接觸網(wǎng)設(shè)備暴露于野外環(huán)境中，在運(yùn)行過(guò)程中常遭受雷電波的侵襲，而電纜終端作為機(jī)車的主要輸電設(shè)備，承受雷電過(guò)電壓作用時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)畸變加大，將會(huì)影響電纜終端的絕緣性能[17]。分別選用高介質(zhì)材料和非線性材料作為應(yīng)控管材料，對(duì)電纜終端在雷電過(guò)電壓作用下的電場(chǎng)分布狀況進(jìn)行仿真，并研究?jī)煞N材料對(duì)雷電過(guò)電壓下電纜終端電場(chǎng)分布的影響。

1.2/50 μs波形是進(jìn)行電氣電子設(shè)備絕緣耐受性能實(shí)驗(yàn)中最常用的標(biāo)準(zhǔn)雷電過(guò)電壓脈沖波形[20]。雷電過(guò)電壓脈沖波形可以表示為

u(t)=AUm(1-e-t/τ1)e-t/τ2

(19)

式中：A=1.037；τ1=0.407 4 μs；τ2=68.22 μs；Um為該電纜終端所承受的最大運(yùn)行電壓。雷電過(guò)電壓波形如圖7所示。

圖7 雷電壓波形

雷電波是一個(gè)動(dòng)態(tài)波形，經(jīng)仿真后可知，在2 μs時(shí)刻，終端內(nèi)部電場(chǎng)畸變程度最為嚴(yán)重，因此選取該時(shí)刻電場(chǎng)強(qiáng)度分布狀態(tài)，如圖8所示。對(duì)添加非線性材料后的終端內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)均勻效果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8 雷電過(guò)電壓作用下仿真結(jié)果

對(duì)比分析圖8(a)、圖8(b)可知，雷電過(guò)電壓作用下，對(duì)于高介質(zhì)材料終端，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為10.745 7 MV/m，比正常工況條件下高介質(zhì)材料終端的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值高一倍，所以在雷電過(guò)電壓下終端內(nèi)部電場(chǎng)畸變程度增大，將嚴(yán)重削弱終端絕緣性能。通過(guò)使用非線性材料，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值降低為8.605 1 MV/m，雖然電場(chǎng)強(qiáng)度仍然較高，但是對(duì)比高介質(zhì)材料，電場(chǎng)強(qiáng)度整體降低了20%，起到了有效均勻電場(chǎng)分布的作用。

以電場(chǎng)強(qiáng)度最大值點(diǎn)為基點(diǎn)，對(duì)沿終端絕緣徑向距離而變化的場(chǎng)強(qiáng)分布狀況進(jìn)行探究和分析，結(jié)果如圖9所示。在雷電過(guò)電壓作用下，電場(chǎng)強(qiáng)度大小穩(wěn)定一段距離，在截?cái)嗵幫蝗话l(fā)生畸變，而后逐漸減小，同時(shí)通過(guò)使用非線性應(yīng)控管，電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度整體下降，有效減弱電場(chǎng)畸變。

圖9 雷電過(guò)電壓下不同材料電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度徑向變化分布

2.2.2 氣隙故障運(yùn)行下仿真

由電纜柔性終端結(jié)構(gòu)和材料特性可知，高鐵列車廣泛使用的熱縮式電纜終端在制作時(shí)，由于工藝和材料熱縮性能不一，同時(shí)終端結(jié)構(gòu)復(fù)雜，絕緣材料互粘性較差，再加上車載電纜終端常年運(yùn)行于各種惡劣環(huán)境中，其絕緣層、應(yīng)控管及半導(dǎo)體屏蔽層之間很可能發(fā)生不完全貼合的現(xiàn)象，產(chǎn)生氣隙空間[21]，導(dǎo)致即使在正常工況運(yùn)行下，電纜終端內(nèi)部電場(chǎng)也會(huì)嚴(yán)重畸變。根據(jù)多根擊穿后電纜終端的結(jié)構(gòu)特征，電纜終端均在外半導(dǎo)體層截?cái)嗵幇l(fā)生放電擊穿事故。因此，在該接合處(即X軸坐標(biāo)202 mm處)截?cái)嗟陌雽?dǎo)體層末端，設(shè)置長(zhǎng)度為10 mm、寬度為1 mm的空氣氣隙，以此搭建電纜終端氣隙故障模型。分別采用高介質(zhì)材料和非線性材料作為應(yīng)控管材料，進(jìn)行終端內(nèi)部電場(chǎng)分布狀況的仿真研究，得出其電場(chǎng)強(qiáng)度分布，如圖10所示。

圖10 氣隙故障下仿真結(jié)果

由圖10(a)可知，含有氣隙故障下高介質(zhì)材料應(yīng)控管的電纜終端內(nèi)部電場(chǎng)畸變嚴(yán)重，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為10.621 6 MV/m，位于氣隙通道的首端，已經(jīng)超過(guò)空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)3 MV/m[22]，在此種故障條件下，長(zhǎng)時(shí)間處于畸變電場(chǎng)中的氣隙易發(fā)生局部放電，形成放電通道。隨著放電通道的延伸，使得氣隙周圍絕緣材料的劣化過(guò)程加速，易導(dǎo)致終端發(fā)生擊穿爆炸，嚴(yán)重影響電纜傳輸線路的安全運(yùn)行[7]。如圖10(b)所示，使用非線性材料的電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度有效減弱，最大電場(chǎng)強(qiáng)度仍位于半導(dǎo)體層與氣隙連接處，但電場(chǎng)強(qiáng)度最大值降低到 1.062 74 MV/m，削減了90%，未達(dá)到空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，終端能在該故障情況下安全運(yùn)行。

為了能夠更直觀地分析在氣隙故障情況下非線性電導(dǎo)材料對(duì)電場(chǎng)分布的優(yōu)化作用，做出電場(chǎng)強(qiáng)度最大值點(diǎn)隨徑向距離變化的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，如圖11所示。在氣隙的首尾兩端，電場(chǎng)分布均產(chǎn)生明顯畸變，而通過(guò)對(duì)比可知，在使用高介質(zhì)應(yīng)控管材料時(shí)，在氣隙的首端電場(chǎng)強(qiáng)度由3 MV/m突變?yōu)?0.621 6 MV/m，在氣隙范圍內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度最大變化量為10.1 MV/m；在使用非線性應(yīng)控管材料后，氣隙首端雖然仍有畸變，但是整體電場(chǎng)強(qiáng)度分布均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度在氣隙范圍內(nèi)最大變化量從10.1 MV/m降為1 MV/m，極差變化小，使用該材料能夠有效整體改善電纜終端電場(chǎng)分布，保障電纜終端的安全可靠運(yùn)行。

圖11 氣隙故障下不同材料電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度徑向變化分布

2.2.3 含金屬微粒缺陷下仿真

電纜終端常在不夠清潔的環(huán)境中進(jìn)行安裝預(yù)制，導(dǎo)電微粒雜質(zhì)被隨機(jī)引入至加工處理的終端各沿面。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，金屬微粒隨機(jī)引入，極易發(fā)生于截?cái)嗵幖把由炀€上，導(dǎo)致內(nèi)部電場(chǎng)畸變，發(fā)生沿面放電事故[23]。為分析在使用非線性材料和高介質(zhì)材料應(yīng)控管下，金屬微粒對(duì)電纜終端電場(chǎng)分布的影響，根據(jù)實(shí)際情況，導(dǎo)電顆粒引入位置隨機(jī)，故從外半導(dǎo)體截?cái)嗵庨_始，每間隔20 mm各放置一個(gè)底邊為1 mm、高度為0.5 mm的三角形金屬微粒，直至該層應(yīng)控管末端，以此搭建電纜終端金屬微粒故障模型，得到的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖12所示。

圖12 含金屬微粒缺陷下仿真結(jié)果

由圖12可知，含金屬顆粒故障下，在各個(gè)金屬顆粒的四周，電場(chǎng)畸變嚴(yán)重，越接近金屬顆粒，電場(chǎng)強(qiáng)度越大；對(duì)于高介質(zhì)材料電纜終端，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為8.347 26 MV/m，位于(383 mm，20 mm)處，接近絕緣材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)[24]；對(duì)于非線性材料終端，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為0.837 05 MV/m，雖仍位于(383 mm，20 mm)處，但處于電纜終端運(yùn)行的安全范圍。對(duì)比兩種材料的電場(chǎng)強(qiáng)度等值線分布可知，使用非線性材料可以均勻電場(chǎng)分布，即使在電場(chǎng)終端含金屬微粒缺陷情況下，電場(chǎng)分布也未達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

將電場(chǎng)強(qiáng)度最大值點(diǎn)作為基點(diǎn)，進(jìn)一步探究含金屬顆粒缺陷下在截?cái)嗵幯娱L(zhǎng)線上電場(chǎng)強(qiáng)度分布，結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，電纜終端使用高介質(zhì)應(yīng)控管材料時(shí)，在含半導(dǎo)體層范圍內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)定于3.1 MV/m左右，在每個(gè)金屬隔離的周圍，電場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，嚴(yán)重位置可在極小范圍內(nèi)從2 MV/m上升至8.347 26 MV/m，隨著與金屬顆粒的距離增加，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。通過(guò)使用非線性應(yīng)控管材料，雖在金屬顆粒附近電場(chǎng)比較集中，但電纜終端整體電場(chǎng)分布平緩，最大電場(chǎng)強(qiáng)度變化量為0.8 MV/m，使終端保持良好的絕緣性能。

圖13 含金屬微粒下不同材料電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度徑向變化分布

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)以上仿真結(jié)果可知，在同種運(yùn)行條件下，因應(yīng)控管材料電導(dǎo)率的差異，使用非線性應(yīng)控管的電纜終端內(nèi)電場(chǎng)畸變情況將得到改善，絕緣性能顯著提高。對(duì)于220 kV及以下的電氣設(shè)備，一般用工頻耐壓實(shí)驗(yàn)來(lái)考驗(yàn)其耐受工作電壓和過(guò)電壓的能力，表征其絕緣性能的優(yōu)劣[22]。工頻交流耐壓實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)電纜終端絕緣強(qiáng)度相對(duì)安全、損耗最小的方法，可用來(lái)確定其絕緣耐受電壓的水平，是判斷終端能否繼續(xù)安全可靠運(yùn)行的重要手段[25]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證非線性應(yīng)控管對(duì)電纜終端整體絕緣性能的改善作用，對(duì)兩種類型的正常電纜終端樣品和含氣隙故障下電纜終端樣品進(jìn)行了工頻交流耐壓實(shí)驗(yàn)[23]，并采用放電特性分析與樣品解剖相結(jié)合的方式，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中終端內(nèi)部電場(chǎng)特征進(jìn)行了探究。

根據(jù)實(shí)際工況，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建，如圖14所示，對(duì)兩種不同應(yīng)控管材料的電纜終端試樣進(jìn)行耐壓實(shí)驗(yàn)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]中耐壓實(shí)驗(yàn)有關(guān)規(guī)定，分別對(duì)兩種材料的電纜終端試樣以1 kV/10 s的速度開始逐漸加壓至52 kV，進(jìn)行1 h的耐壓實(shí)驗(yàn)。

圖14 耐壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.1 正常運(yùn)行條件下耐壓實(shí)驗(yàn)

經(jīng)測(cè)試分析，正常狀態(tài)下高介質(zhì)材料和非線性材料電纜終端試樣在耐壓實(shí)驗(yàn)下的放電量、放電譜圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況如圖15～圖17所示。

圖15 正常情況下耐壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖16 正常情況下放電密度譜

圖17 電纜終端解剖

由圖15可知，在1 h的耐壓實(shí)驗(yàn)中，高介質(zhì)材料電纜終端試樣放電量達(dá)到170 pC左右，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到二維放電密度譜圖呈現(xiàn)出圖16(a)中狀態(tài)，局部放電主要集中于正負(fù)半周，其中相位角為55°～85°和154°～175°范圍內(nèi)放電次數(shù)較多，呈現(xiàn)三角形分布；而非線性材料電纜終端試樣放電量集中在20 pC左右，遠(yuǎn)小于高介質(zhì)材料電纜終端試樣，對(duì)應(yīng)得到的二維放電密度譜圖如圖16(b)所示，局部放電比較分散，呈零星均勻分布，負(fù)半周的最大放電量比正半周的大。通過(guò)對(duì)比可知，高介質(zhì)材料電纜終端試樣一直承受較高的放電量作用，更易發(fā)生局部放電，絕緣性能受到影響。

經(jīng)耐壓實(shí)驗(yàn)后，高介質(zhì)材料電纜終端的放電現(xiàn)象明顯較強(qiáng)，為更加直觀地觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的變化情況，將耐壓實(shí)驗(yàn)后的兩個(gè)電纜終端試樣進(jìn)行了解剖，如圖17所示。在高介質(zhì)材料電纜終端解剖圖中，灰色半導(dǎo)電層位置有輕微放電灼燒痕跡，且EPR絕緣表面出現(xiàn)不規(guī)則褐色物質(zhì)，表明在耐壓實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，終端試樣內(nèi)部有較輕微的放電活動(dòng)；而在非線性材料電纜終端解剖圖中，EPR絕緣表面和SCT內(nèi)表面始終保持光潔，無(wú)明顯放電痕跡，進(jìn)一步表明，非線性材料具有更好的絕緣性能。

3.2 含氣隙故障下耐壓實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)車載故障電纜的外觀觀測(cè)及內(nèi)部解剖表明，目前車載電纜終端的故障絕大部分是首先出現(xiàn)內(nèi)部氣隙，所以氣隙是影響電纜終端內(nèi)局部放電的主要因素，圖18(a)為現(xiàn)場(chǎng)電纜終端內(nèi)部產(chǎn)生的氣體形成的鼓起現(xiàn)象；氣隙故障制作如圖18(b)所示，在外半導(dǎo)體層斷口處沿電纜軸向制作尺寸約為10 mm×1 mm×1 mm(長(zhǎng)×寬×高)的氣隙通道，將主絕緣與外半導(dǎo)體層及其斷口利用應(yīng)力疏散膠、應(yīng)控管以及絕緣管對(duì)終端進(jìn)行包裝，從而形成氣隙故障。

圖18 含氣隙故障電纜終端

經(jīng)測(cè)試分析，含氣隙故障下高介質(zhì)材料和非線性材料電纜終端試樣在耐壓實(shí)驗(yàn)下的放電量、放電譜圖如圖19、圖20所示。

圖19 含缺陷故障下耐壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖19可知，在1 h耐壓實(shí)驗(yàn)中，含氣隙故障的高介質(zhì)材料電纜終端試樣放電量達(dá)到350 pC左右，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中二維放電密度譜呈現(xiàn)出圖20(a)中狀態(tài)，其中正半周放電次數(shù)較多且相位分布相對(duì)較寬，相位主要分布于43°～90°區(qū)域，呈“△”形分布，負(fù)半軸放電相位相對(duì)比較分散，但放電量幅值相對(duì)更大；而含氣隙故障的非線性材料電纜終端試樣放電量集中在250 pC左右，比高介質(zhì)材料電纜終端試樣放電量減小了40%，對(duì)應(yīng)得到的二維放電密度譜圖如圖20(b) 所示。局部放電相對(duì)比較分散，正負(fù)半周放電分布基本相同，其放電相位主要分布在接近正負(fù)半周電壓峰值區(qū)域。通過(guò)對(duì)比可知，含氣隙故障的高介質(zhì)材料電纜終端試樣承受高放電量作用，放電活動(dòng)十分劇烈，使得氣隙空間更易形成放電通道，其周圍的絕緣材料的劣化速度加快，嚴(yán)重影響電纜終端絕緣性能，易造成終端擊穿爆炸事故。

圖20 含氣隙故障下放電密度譜

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)高介質(zhì)材料和非線性材料電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度的研究，基于有限元仿真，計(jì)算分析兩種不同材料應(yīng)控管用于電纜終端時(shí)不同運(yùn)行狀況下的電場(chǎng)分布，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

(1) 在正常運(yùn)行工況下，應(yīng)控管使用非線性材料后，電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度最大值由5.404 7 MV/m降低為 2.492 MV/m，電場(chǎng)強(qiáng)度分布得到優(yōu)化。

(2) 當(dāng)電纜終端外半導(dǎo)電層截?cái)嗵幊霈F(xiàn)氣隙或金屬顆粒等缺陷時(shí)，易引發(fā)嚴(yán)重的電場(chǎng)畸變，重則導(dǎo)致終端爆炸擊穿；引入非線性應(yīng)控管后，電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度最大值降低了90%，起到了均勻電纜終端電場(chǎng)強(qiáng)度的作用，表明非線性應(yīng)控管可以保障電纜終端的可靠運(yùn)行。

(3) 通過(guò)耐壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，非線性材料應(yīng)控管對(duì)于電纜終端內(nèi)部局部放電活動(dòng)具有明顯抑制作用，可有效降低電纜終端擊穿事故發(fā)生的概率，保障列車的安全運(yùn)行。