王景兵,王家興,,李國(guó)倡,齊朋帥,程兆璐,張帆,張家豪,魏艷慧
(1.中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司,山東 青島 266031;2.青島科技大學(xué) 先進(jìn)電工材料研究院,山東 青島 266042)
車(chē)頂高壓電纜終端作為動(dòng)車(chē)組輸配電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),要求具有良好的電氣絕緣性能和環(huán)境耐受能力。車(chē)頂電纜終端所處的運(yùn)行工況十分復(fù)雜,列車(chē)運(yùn)行帶來(lái)的高速氣流、南北方地理差異形成的溫差、雨雪冰凍帶來(lái)的潮氣和水分,還有因列車(chē)振動(dòng)引起的諧波干擾和操作過(guò)電壓等都會(huì)影響高壓終端的整體絕緣性能[1-4]。高壓終端的絕緣能力可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)合仿真的方法進(jìn)行評(píng)估。
目前,動(dòng)車(chē)組高壓系統(tǒng)的研究工作主要集中在車(chē)頂絕緣子表面積污,高壓電纜終端作為車(chē)頂重要的電力連接部件,其材料的絕緣特性直接影響供電系統(tǒng)的安全[5-6]。此外,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真手段,掌握電場(chǎng)-熱場(chǎng)等耦合因素下絕緣結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布規(guī)律,可以為終端結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和終端絕緣水平提升提供依據(jù)[7-10]。然而,針對(duì)動(dòng)車(chē)組車(chē)頂高壓終端材料特性和電-熱耦合的研究相對(duì)較少。
本研究選用在運(yùn)的高壓電纜終端取樣制成樣品,通過(guò)實(shí)驗(yàn)表征材料的絕緣性能,通過(guò)電場(chǎng)仿真計(jì)算終端電場(chǎng)分布。首先,采用激光閃射法測(cè)試三元乙丙橡膠(ethylene propylene diene monomer,EPDM)和環(huán)氧樹(shù)脂(epoxide resin,EP)的導(dǎo)熱性能,采用寬頻介電譜測(cè)試儀測(cè)試三元乙丙橡膠和環(huán)氧樹(shù)脂材料的介電性能。然后,根據(jù)車(chē)頂高壓終端尺寸和材料特性,建立高壓電纜終端電場(chǎng)仿真物理場(chǎng)模型,計(jì)算電-熱耦合作用下高壓終端內(nèi)部電場(chǎng)分布。動(dòng)車(chē)組車(chē)頂高壓終端運(yùn)行時(shí)不僅要承受一天內(nèi)南北方的地理溫差,還要承受不同季節(jié)巨大的自然溫差,夏季最高氣溫高達(dá)50℃以上,冬季最低氣溫可達(dá)-40℃以下[1]??紤]自然環(huán)境對(duì)高壓終端材料特性的影響,最后計(jì)算不同環(huán)境溫度下高壓終端溫度場(chǎng)分布和電場(chǎng)分布。在高電場(chǎng)和極端溫度的作用下,絕緣材料會(huì)發(fā)生老化或劣化,導(dǎo)致車(chē)頂高壓終端存在潛在放電和擊穿風(fēng)險(xiǎn)。本研究擬通過(guò)材料絕緣特性分析和終端電-熱耦合場(chǎng)仿真,發(fā)現(xiàn)終端絕緣的薄弱環(huán)節(jié),從而為通過(guò)絕緣補(bǔ)強(qiáng)提高終端整體絕緣水平提供參考。
測(cè)試樣品取自在運(yùn)的動(dòng)車(chē)組車(chē)頂高壓電纜終端,對(duì)其進(jìn)行切片、裁剪處理,得到如圖1所示的樣品,從左到右依次為半導(dǎo)電層試樣、絕緣層試樣和外層保護(hù)絕緣套管試樣。
圖1 測(cè)試樣品Fig.1 Test samples
電纜終端在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)熱,熱量會(huì)沿著電纜終端的軸向和徑向進(jìn)行傳導(dǎo),由于電纜終端屬于多層絕緣介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu),溫度場(chǎng)分布受不同材料導(dǎo)熱系數(shù)差異的影響。材料的導(dǎo)熱系數(shù)采用LFA467型激光閃射儀進(jìn)行測(cè)量,樣品直徑為25.4 mm,厚度控制在1 mm左右。從25℃到90℃之間選取8個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試開(kāi)始之前對(duì)樣品表面進(jìn)行清潔、干燥,并對(duì)材料表面噴涂石墨處理,以保證樣品能夠均勻地吸收能量,保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,3種材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。半導(dǎo)電材料的導(dǎo)熱系數(shù)從25℃的0.659 W/(m·K)先增大到80℃的0.797 W/(m·K),然后減小到90℃的0.766 W/(m·K);三元乙丙橡膠材料在測(cè)試區(qū)間內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.251~0.295 W/(m·K);環(huán)氧樹(shù)脂材料在測(cè)試區(qū)間內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.431~0.488 W/(m·K)。三元乙丙橡膠和環(huán)氧樹(shù)脂均屬于高分子聚合物,導(dǎo)熱性能較差;半導(dǎo)電材料由于炭黑的存在,導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于三元乙丙橡膠和環(huán)氧樹(shù)脂。
圖2 材料的導(dǎo)熱性能Fig.2 Thermal conductivity of materials
取動(dòng)車(chē)組車(chē)頂終端用三元乙丙橡膠和環(huán)氧樹(shù)脂材料進(jìn)行差示掃描量熱測(cè)試(DSC),測(cè)試曲線(xiàn)如圖3~4所示。通過(guò)DSC曲線(xiàn)可以得出材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[11],從圖3~4可以看出,三元乙丙橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-54.4℃,環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為123.3℃。三元乙丙橡膠是乙烯、丙烯和少量的非共軛二烯烴的共聚物,主鏈由-C-C-單鍵構(gòu)成,分子鏈可以圍繞單鍵進(jìn)行內(nèi)旋轉(zhuǎn),與環(huán)氧樹(shù)脂相比,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)較低。材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會(huì)影響其相對(duì)介電常數(shù)隨溫度的變化。
圖3 三元乙丙橡膠的DSC曲線(xiàn)Fig.3 DSC curve of EPDM
介電性能測(cè)試采用寬頻介電譜測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試頻率設(shè)置為工頻50 Hz,測(cè)試溫度設(shè)置為-60~100℃,測(cè)試溫度條件已覆蓋動(dòng)車(chē)組車(chē)頂電纜終端在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)受的絕大多數(shù)溫度條件。三元乙丙橡膠相對(duì)介電常數(shù)隨溫度的變化規(guī)律如圖5所示,環(huán)氧樹(shù)脂相對(duì)介電常數(shù)隨溫度的變化規(guī)律如圖6所示。從圖5~6可以看出,三元乙丙橡膠的相對(duì)介電常數(shù)隨著溫度的升高逐漸減小,從-60℃的3.70下降到100℃的3.28;環(huán)氧樹(shù)脂的相對(duì)介電常數(shù)隨著溫度的升高逐漸增大,從-60℃的5.02增大到100℃的5.29。
圖4 環(huán)氧樹(shù)脂的DSC曲線(xiàn)Fig.4 DSC curve of epoxy resin
圖5 三元乙丙橡膠的相對(duì)介電常數(shù)隨溫度變化曲線(xiàn)Fig.5 The relative dielectric constant of EPDM with temperature
圖6 環(huán)氧樹(shù)脂的相對(duì)介電常數(shù)隨溫度變化曲線(xiàn)Fig.6 The relative dielectric constant of epoxy resin with temperature
相對(duì)介電常數(shù)的大小與材料內(nèi)部微觀(guān)分子運(yùn)動(dòng)有關(guān),分子鏈運(yùn)動(dòng)的活躍程度與材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)[12-13]。根據(jù)DSC曲線(xiàn),三元乙丙橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-54.4℃,在測(cè)試溫度區(qū)間內(nèi),當(dāng)溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí),材料內(nèi)部分子鏈逐漸解凍,相對(duì)介電常數(shù)略有增加,當(dāng)溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí),分子鏈無(wú)序熱運(yùn)動(dòng)逐漸占據(jù)主導(dǎo),三元乙丙橡膠的相對(duì)介電常數(shù)隨溫度升高逐漸減小;環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為123.3℃,測(cè)試溫度區(qū)間低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,隨著溫度的升高,環(huán)氧樹(shù)脂分子鏈逐漸解凍,表現(xiàn)為介電常數(shù)隨溫度升高而增大。由于材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的差異,三元乙丙橡膠和環(huán)氧樹(shù)脂在測(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)極化表現(xiàn)截然相反。
電纜終端電場(chǎng)仿真采用有限元法,電場(chǎng)分布遵循電場(chǎng)的泊松方程。根據(jù)電磁場(chǎng)理論,電力設(shè)備尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的十分之一時(shí),電場(chǎng)可近似為靜電場(chǎng),本文中高壓終端內(nèi)部電場(chǎng)均按靜電場(chǎng)處理。根據(jù)電纜終端實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和材料性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)置電纜終端模型物理場(chǎng)邊界條件和材料性能參數(shù)。
電纜運(yùn)行過(guò)程中的損耗主要以熱的形式進(jìn)行傳導(dǎo),當(dāng)電流流過(guò)電纜,電纜線(xiàn)芯導(dǎo)體發(fā)熱,根據(jù)歐姆定律,并忽略電纜導(dǎo)體中的熱量損失,可以得到單位長(zhǎng)度電纜線(xiàn)芯發(fā)熱量為S=I2R[14]。
單位長(zhǎng)度線(xiàn)芯有效電阻R可以由式(1)計(jì)算。
式(1)中:R為溫度T時(shí)的電阻值;R0為25℃下線(xiàn)芯的電阻值;α25為線(xiàn)芯導(dǎo)體材料以25℃為基準(zhǔn)時(shí)的電阻溫度系數(shù)。
一段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體的產(chǎn)熱量可以用式(2)計(jì)算得到。
式(2)中:Q為線(xiàn)芯產(chǎn)熱量;I為電纜線(xiàn)芯通過(guò)的電流;R為線(xiàn)芯電阻值;t為電纜通流時(shí)間。
絕緣層的介質(zhì)損耗(W)可以用式(3)計(jì)算。
式(3)中:ω為角頻率;tanδ為工頻下絕緣的介質(zhì)損耗因數(shù);U為絕緣層承受的電壓;C為單位長(zhǎng)度電纜的電容。
根據(jù)ⅠEC 62497-1:2010的附錄D選取額定電壓,經(jīng)查UN=27.5 kV。在該電壓下絕緣層介質(zhì)損耗比線(xiàn)芯發(fā)熱小得多,因此在計(jì)算過(guò)程中忽略介質(zhì)損耗,用導(dǎo)體線(xiàn)芯的發(fā)熱量進(jìn)行計(jì)算。
電纜終端內(nèi)部溫度分布采用熱傳導(dǎo)的泊松方程得到[15-16],傳熱方程如式(4)所示。
式(4)中:T為終端溫度;?為產(chǎn)熱功率;λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
電纜終端電場(chǎng)分布根據(jù)靜電場(chǎng)的泊松方程得到,電位的二階泊松方程如式(5)所示,電位的梯度即電場(chǎng)強(qiáng)度的大小,在電纜絕緣與套管絕緣中電場(chǎng)與相對(duì)介電常數(shù)成反比,如式(6)所示[17]。計(jì)算中用到的材料相對(duì)介電常數(shù)由溫度場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)決定。
式(5)~(6)中:?為電位;ρ為源電荷密度;ε為材料介電常數(shù);ε1和ε2分別為電纜絕緣和套管絕緣的相對(duì)介電常數(shù);E1和E2分別為電纜絕緣和套管絕緣內(nèi)部的電場(chǎng)。
根據(jù)終端運(yùn)行工況和材料絕緣特性建立物理場(chǎng)仿真模型[18],計(jì)算車(chē)頂高壓電纜終端內(nèi)部電位和電場(chǎng)分布,結(jié)果如圖7~8所示。
圖7 電纜終端電位分布Fig.7 Potential distribution of cable terminal
從圖7~8可以看出,電纜終端導(dǎo)體電位為27.5 kV,沿終端徑向呈現(xiàn)梯度分布,等值線(xiàn)的密集程度代表著電場(chǎng)強(qiáng)度的大小。結(jié)合電纜終端電場(chǎng)分布,終端電場(chǎng)畸變位置位于終端應(yīng)力錐根部和電纜主絕緣,電場(chǎng)強(qiáng)度分別為3.12 kV/mm、2.99 kV/mm。電纜主絕緣承擔(dān)了終端的高電位,應(yīng)力錐均化了終端接頭附近的電場(chǎng)畸變,應(yīng)力錐根部和主絕緣屬于動(dòng)車(chē)輸配電系統(tǒng)的薄弱位置[19-20]。
根據(jù)終端電場(chǎng)分布的結(jié)果(圖8),沿電纜終端徑向建立坐標(biāo)系,以電纜銅芯中心為坐標(biāo)原點(diǎn),作出終端沿直徑方向的電場(chǎng)分布,如圖9所示,圖中從坐標(biāo)原點(diǎn)往兩側(cè)依次為電纜銅芯、三元乙丙橡膠主絕緣、應(yīng)力錐半導(dǎo)電部分、環(huán)氧套管以及空氣域。由圖9可知,電場(chǎng)主要分布在電纜主絕緣與環(huán)氧增強(qiáng)絕緣以及應(yīng)力錐絕緣部分,其中電場(chǎng)畸變嚴(yán)重的位置分別位于應(yīng)力錐絕緣部分與主絕緣部分交界處、應(yīng)力錐與環(huán)氧材料交界處,畸變電場(chǎng)強(qiáng)度分別為1.58 kV/mm和0.51 kV/mm。
圖8 電纜終端電場(chǎng)分布Fig.8 Electric field distribution of cable terminal
圖9 電纜終端徑向電場(chǎng)分布Fig.9 Radial electric field distribution of cable terminal
圖10為終端運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi)主絕緣最大電場(chǎng)的變化曲線(xiàn)。從圖10可以看出,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),終端主絕緣部分溫度逐漸升高,三元乙丙橡膠相對(duì)介電常數(shù)減小,主絕緣電場(chǎng)隨溫度升高略有減小。隨著運(yùn)行時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),終端溫度場(chǎng)分布達(dá)到平衡,電場(chǎng)強(qiáng)度不再隨時(shí)間發(fā)生變化。
圖10 電纜終端主絕緣最大電場(chǎng)隨時(shí)間變化Fig.10 The maximum electric field at the cable terminal main insulation varies with time
電纜終端不同區(qū)域最大電場(chǎng)如表1所示。由表1可知,電纜主絕緣最大電場(chǎng)為2.995 kV/mm;應(yīng)力錐最大電場(chǎng)位于應(yīng)力錐根部,電場(chǎng)強(qiáng)度為3.120 kV/mm;環(huán)氧絕緣處最大電場(chǎng)為1.108 kV/mm。
表1 不同區(qū)域最大電場(chǎng)Tab.1 The maximum electric field at different regions
動(dòng)車(chē)組高壓電纜終端電場(chǎng)不僅受到多層復(fù)合絕緣介質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響,而且受到運(yùn)行工況、周?chē)h(huán)境以及因動(dòng)車(chē)高速運(yùn)行帶來(lái)的諧波電壓、過(guò)電壓等的影響,材料的絕緣裕度很難確定。本研究通過(guò)對(duì)電-熱耦合條件下高壓終端的電場(chǎng)和熱場(chǎng)進(jìn)行仿真,結(jié)果顯示溫度變化引起的終端內(nèi)部電場(chǎng)變化不大,但應(yīng)力錐與電纜主絕緣部分電場(chǎng)強(qiáng)度較大,屬于動(dòng)車(chē)組高壓電纜終端的薄弱位置。同時(shí),終端絕緣材料會(huì)在電和熱的作用下發(fā)生老化,使絕緣材料絕緣性能下降,造成電纜終端絕緣放電甚至擊穿。
動(dòng)車(chē)組車(chē)頂高壓終端隨著動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行,受到自然地理環(huán)境的影響,近年來(lái),動(dòng)車(chē)組在各種惡劣條件下發(fā)生故障的情況越來(lái)越頻繁。以蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)為例,由于深居內(nèi)陸,冬夏兩季特征明顯,氣溫變化大,冬季最冷的1月,平均氣溫為-20℃以下,極端最低氣溫曾達(dá)到-50℃;夏季最熱的7月,平均氣溫為33℃以上,極端最高氣溫曾達(dá)到48℃。
首先,計(jì)算室溫下電纜終端溫度場(chǎng)分布,環(huán)境初始溫度預(yù)設(shè)為25℃,主絕緣與增強(qiáng)絕緣以及半導(dǎo)電材料的導(dǎo)熱系數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果擬合得到。電纜終端溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出,電纜終端最高溫度隨著投入運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大,在15 h附近達(dá)到穩(wěn)定,穩(wěn)定時(shí)終端最高溫度為54.9℃。終端內(nèi)部徑向溫度分布隨時(shí)間的變化如圖11中小圖所示,橫坐標(biāo)為電纜終端由銅芯到環(huán)氧絕緣套管之間的距離。可以看出,電纜終端最高溫度出現(xiàn)在銅芯附近,約為54.9℃,最低溫度在環(huán)氧與空氣交界面,最低溫度為30.3℃,內(nèi)外溫差為24.6℃。溫差以及不同材料導(dǎo)熱性能的差異會(huì)在電纜終端內(nèi)部形成溫度梯度,溫度會(huì)影響材料的相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率以及導(dǎo)熱系數(shù),從而引起電纜終端內(nèi)部電場(chǎng)發(fā)生改變。
圖11 電纜終端溫度場(chǎng)分布Fig.11 Temperature field distribution of cable terminal
然后,按極端天氣設(shè)置環(huán)境條件,計(jì)算電纜終端在環(huán)境溫度-30、25、50℃下運(yùn)行一段時(shí)間后電纜終端的溫度分布,計(jì)算結(jié)果如圖12(a)~(c)所示。由圖12(a)可知,電纜終端溫度最低點(diǎn)在法蘭附近,其值為2.15℃,環(huán)氧套管與空氣的交界面溫度為19.5℃,但芯棒在低溫環(huán)境下最高溫度仍可達(dá)到40℃;由圖12(b)可知,室溫下,電纜終端最低溫度為法蘭附近的35℃,環(huán)氧套管與空氣界面溫度為36.7℃,芯棒最高溫度為53.2℃;由圖12(c)可知,法蘭附近的溫度達(dá)到63℃,環(huán)氧套管與空氣界面溫度為65℃,電纜芯棒溫度達(dá)到77℃。
圖12 電纜終端溫度分布Fig.12 Temperature distribution of cable terminal
表2為不同環(huán)境溫度下應(yīng)力錐根部電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度。由表2可知,不同環(huán)境溫度下,應(yīng)力錐根部溫度變化較大,但電場(chǎng)強(qiáng)度變化很小。對(duì)于交流電纜終端,應(yīng)力錐根部承擔(dān)的電場(chǎng)較高,屬于電纜終端放電的薄弱位置。雖然隨著環(huán)境溫度變化,應(yīng)力錐根部電場(chǎng)變化較小,但在極端低溫條件下,結(jié)合DSC測(cè)試結(jié)果,環(huán)氧樹(shù)脂材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為123.3℃,在高寒環(huán)境下處于玻璃態(tài),具有較差的形變能力。而三元乙丙橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-54.4℃,在極端低溫條件下仍處于高彈態(tài),溫度降低時(shí)仍具有良好的收縮性[2]。三元乙丙橡膠與環(huán)氧樹(shù)脂間收縮度的不同,易在兩者之間界面產(chǎn)生氣隙,造成界面結(jié)構(gòu)不匹配的現(xiàn)象,導(dǎo)致界面放電的產(chǎn)生。
表2 不同環(huán)境溫度條件下應(yīng)力錐根部電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度Tab.2 Comparison of electric field and temperature at root of stress cone under different environment temperatures
(1)三元乙丙橡膠和環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)總體上隨著溫度的升高而增大,當(dāng)溫度超過(guò)80℃時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)有所下降。三元乙丙橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)從25℃的0.251 W/(m·K)增大到80℃的0.295 W/(m·K),環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)從25℃的0.431 W/(m·K)增大到80℃的0.488 W/(m·K),相同溫度下,環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)均大于三元乙丙橡膠。高于80℃時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高有所下降。
(2)三元乙丙橡膠的介電常數(shù)隨著溫度的升高逐漸減小,從-60℃的3.70下降到100℃的3.28;環(huán)氧樹(shù)脂的介電常數(shù)隨著溫度的升高逐漸增大,從-60℃的5.02增大到100℃的5.29,這是由于二者的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不同造成的。
(3)計(jì)算了電纜終端不同區(qū)域的電場(chǎng)分布。電纜終端電場(chǎng)最大畸變點(diǎn)出現(xiàn)在應(yīng)力錐根部,電場(chǎng)強(qiáng)度為3.120 kV/mm;其次電場(chǎng)集中分布在電纜主絕緣,電場(chǎng)強(qiáng)度為2.995 kV/mm;隨著電纜終端溫度的升高,終端內(nèi)部電場(chǎng)變化較小,但是極端低溫條件下三元乙丙橡膠和環(huán)氧樹(shù)脂收縮度的差異易引起界面缺陷放電。