高寒环境下低温对乙丙橡胶电缆终端界面放电特性的影响
武汉加油
风雨同行 共克时艰
乙丙橡胶（EPR）电缆作为高铁列车中应用最为广泛的电缆类型，其终端在高寒环境下接连出现多起击穿事故。为研究高寒环境下低温条件对EPR电缆终端击穿过程及界面间放电特性的影响，西南交通大学电气工程学院，云南电网有限责任公司电力科学研究院的研究人员白龙雷、周利军、邢立勐、李丽妮、项恩新，在2020年第3期《电工技术学报》上撰文，以实际运行中EPR电缆终端为试验样品，建立能够模拟最低温度可达-50℃的高压低温试验系统，对比研究20~-40℃范围内终端绝缘的局部放电特性及材料性质变化。
结果表明：高寒环境下，EPR绝缘层和应力控制管（SCT）的弹性模量与自由空间体积等性质的差异，导致二者间易出现结构性缺陷，诱使终端内部局部放电现象的出现；低温条件下局部放电的起始电压和熄灭电压与常温相比均降低40%以上，击穿概率显著增大，放电图谱有明显的形状特征改变。经试验验证得出：高压低温条件下终端内部EPR/SCT界面间很容易出现结构不匹配现象，导致放电产生，严重威胁EPR电缆终端的安全稳定运行。
自从2008年中国进入高铁时代至今，高速铁路技术得到迅速发展。高铁列车在各类恶劣环境条件中运行的情况越来越多地出现，导致以乙丙橡胶（Ethylene-Propylene Rubber, EPR）电缆为代表的列车供电系统的运行可靠性受到了极大挑战，尤其是在高寒等极端天气出现频繁的地区，EPR电缆终端出现整体绝缘性能下降，击穿事故频发的现象，严重影响到列车的安全运行。
随着“一带一路”的建设，高铁列车将在环境更为恶劣的中亚及西伯利亚地区运行，EPR电缆终端将面临更加严苛的低温环境考验，对其运行可靠性提出了更高的要求。但是，目前有关EPR电缆在高寒环境下频繁出现击穿故障的原因，以及终端整体在低温环境中的绝缘特征都不明确，使得高寒地区列车结构设计和试验检测均缺乏相关的理论依据，因此迫切需要开展高寒环境下EPR电缆终端击穿过程及界面间放电特性的研究，提高列车供电系统的运行可靠性。
EPR电缆终端大多是由多层应力控制管（Stress Control Tube, SCT）经热缩方式制作而成，其EPR/SCT的界面间放电特性是评估电缆终端绝缘性能的重要指标，因此研究低温条件下终端内界面间放电特性有助于其结构的优化和改进。
目前，国内外学者对于各类电缆终端的研究主要集中在内部材料特性与绝缘缺陷特征检测方面：
有学者研究了电缆在经热老化处理后，介电性能对于整体绝缘性能评估及寿命模型的影响；
有学者则进一步通过老化前后EPR材料的物性测试结果展开了相关研究，从微观角度进一步揭示了材料特性与绝缘性能的关系；
为解决因材料问题导致的电场畸变，甚至老化加速问题，有学者开展了终端内部使用非线性电导材料情况下，电场分布的仿真研究与优化设计，有学者则根据终端附件的形变参数与位移方程，提出了新型附件设计方法，且均起到了提高电缆终端整体绝缘性能的作用；
除材料特性研究外，有学者针对EPR电缆中常见的气隙缺陷，研究了气隙缺陷尺寸、形态及环境温度对放电特性变化的影响，有学者则通过对EPR与其他介质交界面处的空间电荷和放电特征的研究，发现不同绝缘材料界面处也是电缆终端绝缘薄弱部位，需进行重点关注。
综上，有关电缆终端内绝缘材料性质与优化设计的研究已取得了丰富的成果，对于界面间放电性质有了一定的探究，但是以上研究大多是针对常温或高温状况，对于高寒环境下EPR电缆终端的放电特性以及击穿过程的研究一直较为缺乏，导致目前的研究成果对于频繁出现的高铁列车电缆终端击穿故障的解决缺乏必要的参考与指导。因此研究高寒环境下低温对终端结构特点与绝缘性能的影响，是一项具有重要实际工程意义的课题。
针对高铁列车EPR电缆终端在高寒环境下频繁出现击穿故障的问题，西南交通大学电气工程学院，云南电网有限责任公司电力科学研究院的研究人员，对其击穿过程和放电特性进行了探究。
图1 试验样品和试验系统示意图
图2 局部放电试验系统原理
基于EPR电缆运行中“受压不受流”的特殊工况，建立能够模拟高寒环境的高电压低温试验系统，选用32根高铁列车中实际运行状态良好的电缆及终端作为试验样品，测量了不同低温条件下EPR电缆终端局部放电信号特征，并观察界面间刷形放电痕迹和形态，分析低温下交界面处材料性质差异对终端结构匹配性及界面间放电发展特性的影响，为高寒环境下EPR电缆终端结构优化及状态检测提供依据。
图7 不同温度下SCT与EPR间界面应力测试
图11 试样d55受典型放电烧蚀后痕迹
研究者最后得到如下结论：
1）随着温度的降低，电缆终端试样的局部放电起始电压和熄灭电压呈降低的趋势，-40℃下起始电压和熄灭电压与常温20℃相比，分别降低约45%和53%。
2）低温条件下，随着温度的持续下降，SCT材料管出现分子链段运动被冻结，弹性下降等的玻璃化转变过程，而EPR材料的性质转变过程出现较晚，因此造成EPR绝缘层与SCT管间界面处出现结构不匹配问题，导致界面间缺陷出现，进而引发界面放电等问题。
3）高寒环境下，以多层热缩式应力管为主的电缆终端结构，出现终端内部放电，进而导致绝缘击穿的隐患较大，且其放电谱图特征呈龟背形或翼形，具有显著的特点，应引起现场工作人员的注意。