動車組用電纜終端炸裂仿真分析與防范措施

李艷 李彥林 李法雙

（中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東省青島市 266111）

車載高壓電纜承載著輸送電能的重要作用，電纜的安全性直接關系著動車組的安全運營。電纜終端是車載電纜的重要組成部分，同時也是車輛電能輸送的薄弱環節[1]。電纜終端安裝時需要截斷末端的金屬屏蔽層和半導層，電場在截斷處分布極不均勻，需要應力控制管對電場均勻化。電纜半導層、應力控制管、絕緣層三種材料交叉點熱縮時易產生氣隙缺陷，氣隙缺陷導致電場畸變，畸變電場是導致電纜終端故障的重要原因[2]。

目前國內外學者對電纜終端的安全性開展了大量研究。朱琳等開展了電纜終端在正常情況下和存在氣隙情況下的電場仿真分析，結果表明氣隙是導致電纜終端放電通道產生及延伸，最終導致炸裂的重要原因[3]。郭蕾等研究了不同應力控制管材料對電場畸變的均勻作用以減少電場畸變，結果表明非線性應力控制管能明顯減少電纜終端缺陷導致的電場畸變[4]。白龍雷等研究了高寒環境下電纜終端擊穿過程及界面放電特性，高寒環境下絕緣層、應力控制層彈性模量、自由空間體積等性質差異導致二者間易產生結構性缺陷，最終誘使內部局部放電、電纜擊穿[5]。汪恒等研究了高溫超導電纜終端內部空氣缺陷導致電場畸變，引起局部放電甚至擊穿電纜[6]。通過研究電纜終端內部的電場分布及電纜終端缺陷對電場的影響進而分析電纜終端炸裂的原因，以此改善電纜終端制作工藝、使用材料、日常維護措施進而提高電纜終端的安全服役性能是當前重要研究課題。

圖1：高壓系統構成

圖2：電纜終端結構圖

圖3：有無應力控制管的電場分布對比圖

圖4：電纜終端炸裂

圖5：應控管開裂及絕緣層放電痕跡、擊穿孔

1 故障概述

某動車組升3 車受電弓庫內等信號期間報出網壓中斷、網壓低封鎖四象限故障，查看弓網視頻發現3 車受電弓有火花產生。登頂檢查3 車車頂高壓設備狀態，發現3 車車頂電纜終端炸裂，打開3車車下高壓設備箱，檢查高壓設備箱內各電器設備狀態正常，測量3 車主斷路器進線對地絕緣阻值異常。

2 高壓系統原理

2.1 高壓系統結構

如圖1所示，高速動車組高壓系統主要由受電弓、主斷路器、接地開關、隔離開關、高壓母線、變壓器等組成，通過受電弓從接觸網接收27.5kV 高壓交流電，然后通過高壓電纜及其它高壓設備將電能輸送到車下的高壓設備箱內，受電弓與高壓電纜之間通過電纜終端連接實現電能的傳輸。

2.2 電纜終端結構

為了有效保證電纜終端的絕緣性能，電纜終端由電纜及 6 層絕緣管組成。6 層絕緣管分別為第一層傘裙、第二層熱縮管、第三層熱縮管、第四層應力控制管、第五層熱縮管、第六層應力控制管，第六層應力控制管直接包覆在電纜絕緣層和截斷的半導層上以均勻由于截斷半導層而導致的電場畸變，電纜終端結構如圖2所示。

電纜終端在加工時半導層在絕緣層上被截斷，半導層斷口處電場分布發生嚴重電場集中，等位線由平行于電纜導體的平行線變為發散分布，半導層斷口附近等位線非常靠近，說明電場強度較高。從電場分布來考慮，為解決電場應力集中問題，采用應力控制管可有效均勻電場、降低電場應力集中，如圖3所示，應力控制管包覆在半導層和絕緣層上有效均勻了畸變的電場。

表1：電纜終端材料參數

圖6：電纜終端模型剖視圖

圖7：電纜終端網格劃分

圖8：電場強度分布

圖9：電場強度畸變

3 電纜終端拆解檢查

如圖4所示，對炸裂的電纜終端進行拆解，檢查第一層傘裙發現電纜終端的前端部位、傘套第8-9 片傘裙間及終端尾部位置電纜護套開裂。檢查第二層熱縮管端部燒損，內部被熏黑，對應第8-9片傘裙位置有裂口。第三層熱縮管端部有裂口，內、外表面被熏黑。第四層應力控制管外表面被熏黑，內表面檢查無異常。第五層熱縮管端部有一處較長裂口，外表面熏黑，內表面無電蝕痕跡。

第六層應力控制管有兩處長裂口，應力控制管長裂口對應電纜絕緣層表面放電痕跡，放電痕跡開始于半導層、絕緣層、應力控制管三者交界處（該位置生產加工中易產生氣隙缺陷），絕緣層表面放電痕跡止于應力控制管末端，且放電痕跡末端存在一絕緣層擊穿孔。如圖5所示。

4 電纜終端電場強度仿真分析

通過電纜終端解剖可知絕緣層表面產生了放電痕跡，放電痕跡起于半導層、絕緣層、應力控制管三者交界處，而電纜終端在實際加工制作過程中由于制作工藝、工人技術水平等原因該位置易產生氣隙缺陷。采用COMSOL Multiphysics 多物理場仿真軟件研究電纜終端在半導層、絕緣層、應力控制管三者交界處有無氣隙缺陷情況下的電場特征，探尋電纜終端炸裂的原因。

4.1 電纜終端模型建立與網格劃分

通過電纜終端解剖可知，電纜終端使用多層材料熱縮而成，電纜終端由外到內依次為傘裙、熱縮管、應力控制管、屏蔽層、半導層、絕緣層、纜芯等組成。通過解剖獲得電纜終端內部結構參數，采用1:1 比例建立電纜終端三維模型，圖6 為電纜終端模型剖視圖。

網格劃分是指將一個實體離散化成一系列小的有限單元，進而利用偏微分方程在小單元上進行數值求解，空間實體多采用四面體單元或者六面體單元進行網格劃分，本文采用六面體單元進行劃分，電纜終端仿真模型網格劃分結構如圖7所示。

4.2 電纜終端仿真分析

電纜終端的材料參數是進行有限元仿真分析的必備參數，根據文獻資料[3]取電纜終端材料參數如表1所示。

4.2.1 無氣隙缺陷電場仿真

電纜終端在車輛實際運行過程中處于受壓不受流的狀態，根據實際情況在線芯處施加27.5kV 的電壓，電纜終端金屬屏蔽層接地，電纜終端在無氣隙缺陷情況下的電場強度分布如圖8所示，由電場強度云圖可知電場強度最大值位于纜芯與絕緣層的交界面，最大為4.23×106V/m，且整條電纜電場強度分布均勻無電場畸變。

4.2.2 有氣隙缺陷電場仿真

由于制造工藝、工人技術水平、電纜終端老化等原因會使電纜終端內部產生氣隙缺陷，尤其在半導層、絕緣層、應力控制管三者交界處。在電纜終端三維模型半導層、絕緣層、應力控制管三者交界處設置一氣隙缺陷，存在氣隙缺陷的電場強度如圖9所示。通過仿真可知存在氣隙缺陷的電纜終端最大電場強度為4.24×106V/m，主要分布在纜芯與絕緣層的交界面處。由于氣隙缺陷的存在電纜終端的電場強度發生了畸變，畸變點位于氣隙缺陷、絕緣層、應力控制管的交界處，氣隙缺陷使該位置的電場強度由0.2V/m 畸變到3.245×106V/m，畸變點的電場強度已經大于空氣的擊穿場強2.5-3×106V/m。氣隙缺陷使該位置的電場強度發生嚴重畸變，畸變的場強擊穿空氣導致局部放電，并在絕緣層與應力控制管間形成放電通道。

5 電纜終端炸裂原因分析

電纜終端生產加工無封閉獨立的施工場所,空氣清潔度無法有效保證，熱縮管熱縮過程中可能存在微小顆粒雜質混入，層間產生氣隙缺陷，電纜終端絕緣層、半導層、應力控制管三種材料交界處最容易產生氣隙缺陷，另外三種材料物理性質不同，長期使用過程中伴隨物理老化易產生氣隙缺陷。當電纜終端該位置產生氣隙缺陷時，通過電場仿真可知氣隙缺陷處電場發生了畸變，且畸變場強超過空氣擊穿場強，畸變的電場擊穿空氣導致局部放電的產生，并以此形成放電路徑。當放電路徑沿軸向延伸至應力控制管末端時，在此處由于使用收縮度及粘性較好的膠粘結絕緣層與熱縮管，所以放電路徑無法繼續向后發展。而且放電路徑發展至應力控制管末端時，失去了應力控制管對畸變電場良好的均勻作用，因此放電主要集中在應力管末端燒蝕。隨著內部放電的持續，電荷在應力管末端的絕緣層上積聚，導至應力管末端的絕緣層處電場畸變愈發嚴重，放電還引起絕緣層材料溫度升高，導致絕緣層材料的損壞直至造成絕緣擊穿，并導致電纜終端形成貫穿性放電通道，高壓導體與屏蔽接地出現短路現象，電纜終端炸裂。

6 保障動車組安全運行、預防電纜終端炸裂措施

（1）車輛運行途中應急措施：當監控屏報出網壓中斷故障，司機通過網壓表確認網壓，若網壓正常，維持運行；若無網壓且非接觸網供電原因導致無網壓，通過顯示器回放功能查看故障時刻受電弓狀態，并換弓運行。

（2）為提高動車組產品新造及檢修質量，完善高壓電纜組件檢測手段，提升高壓電纜試驗精度，在車輛落車之后、編組之前進行高壓綜合試驗包括介損測試、單車局放試驗、單車特高耐壓試驗。

（3）結合運用修對電纜終端進行外觀狀態檢查并進行音頻測試，通過音頻分析提前發現缺陷終端。

（4）結合高級修對高壓系統硬件及軟件進行優化改造，降低高壓終端故障發生后的影響。完成改造的動車組發生高壓電纜終端故障時，屏幕會報出“網側電流過流故障”，同時根據發生故障的單元報出“升弓單元接地”或“非升弓單元接地”，動車組 VCB自動斷開、受電弓緊急降弓，避免對接觸網造成損傷。

（5）提高電纜終端制造工藝、提升工人熱縮水平、嚴控電纜終端制造質量，保證生產的電纜終端為無氣隙缺陷的合格產品。

7 結束語

本文針對電纜終端炸裂故障，介紹了高壓電纜終端的結構原理，通過拆解炸裂的電纜終端發現電纜終端絕緣層表面出現放電通道，放電通道起于半導層、絕緣層、應力控制管交界處，止于應力控制管末端，且絕緣層放電通道末端出現絕緣層擊穿現象。

通過電場仿真分析了有無氣隙缺陷的電纜終端電場分布，無氣隙缺陷電纜終端電場分布均勻、無畸變現象；有氣隙缺陷電纜終端在氣隙缺陷處發生嚴重畸變，電場強度由0.2V/m畸變到3.245×106V/m，突破了空氣擊穿場強。

通過仿真分析電纜終端炸裂原因:氣隙缺陷導致電場畸變并擊穿空氣產生放電，放電沿絕緣層、應力控制管發展形成放電通道，最終在應力控制管末端燒蝕導致電纜絕緣層擊穿、電纜終端炸裂。

針對動車組電纜終端炸裂故障在車輛運行、車輛運用修、高級修、電纜終端制造等方面提出了保障動車組安全運行的措施。