动车组用电缆终端炸裂仿真分析与防范措施

李艳 李彦林 李法双

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市 266111）

车载高压电缆承载着输送电能的重要作用，电缆的安全性直接关系着动车组的安全运营。电缆终端是车载电缆的重要组成部分，同时也是车辆电能输送的薄弱环节[1]。电缆终端安装时需要截断末端的金属屏蔽层和半导层，电场在截断处分布极不均匀，需要应力控制管对电场均匀化。电缆半导层、应力控制管、绝缘层三种材料交叉点热缩时易产生气隙缺陷，气隙缺陷导致电场畸变，畸变电场是导致电缆终端故障的重要原因[2]。

目前国内外学者对电缆终端的安全性开展了大量研究。朱琳等开展了电缆终端在正常情况下和存在气隙情况下的电场仿真分析，结果表明气隙是导致电缆终端放电通道产生及延伸，最终导致炸裂的重要原因[3]。郭蕾等研究了不同应力控制管材料对电场畸变的均匀作用以减少电场畸变，结果表明非线性应力控制管能明显减少电缆终端缺陷导致的电场畸变[4]。白龙雷等研究了高寒环境下电缆终端击穿过程及界面放电特性，高寒环境下绝缘层、应力控制层弹性模量、自由空间体积等性质差异导致二者间易产生结构性缺陷，最终诱使内部局部放电、电缆击穿[5]。汪恒等研究了高温超导电缆终端内部空气缺陷导致电场畸变，引起局部放电甚至击穿电缆[6]。通过研究电缆终端内部的电场分布及电缆终端缺陷对电场的影响进而分析电缆终端炸裂的原因，以此改善电缆终端制作工艺、使用材料、日常维护措施进而提高电缆终端的安全服役性能是当前重要研究课题。

图1：高压系统构成

图2：电缆终端结构图

图3：有无应力控制管的电场分布对比图

图4：电缆终端炸裂

图5：应控管开裂及绝缘层放电痕迹、击穿孔

1 故障概述

某动车组升3 车受电弓库内等信号期间报出网压中断、网压低封锁四象限故障，查看弓网视频发现3 车受电弓有火花产生。登顶检查3 车车顶高压设备状态，发现3 车车顶电缆终端炸裂，打开3车车下高压设备箱，检查高压设备箱内各电器设备状态正常，测量3 车主断路器进线对地绝缘阻值异常。

2 高压系统原理

2.1 高压系统结构

如图1所示，高速动车组高压系统主要由受电弓、主断路器、接地开关、隔离开关、高压母线、变压器等组成，通过受电弓从接触网接收27.5kV 高压交流电，然后通过高压电缆及其它高压设备将电能输送到车下的高压设备箱内，受电弓与高压电缆之间通过电缆终端连接实现电能的传输。

2.2 电缆终端结构

为了有效保证电缆终端的绝缘性能，电缆终端由电缆及 6 层绝缘管组成。6 层绝缘管分别为第一层伞裙、第二层热缩管、第三层热缩管、第四层应力控制管、第五层热缩管、第六层应力控制管，第六层应力控制管直接包覆在电缆绝缘层和截断的半导层上以均匀由于截断半导层而导致的电场畸变，电缆终端结构如图2所示。

电缆终端在加工时半导层在绝缘层上被截断，半导层断口处电场分布发生严重电场集中，等位线由平行于电缆导体的平行线变为发散分布，半导层断口附近等位线非常靠近，说明电场强度较高。从电场分布来考虑，为解决电场应力集中问题，采用应力控制管可有效均匀电场、降低电场应力集中，如图3所示，应力控制管包覆在半导层和绝缘层上有效均匀了畸变的电场。

表1：电缆终端材料参数

图6：电缆终端模型剖视图

图7：电缆终端网格划分

图8：电场强度分布

图9：电场强度畸变

3 电缆终端拆解检查

如图4所示，对炸裂的电缆终端进行拆解，检查第一层伞裙发现电缆终端的前端部位、伞套第8-9 片伞裙间及终端尾部位置电缆护套开裂。检查第二层热缩管端部烧损，内部被熏黑，对应第8-9片伞裙位置有裂口。第三层热缩管端部有裂口，内、外表面被熏黑。第四层应力控制管外表面被熏黑，内表面检查无异常。第五层热缩管端部有一处较长裂口，外表面熏黑，内表面无电蚀痕迹。

第六层应力控制管有两处长裂口，应力控制管长裂口对应电缆绝缘层表面放电痕迹，放电痕迹开始于半导层、绝缘层、应力控制管三者交界处（该位置生产加工中易产生气隙缺陷），绝缘层表面放电痕迹止于应力控制管末端，且放电痕迹末端存在一绝缘层击穿孔。如图5所示。

4 电缆终端电场强度仿真分析

通过电缆终端解剖可知绝缘层表面产生了放电痕迹，放电痕迹起于半导层、绝缘层、应力控制管三者交界处，而电缆终端在实际加工制作过程中由于制作工艺、工人技术水平等原因该位置易产生气隙缺陷。采用COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件研究电缆终端在半导层、绝缘层、应力控制管三者交界处有无气隙缺陷情况下的电场特征，探寻电缆终端炸裂的原因。

4.1 电缆终端模型建立与网格划分

通过电缆终端解剖可知，电缆终端使用多层材料热缩而成，电缆终端由外到内依次为伞裙、热缩管、应力控制管、屏蔽层、半导层、绝缘层、缆芯等组成。通过解剖获得电缆终端内部结构参数，采用1:1 比例建立电缆终端三维模型，图6 为电缆终端模型剖视图。

网格划分是指将一个实体离散化成一系列小的有限单元，进而利用偏微分方程在小单元上进行数值求解，空间实体多采用四面体单元或者六面体单元进行网格划分，本文采用六面体单元进行划分，电缆终端仿真模型网格划分结构如图7所示。

4.2 电缆终端仿真分析

电缆终端的材料参数是进行有限元仿真分析的必备参数，根据文献资料[3]取电缆终端材料参数如表1所示。

4.2.1 无气隙缺陷电场仿真

电缆终端在车辆实际运行过程中处于受压不受流的状态，根据实际情况在线芯处施加27.5kV 的电压，电缆终端金属屏蔽层接地，电缆终端在无气隙缺陷情况下的电场强度分布如图8所示，由电场强度云图可知电场强度最大值位于缆芯与绝缘层的交界面，最大为4.23×106V/m，且整条电缆电场强度分布均匀无电场畸变。

4.2.2 有气隙缺陷电场仿真

由于制造工艺、工人技术水平、电缆终端老化等原因会使电缆终端内部产生气隙缺陷，尤其在半导层、绝缘层、应力控制管三者交界处。在电缆终端三维模型半导层、绝缘层、应力控制管三者交界处设置一气隙缺陷，存在气隙缺陷的电场强度如图9所示。通过仿真可知存在气隙缺陷的电缆终端最大电场强度为4.24×106V/m，主要分布在缆芯与绝缘层的交界面处。由于气隙缺陷的存在电缆终端的电场强度发生了畸变，畸变点位于气隙缺陷、绝缘层、应力控制管的交界处，气隙缺陷使该位置的电场强度由0.2V/m 畸变到3.245×106V/m，畸变点的电场强度已经大于空气的击穿场强2.5-3×106V/m。气隙缺陷使该位置的电场强度发生严重畸变，畸变的场强击穿空气导致局部放电，并在绝缘层与应力控制管间形成放电通道。

5 电缆终端炸裂原因分析

电缆终端生产加工无封闭独立的施工场所,空气清洁度无法有效保证，热缩管热缩过程中可能存在微小颗粒杂质混入，层间产生气隙缺陷，电缆终端绝缘层、半导层、应力控制管三种材料交界处最容易产生气隙缺陷，另外三种材料物理性质不同，长期使用过程中伴随物理老化易产生气隙缺陷。当电缆终端该位置产生气隙缺陷时，通过电场仿真可知气隙缺陷处电场发生了畸变，且畸变场强超过空气击穿场强，畸变的电场击穿空气导致局部放电的产生，并以此形成放电路径。当放电路径沿轴向延伸至应力控制管末端时，在此处由于使用收缩度及粘性较好的胶粘结绝缘层与热缩管，所以放电路径无法继续向后发展。而且放电路径发展至应力控制管末端时，失去了应力控制管对畸变电场良好的均匀作用，因此放电主要集中在应力管末端烧蚀。随着内部放电的持续，电荷在应力管末端的绝缘层上积聚，导至应力管末端的绝缘层处电场畸变愈发严重，放电还引起绝缘层材料温度升高，导致绝缘层材料的损坏直至造成绝缘击穿，并导致电缆终端形成贯穿性放电通道，高压导体与屏蔽接地出现短路现象，电缆终端炸裂。

6 保障动车组安全运行、预防电缆终端炸裂措施

（1）车辆运行途中应急措施：当监控屏报出网压中断故障，司机通过网压表确认网压，若网压正常，维持运行；若无网压且非接触网供电原因导致无网压，通过显示器回放功能查看故障时刻受电弓状态，并换弓运行。

（2）为提高动车组产品新造及检修质量，完善高压电缆组件检测手段，提升高压电缆试验精度，在车辆落车之后、编组之前进行高压综合试验包括介损测试、单车局放试验、单车特高耐压试验。

（3）结合运用修对电缆终端进行外观状态检查并进行音频测试，通过音频分析提前发现缺陷终端。

（4）结合高级修对高压系统硬件及软件进行优化改造，降低高压终端故障发生后的影响。完成改造的动车组发生高压电缆终端故障时，屏幕会报出“网侧电流过流故障”，同时根据发生故障的单元报出“升弓单元接地”或“非升弓单元接地”，动车组 VCB自动断开、受电弓紧急降弓，避免对接触网造成损伤。

（5）提高电缆终端制造工艺、提升工人热缩水平、严控电缆终端制造质量，保证生产的电缆终端为无气隙缺陷的合格产品。

7 结束语

本文针对电缆终端炸裂故障，介绍了高压电缆终端的结构原理，通过拆解炸裂的电缆终端发现电缆终端绝缘层表面出现放电通道，放电通道起于半导层、绝缘层、应力控制管交界处，止于应力控制管末端，且绝缘层放电通道末端出现绝缘层击穿现象。

通过电场仿真分析了有无气隙缺陷的电缆终端电场分布，无气隙缺陷电缆终端电场分布均匀、无畸变现象；有气隙缺陷电缆终端在气隙缺陷处发生严重畸变，电场强度由0.2V/m畸变到3.245×106V/m，突破了空气击穿场强。

通过仿真分析电缆终端炸裂原因:气隙缺陷导致电场畸变并击穿空气产生放电，放电沿绝缘层、应力控制管发展形成放电通道，最终在应力控制管末端烧蚀导致电缆绝缘层击穿、电缆终端炸裂。

针对动车组电缆终端炸裂故障在车辆运行、车辆运用修、高级修、电缆终端制造等方面提出了保障动车组安全运行的措施。