急速温变对车载电缆终端界面放电与介质劣化的影响机理研究

Power cable is an essential part for power transmission on CRH trains, while cable termination on roof is the weakest part of insulation system. Insulation destruction of cable termination on roof seriously affects the operation safety of CRH trains, especially in cold areas in winter. Based on this typical operation condition and the multi-layer heat-shrinkable structure of cable termination, we will analyze the effect of fast temperature variation on compressive stress distribution between layers. By studying interfacial discharge characteristics of EPR/EPR and its tracking products under different conditions of mechanical stress, temperature and temperature variation rate, we intend to find out the influence of temperature dependent compressive stress on EPR/EPR interfacial discharge. By studying the generation characteristics of electric trees and corresponding partial discharge characteristics in EPR under different mechanical stress, temperature and temperature variation rate, and combining multi-scale information of intermolecular interaction and electron transportation process, we intend to reveal the influence of temperature variation rate on long-term degradation of dielectrics in multi-layer heat-shrinkable structure. The above research will provide theoretical foundation and scientific basis for the design, model selection and failure detection of cable termination on board. It will also provide technical support for operation safety of CRH trains and the promotion of traffic power strategy.

车载电缆系统是动车组重要的电能传输部件，车顶电缆终端是其中绝缘最薄弱的部分。频发的终端放电故障严重威胁动车组的运行安全，特别是冬季寒冷地区动车出库时事故发生更为频繁。本项目针对急速温变对多层复合热缩结构绝缘特性影响机理的核心科学问题，研究温度急剧变化对层间压紧力分布的影响规律；通过研究不同机械应力、温度及温度变化率条件下，EPR/EPR沿面放电特性及其电痕产物，揭示温变层间压紧力对多层复合热缩结构界面放电特性的影响机理；通过研究不同机械应力、温度及温度变化率条件下EPR中电树枝生成特性及其对应的局部放电动态变化规律，结合分子间作用、电子输运过程等多尺度信息，揭示温变速率对多层复合热缩结构中介质长时劣化的影响机理。为车载电缆终端的设计、选型及故障检测提供理论基础，为动车组安全运行及交通强国战略目标的推进提供技术支撑。

车载电缆终端是动车组绝缘系统的薄弱部分，急速温度变化引发的电缆终端故障严重影响动车组安全运行。本项目以多层复合热缩绝缘特性为研究对象，研究了急速温变条件下电缆终端层间压紧力分布特性，层间压紧力对电缆终端界面放电的影响机理，以及电缆终端绝缘长时劣化特性及影响机理。首先，分析了车载电缆终端在运行工况下的应力分布特性。根据车载电缆终端结构、材料特性和运行工况，建立了车载电缆终端电-热-力场耦合仿真模型；分析了车载电缆终端温度、应力及形变分布特性；获得了温度变化对其多物理场分布的影响。然后，采用针-板电极模拟电缆终端中的局部不均匀电场，探明了随着外加电压增大，界面放电从局部放电起始的三种放电形态，即电晕放电、沿面流注放电、火花放电，最终形成炭化通道。最后，研究了车载电缆终端绝缘，即EPDM电树枝生长特性；研究了不同老化时间下的电树枝特性，以及不同阶段电树枝的电树枝生长特征参量，揭示了EPDM电树枝生长的发展规律以及热老化对电树枝生长的影响机理。以上研究结果可以解释实际电缆终端爆炸事故的集中爆发在冬季寒冷地区动车出库工况，可以认为：在动车出库过程中，温度变化使层间应力减小、形变变大，甚至出现层间间隙，从而引发层间放电。并且，根据界面放电机理和材料劣化机理，可以进一步提出提高电缆终端性能的技术手段，为车载电缆终端的设计、选型、优化及故障检测提供理论基础。