CR400AF型動車組高壓電纜終端放電擊穿故障分析

周新力，周慶朝

（中國鐵路廣州局集團有限公司 廣州動車段，1.工程師，2.助理工程師，廣東 廣州 511483）

1 動車組高壓電纜總成概述

1.1 動車組高壓電纜動車組車頂高壓電纜用于高壓電氣設(shè)備間的連接，起電力傳輸?shù)淖饔谩２捎酶邏弘娎|不僅可以優(yōu)化相關(guān)設(shè)備的布置空間和高壓防護空間，同時能夠保證其工作環(huán)境更安全可靠1。高壓電纜的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 高壓電纜結(jié)構(gòu)示意圖

電纜工作狀態(tài)下，電纜內(nèi)部沿銅導體的半徑方向，會形成均勻分布的電場。在電纜主絕緣層內(nèi)、外接觸面有由半導電材料制成的內(nèi)半導電層和外半導電層，內(nèi)、外半導電層形成了一個光滑平整的圓柱體面，消除了電纜內(nèi)部銅導體線束和外部銅屏蔽層的表面缺陷，從而保證了高壓電纜通過主絕緣層沿半徑方向形成的電場是均勻分布的。

電纜在加工制作過程中，屏蔽層和外半導電層被剝離，將在屏蔽層斷口處形成沿導線軸向分布的畸變電場。這種畸變電場將引起屏蔽層斷口處電場強度應(yīng)力集中，對電纜主絕緣極為不利，也是電纜最易被擊穿的部位，如圖2所示。為緩和屏蔽層斷口處電力線的密集度，制作高壓電纜總成時，往往在電纜最容易擊穿的屏蔽層斷口處采用相對介電常數(shù)為20～30，體積電阻率為108～1 012Ω·cm高分子材料共混或共聚而成的電應(yīng)力控制管（簡稱應(yīng)力管），以確保電纜能夠長時間運行2，如圖3所示。

圖2 高壓電纜斷口處電力線分布示意圖

圖3 套裝應(yīng)力管后電力線分布示意圖

1.2 動車組高壓電纜終端電纜終端裝配在電纜線路的首末端，其主要功能是均勻電纜首末端的電場分布，實現(xiàn)電應(yīng)力控制，同時保證對電纜端頭的密封，防止外界雜質(zhì)和水分的侵入，保證電纜可靠運行。根據(jù)制作材料不同，電纜終端可分為熱縮式終端、冷縮式終端和預(yù)制式終端。

與電纜本體相比，電纜終端的制作往往是薄弱環(huán)節(jié)。一方面為改善電場分布，電纜終端多采用多層復合絕緣介質(zhì)，生產(chǎn)制造過程可能在電纜終端內(nèi)部引入雜質(zhì)、突起、潮氣等缺陷；另一方面電纜終端需要現(xiàn)場安裝，施工環(huán)境和安裝人員的經(jīng)驗等均會影響安裝質(zhì)量，安裝質(zhì)量不佳時可能出現(xiàn)應(yīng)力錐錯位、絕緣層破損、壓縮不緊等問題。若不及時消除缺陷，在電場和溫度場的共同作用下，缺陷進一步發(fā)展可能導致電纜附件燒損、絕緣擊穿，甚至造成終端頭炸裂3。

統(tǒng)計動車組以往發(fā)生的高壓電纜故障總數(shù)，發(fā)現(xiàn)高壓電纜終端故障數(shù)占比約為80%。因此，動車組運用部門十分關(guān)注電纜終端運行的好壞。

2 高壓電纜終端局部放電原因

在絕緣介質(zhì)的局部空間中發(fā)生放電，卻沒有貫穿施加電壓的導體之間，此現(xiàn)象稱為局部放電4。

在高壓電纜終端的生產(chǎn)加工、裝配使用過程中，應(yīng)考慮成品內(nèi)部或者與其附件連接處無任何界面縫隙，以及無任何界面污染而產(chǎn)生的缺陷，否則在上述區(qū)域所承受的電場將出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。這種不均勻的電場可能導致終端內(nèi)部發(fā)生局部放電，擊穿內(nèi)部氣體、固體絕緣介質(zhì)或金屬附件。一般而言，高壓電纜總成局部放電的能量很小，短時間內(nèi)并不會影響到電纜的絕緣性能，但若電纜終端持續(xù)發(fā)生局部放電，電纜的絕緣部分的介電性能將逐漸惡化，并進一步導致電纜的缺陷擴大，最終導致絕緣擊穿。動車組高壓電纜終端突發(fā)絕緣擊穿，影響動車組正常受流，同時高壓部件對地放電，可能導致接觸網(wǎng)熔斷，危害極大。

動車組高壓電纜終端放電擊穿故障模式可分為：絕緣結(jié)構(gòu)層間沿面放電和電纜終端外部組裝層放電兩類，其典型放電路徑如圖4、圖5所示。

圖4 絕緣結(jié)構(gòu)層間沿面放電路徑

圖5 電纜終端外部組裝層放電路徑

造成上述故障的原因通常為：電纜終端生產(chǎn)加工在無封閉獨立的場所進行，空氣清潔度無法有效保證；絕緣管熱縮過程中可能存在微小顆粒雜質(zhì)混入，導致層間產(chǎn)生氣隙，造成電場過于集中，從而發(fā)生局部放電；原材料有微小瑕疵，導致局部放電長期存在，最終發(fā)生擊穿故障。

3 故障案例分析

3.1 故障概況2020年X月X日，廣州動車段CR400AF-1XX5動車組發(fā)生車頂高壓電纜終端對地放電故障，導致存車場接觸線熔斷，構(gòu)成鐵路一般C14事故。事故發(fā)生后，現(xiàn)車檢查發(fā)現(xiàn)車頂電纜終端傘裙管的下表面往終端傘裙底部，有一系列連貫的穿孔現(xiàn)象，并在傘裙底部接近電纜屏蔽的地方發(fā)生炸裂，如圖6所示。

圖6 故障高壓電纜終端圖片

3.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析本次發(fā)生故障的產(chǎn)品為一款熱縮式剛性終端，由耐克森公司生產(chǎn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為8層結(jié)構(gòu)，第1、2層為應(yīng)力層，主要為切割電場作用，第3-6層起支撐及絕緣作用，第7層為傘裙，主要為外部電場切割作用，具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。在終端傘裙底部，選取3根電纜屏蔽銅絲作為漏電收集環(huán)的連接線，其余銅絲擰成一股。

圖7 剛性終端結(jié)構(gòu)圖

該產(chǎn)品為多層分層外絕緣結(jié)構(gòu)，每一層間的界面絕緣強度，主要依靠各層間熱縮后的緊密接觸來保持。該外絕緣結(jié)構(gòu)的電纜連接，帶電部位裸露在外界空氣中，受外界環(huán)境影響較大，易發(fā)生污閃放電。但其終端組裝工藝相對簡單，拆解時僅需更換螺栓及墊片，便于解編檢修，后期維護成本較低。

3.3 放電路徑分析為查明本起終端放電路徑，對故障終端進行拆解分析，發(fā)現(xiàn)終端內(nèi)部各層上均有主放電通道留下的燒蝕路徑，僅在第6層絕緣支撐管內(nèi)表面和第5層絕緣支撐管的外表面存在密集的樹枝狀放電痕跡，如圖8所示。在壓接端子的底部，有一個金屬燒灼孔，判斷為短路起始點。在電纜半導電屏蔽口（地電位）處，有一處放電高溫熔坑，判斷為短路電流接地點（終點）。

圖8 第6層與第5層絕緣支撐管放電痕跡

通過故障終端拆解分析，判斷本次放電路徑為：從端子頂部，沿第6層（最外層）絕緣支撐管的內(nèi)表面，向下貫穿放電，然后在電纜絕緣屏蔽（外半導電屏蔽，接地狀態(tài)）斷口處，向屏蔽斷口處垂直擊穿，最終通過絕緣屏蔽（接地狀態(tài)）與地連通，形成一個完整的接地放電（短路）通道。在第6層絕緣支撐管內(nèi)表面及第5層絕緣支撐管外表面上，有多處不同程度的樹枝狀放電痕跡，這種痕跡表明，在這兩層絕緣支撐管之間存在著長期的局部放電，這種放電會導致最終的界面絕緣崩潰，從而造成沿界面上貫穿性的放電（即擊穿短路）。本次終端放電路徑為一次典型的絕緣結(jié)構(gòu)層間沿面放電。

3.4 放電原因分析

3.4.1 熱縮不當引起的界面壓力不緊 由于終端各層熱縮部件是通過加熱收縮的方式，縮緊在電纜上，在收縮作業(yè)過程中，工人的熟練度與對產(chǎn)品的理解對收縮質(zhì)量有較大影響，一旦存在收縮不到位的情況，就會引起界面上長期局部放電，逐步破壞絕緣，最終形成沿面擊穿。從現(xiàn)場終端拆解情況來看，并未發(fā)現(xiàn)各層界面壓力不緊的現(xiàn)象，說明并非是熱縮不當引起的局部放電。

3.4.2 層間內(nèi)部界面存在臟污或潮氣 電纜終端在裝配過程中，若終端內(nèi)部界面上存有臟污或潮氣，將引發(fā)內(nèi)部的長期局部放電，逐步發(fā)展成電樹枝，破壞絕緣，最終發(fā)展成貫穿性沿面擊穿，并在短路通道上造成多層結(jié)構(gòu)層熔穿。這種臟污或潮氣的產(chǎn)生，可能是因為電纜終端裝配過程中，結(jié)構(gòu)層內(nèi)外表面清潔不到位，導致界面上有殘留顆粒雜質(zhì)，或者清潔時可能產(chǎn)生凝露或清潔劑清除不徹底。終端拆解發(fā)現(xiàn)在第6層絕緣支撐管與第5層絕緣支撐管之間有大量樹枝狀放電痕跡，初步判定此次終端放電是由于層間內(nèi)部界面存在臟污或潮氣導致的。

3.5 應(yīng)對措施總結(jié)本次動車組車頂高壓電纜終端放電故障處理的做法和經(jīng)驗，著眼防止以至消除此類故障發(fā)生，筆者認為以下應(yīng)對措施需要認真堅持和完善。

1）切實加強設(shè)備檢維修人員綜合素質(zhì)培訓，增強理論分析、實踐處置故障能力。

2）生產(chǎn)電纜終端的廠家在設(shè)備制造過程中要嚴格按照工藝技術(shù)標準進行生產(chǎn)，對生產(chǎn)所需的原材料及零部件必須經(jīng)過嚴格的檢測篩查，避免終端附件在生產(chǎn)、加工、裝配過程中出現(xiàn)缺陷。產(chǎn)品制作完成后，需進行局部放電測試及工頻耐壓測試，測試合格后方可裝車使用。

3）研究制定動車組現(xiàn)車檢測手段，如錄音監(jiān)測、紅外檢測、超聲檢測等，定期開展檢測，提前發(fā)現(xiàn)隱患并消除。

4 結(jié)束語

本文運用理論與實踐相結(jié)合方法對CR400AF型動車組高壓電纜終端放電擊穿故障進行分析，提出了解故障對象構(gòu)成是分析故障的基礎(chǔ)，找準故障成因是排除故障的關(guān)鍵，制定落實切合實際的故障處理方法是取得故障排除實效的保證等思路，以及提升檢維修人員素質(zhì)、從源頭確保設(shè)備質(zhì)量、健全故障控制體系等建議，期望對相關(guān)單位和人員起到有益的參考和借鑒作用。