動車組高壓半剛性電纜終端動態(tài)運行特性研究

劉寅秋，盛 婕，戴 晉，趙伯勝

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

動車組高壓電纜終端裝配在車輛主電纜線路的首末端，其主要功能是均勻電纜首末端的電場分布，實現電應力控制，同時保證對電纜端頭的密封，防止外界雜質和水分的侵入，保證高壓電纜可靠運行。隨著動車組運行里程的增加，動車組車頂高壓半剛性電纜終端絕緣失效對地放電故障時有發(fā)生，故障造成高壓電纜及鄰近設備燒損、牽引變電所跳閘，影響動車組正常運營并增加了設備維修成本。因此，研究引起電纜終端故障的因素，減小電纜終端運用中產生放電故障的概率，對保障動車組及鐵路供電設施的正常運行具有重要的意義。

目前，國內相關機構對動車組車載電纜終端的特性及運用進行了大量的研究。郭蕾等［1］建立了電纜終端模型，提出使用一種與電導率參數相關的非線性材料替換高介質材料，并研究了兩種材料用作應控管時在不同運行條件下的電場分布。昝海斌等［2］分析了高壓電纜終端的結構特點，建立了電場仿真模型，對比了不同運行工況下電纜終端電場分布。支青云、孫繼星等［3］對電纜終端進行了陡波加壓試驗，對運行多年及新加工的電纜終端進行試驗對比，并分析了水煮前及水煮后電纜終端的界面特性。

國內大量的研究工作針對電纜終端的熱老化及化學老化特性，通過仿真和老化試驗等得到了大量的研究成果，但電纜絕緣材料在外部機械振動作用下導致的絕緣性能下降方面進行的工作相對較少，針對動車組電纜終端運行過程中機械應力及振動帶來的絕緣性能下降的研究更是屈指可數。

1 車載半剛性電纜終端故障案例及分析

2019 年某月某日，北京某動車所某型動車組在出庫停車等待信號期間，全列報出網壓中斷、網壓低封鎖四象限，查看弓網視頻發(fā)現故障時刻03車受電弓有兩次火花產生。登頂檢查03 車車頂高壓設備狀態(tài)，發(fā)現受電弓側半剛性終端炸裂，受電弓碳滑板有電蝕痕跡，接觸網與受電弓接觸處有輕微電蝕痕跡，避雷器接地線處有放電痕跡，接地線夾熔斷。03 車受電弓出現兩次明顯拉弧現象的時間點與變電所斷路器重合閘時間一致。

2020 年某月某日，廣州某動車所的某型動車組在動車所存車線激活后，全列網壓中斷、接觸網斷線。啟用熱備車組替換上線執(zhí)行后續(xù)交路。經故障電纜終端解剖可觀察到，終端內部各層上均有主放電通道留下的燒蝕路徑，且最外側絕緣支撐管內表面和第二層絕緣支撐管的外表面存在密集的樹枝狀放電痕跡，如圖1 所示。

圖1 車頂電纜終端故障現場圖

通過對全國多起動車組半剛性電纜終端絕緣擊穿事故進行的調研發(fā)現，電纜終端絕緣擊穿事故可以分為兩種類型，分別為電纜終端內部界面放電和電纜終端外部界面放電。其中內部界面放電的主要原因可能是電纜終端中電纜絕緣層與應力管搭接處之間存在氣隙使得此處的電場過于集中。外部界面放電原因可能與終端熱縮工藝、外部環(huán)境、運行環(huán)境特點等因素相關。

由于動車組高壓半剛性電纜終端安裝位置及工作環(huán)境的特殊性，鮮有該部件實際運行中振動特性方面的研究成果，因此對半剛性電纜終端機械振動老化方面的研究也缺乏相應的數據支撐［4］。基于此，中國鐵道科學研究院集團有限公司組織相關主機廠使用運營動車組在京廣高鐵模擬實際運行工況進行了運行試驗，對半剛性電纜終端振動性能數據進行了采集和分析。

2 車頂半剛性電纜終端運行振動特性試驗

為了研究動車組運行過程中車頂電纜終端關鍵截面的實際振動特性，中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所聯合相關單位在京廣鐵路武漢至駐馬店段正線進行了某型動車組電纜終端在多種運行工況下的運行試驗。

2.1 試驗內容

選擇被試動車組03 車受電弓的半剛性電纜終端作為被測對象，電纜終端上端由M12 螺栓固定在受電弓終端底座上，下端經由ROXTEC 模塊固定穿入車體內部并進入高壓設備艙。在電纜終端傘裙上端部、與受電弓連接的底座、終端傘裙下端部分別布置了加速度傳感器，被測終端周圍設備布局及測點具體位置如圖2 所示。利用京廣高鐵天窗時間在武漢站至駐馬店西站之間進行運行試驗，在03 車受電弓升弓受流及落弓狀態(tài)下分別對振動數據進行采集，試驗速度級為200、250、300 km/h，在每個速度級下均包含明線運行及隧道運行兩種測試環(huán)境，京廣高鐵隧道形式為雙線單洞，隧道內軌頂面以上凈空有效面積為100 m2。

圖2 電纜終端周圍環(huán)境及測點位置

2.2 試驗結果

（1）數據統計分析

試驗加速度信號采用高精度數采儀器配合高低壓隔離模塊搭配進行測試，測試中對實時波形進行錄波并分工況統計測點加速度瞬時最大值及3 s 數據均方根值。試驗過程中各測點加速度最大值及均方根值統計見表1。

表1 振動測試數據統計結果匯總

試驗過程中在每個測點分別測試了垂直于測點表面的垂向加速度及平行于電纜軸向的縱向加速度，以測點1、測點2 在明線運行時的縱向加速度均方根值為例進行說明，形成散點圖，如圖3 所示。測點1 在200 km/h 速度級時兩方向加速度均方根值相當，當運行速度提高時垂向加速度均方根值增大幅度明顯大于縱向。測點2 在明線線路運行時各速度級垂向、縱向加速度均方根值基本相當，這是由于基座測點與水平呈45°夾角且自身剛度較大導致。

圖3 垂向與縱向加速度均方根值對比

對測點1 在隧道內及明線運行時的垂向加速度均方根值進行統計，如圖4 所示，動車組在200、250 km/h 速度級運行時測點1 明線與隧道內加速度均方根值數值相差較小，但當動車組以300 km/h速度級穿過隧道時，測得加速度均方根值明顯大于明線運行數據，這是由于車輛運行導致隧道內氣壓波變化以及車頭擾流向后傳導。

圖4 明線與隧道運行時測試數據對比

對試驗全過程的數據進行對比分析可以總結出動車組運行過程中電纜終端振動特性規(guī)律如下：

①該車型半剛性電纜終端在車頂沿車輛行進方向布置，終端上下端固定點連線與水平面呈約45°角，各測點在車輛運行過程中垂直電纜表面方向及平行于電纜軸向方向均有較明顯的持續(xù)振動，隨運行速度的上升，垂直電纜表面方向的振動增加更為明顯。

②在同一種運行工況下，各測點振動加速度均方根值統計結果隨速度增加上漲幅度明顯。各測點在隧道內的運行振動比明線工況更加劇烈。

（2）運行速度對電纜終端振動的影響

將各測點在明線平穩(wěn)運行時的測試數據進行FFT 分析，得到各測點的幅頻特性如圖5～圖8 所示，圖中給出了各速度級下各測點對應的幅頻特性波形，以及各主要振動頻率的振幅在不同速度級下的對比關系。

測點1 的數據分析結果如圖5 所示。從圖中可以看出，測點1 在34、58、159、219、284、429 Hz 等頻點附近振幅較大，同時在500～1 000 Hz 頻率范圍內有明顯的寬頻帶振動產生，最大振幅出現在750～780 Hz 范圍內。從各主要振動頻率在不同速度級下的振幅對比可以看出，34、58 Hz 頻點的振幅上升趨勢與速度呈線性關系，159、219、284、429 Hz頻點的振幅上升趨勢明顯大于速度上升趨勢，說明該頻點振動與車頂運行氣流擾動有關。

測點2 的測試數據統計如圖6 所示。從圖中可以看出，測點2 在34、67、159、219、284、429 Hz 等頻點附近振幅較大，同時在800～1 000 Hz 范圍內有明顯的寬頻帶振動產生，最大振幅出現在850～900 Hz 范圍內。測點2 在0～500 Hz 內主要振動頻率與測點1 較為一致，但大于500 Hz 的寬頻振動主要頻率及頻率范圍表現均不一致，這與兩測點所處位置的結構、材質及氣動性能有關。從各主要振動頻率在各速度級下的振幅對比可以看出，34、67、219 Hz 頻點的振幅呈線性趨勢上升，159、284、429 Hz 頻點的振幅上升趨勢更為明顯。

圖6 電纜終端測點2 各速度級主要振頻數據對比

測點3 的測試數據統計如圖7 所示。從圖中可以看出，測點3 在68、159 Hz 頻點附近振幅較大，在大于500 Hz 的頻帶內無明顯振幅。測點3 在68 Hz頻點的振幅明顯大于測點1 及測點2，159 Hz 頻點的振幅與測點1 及測點2 相當。

圖7 電纜終端測點3 各速度級主要振頻數據對比

（3）隧道內運行對電纜終端振動的影響

測點1～測點3 在動車組分別在明線和隧道內以300 km/h 速度級運行時的振動測試數據的幅頻特性對比如圖8 所示。

圖8 測點1～3 在300 km/h 速度級運行時明線與隧道振動對比

從圖8 可以看出，動車組在明線及隧道內兩種工況運行時，各測點主要振動頻點并未有較大的改變，但隧道內整體振動幅度增加，其中測點1 及測點2 在159、219、284、429 Hz 頻點振幅增加最為顯著，可見測點1 及測點2 在159、219、284、429 Hz主要振動頻點位置對隧道內氣壓變化及氣流擾動響應明顯。測點1、測點2 在100 Hz 以下的振動特性及測點3 的振動特性受隧道內氣流擾動變化影響相對較小。

3 結論及建議

文中分析了動車組車頂半剛性高壓電纜終端的典型故障，進行了200～300 km/h 速度級下的半剛性電纜終端運行振動試驗，針對該型動車組電纜終端的運行振動特性數據及后續(xù)振動特性試驗的摸索，從多個角度對振動及振動變化的成因進行了分析，得到結論及建議如下：

（1）改善電纜終端制造工藝。國內半剛性電纜終端絕緣擊穿事故與該裝備的制造工藝、電場分布特性、運用環(huán)境導致的老化等方面密不可分，電纜供應商及主機廠應加強電纜終端裝配作業(yè)的質量管控，提高作業(yè)人員專業(yè)技能，同時針對車頂終端濕熱交變的工作環(huán)境，進一步改善終端的設計和制作工藝。

（2）針對車頂受電弓空氣流場特性進行電纜終端設計優(yōu)化。被試動車組半剛性電纜終端在車輛運行過程中靠近受電弓底架一端周圍結構表面壓力值相較其他區(qū)域明顯偏大，通過試驗數據也可看出在相同速度級下隧道工況電纜終端振動水平明顯高于明線工況，如圖9 所示。應針對車頂受電弓空氣流場特性進行電纜終端設計優(yōu)化，根據車頂結構的隧道內外氣動特性仿真結果結合風洞或現場試驗優(yōu)化電纜終端擺放位置，對終端熱縮截面處進行結構優(yōu)化。

圖9 受電弓區(qū)域氣壓對電纜終端可能產生的影響

（3）加強對電纜終端機械振動老化特性的研究。由上文試驗結果分析可見，動車組運行過程中電纜終端時刻處于縱向及垂向機械振動環(huán)境中，其振動頻率在0～1 000 Hz 范圍內均有分布，當車輛在300 km/h 及以上速度級運行時振動明顯增大，且在隧道內運行時相較明線運行時有明顯增大。根據一些研究機構對電纜絕緣材料進行的振動—熱老化特性研究中已經獲得了外部振動有加速絕緣老化的定性結論［5-6］，動車組電纜終端的服役周期長達數年至數十年之久，應針對工作環(huán)境引起的車載電纜終端機械振動老化特性進行更加深入的理論分析和試驗驗證。

（4）建立完善的電纜終端全壽命過程檢測機制。應從制造工藝、全壽命管理、針對空氣流場的設計布局優(yōu)化、加強老化特性研究等方面繼續(xù)進行對半剛性電纜終端下一步的研究和運用工作。