交流電壓下沿面放電對車載電纜材料劣化特性影響研究

白龍雷，周利軍，劉 聰，穆 強，權圣威，郭 蕾

(西南交通大學 電氣工程學院,四川 成都 611756)

隨著我國高速鐵路的快速發展，高鐵在社會經濟中發揮著越來越重要的作用，車載高壓電纜作為高鐵列車中傳輸電能的關鍵部件，其性能狀態直接影響到列車的運行安全性和可靠性。乙丙橡膠(Ethylene-propylene Rubber, EPR)材料不僅具有優異的介電性能，且在耐高低溫、耐老化、足夠的柔軟度等方面表現突出，已成為高鐵中應用最為廣泛的電纜絕緣材料[1-2]。

自1962年乙丙橡膠首次作為電纜絕緣材料以來，國內外學者針對該類型電纜絕緣的介電性能[3-6]、內部缺陷的沿面放電特征[7-10]以及沿面放電性質[11-12]等方面開展了相關的研究，取得了很多有價值的研究成果：文獻[5-6]對于熱老化和電應力作用下EPR絕緣的老化特性進行了研究，建立了基于Weibull分布和冪定律的乙丙橡膠壽命評估模型；文獻[7-8]利用銅電極對EPR材料的沿面放電過程進行了探究，研究發現在EPR沿面放電過程中，材料表面會發生金屬原子遷移和電離空氣顆粒聚集現象；文獻[9-10]對EPR材料沿面放電和氣隙缺陷的沿面放電發展特性進行了研究，結果表明交流電壓下電荷的注入和抽出，會嚴重腐蝕材料表面，加速其劣化進程；文獻[11-12]利用Arrhenius曲線開展了乙丙橡膠絕緣特性方面的研究，對加速熱老化后EPR等材料的剩余壽命進行了評估。上述研究均表明電纜在運行過程中，沿面放電的出現會嚴重損壞乙丙橡膠的絕緣性能，但是由于電力機車在運行過程中會頻繁地過分相，并會產生電磁暫態過電壓[13-15]等原因，使得車載電纜的沿面放電現象更為明顯。根據相關研究[13]，高速動車組每隔5 min將經過1次電分相，而在通過接觸網中性段過程中，分相過電壓幅值在25～70 kV，EPR電纜絕緣所承受的最大電場強度為11.42～31.98 kV/mm[2]，在長期作用下，電纜絕緣性能下降明顯，導致電纜材料沿面放電現象不斷增強，造成電纜材料的侵蝕過程加快，壽命降低。但是，有關沿面放電對EPR電纜材料劣化特性的影響目前研究較少，因而對動車組中車載電纜的運行維護和檢測均造成了一定困難。因此，開展過電壓下沿面放電對EPR絕緣劣化特性影響的研究變得更為迫切，并具有實際應用價值和意義。

本文利用柱板電極模擬電纜在運行過程中的沿面放電現象，對電纜中使用的乙丙橡膠材料進行不同放電強度的劣化實驗，并對其進行不同時間的放電處理。通過放電特征量分析、起始放電電壓測試、耐壓強度測量、體積電阻率與表面電阻率測試等方法，對EPR試樣劣化過程與沿面放電強度間的關系等做了相關研究。

1 試驗系統及方案

1.1 試驗測試系統搭建

考慮實際動車組電纜耐受放電劣化的情況，搭建回路進行樣品放電試驗及測試，見圖1。試驗在屏蔽室內進行，且回路中自耦式調壓器、變壓器、耦合電容等均為無放電裝置，Zm為檢測阻抗。

圖1 沿面放電試驗及樣品測試回路示意

試驗中使用高頻電流互感線圈與檢測阻抗分別耦合沿面放電信號。互感線圈耦合出的放電信號經高頻濾波與放大后，由高頻示波器Tektronix TDS 3032B進行采集，并使用通用數據總線與計算機連接，利用上位機軟件對信號進行處理并存入數據庫中。Zm與TE571沿面放電檢測儀相連，其測試結果與互感線圈采集結果進行對比分析。

試驗中采用柱-板電極模型，見圖2。上部圓柱電極直徑為25 mm，底面平板電極的直徑為75 mm,厚度約為10 mm。上部圓柱電極緊密接觸樣品表面，避免接觸面間出現氣隙。

圖2 柱-板電極模型(單位：mm)

1.2 試樣制備

1.2.1 樣品獲取

試驗樣品采用型號為QTO-J30G的電纜專用耐高壓乙丙橡膠絕緣膠片，該膠片是以三元乙丙橡膠為基礎材料，輔以補強劑、軟化劑、防老劑、硫化劑等經密煉機充分混合而成，可直接用于額定運行電壓27.5 kV及以下電力機車電纜的主絕緣材料。在用作試驗樣品前，先將其置于平板硫化機上預熱1 min，然后采用推薦硫化溫度165 ℃及硫化時間15 min，將預熱后的樣品置于模具中進行處理，該過程中樣品所受壓力保持恒定，保證其表面平整性。

硫化處理后的樣品總體性能指標符合相關標準[16]的規定。樣品在使用前，經酒精擦拭其表面，保證表面清潔，然后放置在80 ℃恒溫的干燥箱中處理24 h，以去除硫化過程中的副產物。

1.2.2 劣化試樣制備

為模擬電纜頻繁過電壓下產生沿面放電的情況，并實現樣品的加速劣化，選擇在過電壓過程中典型的20、24、28、32 kV/mm(以下稱為a、b、c、d組)電場強度下對樣品進行劣化處理，每組均取8片樣品進行試驗。各電場強度下EPR試樣的平均放電量見表1。

表1 各試驗組樣品平均放電量

具體加壓過程如下：以勻速緩慢升高電壓至a、b、c、d四組所對應電壓值；對各組中的試驗樣品，進行1、2、4、10 h的劣化試驗；獲得相應樣品并標號。具體加壓情況及試樣編號見表2。

表2 試樣編號

1.3 試驗樣品測試

在上述試驗過程中，試樣在28 kV/mm電場強度下劣化處理約6.5 h，在32 kV/mm條件下劣化處理約4.5 h后均發生了沿面擊穿現象，因此表2中c4、d4樣品未能完成10 h劣化處理。因此下文中試驗分析在已進行試驗的樣品c3、d3基礎上開展。

1.3.1 體積電阻率及表面電阻率測量

絕緣電阻是反映絕緣性能的最基本的指標之一，體積電阻率和表面電阻率可有效判斷EPR試樣的劣化狀態。采用MEGGER AVO 絕緣電阻測試儀與標準三電極測試系統，在室溫下對不同EPR樣品分別進行體積電阻率和表面電阻率測試。測試過程中，施加電壓可選擇0.5～10 kV,并取加壓1 min時間后的測試值、試樣厚度和電極尺寸，參考有關標準[17]得出結果。

1.3.2 試樣放電特性參數測量

采用圖1中搭建的測試系統，在外施電壓為20 kV條件下，對不同劣化程度樣品的放電量及放電次數等進行測量。該過程中，采集劣化樣品放電特性參數的持續時間為100個周期。

在對劣化試樣進行放電參數測試前，用酒精將電極進行清洗，避免EPR樣品的劣化副產物附著在電極表面，影響測量結果。

1.3.3 試樣放電起始電壓及耐壓強度

為探究放電處理后材料的絕緣性能，對表2中劣化后試樣分別進行放電起始電壓(PDIV)及耐壓強度測試。

利用圖1所示回路進行劣化試樣材料的絕緣性能測試，緩慢升壓，將沿面放電量超過背景噪聲值2倍并維持1 min以上，且示波器出現穩定放電脈沖時的外施電壓值定義為放電起始電壓[8]；隨后繼續升高電壓，試樣出現擊穿時的電壓值即為材料耐壓強度值[15]。

2 試驗結果與討論

2.1 劣化后樣品表面狀態

對由于樣品c4、d4在試驗過程中較早地出現了擊穿現象，無法繼續其他絕緣性能的測試，為保持測試數據的可對比性，且樣品樣品c3、d3的表面侵蝕情況已較為顯著，因此文中選用了a4、b4、c3、d3繼續進行分析。利用顯微鏡觀察柱形電極附近樣品表面的狀態，放大倍數為100，不同變化程度樣品表面狀態見圖3。

圖3 不同劣化程度樣品表面狀態

由圖3(a)可知，直至試驗結束，試樣表面均無放電痕跡出現，且顯微鏡下的放大圖像中，其表面光潔；由圖3(b)可知，經10 h處理后的樣品表面，與柱電極接觸位置出現圓形燒灼痕跡，且在電極附近開始有白色圓圈出現；由圖3(c)可知，c組試樣在2 000 pC放電量下劣化4 h后，電極附近白色圓圈逐漸變為淡黃色，面積擴大；與柱電極接觸位置燒蝕痕跡更為明顯，由右側放大圖可知，該處有不連續的炭黑凹陷點出現；由圖3(d)可知，d組試樣在4 000 pC放電量下處理4 h后，淡黃色圓圈的范圍并未擴大，但顏色加深；在與柱電極接觸位置出現呈“△”的放電通道，燒蝕作用逐漸向試樣內部進行，由右側放大圖可知，此時炭黑凹點串聯成線型，表面放電痕跡清晰。

2.2 劣化后樣品體積電阻率和表面電阻率測量

圖4與圖5分別為電纜試樣經放電劣化處理后，所得到EPR材料體積電阻率ρt和表面電阻率ρ表的變化情況。

圖4 不同劣化程度樣品體積電阻率

圖5 不同劣化程度樣品表面電阻率

由圖4、圖5可知：

(1) 隨著電阻儀施加電場強度E的增大，EPR試樣的體積電阻率和表面電阻率均呈現下降趨勢，且場強在2 kV/mm前下降較快，3.5 kV/mm后下降趨勢逐漸變緩。

(2) 體積電阻率方面，EPR電纜試樣經放電劣化處理后，放電量較低的a組和b組試樣的體積電阻率經不同劣化時間處理后，出現先略有增大后逐漸減小的趨勢；而放電量較高的c組和d組試樣的體積電阻率則呈現逐級遞減特征，且各劣化時間條件下電阻率曲線的間距保持穩定。

(3) 表面電阻率方面，EPR電纜試樣在受到放電劣化處理后，其表面電阻率均隨劣化時間延長而逐漸減小；對于a～d組中的劣化樣品，放電量越大，4 h與10 h時間后的表面電阻率降低越明顯。由圖5中可知，隨著劣化時間的延長，表面電阻率變化曲線的間隔逐漸擴大。

2.3 劣化后樣品放電起始電壓測量

a～d組試樣經過不同放電強度的劣化處理后，樣品放電起始電壓Uinc的變化趨勢見圖6。其中c組和d組的部分試樣發生了沿面擊穿現象，劣化時間均不足10 h。全新樣品的起始電壓幅值如圖中紅色曲線所示。由圖6可知：①隨著起劣化作用的放電強度的逐漸增大，樣品放電起始電壓呈現遞減的趨勢。例如，d組樣品在4 000 pC條件下劣化處理4 h后，與新樣品相比，Uinc由20 kV降至16 kV，降低幅度達20%。放電強度對樣品放電起始現象的影響顯著。②a組和b組樣品的放電起始電壓下降趨勢并不明顯，隨著劣化時間的延長，Uinc會呈現先略有增加，后逐漸降低的過程；對比來看，c組和d組試樣在對應放電條件下，隨著劣化時間的延長，Uinc持續下降，Uinc均明顯小于20 kV，且劣化放電強度越大，下降趨勢越明顯。

圖6 劣化處理后試樣放電起始電壓變化

2.4 劣化后試樣放電參數變化趨勢

a、b、c、d組EPR試樣在各放電量條件下劣化處理4 h后，其沿面放電的參數變化趨勢及散點圖情況見圖7。該過程中平均放電量、最大放電量與放電次數的變化趨勢見圖8。

圖7 劣化處理4 h后EPR試樣沿面放電散點圖

圖8 劣化后試樣放電參數統計

經統計，隨著劣化強度的逐漸增加，劣化后EPR試樣的平均放電量呈現先減小后增多的特點，且沿面放電在正弦波峰值附近分布密集。對比圖7各散點圖的分布特征，可以看出：經500 pC放電條件下處理后的a組試樣放電幅值較小，但分布密度較大，放電次數較多；而1 000 pC條件下的b組樣品，大幅值放電增多，但其分布較為稀疏，總放電次數有所降低；c組樣品經2 000 pC劣化處理后，更大幅值的放電脈沖繼續增多，放電脈沖由正弦波峰值處向低相位區域擴展，但放電次數的增加并不明顯；而d組樣品在經4 000 pC條件下劣化處理后,放電幅值與分布密度均明顯增加，放電次數大大增加，總放電量顯著提高。

對比圖8中各曲線的變化趨勢，可知劣化后的a2、b2、c2、d2樣品，其平均放電量與放電次數的變化趨勢一致，均呈現隨劣化放電強度的增加，先略有減小后逐漸增大的特點，而最大放電量則保持單調遞增的趨勢。

2.5 不同劣化程度樣品擊穿強度

不同過電壓條件下，劣化后樣品擊穿強度的試驗結果見表3；經放電劣化后樣品的擊穿強度與全新樣品相對比后，耐擊穿性能的變化情況見圖9。該結果為各組樣品擊穿試驗的平均值，由結果可知,新樣品的擊穿電壓Ubd大致在45 kV。經圖9中比較可知：

表3 不同劣化程度EPR試樣平均擊穿電壓

圖9 劣化處理后EPR試樣擊穿強度變化

(1)當劣化放電強度為500 pC時,a組樣品的平均擊穿電壓與新試樣基本保持一致；在1 000 pC放電條件下持續處理10 h后,b組EPR樣品的擊穿電壓降為43.96 kV,而當劣化時間少于該值時，擊穿電壓仍保持不變或略有上升后逐漸降低；c組EPR樣品在2 000 pC的條件時，當樣品被處理4 h后，其擊穿電壓下降為42.33 kV；而當劣化放電強度為4 000 pC時，d組樣品經劣化處理1 h后，其擊穿電壓下降至42.63 kV，且隨著放電時間的延長，電壓值繼續降低，EPR樣品的劣化過程呈現加速趨勢。

(2)a組和b組樣品的擊穿強度均表現出隨劣化時間延長，先略有上升后明顯下降的趨勢，而c組和d組樣品則均呈現出單調遞減的特點。結合前述試樣各放電特征的變化，不同過電壓條件下產生的放電量水平差異，對于EPR材料表面及內部的放電劣化過程產生了重要的影響。

3 結果分析與討論

3.1 放電強度對樣品電阻率的影響分析

由2.2節中電阻率的變化情況可以看出，由過電壓引起的電纜絕緣劣化過程中，放電強度的大小將對樣品表面電阻率的降低產生重要影響。在不同放電強度下，經最長時間的劣化處理后試樣電阻率的變化情況見表4。結合以上分析，進一步說明了：

表4 試驗放電強度下樣品電阻率變化 %

EPR試樣的體積電阻率，在放電量低于1 000 pC時出現了先略有上升后降低的趨勢，而在放電量高于2 000 pC時則呈現逐漸下降的變化，但總體下降量較?。欢嗤瑮l件處理下，EPR試樣的表面電阻率則均呈現單調遞減的趨勢，且下降趨勢較為明顯。

根據相關的研究，高聚物材料劣化失效現象會受到熱、電、光、氧等多種因素的影響，文中考慮強電場作用下，EPR材料與氧氣分子發生氧化反應的過程如下[18]：

新產生的自由基可作為深陷阱中心，俘獲由電極注入的電子和空穴，從而在試樣表面凹陷處形成額外的空間電場[19]。

3.2 放電強度與材料耐壓時間的關系

由2.3和2.4節的結果可知，不同放電強度處理后EPR樣品呈現出不同的放電特征，其起始放電電壓在1 000 pC時基本不變，而在2 000 pC以上時下降趨勢明顯；而放電散點圖中，放電次數及大幅值放電隨外施場強的提高而逐漸增多。結合劣化后EPR試樣的電阻率變化，不同劣化強度下樣品表面的狀態對沿面放電的參數也產生明顯的影響。首先，當劣化強度較低時，由柱電極注入的帶電粒子獲得的動能有限，僅對EPR材料表面撞擊頻繁，使得材料表面因承受電應力的疲勞作用發生分子鏈斷裂，形成表面微孔缺陷[20]；此時微孔凹陷較淺，燒蝕痕跡并不明顯，見圖3(a)和3(b)，易在凹陷處由自由基結合電子和空穴，形成反向的空間電場[21]，抑制放電的進一步發展，分別見圖6(a)和6(b)。其次，隨劣化強度的升高，EPR材料分子鏈斷裂的趨勢逐漸向內部發展，微孔缺陷逐漸擴大和增多，并且在微孔凹陷處放電燒蝕加劇，導致該處電導率升高，電荷更易衰減[21-22]，因而反向電場逐漸消失，促使放電進一步發展，最終形成EPR材料表面不連續的枝狀放電痕跡,見圖3(d)和圖7(d)。

不同放電劣化強度下EPR分子鏈斷裂是造成試樣表面或內部出現微孔缺陷，進而出現缺陷擴大，最終導致樣品擊穿的重要原因，分子鏈大量斷裂時，樣品耐壓強度下降，即會出現擊穿現象，因此探究放電強度與耐壓時間的關系可反映出電纜絕緣材料的劣化特性及過程。

樣品在外施過電壓作用下，帶電質點不斷撞擊材料表面，使得EPR分子鏈裂解現象大量出現，材料的分子結構受到破壞[23-26]。根據熱波動理論，EPR分子鏈發生破壞反應的概率q為[23]

(1)

式中：f0為分子鏈中原子的振蕩頻率；W1為聚合物分子鏈發生破壞反應的能量；a為相鄰原子相互作用的位能與原子間距離r關系的曲線的曲率常數，對于EPR樣品中分布最多的C—C鍵，a≈r/3.2；F′為作用在分子鏈上的力；e為常數；T0為電介質周圍環境溫度；k為與分子鏈的性質有關的常數，取1。

式(1)中，作用在分子鏈的力F′與其分子常數有關

(2)

式中：Mepr為EPR分子的分子質量；ω為等價施加應力，是機械應力σ和電場E的共同作用；r0為鏈的長度；N為阿伏伽德羅常數；ρ′為EPR材料密度；m為鏈的末端可自由脫鏈的分子量；mepr為EPR的分子量。

ω2=σ2+GεE2

(3)

式中：G為彈性模量；ε為材料的介電常數。

根據式(1)～式(3)，可得

(4)

(5)

W1=W0-μE

(6)

式中：W0為原始狀態能量；μ為與材料構成有關的系數。

當材料強度的破壞不是突然發生，而是由于在放電劣化作用下介質結構破壞不斷積累而造成時，EPR材料中分子鏈遭到破壞的現象會大量出現。將該材料由劣化開始至絕緣性能明顯降低的時間視為其耐劣化時間t，此時可認為在耐劣化時間t時，出現分子鏈遭到破壞為必然事件，即

q·t=1

(7)

結合上述各式，可得耐壓時間t與電場強度E等參量的關系式為

(8)

文中主要研究放電強度對于試樣絕緣性能的影響，外部機械應力σ基本可忽略，同時彈性模量G、橡膠分子質量Mepr等均作為常量。則式(8)可改寫為

(9)

當聚合物中大量分子鏈出現斷裂，材料的破壞現象由介質表面向內部逐漸發展時，聚合物的絕緣性能會出現明顯下降[25-27]。

由式(9)可知，EPR材料的耐劣化時間除與其內部結構和成分相關外，與放電劣化強度E呈指數關系。在本文中，場強E是由外施劣化電場和微孔缺陷處空間電場共同決定的。根據3.1節的分析可知，當劣化場強低于1 000 pC時，外施電場受到試樣表面反向電場的抑制作用，總劣化場強E較小，材料絕緣性能下降緩慢，導致此時起始放電電壓、放電次數及大幅值脈沖保持穩定；但是，當劣化強度高于2 000 pC時，試樣表面反向電場的抑制作用被削弱或消失，劣化場強E明顯升高，材料的劣化過程加快，絕緣強度下降明顯，使得起始放電電壓下降20%以上，放電散點圖中放電次數、幅值及相位寬度均明顯增加。

結合EPR絕緣樣品的體積電阻率、表面電阻率的變化趨勢，以及圖6～圖8中各放電參數的發展過程，可以發現耐壓時間t與放電劣化強度E之間的關系，描述出了車載EPR電纜絕緣由開始服役至最終擊穿的劣化過程。但是根據不同材料性能、運行條件等的影響，對其準確和定量的描述，以及準確估算其運行壽命，還需繼續擴大樣本數量、引入更多的評價參數和增加實驗組數等工作。

3.3 放電強度對樣品擊穿強度的影響

根據2.5節中樣品劣化后擊穿強度的變化特征，當放電強度在2 000 pC以上時，樣品的擊穿強度出現顯著降低，下降幅度最大可達10%。由3.1和3.2節的分析可知，過電壓劣化過程中因EPR分子鏈斷裂和放電副產物的影響，將會在EPR材料中形成電阻率偏低的微孔缺陷區域，即瓦格納熱擊穿理論中[28]，樣品在劣化處理后內部會出現的低阻導電通道。該通道的存在，使得泄露電流集中于該導電通道內，產生局部熱量集聚。假設單位時間內因電流通過而產生的熱量Q1為

(10)

ρ1=ρT0e-α(T-T0)

(11)

式中：ρ1為體積電阻率；d為試樣厚度；S為通道橫截面積；ρT0為溫度T0時的體積電阻率；α為溫度系數；T為通道平均溫度。

而散熱量Q2為

Q2=β(T-T0)d

(12)

式中：β為散熱系數。

因此，單位時間內該導電通道的總熱量Q為

Q=Q1-Q2

(13)

聯立式(10)～式(13)，可得

(14)

由式(14)可知，當EPR試樣的發熱量Q1大于散熱量Q2時，即Q> 0情況下，熱量在導電通道內不斷積累，溫度上升，易導致擊穿現象的出現。

綜合式(9)和式(14)，在EPR樣品的劣化試驗過程中，當放電強度低于1 000 pC時，試樣所承受電場強度較小，且因微孔缺陷處反向電場的作用，分子鍵受撞擊作用較小，分子鏈斷裂概率偏低，因而導電通道總熱量及試樣耐劣化時間t的變化較小，放電對于電纜試樣的劣化作用有限；而當放電強度高于2 000 pC時，試樣承受場強明顯增大，且體積電阻率ρ及ρT0均顯著降低，EPR材料內出現大量聚合物分子鏈斷裂現象，導電通道總熱量呈上升趨勢，因此導致擊穿強度明顯降低，耐劣化時間t也呈顯著下降趨勢。

4 結論

本文針對列車乙丙橡膠電纜材料因沿面放電出現而不斷遭到侵蝕和破壞的問題，對頻繁過電壓下沿面放電對EPR試樣的劣化影響進行了研究，得到如下結論：

(1) 頻繁過電條件下車載EPR電纜絕緣試樣的沿面放電現象加劇，在1 000 pC的放電強度劣化處理下，試樣表面環繞電極會出現白色圓圈狀燒灼痕跡，隨著放電強度提高，圓圈呈淡黃色，并出現枝狀爬電痕跡。

(2) 頻繁過電壓下EPR絕緣試樣的擊穿強度、分子鏈斷裂概率和速率均與放電強度密切相關。當放電劣化強度高于2 000 pC時，材料劣化速度加快，導致擊穿強度呈指數型衰減。

(3) 考慮到實際運行中車載電纜本體、接頭及終端等的結構差異性大，需繼續開展電纜劣化特性與過程的研究，拓寬基礎研究的工程應用范圍。