CR400AF型动车组高压电缆终端放电击穿故障分析

周新力，周庆朝

（中国铁路广州局集团有限公司 广州动车段，1.工程师，2.助理工程师，广东 广州 511483）

1 动车组高压电缆总成概述

1.1 动车组高压电缆动车组车顶高压电缆用于高压电气设备间的连接，起电力传输的作用。采用高压电缆不仅可以优化相关设备的布置空间和高压防护空间，同时能够保证其工作环境更安全可靠1。高压电缆的结构组成如图1所示。

图1 高压电缆结构示意图

电缆工作状态下，电缆内部沿铜导体的半径方向，会形成均匀分布的电场。在电缆主绝缘层内、外接触面有由半导电材料制成的内半导电层和外半导电层，内、外半导电层形成了一个光滑平整的圆柱体面，消除了电缆内部铜导体线束和外部铜屏蔽层的表面缺陷，从而保证了高压电缆通过主绝缘层沿半径方向形成的电场是均匀分布的。

电缆在加工制作过程中，屏蔽层和外半导电层被剥离，将在屏蔽层断口处形成沿导线轴向分布的畸变电场。这种畸变电场将引起屏蔽层断口处电场强度应力集中，对电缆主绝缘极为不利，也是电缆最易被击穿的部位，如图2所示。为缓和屏蔽层断口处电力线的密集度，制作高压电缆总成时，往往在电缆最容易击穿的屏蔽层断口处采用相对介电常数为20～30，体积电阻率为108～1 012Ω·cm高分子材料共混或共聚而成的电应力控制管（简称应力管），以确保电缆能够长时间运行2，如图3所示。

图2 高压电缆断口处电力线分布示意图

图3 套装应力管后电力线分布示意图

1.2 动车组高压电缆终端电缆终端装配在电缆线路的首末端，其主要功能是均匀电缆首末端的电场分布，实现电应力控制，同时保证对电缆端头的密封，防止外界杂质和水分的侵入，保证电缆可靠运行。根据制作材料不同，电缆终端可分为热缩式终端、冷缩式终端和预制式终端。

与电缆本体相比，电缆终端的制作往往是薄弱环节。一方面为改善电场分布，电缆终端多采用多层复合绝缘介质，生产制造过程可能在电缆终端内部引入杂质、突起、潮气等缺陷；另一方面电缆终端需要现场安装，施工环境和安装人员的经验等均会影响安装质量，安装质量不佳时可能出现应力锥错位、绝缘层破损、压缩不紧等问题。若不及时消除缺陷，在电场和温度场的共同作用下，缺陷进一步发展可能导致电缆附件烧损、绝缘击穿，甚至造成终端头炸裂3。

统计动车组以往发生的高压电缆故障总数，发现高压电缆终端故障数占比约为80%。因此，动车组运用部门十分关注电缆终端运行的好坏。

2 高压电缆终端局部放电原因

在绝缘介质的局部空间中发生放电，却没有贯穿施加电压的导体之间，此现象称为局部放电4。

在高压电缆终端的生产加工、装配使用过程中，应考虑成品内部或者与其附件连接处无任何界面缝隙，以及无任何界面污染而产生的缺陷，否则在上述区域所承受的电场将出现不均匀的现象。这种不均匀的电场可能导致终端内部发生局部放电，击穿内部气体、固体绝缘介质或金属附件。一般而言，高压电缆总成局部放电的能量很小，短时间内并不会影响到电缆的绝缘性能，但若电缆终端持续发生局部放电，电缆的绝缘部分的介电性能将逐渐恶化，并进一步导致电缆的缺陷扩大，最终导致绝缘击穿。动车组高压电缆终端突发绝缘击穿，影响动车组正常受流，同时高压部件对地放电，可能导致接触网熔断，危害极大。

动车组高压电缆终端放电击穿故障模式可分为：绝缘结构层间沿面放电和电缆终端外部组装层放电两类，其典型放电路径如图4、图5所示。

图4 绝缘结构层间沿面放电路径

图5 电缆终端外部组装层放电路径

造成上述故障的原因通常为：电缆终端生产加工在无封闭独立的场所进行，空气清洁度无法有效保证；绝缘管热缩过程中可能存在微小颗粒杂质混入，导致层间产生气隙，造成电场过于集中，从而发生局部放电；原材料有微小瑕疵，导致局部放电长期存在，最终发生击穿故障。

3 故障案例分析

3.1 故障概况2020年X月X日，广州动车段CR400AF-1XX5动车组发生车顶高压电缆终端对地放电故障，导致存车场接触线熔断，构成铁路一般C14事故。事故发生后，现车检查发现车顶电缆终端伞裙管的下表面往终端伞裙底部，有一系列连贯的穿孔现象，并在伞裙底部接近电缆屏蔽的地方发生炸裂，如图6所示。

图6 故障高压电缆终端图片

3.2 产品结构分析本次发生故障的产品为一款热缩式刚性终端，由耐克森公司生产，其内部结构分为8层结构，第1、2层为应力层，主要为切割电场作用，第3-6层起支撑及绝缘作用，第7层为伞裙，主要为外部电场切割作用，具体结构如图7所示。在终端伞裙底部，选取3根电缆屏蔽铜丝作为漏电收集环的连接线，其余铜丝拧成一股。

图7 刚性终端结构图

该产品为多层分层外绝缘结构，每一层间的界面绝缘强度，主要依靠各层间热缩后的紧密接触来保持。该外绝缘结构的电缆连接，带电部位裸露在外界空气中，受外界环境影响较大，易发生污闪放电。但其终端组装工艺相对简单，拆解时仅需更换螺栓及垫片，便于解编检修，后期维护成本较低。

3.3 放电路径分析为查明本起终端放电路径，对故障终端进行拆解分析，发现终端内部各层上均有主放电通道留下的烧蚀路径，仅在第6层绝缘支撑管内表面和第5层绝缘支撑管的外表面存在密集的树枝状放电痕迹，如图8所示。在压接端子的底部，有一个金属烧灼孔，判断为短路起始点。在电缆半导电屏蔽口（地电位）处，有一处放电高温熔坑，判断为短路电流接地点（终点）。

图8 第6层与第5层绝缘支撑管放电痕迹

通过故障终端拆解分析，判断本次放电路径为：从端子顶部，沿第6层（最外层）绝缘支撑管的内表面，向下贯穿放电，然后在电缆绝缘屏蔽（外半导电屏蔽，接地状态）断口处，向屏蔽断口处垂直击穿，最终通过绝缘屏蔽（接地状态）与地连通，形成一个完整的接地放电（短路）通道。在第6层绝缘支撑管内表面及第5层绝缘支撑管外表面上，有多处不同程度的树枝状放电痕迹，这种痕迹表明，在这两层绝缘支撑管之间存在着长期的局部放电，这种放电会导致最终的界面绝缘崩溃，从而造成沿界面上贯穿性的放电（即击穿短路）。本次终端放电路径为一次典型的绝缘结构层间沿面放电。

3.4 放电原因分析

3.4.1 热缩不当引起的界面压力不紧 由于终端各层热缩部件是通过加热收缩的方式，缩紧在电缆上，在收缩作业过程中，工人的熟练度与对产品的理解对收缩质量有较大影响，一旦存在收缩不到位的情况，就会引起界面上长期局部放电，逐步破坏绝缘，最终形成沿面击穿。从现场终端拆解情况来看，并未发现各层界面压力不紧的现象，说明并非是热缩不当引起的局部放电。

3.4.2 层间内部界面存在脏污或潮气 电缆终端在装配过程中，若终端内部界面上存有脏污或潮气，将引发内部的长期局部放电，逐步发展成电树枝，破坏绝缘，最终发展成贯穿性沿面击穿，并在短路通道上造成多层结构层熔穿。这种脏污或潮气的产生，可能是因为电缆终端装配过程中，结构层内外表面清洁不到位，导致界面上有残留颗粒杂质，或者清洁时可能产生凝露或清洁剂清除不彻底。终端拆解发现在第6层绝缘支撑管与第5层绝缘支撑管之间有大量树枝状放电痕迹，初步判定此次终端放电是由于层间内部界面存在脏污或潮气导致的。

3.5 应对措施总结本次动车组车顶高压电缆终端放电故障处理的做法和经验，着眼防止以至消除此类故障发生，笔者认为以下应对措施需要认真坚持和完善。

1）切实加强设备检维修人员综合素质培训，增强理论分析、实践处置故障能力。

2）生产电缆终端的厂家在设备制造过程中要严格按照工艺技术标准进行生产，对生产所需的原材料及零部件必须经过严格的检测筛查，避免终端附件在生产、加工、装配过程中出现缺陷。产品制作完成后，需进行局部放电测试及工频耐压测试，测试合格后方可装车使用。

3）研究制定动车组现车检测手段，如录音监测、红外检测、超声检测等，定期开展检测，提前发现隐患并消除。

4 结束语

本文运用理论与实践相结合方法对CR400AF型动车组高压电缆终端放电击穿故障进行分析，提出了解故障对象构成是分析故障的基础，找准故障成因是排除故障的关键，制定落实切合实际的故障处理方法是取得故障排除实效的保证等思路，以及提升检维修人员素质、从源头确保设备质量、健全故障控制体系等建议，期望对相关单位和人员起到有益的参考和借鉴作用。