动车组高压半刚性电缆终端动态运行特性研究

刘寅秋，盛 婕，戴 晋，赵伯胜

（中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081）

动车组高压电缆终端装配在车辆主电缆线路的首末端，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，保证高压电缆可靠运行。随着动车组运行里程的增加，动车组车顶高压半刚性电缆终端绝缘失效对地放电故障时有发生，故障造成高压电缆及邻近设备烧损、牵引变电所跳闸，影响动车组正常运营并增加了设备维修成本。因此，研究引起电缆终端故障的因素，减小电缆终端运用中产生放电故障的概率，对保障动车组及铁路供电设施的正常运行具有重要的意义。

目前，国内相关机构对动车组车载电缆终端的特性及运用进行了大量的研究。郭蕾等［1］建立了电缆终端模型，提出使用一种与电导率参数相关的非线性材料替换高介质材料，并研究了两种材料用作应控管时在不同运行条件下的电场分布。昝海斌等［2］分析了高压电缆终端的结构特点，建立了电场仿真模型，对比了不同运行工况下电缆终端电场分布。支青云、孙继星等［3］对电缆终端进行了陡波加压试验，对运行多年及新加工的电缆终端进行试验对比，并分析了水煮前及水煮后电缆终端的界面特性。

国内大量的研究工作针对电缆终端的热老化及化学老化特性，通过仿真和老化试验等得到了大量的研究成果，但电缆绝缘材料在外部机械振动作用下导致的绝缘性能下降方面进行的工作相对较少，针对动车组电缆终端运行过程中机械应力及振动带来的绝缘性能下降的研究更是屈指可数。

1 车载半刚性电缆终端故障案例及分析

2019 年某月某日，北京某动车所某型动车组在出库停车等待信号期间，全列报出网压中断、网压低封锁四象限，查看弓网视频发现故障时刻03车受电弓有两次火花产生。登顶检查03 车车顶高压设备状态，发现受电弓侧半刚性终端炸裂，受电弓碳滑板有电蚀痕迹，接触网与受电弓接触处有轻微电蚀痕迹，避雷器接地线处有放电痕迹，接地线夹熔断。03 车受电弓出现两次明显拉弧现象的时间点与变电所断路器重合闸时间一致。

2020 年某月某日，广州某动车所的某型动车组在动车所存车线激活后，全列网压中断、接触网断线。启用热备车组替换上线执行后续交路。经故障电缆终端解剖可观察到，终端内部各层上均有主放电通道留下的烧蚀路径，且最外侧绝缘支撑管内表面和第二层绝缘支撑管的外表面存在密集的树枝状放电痕迹，如图1 所示。

图1 车顶电缆终端故障现场图

通过对全国多起动车组半刚性电缆终端绝缘击穿事故进行的调研发现，电缆终端绝缘击穿事故可以分为两种类型，分别为电缆终端内部界面放电和电缆终端外部界面放电。其中内部界面放电的主要原因可能是电缆终端中电缆绝缘层与应力管搭接处之间存在气隙使得此处的电场过于集中。外部界面放电原因可能与终端热缩工艺、外部环境、运行环境特点等因素相关。

由于动车组高压半刚性电缆终端安装位置及工作环境的特殊性，鲜有该部件实际运行中振动特性方面的研究成果，因此对半刚性电缆终端机械振动老化方面的研究也缺乏相应的数据支撑［4］。基于此，中国铁道科学研究院集团有限公司组织相关主机厂使用运营动车组在京广高铁模拟实际运行工况进行了运行试验，对半刚性电缆终端振动性能数据进行了采集和分析。

2 车顶半刚性电缆终端运行振动特性试验

为了研究动车组运行过程中车顶电缆终端关键截面的实际振动特性，中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所联合相关单位在京广铁路武汉至驻马店段正线进行了某型动车组电缆终端在多种运行工况下的运行试验。

2.1 试验内容

选择被试动车组03 车受电弓的半刚性电缆终端作为被测对象，电缆终端上端由M12 螺栓固定在受电弓终端底座上，下端经由ROXTEC 模块固定穿入车体内部并进入高压设备舱。在电缆终端伞裙上端部、与受电弓连接的底座、终端伞裙下端部分别布置了加速度传感器，被测终端周围设备布局及测点具体位置如图2 所示。利用京广高铁天窗时间在武汉站至驻马店西站之间进行运行试验，在03 车受电弓升弓受流及落弓状态下分别对振动数据进行采集，试验速度级为200、250、300 km/h，在每个速度级下均包含明线运行及隧道运行两种测试环境，京广高铁隧道形式为双线单洞，隧道内轨顶面以上净空有效面积为100 m2。

图2 电缆终端周围环境及测点位置

2.2 试验结果

（1）数据统计分析

试验加速度信号采用高精度数采仪器配合高低压隔离模块搭配进行测试，测试中对实时波形进行录波并分工况统计测点加速度瞬时最大值及3 s 数据均方根值。试验过程中各测点加速度最大值及均方根值统计见表1。

表1 振动测试数据统计结果汇总

试验过程中在每个测点分别测试了垂直于测点表面的垂向加速度及平行于电缆轴向的纵向加速度，以测点1、测点2 在明线运行时的纵向加速度均方根值为例进行说明，形成散点图，如图3 所示。测点1 在200 km/h 速度级时两方向加速度均方根值相当，当运行速度提高时垂向加速度均方根值增大幅度明显大于纵向。测点2 在明线线路运行时各速度级垂向、纵向加速度均方根值基本相当，这是由于基座测点与水平呈45°夹角且自身刚度较大导致。

图3 垂向与纵向加速度均方根值对比

对测点1 在隧道内及明线运行时的垂向加速度均方根值进行统计，如图4 所示，动车组在200、250 km/h 速度级运行时测点1 明线与隧道内加速度均方根值数值相差较小，但当动车组以300 km/h速度级穿过隧道时，测得加速度均方根值明显大于明线运行数据，这是由于车辆运行导致隧道内气压波变化以及车头扰流向后传导。

图4 明线与隧道运行时测试数据对比

对试验全过程的数据进行对比分析可以总结出动车组运行过程中电缆终端振动特性规律如下：

①该车型半刚性电缆终端在车顶沿车辆行进方向布置，终端上下端固定点连线与水平面呈约45°角，各测点在车辆运行过程中垂直电缆表面方向及平行于电缆轴向方向均有较明显的持续振动，随运行速度的上升，垂直电缆表面方向的振动增加更为明显。

②在同一种运行工况下，各测点振动加速度均方根值统计结果随速度增加上涨幅度明显。各测点在隧道内的运行振动比明线工况更加剧烈。

（2）运行速度对电缆终端振动的影响

将各测点在明线平稳运行时的测试数据进行FFT 分析，得到各测点的幅频特性如图5～图8 所示，图中给出了各速度级下各测点对应的幅频特性波形，以及各主要振动频率的振幅在不同速度级下的对比关系。

测点1 的数据分析结果如图5 所示。从图中可以看出，测点1 在34、58、159、219、284、429 Hz 等频点附近振幅较大，同时在500～1 000 Hz 频率范围内有明显的宽频带振动产生，最大振幅出现在750～780 Hz 范围内。从各主要振动频率在不同速度级下的振幅对比可以看出，34、58 Hz 频点的振幅上升趋势与速度呈线性关系，159、219、284、429 Hz频点的振幅上升趋势明显大于速度上升趋势，说明该频点振动与车顶运行气流扰动有关。

测点2 的测试数据统计如图6 所示。从图中可以看出，测点2 在34、67、159、219、284、429 Hz 等频点附近振幅较大，同时在800～1 000 Hz 范围内有明显的宽频带振动产生，最大振幅出现在850～900 Hz 范围内。测点2 在0～500 Hz 内主要振动频率与测点1 较为一致，但大于500 Hz 的宽频振动主要频率及频率范围表现均不一致，这与两测点所处位置的结构、材质及气动性能有关。从各主要振动频率在各速度级下的振幅对比可以看出，34、67、219 Hz 频点的振幅呈线性趋势上升，159、284、429 Hz 频点的振幅上升趋势更为明显。

图6 电缆终端测点2 各速度级主要振频数据对比

测点3 的测试数据统计如图7 所示。从图中可以看出，测点3 在68、159 Hz 频点附近振幅较大，在大于500 Hz 的频带内无明显振幅。测点3 在68 Hz频点的振幅明显大于测点1 及测点2，159 Hz 频点的振幅与测点1 及测点2 相当。

图7 电缆终端测点3 各速度级主要振频数据对比

（3）隧道内运行对电缆终端振动的影响

测点1～测点3 在动车组分别在明线和隧道内以300 km/h 速度级运行时的振动测试数据的幅频特性对比如图8 所示。

图8 测点1～3 在300 km/h 速度级运行时明线与隧道振动对比

从图8 可以看出，动车组在明线及隧道内两种工况运行时，各测点主要振动频点并未有较大的改变，但隧道内整体振动幅度增加，其中测点1 及测点2 在159、219、284、429 Hz 频点振幅增加最为显著，可见测点1 及测点2 在159、219、284、429 Hz主要振动频点位置对隧道内气压变化及气流扰动响应明显。测点1、测点2 在100 Hz 以下的振动特性及测点3 的振动特性受隧道内气流扰动变化影响相对较小。

3 结论及建议

文中分析了动车组车顶半刚性高压电缆终端的典型故障，进行了200～300 km/h 速度级下的半刚性电缆终端运行振动试验，针对该型动车组电缆终端的运行振动特性数据及后续振动特性试验的摸索，从多个角度对振动及振动变化的成因进行了分析，得到结论及建议如下：

（1）改善电缆终端制造工艺。国内半刚性电缆终端绝缘击穿事故与该装备的制造工艺、电场分布特性、运用环境导致的老化等方面密不可分，电缆供应商及主机厂应加强电缆终端装配作业的质量管控，提高作业人员专业技能，同时针对车顶终端湿热交变的工作环境，进一步改善终端的设计和制作工艺。

（2）针对车顶受电弓空气流场特性进行电缆终端设计优化。被试动车组半刚性电缆终端在车辆运行过程中靠近受电弓底架一端周围结构表面压力值相较其他区域明显偏大，通过试验数据也可看出在相同速度级下隧道工况电缆终端振动水平明显高于明线工况，如图9 所示。应针对车顶受电弓空气流场特性进行电缆终端设计优化，根据车顶结构的隧道内外气动特性仿真结果结合风洞或现场试验优化电缆终端摆放位置，对终端热缩截面处进行结构优化。

图9 受电弓区域气压对电缆终端可能产生的影响

（3）加强对电缆终端机械振动老化特性的研究。由上文试验结果分析可见，动车组运行过程中电缆终端时刻处于纵向及垂向机械振动环境中，其振动频率在0～1 000 Hz 范围内均有分布，当车辆在300 km/h 及以上速度级运行时振动明显增大，且在隧道内运行时相较明线运行时有明显增大。根据一些研究机构对电缆绝缘材料进行的振动—热老化特性研究中已经获得了外部振动有加速绝缘老化的定性结论［5-6］，动车组电缆终端的服役周期长达数年至数十年之久，应针对工作环境引起的车载电缆终端机械振动老化特性进行更加深入的理论分析和试验验证。

（4）建立完善的电缆终端全寿命过程检测机制。应从制造工艺、全寿命管理、针对空气流场的设计布局优化、加强老化特性研究等方面继续进行对半刚性电缆终端下一步的研究和运用工作。