白龍雷，周利軍，劉 聰，穆 強(qiáng)，權(quán)圣威，郭 蕾

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 611756)

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，高鐵在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中發(fā)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(guān)鍵部件，其性能狀態(tài)直接影響到列車的運(yùn)行安全性和可靠性。乙丙橡膠(Ethylene-propylene Rubber, EPR)材料不僅具有優(yōu)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(xiàn)突出，已成為高鐵中應(yīng)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(nèi)外學(xué)者針對該類型電纜絕緣的介電性能[3-6]、內(nèi)部缺陷的沿面放電特征[7-10]以及沿面放電性質(zhì)[11-12]等方面開展了相關(guān)的研究，取得了很多有價(jià)值的研究成果：文獻(xiàn)[5-6]對于熱老化和電應(yīng)力作用下EPR絕緣的老化特性進(jìn)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(xiàn)[7-8]利用銅電極對EPR材料的沿面放電過程進(jìn)行了探究，研究發(fā)現(xiàn)在EPR沿面放電過程中，材料表面會(huì)發(fā)生金屬原子遷移和電離空氣顆粒聚集現(xiàn)象；文獻(xiàn)[9-10]對EPR材料沿面放電和氣隙缺陷的沿面放電發(fā)展特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明交流電壓下電荷的注入和抽出，會(huì)嚴(yán)重腐蝕材料表面，加速其劣化進(jìn)程；文獻(xiàn)[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(jìn)行了評估。上述研究均表明電纜在運(yùn)行過程中，沿面放電的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞乙丙橡膠的絕緣性能，但是由于電力機(jī)車在運(yùn)行過程中會(huì)頻繁地過分相，并會(huì)產(chǎn)生電磁暫態(tài)過電壓[13-15]等原因，使得車載電纜的沿面放電現(xiàn)象更為明顯。根據(jù)相關(guān)研究[13]，高速動(dòng)車組每隔5 min將經(jīng)過1次電分相，而在通過接觸網(wǎng)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(qiáng)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(dǎo)致電纜材料沿面放電現(xiàn)象不斷增強(qiáng)，造成電纜材料的侵蝕過程加快，壽命降低。但是，有關(guān)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(dòng)車組中車載電纜的運(yùn)行維護(hù)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值和意義。

本文利用柱板電極模擬電纜在運(yùn)行過程中的沿面放電現(xiàn)象，對電纜中使用的乙丙橡膠材料進(jìn)行不同放電強(qiáng)度的劣化實(shí)驗(yàn)，并對其進(jìn)行不同時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度間的關(guān)系等做了相關(guān)研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1 試驗(yàn)測試系統(tǒng)搭建

考慮實(shí)際動(dòng)車組電纜耐受放電劣化的情況，搭建回路進(jìn)行樣品放電試驗(yàn)及測試，見圖1。試驗(yàn)在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，且回路中自耦式調(diào)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(yàn)及樣品測試回路示意

試驗(yàn)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(hào)?；ジ芯€圈耦合出的放電信號(hào)經(jīng)高頻濾波與放大后，由高頻示波器Tektronix TDS 3032B進(jìn)行采集，并使用通用數(shù)據(jù)總線與計(jì)算機(jī)連接，利用上位機(jī)軟件對信號(hào)進(jìn)行處理并存入數(shù)據(jù)庫中。Zm與TE571沿面放電檢測儀相連，其測試結(jié)果與互感線圈采集結(jié)果進(jìn)行對比分析。

試驗(yàn)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(xiàn)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(yàn)樣品采用型號(hào)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(chǔ)材料，輔以補(bǔ)強(qiáng)劑、軟化劑、防老劑、硫化劑等經(jīng)密煉機(jī)充分混合而成，可直接用于額定運(yùn)行電壓27.5 kV及以下電力機(jī)車電纜的主絕緣材料。在用作試驗(yàn)樣品前，先將其置于平板硫化機(jī)上預(yù)熱1 min，然后采用推薦硫化溫度165 ℃及硫化時(shí)間15 min，將預(yù)熱后的樣品置于模具中進(jìn)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(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[16]的規(guī)定。樣品在使用前，經(jīng)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(chǎn)物。

1.2.2 劣化試樣制備

為模擬電纜頻繁過電壓下產(chǎn)生沿面放電的情況，并實(shí)現(xiàn)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(qiáng)度下對樣品進(jìn)行劣化處理，每組均取8片樣品進(jìn)行試驗(yàn)。各電場強(qiáng)度下EPR試樣的平均放電量見表1。

表1 各試驗(yàn)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(yīng)電壓值；對各組中的試驗(yàn)樣品，進(jìn)行1、2、4、10 h的劣化試驗(yàn)；獲得相應(yīng)樣品并標(biāo)號(hào)。具體加壓情況及試樣編號(hào)見表2。

表2 試樣編號(hào)

1.3 試驗(yàn)樣品測試

在上述試驗(yàn)過程中，試樣在28 kV/mm電場強(qiáng)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(fā)生了沿面擊穿現(xiàn)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(yàn)分析在已進(jìn)行試驗(yàn)的樣品c3、d3基礎(chǔ)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(biāo)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(tài)。采用MEGGER AVO 絕緣電阻測試儀與標(biāo)準(zhǔn)三電極測試系統(tǒng)，在室溫下對不同EPR樣品分別進(jìn)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(shí)間后的測試值、試樣厚度和電極尺寸，參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[17]得出結(jié)果。

1.3.2 試樣放電特性參數(shù)測量

采用圖1中搭建的測試系統(tǒng)，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(shù)等進(jìn)行測量。該過程中，采集劣化樣品放電特性參數(shù)的持續(xù)時(shí)間為100個(gè)周期。

在對劣化試樣進(jìn)行放電參數(shù)測試前，用酒精將電極進(jìn)行清洗，避免EPR樣品的劣化副產(chǎn)物附著在電極表面，影響測量結(jié)果。

1.3.3 試樣放電起始電壓及耐壓強(qiáng)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(jìn)行放電起始電壓(PDIV)及耐壓強(qiáng)度測試。

利用圖1所示回路進(jìn)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(xiàn)穩(wěn)定放電脈沖時(shí)的外施電壓值定義為放電起始電壓[8]；隨后繼續(xù)升高電壓，試樣出現(xiàn)擊穿時(shí)的電壓值即為材料耐壓強(qiáng)度值[15]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 劣化后樣品表面狀態(tài)

對由于樣品c4、d4在試驗(yàn)過程中較早地出現(xiàn)了擊穿現(xiàn)象，無法繼續(xù)其他絕緣性能的測試，為保持測試數(shù)據(jù)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(xù)進(jìn)行分析。利用顯微鏡觀察柱形電極附近樣品表面的狀態(tài)，放大倍數(shù)為100，不同變化程度樣品表面狀態(tài)見圖3。

圖3 不同劣化程度樣品表面狀態(tài)

由圖3(a)可知，直至試驗(yàn)結(jié)束，試樣表面均無放電痕跡出現(xiàn)，且顯微鏡下的放大圖像中，其表面光潔；由圖3(b)可知，經(jīng)10 h處理后的樣品表面，與柱電極接觸位置出現(xiàn)圓形燒灼痕跡，且在電極附近開始有白色圓圈出現(xiàn)；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?yōu)榈S色，面積擴(kuò)大；與柱電極接觸位置燒蝕痕跡更為明顯，由右側(cè)放大圖可知，該處有不連續(xù)的炭黑凹陷點(diǎn)出現(xiàn)；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(kuò)大，但顏色加深；在與柱電極接觸位置出現(xiàn)呈“△”的放電通道，燒蝕作用逐漸向試樣內(nèi)部進(jìn)行，由右側(cè)放大圖可知，此時(shí)炭黑凹點(diǎn)串聯(lián)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(jīng)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(qiáng)度E的增大，EPR試樣的體積電阻率和表面電阻率均呈現(xiàn)下降趨勢，且場強(qiáng)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(jīng)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(jīng)不同劣化時(shí)間處理后，出現(xiàn)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(xiàn)逐級遞減特征，且各劣化時(shí)間條件下電阻率曲線的間距保持穩(wěn)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(shí)間延長而逐漸減?。粚τ赼～d組中的劣化樣品，放電量越大，4 h與10 h時(shí)間后的表面電阻率降低越明顯。由圖5中可知，隨著劣化時(shí)間的延長，表面電阻率變化曲線的間隔逐漸擴(kuò)大。

2.3 劣化后樣品放電起始電壓測量

a～d組試樣經(jīng)過不同放電強(qiáng)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(fā)生了沿面擊穿現(xiàn)象，劣化時(shí)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(qiáng)度的逐漸增大，樣品放電起始電壓呈現(xiàn)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(dá)20%。放電強(qiáng)度對樣品放電起始現(xiàn)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(shí)間的延長，Uinc會(huì)呈現(xiàn)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(yīng)放電條件下，隨著劣化時(shí)間的延長，Uinc持續(xù)下降，Uinc均明顯小于20 kV，且劣化放電強(qiáng)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(shù)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(shù)變化趨勢及散點(diǎn)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(shù)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(diǎn)圖

圖8 劣化后試樣放電參數(shù)統(tǒng)計(jì)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，隨著劣化強(qiáng)度的逐漸增加，劣化后EPR試樣的平均放電量呈現(xiàn)先減小后增多的特點(diǎn)，且沿面放電在正弦波峰值附近分布密集。對比圖7各散點(diǎn)圖的分布特征，可以看出：經(jīng)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(shù)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(shù)有所降低；c組樣品經(jīng)2 000 pC劣化處理后，更大幅值的放電脈沖繼續(xù)增多，放電脈沖由正弦波峰值處向低相位區(qū)域擴(kuò)展，但放電次數(shù)的增加并不明顯；而d組樣品在經(jīng)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(shù)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(shù)的變化趨勢一致，均呈現(xiàn)隨劣化放電強(qiáng)度的增加，先略有減小后逐漸增大的特點(diǎn)，而最大放電量則保持單調(diào)遞增的趨勢。

2.5 不同劣化程度樣品擊穿強(qiáng)度

不同過電壓條件下，劣化后樣品擊穿強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表3；經(jīng)放電劣化后樣品的擊穿強(qiáng)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(jié)果為各組樣品擊穿試驗(yàn)的平均值，由結(jié)果可知,新樣品的擊穿電壓Ubd大致在45 kV。經(jīng)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(qiáng)度變化

(1)當(dāng)劣化放電強(qiáng)度為500 pC時(shí),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(xù)處理10 h后,b組EPR樣品的擊穿電壓降為43.96 kV,而當(dāng)劣化時(shí)間少于該值時(shí)，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(shí)，當(dāng)樣品被處理4 h后，其擊穿電壓下降為42.33 kV；而當(dāng)劣化放電強(qiáng)度為4 000 pC時(shí)，d組樣品經(jīng)劣化處理1 h后，其擊穿電壓下降至42.63 kV，且隨著放電時(shí)間的延長，電壓值繼續(xù)降低，EPR樣品的劣化過程呈現(xiàn)加速趨勢。

(2)a組和b組樣品的擊穿強(qiáng)度均表現(xiàn)出隨劣化時(shí)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(xiàn)出單調(diào)遞減的特點(diǎn)。結(jié)合前述試樣各放電特征的變化，不同過電壓條件下產(chǎn)生的放電量水平差異，對于EPR材料表面及內(nèi)部的放電劣化過程產(chǎn)生了重要的影響。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 放電強(qiáng)度對樣品電阻率的影響分析

由2.2節(jié)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(qiáng)度的大小將對樣品表面電阻率的降低產(chǎn)生重要影響。在不同放電強(qiáng)度下，經(jīng)最長時(shí)間的劣化處理后試樣電阻率的變化情況見表4。結(jié)合以上分析，進(jìn)一步說明了：

表4 試驗(yàn)放電強(qiáng)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(shí)出現(xiàn)了先略有上升后降低的趨勢，而在放電量高于2 000 pC時(shí)則呈現(xiàn)逐漸下降的變化，但總體下降量較??；而相同條件處理下，EPR試樣的表面電阻率則均呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢，且下降趨勢較為明顯。

根據(jù)相關(guān)的研究，高聚物材料劣化失效現(xiàn)象會(huì)受到熱、電、光、氧等多種因素的影響，文中考慮強(qiáng)電場作用下，EPR材料與氧氣分子發(fā)生氧化反應(yīng)的過程如下[18]：

新產(chǎn)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(qiáng)度與材料耐壓時(shí)間的關(guān)系

由2.3和2.4節(jié)的結(jié)果可知，不同放電強(qiáng)度處理后EPR樣品呈現(xiàn)出不同的放電特征，其起始放電電壓在1 000 pC時(shí)基本不變，而在2 000 pC以上時(shí)下降趨勢明顯；而放電散點(diǎn)圖中，放電次數(shù)及大幅值放電隨外施場強(qiáng)的提高而逐漸增多。結(jié)合劣化后EPR試樣的電阻率變化，不同劣化強(qiáng)度下樣品表面的狀態(tài)對沿面放電的參數(shù)也產(chǎn)生明顯的影響。首先，當(dāng)劣化強(qiáng)度較低時(shí)，由柱電極注入的帶電粒子獲得的動(dòng)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(yīng)力的疲勞作用發(fā)生分子鏈斷裂，形成表面微孔缺陷[20]；此時(shí)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(jié)合電子和空穴，形成反向的空間電場[21]，抑制放電的進(jìn)一步發(fā)展，分別見圖6(a)和6(b)。其次，隨劣化強(qiáng)度的升高，EPR材料分子鏈斷裂的趨勢逐漸向內(nèi)部發(fā)展，微孔缺陷逐漸擴(kuò)大和增多，并且在微孔凹陷處放電燒蝕加劇，導(dǎo)致該處電導(dǎo)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(jìn)一步發(fā)展，最終形成EPR材料表面不連續(xù)的枝狀放電痕跡,見圖3(d)和圖7(d)。

不同放電劣化強(qiáng)度下EPR分子鏈斷裂是造成試樣表面或內(nèi)部出現(xiàn)微孔缺陷，進(jìn)而出現(xiàn)缺陷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致樣品擊穿的重要原因，分子鏈大量斷裂時(shí)，樣品耐壓強(qiáng)度下降，即會(huì)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，因此探究放電強(qiáng)度與耐壓時(shí)間的關(guān)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(zhì)點(diǎn)不斷撞擊材料表面，使得EPR分子鏈裂解現(xiàn)象大量出現(xiàn)，材料的分子結(jié)構(gòu)受到破壞[23-26]。根據(jù)熱波動(dòng)理論，EPR分子鏈發(fā)生破壞反應(yīng)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(fā)生破壞反應(yīng)的能量；a為相鄰原子相互作用的位能與原子間距離r關(guān)系的曲線的曲率常數(shù)，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(shù)；T0為電介質(zhì)周圍環(huán)境溫度；k為與分子鏈的性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，取1。

式(1)中，作用在分子鏈的力F′與其分子常數(shù)有關(guān)

(2)

式中：Mepr為EPR分子的分子質(zhì)量；ω為等價(jià)施加應(yīng)力，是機(jī)械應(yīng)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(shù)；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(shù)。

根據(jù)式(1)～式(3)，可得

(4)

(5)

W1=W0-μE

(6)

式中：W0為原始狀態(tài)能量；μ為與材料構(gòu)成有關(guān)的系數(shù)。

當(dāng)材料強(qiáng)度的破壞不是突然發(fā)生，而是由于在放電劣化作用下介質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞不斷積累而造成時(shí)，EPR材料中分子鏈遭到破壞的現(xiàn)象會(huì)大量出現(xiàn)。將該材料由劣化開始至絕緣性能明顯降低的時(shí)間視為其耐劣化時(shí)間t，此時(shí)可認(rèn)為在耐劣化時(shí)間t時(shí)，出現(xiàn)分子鏈遭到破壞為必然事件，即

q·t=1

(7)

結(jié)合上述各式，可得耐壓時(shí)間t與電場強(qiáng)度E等參量的關(guān)系式為

(8)

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

(9)

當(dāng)聚合物中大量分子鏈出現(xiàn)斷裂，材料的破壞現(xiàn)象由介質(zhì)表面向內(nèi)部逐漸發(fā)展時(shí)，聚合物的絕緣性能會(huì)出現(xiàn)明顯下降[25-27]。

由式(9)可知，EPR材料的耐劣化時(shí)間除與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分相關(guān)外，與放電劣化強(qiáng)度E呈指數(shù)關(guān)系。在本文中，場強(qiáng)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(jù)3.1節(jié)的分析可知，當(dāng)劣化場強(qiáng)低于1 000 pC時(shí)，外施電場受到試樣表面反向電場的抑制作用，總劣化場強(qiáng)E較小，材料絕緣性能下降緩慢，導(dǎo)致此時(shí)起始放電電壓、放電次數(shù)及大幅值脈沖保持穩(wěn)定；但是，當(dāng)劣化強(qiáng)度高于2 000 pC時(shí)，試樣表面反向電場的抑制作用被削弱或消失，劣化場強(qiáng)E明顯升高，材料的劣化過程加快，絕緣強(qiáng)度下降明顯，使得起始放電電壓下降20%以上，放電散點(diǎn)圖中放電次數(shù)、幅值及相位寬度均明顯增加。

結(jié)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(shù)的發(fā)展過程，可以發(fā)現(xiàn)耐壓時(shí)間t與放電劣化強(qiáng)度E之間的關(guān)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(jù)不同材料性能、運(yùn)行條件等的影響，對其準(zhǔn)確和定量的描述，以及準(zhǔn)確估算其運(yùn)行壽命，還需繼續(xù)擴(kuò)大樣本數(shù)量、引入更多的評價(jià)參數(shù)和增加實(shí)驗(yàn)組數(shù)等工作。

3.3 放電強(qiáng)度對樣品擊穿強(qiáng)度的影響

根據(jù)2.5節(jié)中樣品劣化后擊穿強(qiáng)度的變化特征，當(dāng)放電強(qiáng)度在2 000 pC以上時(shí)，樣品的擊穿強(qiáng)度出現(xiàn)顯著降低，下降幅度最大可達(dá)10%。由3.1和3.2節(jié)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(chǎn)物的影響，將會(huì)在EPR材料中形成電阻率偏低的微孔缺陷區(qū)域，即瓦格納熱擊穿理論中[28]，樣品在劣化處理后內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)的低阻導(dǎo)電通道。該通道的存在，使得泄露電流集中于該導(dǎo)電通道內(nèi)，產(chǎn)生局部熱量集聚。假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)因電流通過而產(chǎn)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(shí)的體積電阻率；α為溫度系數(shù)；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(shù)。

因此，單位時(shí)間內(nèi)該導(dǎo)電通道的總熱量Q為

Q=Q1-Q2

(13)

聯(lián)立式(10)～式(13)，可得

(14)

由式(14)可知，當(dāng)EPR試樣的發(fā)熱量Q1大于散熱量Q2時(shí)，即Q> 0情況下，熱量在導(dǎo)電通道內(nèi)不斷積累，溫度上升，易導(dǎo)致?lián)舸┈F(xiàn)象的出現(xiàn)。

綜合式(9)和式(14)，在EPR樣品的劣化試驗(yàn)過程中，當(dāng)放電強(qiáng)度低于1 000 pC時(shí)，試樣所承受電場強(qiáng)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(dǎo)電通道總熱量及試樣耐劣化時(shí)間t的變化較小，放電對于電纜試樣的劣化作用有限；而當(dāng)放電強(qiáng)度高于2 000 pC時(shí)，試樣承受場強(qiáng)明顯增大，且體積電阻率ρ及ρT0均顯著降低，EPR材料內(nèi)出現(xiàn)大量聚合物分子鏈斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)電通道總熱量呈上升趨勢，因此導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度明顯降低，耐劣化時(shí)間t也呈顯著下降趨勢。

4 結(jié)論

本文針對列車乙丙橡膠電纜材料因沿面放電出現(xiàn)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(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

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

(2) 頻繁過電壓下EPR絕緣試樣的擊穿強(qiáng)度、分子鏈斷裂概率和速率均與放電強(qiáng)度密切相關(guān)。當(dāng)放電劣化強(qiáng)度高于2 000 pC時(shí)，材料劣化速度加快，導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度呈指數(shù)型衰減。

(3) 考慮到實(shí)際運(yùn)行中車載電纜本體、接頭及終端等的結(jié)構(gòu)差異性大，需繼續(xù)開展電纜劣化特性與過程的研究，拓寬基礎(chǔ)研究的工程應(yīng)用范圍。