电缆终端是高速列车能量传输的枢纽，也是车载高压系统中的薄弱环节^[1-5]. 电缆终端运载电流大、运行温度高，且由于常年曝露在车外受外界环境影响，其应控管极易老化，导致局部放电，甚至造成车载电缆终端爆炸，威胁高速列车的安全运行^[6-7].

近年来，国内外学者针对电缆不同绝缘材料展开了大量热老化试验研究. 文献[8]研究了车载电缆乙丙橡胶材料在热氧老化作用下的局部放电特性，发现聚乙烯等自由基数量的增加是导致乙丙橡胶老化的关键原因；文献[9]研究发现最大放电量随时间先增后减，在硅橡胶老化后期，交联网络是电树枝形态改变的重要原因；文献[10]研究发现高温对不同老化程度纸板试样沿面放电的影响比低温时更大，在放电后期影响较大，温度越高纸板试样老化程度越明显. 上述研究主要以电缆绝缘材料的老化性能为主，然而车载电缆终端应控管是以多种材料混炼而成，其热老化特性的研究需结合宏观与微观多种表征手段综合分析，目前车载电缆终端老化后宏观电气特性与微观特性尚不明确.

电缆终端应控管作为调控电场的主要部件，众多学者也针对应控管的绝缘特性、介电特性及局部放电特性展开了大量研究^[11-13]. 文献[14-15]研究了电力机车高压电缆柔性终端放电击穿故障，并分析指出在外界气候变化干扰下，柔性终端由于主绝缘层和应控管层的贴合面紧密性控制不佳，使得电缆终端出现了局部放电的气隙通道，从而导致绝缘性能下降；文献[16-17]研究发现应控管的阻抗会影响电缆终端电位分布，阻抗太大或太小都会引起绝缘结构放电击穿，间接揭示了应控管介电参数的重要性；文献[18-20]分析了低温下应控管界面对车载高压电缆终端局部放电特性的影响，试验发现在应控管中加入树脂基复合材料能提高电缆终端局部放电的起始电压和熄灭电压. 车载电缆由于各类运行工况特殊，运行事故容易发生，而目前针对车载交流电缆终端应控管热老化导致其绝缘状态持续劣化现象的探讨较为欠缺，无法就整个电缆终端的剩余寿命提出准确的评判依据.

基于以上研究现状，本文探讨车载交流电缆终端应控管热老化特性及对绝缘性能的影响，对掌握电缆终端绝缘状态具有重要的工程参考价值及意义. 首先制备多组应控管试样，在不同温度下对应控管试样进行加速热老化试验，研究不同老化周期下应控管的电气传导特性、介电特性和微观特征，综合宏观试验、微观试验数据，重点探讨应控管内部多种材料的热老化特性；基于不同老化阶段应控管试样的介电常数、体积电导率等电气参数进行有限元仿真，探究应控管热老化下对交流电缆终端内部电场分布的影响，重点研究热老化对车载交流电缆终端绝缘性能的影响.

1.   试验装置与试验方法

1.1   应控管热老化试验

1.1.1   应控管试样制备

车载电缆交流终端应控管是以极性高分子材料为基材，加入部分导电炭黑、高介电常数碳酸钡填料等混合高温共聚而成，本文选择同参数材料的热缩式电力应控管，其选自日立电线电缆，材质构成与CRH380A动车组高压电缆终端应控管材质完全一致，其耐压等级为30 kV，直径热缩比为70/29. 首先，将应控管沿径向裁剪，制备成长度、宽度和厚度分别为50、50、1 mm的正方形试样；将制备完成的所有样品分为A、B、C 3组；为祛除应控管表面残余的污秽杂质，使用无水乙醇擦拭表面；最后将样品置于室温下干燥24 h以上.

1.1.2   热老化试验条件

通过查阅车载监控设备运行数据可知，动车组车载高压电缆缆芯发热的最大温度可达到90～100 ℃，应控管应急过载温度在140 ℃附近^[17]，参考GB/T 14274—2003《高聚物多孔弹性材料 加速老化试验》^[21]标准，并结合车载运行工况选择100、125、140 ℃ 3个温度点对应控管进行3组人工加速热老化试验. 根据GB/T 2951.12—2008《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法 第12部分：通用试验方法 热老化试验方法》^[22]标准，每组试验热老化时间选用5、10、15、20 d，每个温度条件下测量5个样品的试验均值，期间进行定期相关测试.

1.2   应控管热老化性能试验

1.2.1   电导和介电参数测试

采用电导测量仪对热老化应控管试样体积电导率进行测试，外施电场为10～50 kV/m，测试回路如图1所示. 介质损耗和介电频谱采用介电性能测试仪测试，测试频率范围为0.1 Hz～1 MHz，电极间温度为20 ℃，压力为0.2 MPa.

图  1  三电极测试系统

Figure  1.  Three-electrode test system

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1.2.2   红外光谱和扫描电镜测试

采用扫描电子显微镜测试仪表征不同老化周期下应控管材料的表面形貌，测试电压为20 kV. 采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）测试仪表征老化条件下应控管材料的化学成分，设置光谱的测定范围为4500～500 cm⁻¹，分辨率为0.09 cm⁻¹.

2.   应控管热老化特性分析

基于不同温度热老化试验，探究不同热老化周期下应控管内部电介质的电导、极化和损耗特性，并基于扫描电子显微镜（微观手段）分析材料形貌和官能团特征，综合宏观与微观试验数据，探讨应控管内部多种混合材料的热老化特性.

2.1   不同老化周期应控管宏观介电特性

2.1.1   热老化下应控管电导特性

在外加场强为10～50 kV/m的条件下，得到试样电导率随场强变化的规律. 如图2所示，140 ℃老化条件下电导率上升趋势最为显著，50 kV/m场强下电导率达到最大值1.1 × 10⁻¹⁰ S/m. 通过对试验结果分析，温度升高将导致应控管内部晶体电介质的解离度增大，离子较易成为自由移动的离子，电导率随之增加；另一方面，温度升高时，隧道效应不明显，在热振动的作用下，局部能带上的电子容易跃迁过相邻晶带，从而形成电子跳跃电导. 然而，温度升高时，何种电介质导致离子电导和电子跳跃电导的产生，其导电机理需进一步探讨.

图  2  不同老化条件下电导率与场强的关系

Figure  2.  Relationship between electrical conductivity and field strength under different aging conditions

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在较低温（100、125 ℃）老化条件下，应控管试样电导率随场强增加表现出较好的线性关系，材料导电性能相对完好；在高温（140 ℃）老化下，这种线性特征有所减弱，非线性特征明显增强，电导率变化速率较大. 随着场强不断增大，晶体电介质解离程度和电子跃迁能力增强，载流子移动能力较强，说明材料内部微观组成结构发生了相应变化，导电机理可能已经发生改变.

2.1.2   热老化下应控管极化特性

热老化下应控管极化特性随频率变化的响应曲线如图3所示. 由图可知，介电常数实部（相对介电常数）$\varepsilon_0$和介电常数虚部$\varepsilon_1$随频率的增加整体呈现下降趋势，这是由于低频作用下，外施电场频率较低，弛豫极化得以完全建立，电介质存在偶极子极化、电子极化和离子极化等多种形式，$\varepsilon_0$和$\varepsilon_1$值较大；在高频作用下，弛豫极化跟不上电场变化，$\varepsilon_0$和$\varepsilon_1$值较小.

图  3  介电频谱响应变化

Figure  3.  Dielectric spectrum response change

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通过对图3（a）进一步分析，在相同频率下，老化温度升高时，$\varepsilon_0$值下降，表明热老化致使应控管介电特性下降，应控管内部电介质极化能力减弱. 可解释为温度升高时，应控管材料内部高分子聚合物密度降低，加之高分子链的热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，从而导致极化强度降低. 高温（140 ℃）老化20 d时，$\varepsilon_0$值最小（14.00），此条件下以电子位移极化为主导形式. 综合以上分析，高温老化后期应控管材料内部发生的极化主要为电子极化，而弛豫极化强度相对较弱，应控管试样半导电平衡性被迅速打破.

2.1.3   热老化下应控管损耗特性

应控管试样的损耗特性变化规律如图4所示， 试样的介质损耗随频率增加呈现先减小后增大的趋势. 在10⁻¹～10 Hz频段下降速率较快，表明外施频率增大后，虽然偶极子极化能够充分建立，但由于其弛豫时间较小，特征频率较大，所以其产生的损耗仍会随着频率的增大而减小；在10⁵～10⁶ Hz高频段，介质损耗呈现上升趋势，这是由于极性高分子聚合物热解聚导致极性基团的产生，极性基团和小分子极化时与聚合物分子链发生热摩擦，也会产生大量损耗，损耗有所上升.

图  4  介质损耗频率响应变化

Figure  4.  Frequency response variations of dielectric loss

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在10⁻¹～10 Hz频段，不同老化温度下试管的介质损耗较为接近，并出现曲线交叉现象，分析认为在低频段电子极化、离子极化、偶极子极化和界面极化等多种极化并存时，低频损耗特性曲线较为接近. 在10⁵～10⁶ Hz高频段，应控管试样随老化温度升高，介质损耗增大，这是由于持续高温作用下极性高分子共聚物发生热解聚反应，极性基团产生，此外，高分子共聚物晶体区发生裂解反应，无定形区扩大，部分极性基团受到无定形区中聚合物长链折叠、断裂等陷阱阻碍作用的增强，转向极化所消耗的能量增加，即介质损耗增加；另一方面，高介电常数材料在加热状态下金属离子会逐渐挣脱离子键的束缚，形成自由移动的离子，热解离程度增大，试样伴随发热、软化等现象，材料将产生更多的热量和损耗.

2.2   不同老化周期应控管微观特性

2.2.1   热老化下分子官能团特征

表1总结热老化应控管试样的官能团吸收峰的归属位置. 图5为不同热老化条件下应控管试样的红外光谱对比图谱.

表  1  热老化应控管典型基团红外光谱吸收峰

Table  1.  Infrared spectrum absorption peaks of typical groups of stress control tube under thermal aging

谱带位置/cm−1	基团（产物）
3000～2750	C—H
1750～1600	C=C
1500～1400	C=O
1300～1250	—CH2—
1200～1000	C—O
750～600	Ti—O/Ba +

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图  5  应控管试样红外光谱

Figure  5.  Comparison of infrared spectra of stress control tube samples

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由图5（a）可知，热老化应控管试样中存在750～600 cm⁻¹低波数段吸收峰，分析认为试样材料中存在高介电常数的钛酸钡（BaTiO₃），致使样品材料产生Ti—O及Ba ⁺ 的吸收峰. 此外，当老化温度升高时，Ti—O及Ba ⁺ 吸收峰值逐渐增加，表明应控管试样随老化温度升高，其材料内部的热解聚程度不断加剧，产生更多的金属阳离子. 相比于100 ℃或125 ℃时，在140 ℃老化下波数段1200～1000 cm⁻¹中发现更为明显的C—O吸收峰，以及在波数段1500～1400 cm⁻¹的C=O伸缩振动吸收峰，表明应控管中原有无机物的C—Ba键出现断裂，并且发生氧化反应，碳与氧原子形成新的官能团. 同时，高波数段3800～3600 cm⁻¹中基团出现较宽的吸收峰抖动，这是由于高温老化下应控管共聚物热裂解产生一定的水分残留，生成波数段3800～3600 cm⁻¹显示的 —OH羟基吸收峰.

由图5（b）可知，在140 ℃老化后期，应控管试样在波数段1300～1250 cm⁻¹出现较为强烈的—CH₂—反对称变形振动吸收峰，这是由于热老化后应控管试样出现大量无规则断链和侧基消去反应，导致烯烃类分子结构中的主链和侧链发生不同程度的断裂，因此吸收峰波数段较高.

综合分析电导和介电特性、官能团性质，发现热老化致使应控管材料烯烃类聚合物热解聚、高介电常数钛酸钡（BaTiO₃）中产生自由离子以及生成无机氧化物. 高温热老化使得应控管试样BaTiO₃中Ba ⁺ 较易挣脱离子键束缚而成为自由移动离子，其内部载流子运输能力和导电能力增强，Ba ⁺ 产生过程如图6所示. 另一方面，烯烃类高分子聚合物结晶区发生裂解，并产生多个小晶区，自由电子从一个小晶区的导带迁移到相邻小晶区的导带需要克服势垒，热振动作用下势垒的阻隔作用减弱，电子极易跃迁，宏观上表现出如图2所示的电导变化规律.

图  6  C—Ba 键断裂

Figure  6.  C—Ba bond break

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随着老化周期不断增加，应控管试样中烯烃类聚合物热运动加剧，部分高分子链发生解聚、主链断裂和侧基消去反应，导致C—H、—CH₂— 等游离基的产生，高分子链与游离基团易引发关联作用，形成立体化学阻碍，从而阻止极性分子转向，因此，应控管内部电介质偶极子极化能力降低. 高温老化后期，主要以电子位移极化为主导形式，表现为图3所示的应控管极化特性. 由于烯烃类高分子聚合物热解聚产生极性基团，与氧气发生热氧反应，并产生C—O、C=O等含氧极性基团，极性基团在外加电场作用下需消耗较多能量进行转向极化，介质损耗增加，表现为如图4所示的应控管损耗特性曲线.

因此，随着老化程度不断加剧，热老化导致应控管内部烯烃类聚合物发生热解聚、自由离子Ba ⁺ 产生及C—O、C=O等含氧极性基团产生，内部还伴随诸多物理及化学变化，致使杂质、气隙聚集形成缺陷. 高温老化后期，应控管内部电介质导电能力增强、极化能力减弱及损耗因数增大，最终在应控管电气性能的变化上得到直观反映.

2.2.2   热老化下微观形貌特征

图7所示为不同老化条件下各应控管试样表面微观形貌图. 如图7（a）所示，未老化的应控管试样表面存在排列有序、结构均匀致密的多晶聚集体. 经图7（b）～（c）分析可知，试样在100 ℃老化10 d时，部分聚合物球晶结构出现破坏，多晶聚集体连续性下降；老化至20 d时，应控管试样表面几乎不存在完整的聚合物球晶，结构趋于松散，且出现絮状产物，结合分子官能团分（BaO₂）等无机氧化物的生成，对材料表面分析发现，这是由于氧化钡（BaO）和过氧化钡稳定性下降. 对比老化温度125 ℃的应控管试样可知，温度升高时加剧了材料表面多晶聚集体的破坏，同时出现褶皱、裂纹等现象，材料表面延展性下降.

图  7  不同老化条件下试样扫描电镜图

Figure  7.  SEM images of samples under different aging conditions

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当应控管试样老化温度为140 ℃时，试样表面出现大面积裂纹，几乎无聚合物球晶存在. 高温老化加剧了大分子聚合物链的断裂，易产生游离小分子链；同时，高温老化加剧无机氧化物及过氧化物的生成，各种老化产物的堆积使应控管表面的平整性下降.

高温热老化加剧了应控管试样表面聚合物球晶的裂解以及无机氧化产物的生成，致使其表面褶皱及裂纹扩大发展. 在热老化的作用下，应控管试样表面的理化特性发生变化，导致生成物理陷阱，抑制了载流子的消散能力，从而出现放电发热等故障形式.

3.   热老化对电缆终端绝缘性能影响

为探究应控管高温老化对车载电缆终端绝缘性能的影响，基于不同老化周期的电导、介电参数探究应控管热老化下电缆终端电场的分布规律，评估不同老化周期下车载电缆终端的绝缘状态.

3.1   仿真模型搭建及网格划分

1） 控制方程

借助有限元仿真软件，搭建车载电缆终端三维模型，控制方程如式（1）所示.

式中：${\boldsymbol{ \nabla}}$为向量微分算子；E为电场强度，V/m；V为电势，V；D为电通量，V/m；t为时间，s；J为电流密度矢量，满足电流守恒定律，A/m³；$\sigma$为材料的电导率，S/m；Q为电流源，A/m³.

2） 物性参数

根据电缆终端试验结果和厂家提供的部分数据，电场终端的材料参数如表2所示.

表  2  电缆终端材料参数

Table  2.  Cable terminal material parameters

名称	电导率/（S·m−1）	相对介电常数
缆芯	5.7×107	1.00
半导体层	2.0	100.00
绝缘层	1.0×10−18	2.50
应控管	1.0×10−8	25.30
屏蔽层	5.7×107	1.00
胶	7.7	0.50×10−8
热缩管	2.5×10−11	3.34
护套	1.0×10−18	2.60
伞裙	0.8×10−18	0.85

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3） 网格剖分

将电缆终端模型细分成723080个计算单元，仿真模型网格划分如图8所示.

图  8  网格剖分

Figure  8.  Mesh division

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3.2   热老化对电缆终端电场分布规律的影响

基于热老化试验结果可知，在140 ℃老化条件下应控管试样表现出较为明显的热老化规律，因此，选取老化温度为140 ℃的试验数据为应控管的材料参数，提取各个老化阶段下应控管试样的介电常数实部、电导率等介电参数添加至仿真模型中，探究终端内部电场的分布规律，如表3所示.

表  3  应控管老化特征参数

Table  3.  Aging characteristic parameters of stress control tube

老化时间/d	相对介电常数	电导率/ （×10−11 S·m−1）	频率/Hz
5	32.8	2.6	50
10	18.3	5.8	50
15	17.7	8.2	50
20	15.3	11.0	50

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仿真结果图9所示，图中，x、y分别为畸变点位置的横、纵坐标. 当应控管老化至5 d时，车载电缆终端内部“三结合点”（半导体层、主绝缘层及应控管交界点）电场畸变现象严重. 结合文中热老化特性分析可知，高温老化导致应控管材料中高分子链与游离基团易引发关联作用，形成立体化学阻碍，从而阻止极性分子转向，电介质极化能力降低，进而电介质极化产生的感生电场削弱，外加电场的能力降低，宏观上表现为该点处电场畸变严重.

图  9  终端内部电场分布

Figure  9.  Electric field distribution inside terminal

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如图9（b）所示，当热老化进行至10 d时，电场畸变区域沿应控管向终端高压处爬伸，电场畸变点移动至热缩管与应控管的交界处. 分析认为应控管在持续老化作用下，其电导性能及介电性能发生变化，导致应控管绝缘性能下降，电场调控能力下降. 当老化至15 d时，最大电场模有所下降. 待老化进行至如图9（d） 20 d时，电场畸变位置位于乙丙橡胶主绝缘层与应控管的交界处，此处为整个电缆终端绝缘结构最为薄弱的点.

综上所述，在热老化条件下电缆终端内部电场畸变区域呈现扩大的趋势，由x轴x₀ = 265 mm处至x₁ = 495 mm处沿白色箭头方向不断爬伸，电场畸变点位置发生规律性改变，电场畸变点位置停留在x₁ = 495 mm，y₁ = 20 mm交点处，即乙丙橡胶主绝缘层与应控管的交界处.

为深入探讨介电参数对电缆终端内部电场分布的影响，Rhyner等^[23]针对热缩式电缆终端提出一种简化的等效电路模型，如图10所示. 图中：U为电压，L为电缆长度，特征长度Δ的大小直接影响屏蔽层内末端电场均压层电压U_ext的分布，Δ的数学计算模型如式（2）所示.

图  10  终端电场分布情况

Figure  10.  Electric field distribution inside terminal

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式中：${A_{{\mathrm{FG}}}}$为均压层的横截面积；${C_{\mathrm{I}}}$为单位长度均压层的电容值；${\varepsilon _{{\mathrm{FG}}}}$、${\sigma _{{\mathrm{FG}}}}$分别为均压层的相对介电常数和体积电导率；${\varepsilon _{\mathrm{z}}}$为真空介电常数；ω为交流电压的角频率；$\xi$为时间常数，$\xi\text{ = }2\dfrac{\varepsilon_{\mathrm{FG}}\varepsilon_0\omega}{\sigma_{\mathrm{FG}}}$.

针对交流车载电缆而言，应力控制管材料具有相对介电常数高且体积电导率小的特点，因而时间常数ξ值远大于1，由式（2）可知特征长度Δ与相对介电常数ε_FG密切相关，而体积电导率影响较小. 分析认为，高温老化过程中应控管材料内部高分子聚合物密度降低，加之高分子链的热运动加剧，阻碍极性分子沿电场取向，应控管材料电介质极化能力下降，特征长度Δ值相应减小，U_ext增大，致使应控管调控电场能力降低，老化20 d时其畸变场强值达到最大，为7.9 × 10⁶ V/m. 同时由于局部区域电场畸变，电缆终端复合界面易发生局部放电，严重影响车载电缆终端绝缘性能，最终可能导致电缆终端爆炸事故发生，影响动车组安全运行.

4.   结　论

1） 老化温度较高时，电导随电场增强表现出明显的指数增长特征，电导变化速率较快；热老化致使应控管介电特性下降，老化温度升高时，介电常数实部ε₀整体下降；试样的介质损耗随外施电场频率增加呈现先减小后增大的趋势，在10⁻¹～10 Hz频段介损下降速率较快，在10⁵～10⁶ Hz高频段，极化损耗上升.

2） 热老化致使应控管内部烯烃类聚合物发生热解聚、自由离子Ba ⁺ 产生及C—O、C=O等含氧极性基团产生，内部还伴随诸多物理及化学变化，且应控管试样表面发生球晶裂解、无机氧化物层堆积、大分子裂解，及表面褶皱和裂纹的发展，应控管试样的理化性能已逐步发生劣化.

3） 仿真发现，应控管老化条件下电缆终端内部电场集中区域呈现扩大的趋势，电场最大点位置发生规律性改变，其沿着应控管不断向高压端爬伸，电场畸变位置停留在乙丙橡胶主绝缘层与应控管的交界处. 高温老化致使应控管调节电场能力降低，车载电缆终端绝缘性能下降.

致谢：牵引动力国家重点实验室开发课题（J0220602042102-41）.