车载电缆终端应控管热老化特性及对绝缘性能的影响

孙传铭; 刘凯; 张鹏鹏; 辛东立; 高波; 李广建; 吴广宁

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20220164

车载电缆终端应控管热老化特性及对绝缘性能的影响

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220164

孙传铭^{1, 2,},
刘凯^1, ,,
张鹏鹏^{1, 3},
辛东立¹,
高波¹,
李广建¹,
吴广宁¹

1.
西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031
2.
中车青岛四方机车车辆有限公司技术中心电气开发部，山东青岛 266111
3.
国网南充供电公司，四川南充 637000

基金项目: 国家自然科学基金项目（52007158）

详细信息

作者简介:
孙传铭（1981—），男，高级工程师，博士研究生，研究方向为绝缘性能机理分析，E-mail：sunchuanming@cqsf.com

通讯作者:
刘凯（1990—），男，副教授，博士，研究方向为高速铁路和电力系统电气设备故障评估，E-mail：liukai@swjtu.edu.cn

中图分类号: TM854
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出版历程
- 收稿日期: 2022-03-14
- 修回日期: 2022-06-29
- 网络出版日期: 2024-08-16
- 刊出日期: 2022-10-27

Thermal Aging Characteristics of Vehicle-Mounted Cable Terminal Stress Control Tube and Its Influence on Insulation Performance

SUN Chuanming^{1, 2
,},
LIU Kai^{1
, ,},
ZHANG Pengpeng^{1, 3},
XIN Dongli¹,
GAO Bo¹,
LI Guangjian¹,
WU Guangning¹

1.
School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China
2.
Technical Development Department of CRRC Qingdao Sifang Locomotive & Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao 266111, China
3.
State Grid Nanchong Power Supply Company, Nanchong 637000, China

摘要

摘要:
为研究车载电缆终端应控管热老化条件下的特性及热老化作用下的电缆终端绝缘性能，首先，通过试验研究确定车载电缆终端应控管宏观介电特性及微观老化规律；其次，基于对热老化下应控管材料电导、极化和损耗特性测试进行分析，得到不同老化周期下的介电特性曲线；最后，建立考虑应控管老化特性的车载电缆终端电场有限元模型，并基于热老化下介电参数计算应控管电缆终端电场分布. 研究表明：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，高温（140 ℃）老化20 d时，相对介电常数达到最小值14.00，此外，热解反应过程中聚合物长链折叠、断裂等陷阱阻碍作用增强，介质损耗有所增大；在应控管官能团特性及微观形貌上，热老化导致应控管材料烯烃类聚合物发生热解聚反应，形成化学立体缺陷，且加剧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，试样表面理化特性发生变化. 仿真发现，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，电场畸变区域沿应控管向终端高压方向不断爬伸，最终稳定在乙丙橡胶主绝缘层与应控管的交界处.
- 车载电缆终端 /
- 应控管 /
- 热老化特性 /
- 分子官能团 /
- 绝缘性能 /
- 电场分布
Abstract:
In order to determine the thermal aging characteristics of the vehicle-mounted cable terminal stress control tube and its influence on the insulation performance of cable terminal under thermal aging conditions, firstly, the macro-dielectric characteristics and micro-aging law of vehicle-mounted cable terminal stress control tube were determined through experimental research. Secondly, based on the analysis of the electrical conductivity, polarization, and loss characteristics of the stress tube material under thermal aging, the dielectric characteristic curves under different aging periods were obtained. Finally, a finite element model of the electric field of the vehicle-mounted cable terminal was established by considering the aging characteristics of the stress control tube, and the electric field distribution of the cable terminal of the stress control tube was calculated based on the dielectric parameters under thermal aging. The results show that the electrical conductivity increases most significantly at 140 ℃ and reaches the maximum value of 1.1 × 10⁻¹⁰ S/m at a field intensity of 50 kV/m. The relative dielectric constant reaches the minimum value of 14.00 at high temperature (140 ℃) for 20 days. In addition, trap hindrances such as folding and breaking of polymer long chain are enhanced during pyrolysis reaction, and the dielectric loss increases. In terms of functional group characteristics and microstructure of the stress control tube, thermal aging results in pyrolytic polymerization of olefin polymers in stress control tube materials, forming chemical stereoscopic defects. In addition, the cracking of polymer spherulites and the formation of inorganic oxidation products on the surface of the stress control tube sample are intensified, and the physical and chemical properties of the sample surface are changed. Simulation results show that under thermal aging conditions, the electric field distortion area inside the cable terminal presents a trend of expanding, creeps along the stress control tube towards the terminal high voltage, and finally stabilizes at the junction of the main insulation layer of ethylene propylene rubber (EPR) and stress control tube.
- vehicle-mounted cable terminal /
- stress control tube /
- thermal aging characteristics /
- molecular functional group /
- insulation performance /
- electric field distribution

HTML全文

川西区域地震活动性受北西向鲜水河构造活动断裂，北东向龙门山构造活动断裂，近南北向安宁河构造活动断裂构成的“Y”字型活动断裂带，及其相伴的巴塘、理塘、盐源、马边、马尔康和虎牙至漳肭等活动断裂带的控制. 就该区域内发育的断裂带及其活动性，许多科技工作者曾通过地质构造调查、新构造活动机制解析、地质样品测试分析和数值模拟等方法，进行了较多的相关研究^[1-5]. 这些研究包括鲜水河断裂带至小江断裂带的形成、第四纪活动性、不同破裂点的强震震级和复发时间间隔、晚、新生代以来的剪切变形测年及其构造意义、断层之间相互作用引起的触震与缓震效应、跨断层的变形特征以及强震之间相互作用的动力学特征等进行了不同程度的调查与研究. 深入探讨了鲜水河断裂带的形态、活动特征、机理与动力来源等，同时，论述了鲜水河断裂带近期的活动性及其发震条件与趋势^[6-7] . 此外，许多学者根据“5·12”汶川大地震所涉及龙门山断裂带活动现象与特征的分析，对龙门山断裂带的印支期左旋走滑运动及其大地构造成因、晚第四纪活动性、第四纪地质地貌与晚更新世以来的右行走滑运动特征、汶川8.0级地震前后的区域断裂活动性与构造应力场特征和断层形变异常、深部形变与汶川地震的成因关系等进行了研究，并深入分析了龙门山发生强震前后的断裂活动特征及成因^[8-12]. 还有学者根据大地形变监测资料、构造地貌和地层断错特征等，对安宁河断裂带晚第四纪运动特征与滑动速率、强震位错与古地震、断裂带凹、凸体分布和地震空区以及鲜水河—安宁河—则木河断裂带的地震破裂分段性等，作了较为系统的调查与研究，深入探讨了安宁河断裂带与相邻断裂带的第四纪活动特征及其发震潜势等^[13-19].

对于断裂带活动性的研究，除了利用传统的地质学、地貌学和大地形变观测等方法外，也基于地质力学、弹塑性力学、断裂损伤力学、岩体力学和数值模拟计算分析方法对不同尺度（范围）的最新地壳变形过程进行研究. 已有的研究虽然取得了许多进展，但2008年“5·12”四川汶川8.0级特大地震和2010年“1·31”四川遂宁5.0级地震或浅源地震，以及近年来川南地区发生的一系列中、强地震，都超出了人们对地震地质构造背景的传统认识. 这表明，目前的地震地质认知程度与社会防灾减灾需求之间还存在很大差距. 本文针对泥巴山特长隧道勘察发现的活动构造新现象，利用样品石英颗粒形态测定、区域构造地质力学原理和区域构造活动数值分析方法，对发现的地质构造新现象进行研究，修正完善该区域地震地质研究成果，为区内重大工程抗震设计和减灾提供理论支撑.

1. 场址区工程地质及活动构造新现象

1.1 工程地质环境概况

G5京昆高速公路雅安至西昌段穿越四川盆地西南边缘的大相岭泥巴山和拖乌山区，跨越大渡河谷. 大相岭泥巴山特长隧道全长10 007 m，最大埋深1 685 m，隧址区内发育断层和新构造现象见图1. 图中：f₁～f₁₁为隧址区内发育的中小断层，F₁～F₁₁为隧址区内发育较大规模的断层，F_11-1为F₁₁的分支断层.

图 1 隧址区断层及构造新现象平面分布

Figure 1. Plane distribution of faults and structural new phenomena in the tunnel site

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泥巴山是青衣江和大渡河的分水岭，位于一个箱型褶皱构造的大背斜之上，如图2所示. 泥巴山断裂带由分布于泥巴山两侧及其之间的多条中等规模断层组成. 据测绘统计，隧址区延伸长度达数公里和宽度达数米及以上的断层共22条，其中：走向N20.0°W附近的断层7条，走向近SN向的断层4条，走向近N40.0°W向的断层6条，走向近N53.0°W向的断层5条. 多数断层倾角大于70°，具左旋走滑兼逆断性质.

图 2 隧址区沿隧道轴线构造模式

Figure 2. Structural diagram of tunnel area

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长度百余米至数百米，宽度数十厘米的中、小断层共42条，走向和倾角的分布情况见表1. 其中，走向NNW—NWW的断层占73.9%，陡倾的占83.3%. 据隧址区及周围约150 km²测绘区的800余条节理统计，优势面分别为N39.0°W/NE∠81°、N5.0°W/SW∠85°、N78.0°E/SE∠79°；倾角大于60° 的结构面占78.6%，倾角大于75° 的结构面占64.3%，剪切性节理面占近90.0%.

表 1 中小断层参数统计表

Table 1. Statistics of parameters of small and medium fault

按断层走向统计			按断层倾角统计
走向	条数/条	占比/%	倾角/（°）	条数/条	占比/%
NEE	3	7.1	0～15	0	0
NE	5	11.9	15～30	0	0
NNE	3	7.1	30～45	1	2.4
NNW	5	21.5	45～60	6	14.3
NW	17	40.5	60～75	14	33.3
NWW	9	11.9	75～90	21	50.0

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1.2 活动构造新现象及特征

隧址区工程地质测绘过程中发现4个活动构造新现象，分布于泥巴山两侧边界断层内，见图1中的现象1～4. 各新现象的基本特征简述如下：

1）构造新现象1

该新现象于吉祥水电站引水隧洞中地质调查时发现，3 条相邻的新鲜断层位于保皇断层带内，见图1中的现象1. 3条断层间隔4～8 m，宽度80～100 cm，两侧影响带宽度大于15 m. 断层岩为新鲜朱红色夹灰绿色条带，受强烈剪切挤压变形作用片理极为发育，产状N50.0°E/NW∠66°，平直光滑呈云母类鳞片状，单层厚度＜1 mm，断层岩之间的灰绿色条带状绿泥石化流纹岩（图3）. 断层岩石英颗粒形态电子显微观测（SEM）结果（表2）表明，保凰断层带晚上新世—早更新世及晚更新世期间活动过.

图 3 保凰断层带

Figure 3. Baohuang fault

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表 2 石英颗粒形态电子扫描显微（SEM）测年结果

Table 2. SEM dating results of quartz grains

等级代号形态	贝壳状 I_o		次贝壳状 I_a		橘皮状 I_b		鱼鳞状 I_c		苔藓状 Ⅱ		钟乳/虫蛀状 Ⅲ		锅穴/珊瑚状 Ⅳ		活动年代推测
等级代号形态	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	观测个数/个	占比/%	活动年代推测
现象 1	0	0	5	15.6	0	0	9	28.1	18	56.3	0	0	0	0	${\rm{N}}_2^1$ 、 ${\rm{N}}_2^2$ 概率最大，Q₁ 及 Q₃ 均有
现象 2	10	9.8	24	23.6	9	8.8	18	17.6	18	17.6	12	11.8	11	10.8	Q₃ 概率最大，其余均有
现象 3	10	7.5	29	21.6	9	6.7	27	20.1	36	26.9	12	9.0	11	8.2	${\rm{N}}_2^1$ 、 ${\rm{N}}_2^2$ 概率最大，其余均有
现象 4	0	0	1	4	0	0	7	28.0	17	68.0	0	0	0	0	${\rm{N}}_2^1$ 、 ${\rm{N}}_2^2$ 概率最大，Q₁ 及 Q₃ 均有
年代/万年	0～ 1.17（Q₄）		1.17～ 12.60（Q₃）		12.60～ 78.00（Q₂）		78.00～ 259.00（Q₁）		259.00～ 360.00（ ${\rm{N}}_2^2$ ）		360.00～ 530.00（ ${\rm{N}}_2^1$ ）		＞530.00 （N₁）		总样品数 293 个

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2）构造新现象2

该现象是在对一个穿越曹大坪断层的旧铅锌矿矿硐进行调查测绘时发现的，位于曹大坪断层（F₁₁）带东南边缘，现象2的位置见图1，其特征见表2.

现场显示灰色碎块状白云岩覆盖在紫红色的漂卵石层沉积层之上，断层产状N13.0°W/NE∠22°，见图4所示. 新构造现象点位置断层岩石英颗粒SEM观测结果表明，该断层中晚更新世期间活动显著，全新世也曾活动过.

图 4 曹大坪断层

Figure 4. Caodaping fault

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3）构造新现象3

该现象是在对曹大坪断层进行地面地质测绘时发现的，位于F₁₀断层带范围地表，为一条发育于残坡积褐红色硬塑状含砾石黏土层中的剪切小断层. 其产状N11.0°W/NE∠55°，可见长度约3.2 m，整体呈微波状，断面有隐微擦痕，特征见图5. 现象3位置高程约1 750 m，具体位置见图1，其中的石英颗粒SEM观测结果见表2中的现象3. 观测结果表明，该断层从晚上新世以来具有持续活动性，晚上新世活动较强烈，早更新世、晚更新世及全新世都曾活动过. 构造新现象2和构造新现象3在平面上的关系见图1，剖面上的关系见图6 （图1中的剖面A—A'）.

图 5 坚硬黏土中的剪切节理

Figure 5. Shear joint in hard clay

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图 6 曹大坪断层带断面特征（剖面A—A'）

Figure 6. Section of the Caodaping fault zone （section A—A'）

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4）构造新现象4

该构造新现象是高速公路修建开挖路基时揭露的，位于构造新现象3东侧约2 km的曹大坪断层带内，沿G5高速公路展布. 断面显示碎块状白云岩覆盖于褐红色可塑状含砾石洪积黏性土上，见图1中的剖面B—B'. 断层产状N44.0°E/SE∠36°，其特征如图7所示和图8所示剖面. 断层位置及断层岩石英颗粒SEM观测结果见图1和表2中的现象4. 观测结果表明，该断层晚上新世和早更新世曾活动过.

图 7 边坡揭露的断层特征

Figure 7. Fault characteristics of slope

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图 8 曹大坪断层带断面特征（剖面B—B'）

Figure 8. Section of the Caodaping fault zone （section B—B'）

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本身具备鲜水河断裂带初始形成时南东延伸部分的空间特点和地质特征（见图9中的第（8）地震线）. 这预示着泥巴山断裂带与鲜水河断裂带应同属活动性断裂带，近期处于弱活动性时期，是否具备像龙门山断裂带那样的强烈地震孕生的潜在条件，值得深入探讨.

图 9 西南地区断裂及震中分布特征

Figure 9. Fault and epicenters distribution characteristics in southwest China

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对泥巴山断裂带新构造活动现象进行分析，深入探讨该断裂带与川西“Y”字型活动断裂带的成因关系及其第四纪活动性，为区内重大工程场地稳定性评价提供必要的构造地质依据具有重大意义.

2. 主要断裂带和新构造活动特征

如图1和图2所示，泥巴山断裂带由东北侧的保凰断层（F₁）和南西侧的曹大坪断层（F₁₁）为边界，包含两者之间9条大断层和10条中小型断层，这里重点阐述泥巴山断层带边界断层保凰断层和曹大坪断层特征.

1）保凰断层

保凰断层得名于其经过保新建材厂和凰义乡，位于泥巴山北东侧，发育于震旦统的流纹岩中，整体产状N10.0°W/SW∠60°，为右旋走滑兼逆冲断层，断带宽度60～80 m，北段分成2条分支，见图1中的F₁及F₂.

2）曹大坪断层

曹大坪断裂带F₁₁位于泥巴山南西侧，为一右旋走滑兼逆冲断层. 沿该断层带可见厚2 m左右的断层角砾岩，破碎带宽约150 m，断层走向N8.0°～15.0°W/NE∠50°～70°. 断层上盘为元古界下震旦统苏雄组的火山岩和开建桥组的火山沉积岩，似岩层产状N13.0°W/NE∠70°；下盘为上震旦统灯影组的白云岩层，牵引倒转段产状N12.0°W/NE∠65°.

3）区域新构造活动特征

表2观测数据显示保凰断层发育新鲜断层面活动过. 曹大坪断裂带上覆松散黏土层发育断层和基岩逆冲覆盖于堆积层上，断层岩石英颗粒形态SEM观测结果显示，大相岭两侧边界断裂第四纪中、晚期及全新世期间都明显活动过，说明该区的主要断裂带具有新构造活动迹象，并表现为走滑错动兼逆冲活动性质.

3. 新构造现象的区域构造意义讨论

3.1 区域新构造特征

西南地区是我国地质构造极其复杂和地震最为活跃的地区，四川及云南的地震灾害尤为突出. 四川西部、云南北部和贵州西北部地震活跃地区的断层迹线、历史地震震中和震级分布见图9 （图中的第（1）～（10））.

根据地震震中分布带、集中分布区和区域断层线优势方向，画一条直线通过震中集中带. 该线定义为该地震带的地震线^[15]. 参照地震活动断裂带进行规则化处理，得到由地震线构成的菱形网格线. 西南地区初步确定的地震线如表3.

表 3 西南部分地区地震线特征

Table 3. Seismic line characteristics in parts of southwest China

序号	地震线名称	经过地	方向	长度/km	所处的活动构造带名称
（1）	筠连—东川	筠连—昭通—东川	N32.8°E	283.7	东川—筠连—华蓥山
（2）	犍为—永仁	千位—马边—美姑—攀枝花—永仁	N32.8°E	430.2	犍为—马边，攀枝花—永仁
（3）	平武—丽江	平武—汶川—宝兴—宁蒗—丽江	N32.8°E	797.8	龙门山，木里—宁蒗—丽江
（4）	九寨沟—腾冲	九寨沟—松潘—新都桥—稻城—中甸—腾冲	N32.8°E	853.1	九寨沟—黑水，丹巴—新都桥，中甸—腾冲
（5）	松潘—曲靖	松潘—校场—汶川—马边— 东川—曲靖	SN	708.7	松潘—校场，龙门山，马边—昭通，东川曲靖
（6）	马尔康—西昌	马尔康—金川—丹巴—石棉— 冕宁—西昌	SN	468.5	安宁河，鲜水河及龙门山
（7）	甘孜—大理	甘孜—新龙—理塘—丽江—大理	SN	625.3	甘孜—理塘，丽江—大理
（8）	甘孜—马边	甘孜—炉霍—道孚—康定—马边	N32.8°W	602.1	鲜水河，马边—永善
（9）	理塘—曲靖	理塘—西昌—宁南—巧家— 东川—曲靖	N32.8°W	592.2	理塘—木里，西昌巧家，东川—曲靖
（10）	中甸—永仁	中甸—丽江—永仁	N32.8°W	289	中甸—丽江—永仁

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根据图9和表3可总结川西及其邻区的构造活动特征如下：

1）隧道及外围区域的活动断裂构造线具有优势方向，集中在NE、NW和SN 3个方向. 3个方向具有对称性，符合岩体力学莫尔-库伦强度理论. 根据地震线锐角2β = 73.2° （见图9中第（3）地震线与第（8）地震线的夹角）和2β = 90°−φ，计算得到岩体综合内摩擦角φ为16.8°，与常温常压下流纹岩的内摩擦角（平均为41.3°）相差较大. 断层是深部岩体破裂所致，深部岩体处于高温高压下，当岩体平均重度0.028 MN/m³，地温增温梯度3 ℃/100 m，岩体平均埋深按20 km估算，地下岩体温度可达600 ℃，垂直应力可达560 MPa. 此时岩体处于塑性状态，其内摩擦角变小，符合物理力学原理.

2）地震事件沿具有优势方向的活动断裂带附近发生，震级大小和平面分布密度不均匀，地震线两端相对集中分布、中间局部相对集中分布和沿地震线均有分布. 就此讨论如下：1）贯通性断裂带两端在外围构造作用下岩体变形集聚能量较多，岩体经常性破裂释放能量引起地震，如图9中的马尔康—西昌地震线；2）首尾相邻间隔的非贯通性断层，其间相对完整岩体（岩桥）在外围构造作用下岩体变形集聚较多能量，岩体破裂释放能量会引起地震，如图9中的筠连—东川地震线；3）沿地震线岩体特性差异明显，原有断层面力学特性差异较大，“凸起体”破裂和断层面黏滑变形，在外围构造力作用下断层两侧岩体变形集聚较多能量超限，断层面会“跳动式”滑移（近平面状黏滑型断层活动特征）或“凸起体”破断位移（锁固体型断层活动特征），岩体释放变形能量引起地震，如图9中的甘孜—马边和平武—丽江地震线.

3.2 泥巴山地区新构造体系特征

泥巴山地区位于四川盆地与川西山区过渡的起步地带；其地质构造总体格局和区域断裂构造特征见图9中的泥巴山隧址区、表3中的甘孜—马边地震线和表4中的保凰断裂和曹大坪断裂.

表 4 断层特征简表

Table 4. Summary of fault characteristics

断裂带名称	产状	长度/km	性质	组成断层/条	活动年限/万年	备注
鲜水河断裂	N40.0°W/SW∠60°	400	左旋兼逆冲	3	1.00 （全新世）	区域性断裂
龙门山断裂	N40.0°E/NW∠60°	500	右旋兼逆冲	3	1.00 （全新世）
安宁河断裂	N2.0°E/SE∠70°	350	逆冲兼左旋	2	1.00 （全新世）
荥—马断裂	N28.0°W/SW∠60°	250	逆冲兼左旋	9	1.00 （全新世）
九襄断裂	N60.0°E/NW∠47°	30	压扭	1	6.24～7.15 （晚更新世）	隧址区控制性断裂
保凰断裂	N40.0°W/SW∠75°	100	左旋兼逆冲	2	40.70～51.90 （中更新世）
金坪断裂	N20.0°W/NE∠60°	84	左旋斜冲	1	10.72～12.54 （晚更新世）
红花断裂带	N30.0°W/SW∠85°	50	压性	1	36.76～43.06 （中更新世）
曹大坪断层	N35.0°W/SW∠86°	25	压扭	1	6.40～7.60 （晚更新世）

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显然，泥巴山隧道所在的小区域位于川西强活动构造带的东侧，大区域上属于西南地区“菱形棋盘式”断裂构造带和地震震中集中分布线上的平武—丽江地震线东南侧的甘孜—马边地震线构造体系. 对泥巴山地区起控制作用的区域性断裂和区内断层情况见表4，这些断层多数在晚更新世以来有不同程度的活动.

3.3 泥巴山断裂带新构造意义讨论

泥巴山隧址区位于川西三大活动断裂带的交汇区域，在区域多期地质作用下，其构造必然受3大活动断裂的叠加作用影响.

平面上场址区断裂走向多为NW，反映了区域的构造格局；在剖面上断层以陡倾为主，多大于60°，倾向变化规律性明显：泥巴山背斜北东翼断层倾南西，背斜南西翼断层倾北东，横剖面上呈扇状展布格局，这是本区断层组合的突出特征，反映断层与褶皱成因上具有密切关系. 断层性质以逆断和逆兼平移断层为主，也反映了与区域构造变形的协调性.

隧址区断层与鲜水河断裂带的几何特征相似，位于同一条地震线上；隧道出口地段的旧矿洞内碎块状白云岩覆盖于漂卵石层之上（图6），断层岩石英颗粒SEM观测结果表明（表2），该断裂带晚更新世以来活动过，认为隧址区断层与鲜水河断裂带存在成生关系. 即鲜水河断裂带形成之初是向SE方向延伸的，并与隧址区断层相连，这会对该隧道和附近城镇建设等工程产生显著影响. 据地面调查，隧址区西南侧的曹大坪断层带及其破碎带宽200～300 m，沿大相岭南西侧延伸大于30 km，位于川西“Y”字型活动构造带的鲜水河活动断裂带的南东延伸方向，其走向与鲜水河活动断裂带整体走向基本一致，中段及南东段露头较好，北西段因第四系地层覆盖仅局部出露，沿线地貌特征有所显现. 曹大坪断层带北东侧（上盘）为大相岭，地层为下震旦统苏雄组流纹岩至上二叠统峨眉山玄武岩，南西侧（下盘）为宜东向斜，地层为三叠系下统飞仙关组钙质泥岩至侏罗系上统砂质泥岩，断层南西侧发育系列洪积扇. 根据地层对比，大相岭新构造阶段的垂直抬升约2000 m^[14]. 自有地震记录以来，沿大相岭断层带附近共发生过8次地震，最大震级为5.9级，“5·12”汶川大地震前后虽然活动不显著，其南偏东约距22 km的汉源老县城及其周边地区，地震破坏较为严重，震害系数平均达0.2，最大达0.5，局部烈度达 Ⅸ 度，而周围的烈度仅为 Ⅶ 度^[14]，最近该断层带附近的宜东镇和芦山县及宝兴县相继发生了4.8级、6.1级和4.5级中震. 为何出现这种地震烈度的“孤岛”效应，从地形及非均匀地层成因的解释都缺乏依据和逻辑，构造因素应该是主要原因. 按照地形高程平均处理可得到泥巴山隧址区的地形抬升幅度变化见图10. 该区地形的差异抬升也能间接反映泥巴山断裂带与鲜水河断裂带具有同根性.

图 10 区域差异抬升幅度

Figure 10. Range of regional differential uplift

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综上所述，根据地质力学及岩体力学原理，对隧址区新构造特征和相关区域地质构造过程归纳如下：

1）泥巴山断裂带应该与鲜水河断裂带具有同根性，并是同期形成的. 燕山构造早、中期，近南北向地壳构造应力作用下，该区域地壳岩体形成了 “X”巨形剪切破裂面. 其中，鲜水河断裂带及大相岭至马边—盐津断裂带共同构成北西—南东支；龙门山断裂带及宁蒗—丽江断裂带共同构成北东—南西支；“X”破裂面北段地区地层岩性是三叠系为主的页岩及炭质页岩与砂岩互层，岩性总体较软，南北向挤压形成东西向弧形褶皱和小规模断层，岩层变质为变质砂岩及炭质板岩；“X”破裂面南段地区岩性以闪长岩及花岗岩为主，岩性总体坚硬，南北向挤压下形成一系列南北向压张性断裂面，发展成为现今的安宁河张性为主的断裂带，见图11.

图 11 燕山期川西构造模式示意

Figure 11. Tectonic model of Western Sichuan of Yanshan tectonic period

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2）燕山构造晚期区内构造主应力方向向东稍微偏转，受太平洋板块的推挤，四川盆地所在的准扬子地台对川西地区产生“主动性约束”，横断山区受印度洋板块的“被动约束”，导致川西前期形成的南北向“X”剪切破裂和北部弧形构造及南部压张性断裂产生变形位移，断裂面倾西. 南部两支断裂带发生非对称性靠拢式闭合位移，北东及北西向剪切走滑断层产生剖面剪切逆冲活动；南北向压张性断裂产生韧性剪切带型逆冲活动. 北部两支断裂产生了偏转及少量平移，同时开始产生韧性剪切型逆冲活动（图11）.

3）喜山构造期，印度洋板块在约N80.0°W方向，长达2900 km的边界上，长期主动挤压欧亚板块，形成喜马拉雅山构造带. 中间约2000 km段剖面上产生大距离的“塑性剪切变形—滑脱—俯冲—超覆构造”作用. 两端却“互不相让”产生了对撞挤压作用，形成了所谓的“东构造结”和“西构造结”. 印度洋板块持续向NNE强烈挤压，青藏高原及其东南部横断山区产生了大、小规模（图12）的塑性剪切滑移大变形，形成了青藏高原东部一系列的大弧形左旋走滑为主的陡倾活动断裂（印度洋板块挤压引起），以及青藏高原东南部和横断山区北部弧形左旋走滑为主的陡倾活动断裂（“东构造结”引起，图12）. 这样对川西原始的“X”构造格局产生2个方面的作用：一是“东构造结”将印度洋板块NNE向的最大主应力作用方向，转换为对川西地区西侧放射形方向的主应力作用，应力强度由北往南逐渐减弱；二是印度洋板块通过喜马拉雅山构造带对青藏高原产生类似于“东构造结”的作用，将印度洋板块NNE向的最大主应力作用方向更大范围地转换为对川西地区北侧近东西向的主应力作用. 由于大范围的塑性剪切大变形会消耗大量的能量和“东构造结”的应力集中，最大主应力强度与“东构造结”引起的最大主应力强度相比小得多. 在两者的综合作用下，川西地区受到的现今构造主应力方向仍然是NW.

图 12 喜山期川西构造模式

Figure 12. Tectonic model of Western Sichuan in Himalayas period

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4）喜山期构造作用和四川盆地“主动约束”下，鲜水河断裂带仍以走滑活动为主，整体上由初始的右旋走滑逐渐过渡为现今的左旋走滑. 龙门山断裂带整体上以走滑为主兼逆冲滑移，并由燕山构造期的左旋逐渐过渡为现今的右旋走滑. 鲜水河断裂带整体逆时针转动，龙门山断裂带也整体逆时针转动，前者转动量大于后者，导致两者地震线夹角增加到至今的73.2° （图12）. 南部的锦屏山断裂和大相岭断裂因前期“靠拢”位移，来自北部近东西向的大主应力和云贵高原的被动抗力及四川盆地基底的主动抗力，不利于两者产生剪切走滑错动，而是以韧性剪切带式的逆冲错动为主. 另一方面，在印度洋板块向北挤压派生来的水平构造力作用下，与鲜水河断裂带和龙门山断裂带在平面位置及方向上一致的雅—宜断裂带和康—九断裂带具有一定的活动性.

4. 隧址区区域构造特征数值分析

近年来，大量学者使用数值模拟技术对高地应力条件下的构造应力场和断裂带进行了模拟分析. 许尧^[20]使用FLAC3D软件运用三维数值模拟技术对泥巴山隧址区区域地应力场进行了反演，分析地应力的空间变化规律. 颜天佑等^[21]结合滇中引水香炉山隧洞工程，针对实测结果中方向结果离散性较大的问题，基于中国现代构造地应力场特征，使用FLAC3D软件对丽江地区复合断裂对区域地应力场的影响进行数值模拟，获取了地应力场方向的定性认识. 徐正等^[22]使用FLAC3D软件对汶马高速鹧鸪山隧道三维地应力场进行了反演. 师皓宇等^[23-24]分别采用FLAC2D和FLAC3D模拟分析了龙门山断裂形成过程和塑性区分布的几何特征及断裂带附近区域的地貌形成过程和地应力演化机制.

利用有限差分软件FLAC3D数值模拟计算方法对上述区域地质构造过程进行模拟分析，探讨隧址区的应力场和变形场及其与区域新构造的关系. 有限差分数值模拟计算方法的原理是基于介质弹性、塑性和黏性物理力学特性基础之上的弹性力学问题且满足误差要求的近似解法，是弹塑性力学问题解析法的重要补充，已在土木工程各领域得到广泛应用^[12].

4.1 模型构建及材料参数

将川西“Y”字型活动断裂体系作为区域构造框架进行模型构建，涉及面积7.8 × 10⁴ km²，厚度45 km. 坐标向上为Z，西向东为X，南往北为Y，见图13. 浅部岩体和断层岩物理力学参数参照文献、试验和岩体结构综合确定；深部岩体物理力学参数依据纵波速度选取. 确定的综合参数见表5. 数值计算模型中的各地层岩土体材料都采用理想弹塑性本构模型.

图 13 数值分析模型

Figure 13. Numerical analysis model

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4.2 边界条件确定

隧址区4个钻孔11个孔段地应力测试数据和区域12个钻孔约200 m深度的水压致裂法地应力测试数据分别见表6、7^[15]. 表中：σ_v为地应力垂直向分量，σ_H和σ_h分别为平截面内最大主应力和最小主应力. 结果显示，区域和隧址区水平最大主应力方向均值分别为54.8° 和55.1°.

表 5 岩体工程特性参数表

Table 5. Rock engineering characteristic parameter

深度段/km	分区	容重/ （kN·m⁻³）	弹性模量/GPa	泊松比	内摩擦角/（°）	黏聚力/MPa
[0, 5]	Ⅰ	24.0	45	0.22	40	25.00
	Ⅱ	26.0	40	0.22	35	20.00
	Ⅲ	26.0	35	0.22	37	22.00
	断层岩	21.0	2	0.24	17	0.10
(5, 15]	Ⅰ	26.0	80	0.25	55	37.00
	Ⅱ	26.5	75	0.25	50	32.00
	Ⅲ	26.5	70	0.24	45	27.00
	断层岩	22.0	3	0.26	18	0.10
(15, 25]	完整岩	2.7	90	0.26	60	50.00
(15, 25]	断层岩	24.0	5	0.27	19	0.12
(25, 45]	完整岩	2.8	100	0.28	55	45.00
(25, 45]	断层岩	25.0	5	0.28	19	0.12

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表 6 隧址区岩体地应力测试结果

Table 6. Ground stress test results of rock mass in tunnel area

孔号	压裂段深度/m	应力值/MPa			较大水平主应力方向
孔号	压裂段深度/m	σ_H	σ_h	σ_v	较大水平主应力方向
Zk2	351.20	16.02	10.10	9.31	N37.0°W
Zk2	430.74	20.12	14.20	11.42	N20.0°W
Zk3	662.23	19.59	13.23	17.23	N48.0°W
Zk3	753.50	18.56	13.16	19.60	N68.0°W
Zk3	906.45	21.41	15.04	23.58	N58.0°W
Zk4	1113.12	25.08	18.11	28.92	N55.0°W
Zk4	1262.49	29.54	21.98	32.80	N59.0°W
Zk4	1324.27	32.84	22.98	34.40	N67.0°W
Zk5	617.35	9.56	8.21	16.81	N52.0°W
Zk5	804.62	14.33	12.85	21.90	N67.0°W
Zk5	831.11	17.86	13.26	22.60	N75.0°W

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表 7 区域岩体地应力测试结果

Table 7. Ground stress test results of rock mass in region

测量地点	岩性及时代	σ_H/MPa	σ_h/MPa	最大主应力方向
普格荞窝	奥陶纪灰岩	6.22	4.70	N54.4°W
冕宁泸沽	燕山期花岗岩	4.12	3.66	N59.3°W
丹巴	海西期角闪岩	5.35	3.45	N24.2°W
雅江	三叠纪砂岩	6.48	4.84	N56.0°W
宝兴锅巴岩	奥陶纪大理岩	8.75	6.13	N60.7°W
康定呷巴	三叠纪砂板岩	6.55	5.15	N85.7°W
康定长河坝	晋宁期花岗岩	6.15	3.00	N82°W
天全	老第三纪砂岩	4.69	3.29	N68.6°W
雅安	老第三纪砂岩	4.13	2.50	N45.0°W
乾宁	三叠纪砂岩	3.65	2.46	N53.4°W
理塘	三叠纪板岩	8.50	4.55	N34.5°W
义敦	燕山期花岗岩	4.76	1.66	N33.4°W

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根据地应力测试数据，对模型应力边界条件进行数值计算反演. 其思路为：模型顶部地面自由，模型底、南和东侧边界法向位移固定，2个切向位移自由；西侧和北侧边界施加法向应力σ_x及σ_y，剪切应力τ_xy及τ_yx，边界上的τ_xz和τ_yz为0. 调整西侧和北侧边界上σ_x、σ_y和τ_xy（τ_yx）大小及其组合，直至所有测试地应力分量与反演地应力分量之间的综合误差最小，据此确定应力边界条件. 反演获得北侧和西侧边界应力随深度（h）的变化分别见式（1）和式（2）.

$\left\{\begin{array}{l} {\sigma _{\rm{h}}} = 1.4 + 0.017h,\\ {\sigma _{\rm{H}}} = 2 + 0.024\;5h. \end{array} \right.$

(1)

4.3 模拟结果及分析

典型深度平切面内的最大剪应力等值线见图14. 根据弹塑性力学原理和岩体力学莫尔-库伦强度理论，剪应力较大和变化率较大的地带容易产生剪切滑移变形及破坏. 显然，区域中的剪应力集中带基本构成了一个“X”型态，特别是地面以下6～28 km深度平切面更加显著；“X”型态是非对称的，南部显示有3个线性图像带，证明泥巴山断裂带与鲜水河断裂带同根并是其东南延伸部分.

图 14 区域不同深度平截面最大剪应力等值线（单位：MPa）

Figure 14. Maximum shear stress contours (unit: MPa)

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5. 结　论

1）在四川大相岭泥巴山隧道工程区延伸数十公里及以上的断层至延伸数百米的构造节理走向北西方向占到75%以上，倾角陡倾的比例大于80%，剪切性质的比例大于85%，这些构造结构面的优势方向及陡倾特征与鲜水河断裂带具有较好的一致性.

2）川西大相岭地区泥巴山断裂带存在新构造活动现象，而且石英形态SEM观测结果显示泥巴山断裂带晚更新世以来活动的几率为27%，说明该隧址区的控制性边界断裂应为活动性断层.

3）川西地区活动断裂带及地震带可以用地震线来表达，指示了活动构造断裂及地震分布带与区域构造最大主应力方向及其演变过程关系，并表明川西地区的地震线分布与活动断裂分布具有一致性.

4）泥巴山断裂带及其东南方向延伸构造带与鲜水河构造断裂带具有同根性，应属于同一条地震线，具有同期形成的地质力学和岩体力学特征与地质演变历史.

图 1 三电极测试系统

Figure 1. Three-electrode test system

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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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图 3 介电频谱响应变化

Figure 3. Dielectric spectrum response change

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图 4 介质损耗频率响应变化

Figure 4. Frequency response variations of dielectric loss

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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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图 6 C—Ba 键断裂

Figure 6. C—Ba bond break

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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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图 8 网格剖分

Figure 8. Mesh division

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图 9 终端内部电场分布

Figure 9. Electric field distribution inside terminal

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图 10 终端电场分布情况

Figure 10. Electric field distribution inside terminal

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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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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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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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参考文献(23)

[1]	邓文丽,戴朝华,陈维荣,等. 轨道交通能源互联网背景下光伏在交/直流牵引供电系统中的应用及关键问题分析[J]. 中国电机工程学报,2019,39(19): 5692-5702,5897. DENG Wenli, DAI Chaohua, CHEN Weirong, et al. Application of photovoltaic in AC/DC traction power supply system and analysis of key issues under the background of rail transit energy Internet[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(19): 5692-5702,5897.
[2]	曹建猷. 电气化铁道供电系统[M]. 北京: 中国铁道出版社,1983: 74-80.
[3]	江平开,孙小金,黄宇,等. 纳米氧化镁聚丙烯复合绝缘材料的制备及其性能[J]. 高电压技术,2017,43(2): 355-366. JIANG Pingkai, SUN Xiaojin, HUANG Yu, et al. Preparation and performance of nano-magnesium oxide polypropylene composite insulating material[J]. High Voltage Technology, 2017, 43(2): 355-366.
[4]	HOU S , FU M, LI C, et al. Electric field calculation and analysis of HVDC cable joints with nonlinear materials[C]//Properties and Applications of Dielectric Materials. Sydney: IEEE, 2015: 184-187.
[5]	刘刚,陈志娟. 10 kV交联乙丙橡胶电缆终端主绝缘含空气气隙缺陷试验[J]. 高电压技术,2012,38(3): 678-683. LIU Gang, CHEN Zhijuan. 10 kV cross-linked ethylene-propylene rubber cable terminal main insulation containing air gap defect test[J]. High Voltage Technology, 2012, 38(3): 678-683.
[6]	THUE W A. Electrical power cable engineering[M]. New York: Marcel Dekker, 2011: 20-30.
[7]	王瑶瑶,姚周飞,谢伟,等. 基于时频域反射法的高温超导电缆故障定位研究[J]. 中国电机工程学报,2021,41(5): 1540-1547. WANG Yaoyao, YAO Zhoufei, XIE Wei, et al. Research on fault location of high-temperature superconducting cables based on time-frequency domain reflection method[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(5): 1540-1547.
[8]	郭蕾,曹伟东,白龙雷,等. 热氧老化EPR电缆绝缘局部放电特性及劣化机理[J]. 高电压技术,2021,47(1): 231-240. GUO Lei, CAO Weidong, BAI Longlei, et al. Thermal oxygen aging EPR cable insulation partial discharge characteristics and deterioration mechanism[J]. High Voltage Technology, 2021, 47(1): 231-240.
[9]	周远翔,张云霄,张旭,等. 热老化时间对硅橡胶电树枝起始特性的影响[J]. 高电压技术,2014,40(4): 979-986. ZHOU Yuanxiang, ZHANG Yunxiao, ZHANG Xu, et al. The effect of thermal aging time on the initial characteristics of silicone rubber electrical tree branches[J]. High Voltage Technology, 2014, 40(4): 979-986.
[10]	王永强,仲钊,谢军,等. 温度对不同老化程度的绝缘纸板沿面放电的影响[J]. 高电压技术,2017(8): 1540-1547. WANG Yongqiang, ZHONG Zhao, XIE Jun, et al. The influence of temperature on the creeping discharge of insulating paperboard with different aging degrees[J]. High Voltage Technology, 2017(8): 1540-1547.
[11]	尹游,周凯,李诗雨,等. 基于极化去极化电流法的水树老化XLPE电缆界面极化特性分析[J]. 电工技术学报,2020,35(12): 2643-2651. YIN You, ZHOU Kai, LI Shiyu, et al. Polarization characteristics analysis of water tree aging XLPE cable interface based on polarization depolarization current method[J]. Journal of Electrotechnical Technology, 2020, 35(12): 2643-2651.
[12]	周凯,陈泽龙,李天华,等. 运行老化XLPE电缆导体屏蔽层侧绝缘缺陷分析[J]. 高电压技术,2020,46(1): 187-194. ZHOU Kai, CHEN Zelong, LI Tianhua, et al. Analysis of insulation defects on the side of the conductor shielding layer of the operating aging XLPE cable[J]. High Voltage Technology, 2020, 46(1): 187-194.
[13]	刘刚,张高言,周凡,等. 基于等温松弛法的110 kV高压电缆老化状况评估[J]. 高电压技术,2014,40(2): 497-504. LIU Gang, ZHANG Gaoyan, ZHOU Fan, et al. 110 kV high-voltage cable aging evaluation based on isothermal relaxation method[J]. High Voltage Technology, 2014, 40(2): 497-504.
[14]	杨帆,王位,郑维飞,等. 高原环境对电力机车高压电缆柔性终端运用的影响及应对措施[J]. 电力机车与城轨车辆,2017(3): 0312-0319. YANG Fan, WANG Wei, ZHENG Weifei, et al. The influence of plateau environment on the application of flexible terminals of high-voltage cables for electric locomotives and countermeasures[J]. Electric Locomotives and Urban Rail Vehicles, 2017(3): 0312-0319.
[15]	郑维飞,康明明,成本权,等. 电力机车高压电缆柔性终端放电击穿故障分析[J]. 电力机车与城轨车辆,2017(6): 0670-0677. ZHENG Weifei, KANG Mingming, CHENG Benquan, et al. Discharge breakdown analysis of flexible terminal of high voltage cable for electric locomotive[J]. Electric Locomotives and Urban Rail Vehicles, 2017(6): 0670-0677.
[16]	CLABBURN C. R. J, DAVID C. The function of stress control tube in cable terminal[J]. Journal of Electro-ceramics, 2011, 3(4): 1509-1517.
[17]	胡军,杨霄,何金良,等. 电导及介电自适应调控的复合界面材料及其应用[J]. 高电压技术,2016,42(9): 2902-2908. HU Jun, YANG Xiao, HE Jinliang, et al. Conductivity and dielectric self-adaptive control of composite interface materials and their applications[J]. High Voltage Technology, 2016, 42(9): 2902-2908.
[18]	周利军,朱少波,白龙雷,等. 低温下应力控管界面对车载电缆终端局部放电的影响[J]. 高电压技术,2019,45(4): 1266-1273. ZHOU Lijun, ZHU Shaobo, BAI Longlei, et al. Influence of stress tubes interface on partial discharge of vehicle cable terminal at low temperature[J]. High Voltage Technology, 2019, 45(4): 1266-1273.
[19]	刘源. 高寒环境中机车电缆终端局部放电与绝缘劣化机理研究[D]. 成都: 西南交通大学,2018: 20-30.
[20]	朱琳. 高寒车载电缆终端与网侧柜电场仿真及结构优化[D]. 成都: 西南交通大学,2018.
[21]	国家质量监督检验检疫总局. 高聚物多孔弹性材料加速老化试验:GB/T 14274—2003[S]. 北京: 中国标准出版社,2003.
[22]	全国电线电缆标准化技术委员会. 电缆和光缆绝缘和保护套材料通用试验方法第12部分:热老化试验: GB/T 2951.12—2008[S]. 北京: 中国标准出版社,2008.
[23]	RHYNER J, BOU-DIAB M G. One-dimensional model for nonlinear stress control in cable terminations[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1997, 4(6): 785-791. doi: 10.1109/94.654706