0 引言
自从2008 年中国进入高铁时代至今，高速铁路技术得到迅速发展。高铁列车在各类恶劣环境条件中运行的情况越来越多地出现，导致以乙丙橡胶（Ethylene-Propylene Rubber, EPR）电缆为代表的列车供电系统的运行可靠性受到了极大挑战[1]，尤其是在高寒等极端天气出现频繁的地区，EPR 电缆终端出现整体绝缘性能下降，击穿事故频发的现象，严重影响到列车的安全运行。随着“一带一路”的建设，高铁列车将在环境更为恶劣的中亚及西伯利亚地区运行，EPR 电缆终端将面临更加严苛的低温环境考验，对其运行可靠性提出了更高的要求[2]。但是，目前有关EPR 电缆在高寒环境下频繁出现击穿故障的原因，以及终端整体在低温环境中的绝缘特征都不明确，使得高寒地区列车结构设计和试验检测均缺乏相关的理论依据，因此迫切需要开展高寒环境下EPR 电缆终端击穿过程及界面间放电特性的研究，提高列车供电系统的运行可靠性。
EPR 电缆终端大多是由多层应力控制管（Stress Control Tube, SCT）经热缩方式制作而成，其EPR/SCT 的界面间放电特性是评估电缆终端绝缘性能的重要指标，因此研究低温条件下终端内界面间放电特性有助于其结构的优化和改进。目前，国内外学者对于各类电缆终端的研究主要集中在内部材料特性与绝缘缺陷特征检测方面：文献[3-5]研究了电缆在经热老化处理后，介电性能对于整体绝缘性能评估及寿命模型的影响；文献[6-7]则进一步通过老化前后EPR 材料的物性测试结果展开了相关研究，从微观角度进一步揭示了材料特性与绝缘性能的关系；为解决因材料问题导致的电场畸变，甚至老化加速问题，文献[8-9]开展了终端内部使用非线性电导材料情况下，电场分布的仿真研究与优化设计，文献[10-11]则根据终端附件的形变参数与位移方程，提出了新型附件设计方法，且均起到了提高电缆终端整体绝缘性能的作用；除材料特性研究外，文献[12-13]针对EPR 电缆中常见的气隙缺陷，研究了气隙缺陷尺寸、形态及环境温度对放电特性变化的影响，文献[14-16]则通过对EPR 与其他介质交界面处的空间电荷和放电特征的研究，发现不同绝缘材料界面处也是电缆终端绝缘薄弱部位，需进行重点关注。综上，有关电缆终端内绝缘材料性质与优化设计的研究已取得了丰富的成果，对于界面间放电性质有了一定的探究，但是以上研究大多是针对常温或高温状况，对于高寒环境下EPR 电缆终端的放电特性以及击穿过程的研究一直较为缺乏，导致目前的研究成果对于频繁出现的高铁列车电缆终端击穿故障的解决缺乏必要的参考与指导。因此研究高寒环境下低温对终端结构特点与绝缘性能的影响，是一项具有重要实际工程意义的课题。
本文基于EPR 电缆运行中“受压不受流”的特殊工况，建立能够模拟高寒环境的高电压低温试验系统，选用32 根高铁列车中实际运行状态良好的电缆及终端作为试验样品，测量了不同低温条件下EPR 电缆终端局部放电信号特征，并观察界面间刷形放电痕迹和形态，分析低温下交界面处材料性质差异对终端结构匹配性及界面间放电发展特性的影响，为高寒环境下EPR 电缆终端结构优化及状态检测提供依据。
1 试验系统及方案
1.1 样品处理
本文选用32 根可应用于CRH 型动车组中的全新电缆及终端整体作为试验样品，并将击穿故障频发的终端部分进行低温环境处理。电缆样品均未发现明显缺陷，其结构如图1a 所示，由三个主要部分组成：高压穿墙套管（与弓网系统相连输电）、电缆本体、电缆终端（与车内或车顶高压设备连接）。电缆样品总长约12m，电缆终端部分为0.55m。
图1 试验样品和试验系统示意图
Fig.1 The diagram of test samples and low temperature test system
为研究不同低温环境下“受压不受流”工况作用在EPR 电缆终端绝缘时对终端击穿特性和界面间放电发展的影响，设计如图1b 所示的高电压低温试验系统。该系统主要由低温控制模块、低温环境模拟箱和置于箱内模拟工况的电极组成。该系统可实现环境温度的快速变化及控制，调节温度范围为-50℃～30℃，控制精度为0.5℃。由于试验温度可能达到-40℃左右，所以选择凝固点为-45℃的昆仑牌45 号变压器油作为均压液体。
1.2 试验装置及测试回路
考虑上述情况，搭建如图2 所示的回路进行样品放电试验及测试。试验在屏蔽室内进行，且回路中自耦式调压器、变压器、耦合电容等均为无局部放电装置，Zm 为检测阻抗。
图2 局部放电试验系统原理
Fig.2 Schematic diagram of partial discharge test system
试验中使用高频电流互感线圈与检测阻抗 Zm分别耦合局部放电信号。互感线圈耦合出的放电信 号经高频滤波与放大后，由高频示波器 Tektronix TDS 3032B 进行采集，并使用通用数据总线与计算机连接，利用上位机软件对信号进行处理并存入数据库中。检测阻抗Zm 则与TE571 局部放电检测仪相连，其测试结果与互感线圈采集信号进行对比分析。
1.3 试验过程
将32 根试验样品随机分为4 组，分别为A、B、C、D 组，然后通过低温试验系统分别对试验样品进行试验温度为-10℃、-20℃、-30℃、-40℃的试验，各组试验包含施加电压分别为25kV、35kV、45kV、55kV 的8 根试样，每次试验均有两根样品共同进行，以减少试验结果的误差，样品标号见表1。
表1 试验样品编号 Tab.1 Test group number
样品 试验 温度/℃ 试验样品编号 25kV 35kV 45kV 55kV A -10 a25 a35 a45 a55 B -20 b25 b35 b45 b55 C -30 c25 c35 c45 c55 D -40 d25 d35 d45 d55
试验过程中，首先，在不同温度、不同电压等级下，保持电压值稳定，测试并分析了各试验样品在200min 时间内局部放电起始与熄灭电压、放电量及放电谱图的变化趋势；然后，针对试验过程中发生明显异常和击穿现象的电缆试样进行解剖，观察并分析其爬电痕迹的形态与尺寸特征；最后，利用差示扫描量热分析（Differential Scanning Calorimetry, DSC）法，以10℃/min 的速度，对试样内放电现象集中部位的EPR 和SCT 样品，选取全新的试样进行了测试。DSC 测试利用DSC200-F3 Maia 差式扫描量热仪完成。
需要说明的是，为减少外界环境等因素导致的试验结果分散性，对各组试验均进行了三次试验，数据取三次试验结果的平均值。在试验过程中，样品d45、d55 分别在175min 和85min 时出现了击穿现象，其数据为采集到的第1 次试验的结果。高压套管部分经验证，试验过程中无放电现象出现，对试验结果无影响。
2 试验结果
2.1 局部放电特性及发展趋势
2.1.1 起始电压与熄灭电压
图3 所示为试验温度为-40～20℃情况下，试验样品局部放电起始电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）及局部放电熄灭电压（Partial Discharge Extinction Voltage，PDEV）[17-18]随温度的变化趋势。由于EPR 试样在-10～20℃温度范围内，放电发展趋势基本一致，因此试验及分析仅在-40～ -10℃范围内进行。
图3 局部放电起始电压与熄灭电压
Fig.3 PDIV and PDEV during test
在本试验中，将电压上升过程中，局部放电量超过背景放电阈值1 倍以上并维持该趋势至少1min左右时的电压值作为局部放电起始电压；同时将电压下降过程中，放电量小于或等于背景放电阈值并维持该趋势1min 以上时的电压值作为局部放电熄灭电压。由图3 可知，试验样品的起始电压和熄灭电压随温度的降低呈逐渐降低的趋势，在-20℃～ -30℃区间，下降趋势最为明显，而在-30℃后，下降逐渐趋缓，但降低幅值依然较大。与20℃相比，-30℃和-40℃情况下，试验样品的PDIV 分别降低了34%和45%，而PDEV 的变化趋势更为明显，分别降低了43%和53%。
根据相关研究，在-40℃情况下，变压器油将出现流动性变差、黏度增加以及载流子碰撞电离的自由程减小等问题，导致油中发生放电的电压升高[19-23]。因此可以表明，本试验中EPR 终端样品出现起始电压或熄灭电压降低的现象是由终端内部原因引起的，与变压器油等的性质变化无关。
2.1.2 不同温度及电压作用下局部放电发展趋势
为进一步探究低温条件与电缆终端试样局部放电发展过程及趋势的关系，本文以5 min 为单位时间，对各试验样品在单位时间内平均放电量Qave 的变化规律进行统计。有关试验数据选择与处理如1.3节中所示，统计得到的各类条件下试验数据如图4所示。
图4 局部放电发展趋势图
Fig.4 Development trends of partial discharge
图4 a 为-10℃下A 组各EPR 终端样品的局部放电发展趋势，由图可知，200 min 内样品的局部放 电发展缓慢，无明显的分阶段现象；施加电压大小对放电量的影响并不明显，当电压为55 kV 时，局部放电曲线仅随加压时间略有抬升。图4b 为B 组EPR 终端样品-20℃下的局部放电发展趋势，与图4a 相比，局部放电发展趋势基本相同，但不同施加电压下，放电曲线的间隔变得更为明显。图4c 为-30℃时C 组样品的局放发展趋势，与图4a、图4b相比，试样c55 的放电量发展逐渐呈现出线性增大特征，在125 min 时Qave 有拐点的迹象出现，放电量增长速度略有增大。图4d 则为-40℃时D 组样品的试验结果，随着施加电压的增大，放电量Qave 迅速升高，试样d45 和d55 对应放电曲线的间隔随时间延长呈逐渐扩大的趋势，并且该试样均出现了击穿的现象，与图4c 相比，温度的降低使得同等级电压作用下，终端试样的击穿时间大大缩短，放电现象更为显著。另外，温度越低，外施电压上升对终端造成的破坏作用也更为明显。
2.2 击穿过程及界面放电现象
针对-40℃试验过程中出现的终端试样击穿现象，试验结束后对击穿试样d45 和d55 进行了解剖分析，同时，由于-10～-30℃情况下终端试样未出现击穿等现象，因此仅选取试样a55、b55 和c55 进行解剖处理。经观察选取具有典型放电特征和击穿现象的终端解剖图如图5 所示。
图5 不同试验条件下典型树枝状放电痕迹
Fig.5 Typical morphology of electrical trees under different test conditions
在试验温度为-10～-20℃情况下，所有试验样品在测试过程中均无明显放电现象。样品a55 解剖图如图5a 所示，在终端EPR 绝缘表面和SCT 内表面均保持光洁；样品b55 内部放电形态如图5b 所示，在灰色半导电层位置有轻微放电灼烧痕迹，且EPR绝缘表面出现不规则褐色物质，表明随着温度降低，试样内部开始有轻微放电出现。
当试验温度为-30℃时，随着温度的进一步降低，终端试样内部出现了近似刷形的爬电痕迹，如图5c 中所示，半导电层位置处有炭化产物残留，EPR表面刷形爬电痕迹的宽度和范围大幅提高，该现象与图4c 中125min 时Qave 有拐点迹象出现的情况相符。
试验温度下降为-40℃时，出现击穿现象的两根终端样品d45 和d55 的解剖图分别如图5d 与图5e 所示，在EPR 表面和SCT 内表面，均有明显的爬电痕迹出现，且形成了贯穿EPR/SCT 界面两端的树枝状放电通道，并在SCT 末端(图中所示左侧位置)有更多微细的丛簇状刷形放电痕迹出现，爬电树枝整体宽度变大，放电出现的范围大大拓宽。
2.3 样品材料的DSC 测试结果
本文对电缆终端内部的EPR 和SCT 样品进行了三次重复DSC 测试，并选取典型测试热曲线如图6 所示，图中热流密度（下文简称热流）即为测试时刻通过待测样品单位横截面积上的热量。
图6 样品材料差示扫描量热曲线
Fig.6 Curves of test samples by differential scanning calorimetry
图6 a 为样品SCT 的典型DSC 曲线，观察热流温度曲线的变化趋势可以看出，SCT 材料在降温过程中的放热功率存在极值的情况，极值所在位置即为热流曲线的放热峰，大致出现在-26.5℃附近，该点即为SCT 材料分子链段发生结晶的临界点，低于该温度时，材料将由高弹态向玻璃态转化，材料内部将逐渐出现结晶区域，导致聚合物分子链段的自由运动受限[24]。与图3 中试验样品局部放电起始电压及熄灭电压随时间变化的趋势相联系，在该点附近（即-20～-30℃区间）放电的起始电压（PDIV）出现了明显的降低，出现放电现象的概率大大增加，与试验结果相一致。因此，将该放热峰所对应的温度值作为SCT 材料状态转化的临界点，即玻璃化转变温度TgSCT。
由图6b 中样品EPR 的典型DSC 曲线可知，乙丙橡胶的降温过程中的放热峰的出现明显偏迟，玻璃化转变温度TgEPR 大致为-60℃，在试验温度为-40～20℃的区间内，EPR 材料中分子链段发生结晶的现象较少，聚合物局部链段在一定的自由空间内可发生移动[25]，因此EPR 材料整体表现为高弹态，相变现象始终未出现，热稳定性及弹性均处于良好状态。
结合2.1 节中局部放电特性及发展趋势，电缆终端内部材料在-26.5℃出现的材料绝缘性能改变，直接影响到起始电压和熄灭电压的下降趋势。当温度低于该值时，即-30℃和-40℃时，电缆终端样品的放电特性发生明显变化，放电趋于明显，对样品造成了显著的破坏作用。
3 结果分析与讨论
3.1 不同温度下SCT 与EPR 的聚集态转变分析
3.1.1 低温下SCT 的聚集态变化
试验中所使用的SCT 管是由氯丁橡胶（Chloroprene or neoprene Rubber, CR）加入少许补强剂经高能射线处理或化学交联后而形成的三维网状高分子功能材料。由于氯丁橡胶分子链结构比较规整，又含有极性较大的氯原子，易形成紧密且规则的排列[26]，因此SCT 在温度高于玻璃化转变温度时，即高弹态下具有极好的弹性；而当温度低于玻璃化转变温度TgSCT 时，即玻璃态，氯丁橡胶分子的能量降低，不足以克服主链上单键间旋转位垒，链段和整链运动均被冻结，分子链结构随外界电应力而发生变形的能力较差，导致SCT 的弹性消失，整体性能与塑料相近。
氯丁橡胶发生玻璃化转变前，SCT（即CR 材料）处于高弹态，其材料特性可通过弹性模量GM[25]和自由体积分数f [27]表示为
式中，ρ 为氯丁橡胶的密度；R 为材料相关的常数；T 为试验中温度；
为交联网链平均相对分子质量，当未发生链段断裂时，该值变化较小；f 为CR 材料的自由体积分数；fg 为CR 低于玻璃化转变温度时的自由体积分数；T 为温度； fα 为大于0 的常数。
由式（1）与式（2）可知，当试验温度由20℃下降至-26.5℃过程中，橡胶的弹性模量逐渐降低，分子链段间的自由体积减小，因而导致其材料低温韧性下降，形变量逐渐减小，致使SCT 的电绝缘性能受到影响。
而随着外界温度继续降低，橡胶内部分子链段之间的自由体积逐渐减少，当自由体积达到其最低值时，玻璃化转变发生，链段运动被冻结，导致材料内部没有足够的空间进行分子链构象的调整，因此氯丁橡胶的弹性彻底消失，可视其为等自由体积状态。在玻璃化转变前后，CR 分子运动单元的运动模式有很大差异，其物理和力学性能必然有急剧的变化[26,28]，材料特性无法通过弹性模量GM 来反映，此时式（1）将不再适用，可用自由体积分数f 与玻璃态时高聚物总体积Vg[23]的关系进行表征，即
式中，Vf,g 为玻璃态时CR 的自由体积；V0 为玻璃态时CR 在绝对零度时的占有体积；
表示玻璃态时CR 的膨胀系数。根据自由体积理论，玻璃态时自由体积不随温度变化，且对于所有的高聚物其自由体积分数f 都相等，即
因此，由式（5）和式（6）可知，在玻璃化温度TgSCT 以下，即-26.5～-40℃情况下，CR 材料的总体积Vg 几乎保持恒定，形变量几乎为零，并导致CR材料内部出现结晶区域与未结晶区域共存的现象[27]，在其交界处极易出现绝缘薄弱点。同时材料的低温韧性几近丧失，SCT 表面及内部出现缺陷的风险大大增加。
3.1.2 低温下EPR 聚集态变化
EPR 是一种乙烯和丙烯的共聚物，由不同分子量且有很多分支结构的聚合物分子链构成，其非结晶结构使得它成为优良的弹性体材料。EPR材料的非结晶性，还使其具有了较好的耐寒性，在-55℃低温下仍能保持较好的柔软性[26]。与其他仅由一种单体交联混合而成的高聚物不同，EPR作为共聚物，其玻璃化转变温度TgEPR 与两种单体成分的均聚物的玻璃化转变温度密切相关，存在关系[26]
式中，W1 和W2 分别为两种成分的质量分数；Tg1和 Tg2 分别为两种成分的均聚物的玻璃化转变温度。因此，当外界温度达到EPR 材料的玻璃化转变温度TgEPR 时，在EPR 内部的局部区域仍有未发生玻璃化转变的情况存在，使得整体上EPR 可保持高弹态的温度范围更广，弹性模量GM 及自由体积分数f 的下降速率相对缓慢，EPR 的低温韧性更强。
通过图6b 中EPR 的DSC 曲线可知，试验中电缆终端样品所选用绝缘层的玻璃化转变温度为-60℃左右，再结合以上关于EPR 弹性体的特征分析，可以看出，在试验温度20～-40℃范围内，EPR 绝缘层随着温度的下降其弹性保持良好状态；尤其是在-26.5～-40℃条件下，乙丙橡胶材料的膨胀系数与形变量均大于处于玻璃化状态的氯丁橡胶材料，因此极易导致EPR 绝缘层与SCT 之间出现结构不匹配的问题，致使EPR 与SCT 的界面间紧缩程度下降，产生气隙等结构性缺陷，并且由于SCT 低温韧性下降和绝缘薄弱点的存在，从而极易引发电场集中区域的界面放电现象。
3.2 不同温度下EPR/SCT 间界面结构匹配性
为进一步验证随着温度的降低，EPR 绝缘层与SCT 材料管之间因结构不匹配导致的界面间紧缩程度下降的问题，利用电阻应变片对于不同温度条件下界面间应力进行了测试与对比。测试的原理如图7a 所示。为避免因应变片放置位置的差异，而导致的测试结果的误差，将三片电阻应变片分别以间隔120°的方式置于EPR/SCT 界面间，并分别编号为Y1、Y2、Y3。测试过程中，从试验样品上截取8 根长为200mm 的全新EPR 绝缘电缆，仅保留EPR 绝缘层与SCT 材料管，在将SCT 材料管热缩前，将应变片分别置于相应位置，并连接测试回路。
图7 不同温度下SCT 与EPR 间界面应力测试
Fig.7 Interface stress test of different samples under different temperatures
通过低温试验系统分别对试验样品进行温度为-10℃、-20℃、-30℃、-40℃的处理，每次试验均有两根样品共同进行，以减少试验结果的误差。经12h 不同温度处理后，通过电阻应变片及测试仪，估算出此时EPR/SCT 界面内壳壁的应变量，再经软件分析获得界面压力值[29]，测试结果见表2。
表2 不同温度下EPR/SCT 界面压力值
Tab.2 Interface stress of EPR and SCT under different applied temperatures
试验 温度/℃ 界面压力/kPa Y1 Y2 Y3 平均值 -10 4.287×102 4.092×102 4.385×102 4.254×102-20 4.156×102 4.893×102 4.054×102 4.034×102-30 0.838×102 0.857×102 0.989×102 0.895×102-40 0.435×102 0.426×102 0.408×102 0.423×102
由表2 中可得，-10℃与-20℃环境下，界面压力可达到0.4～0.42MPa，可以起到良好的绝缘效果，增大电缆终端的电气强度；而当温度降低至-30℃和-40℃时，界面压力值分别降为 0.089 MPa 和0.042MPa，此时界面压力值已明显小于电缆附件与绝缘层间界面压强的临界值0.1 MPa[29]，对于电缆终端的绝缘效果基本丧失，终端内部 EPR/SCT界面间出现气隙等结构性缺陷的概率大大增加，进而引发界面间的放电现象。结合2.3 节中测试结果可知，电缆终端内部材料在-26.5℃出现的材料绝缘性能改变，同时也影响到终端内部结构的匹配性，使得该电缆终端在运行中的可靠性大大降低，极易引发界面放电等故障，造成终端绝缘击穿现象的发生。
3.3 温度对EPR/SCT 界面放电特征的影响
随着外界温度的降低，电缆终端试样内部逐渐出现了绝缘结构不匹配的问题，并因不同试验温度下各绝缘材料性质上的差异，在EPR/SCT 的界面间产生了不同程度的结构缺陷，使得样品在试验过程中出现界面放电与沿面爬电的痕迹，如图5b～图5e中试验结束后电缆终端解剖结果所示。
为了更直观地说明温度对于试样内部出现的EPR/SCT 界面放电现象的影响作用，以试验进行10min 时，示波器采集到明显放电脉冲，同时局放仪示数超过背景放电阈值1 倍为指标，对于不同施加电压和试验温度下，10 次重复试验中放电起始现象出现的概率(即为PD 起始概率)进行了统计，结果如图8 所示。
由图8 可知，在-20℃之前，PD 起始概率均在15%以下，虽然55 kV 时起始概率略高，但考虑到高电场强度时电缆终端金属头部位的电晕现象不能完全抑制，因此可认为内部无放电出现；而当温度由-20℃继续降至-40℃的过程中，PD 起始概率出现明显转折，-30℃下PD 起始概率可达25%～75%，-40℃时概率则上升至45%～90%，因此温度的降低对终端试样结构缺陷出现，以及引发界面放电有明显促进作用。
图8 10min 时温度与放电起始概率的关系
Fig.8 Probability of PD inception at 10min under different temperatures
同时，不同的温度条件下界面放电的谱图出现了显著的特征变化，为进一步探究温度对EPR/SCT 界面放电特征的影响，选取35kV 电压下-10～-40℃范围内局部放电 ϕ -q-n 谱图如图9 所示。
图9 不同温度下EPR/SCT 界面放电ϕ -q-n 谱图
Fig.9 ϕ -q-n graph of EPR/SCT surface discharge under different temperatures
图9 a 和图9b 中，随着终端试样内温度的下降，ϕ -q-n 谱图的变化并不明显，放电幅值、频次与谱图形状均较为相近。该过程中，放电相位范围主要为30°～90°和200°～265°，放电幅值始终在25pC 以下。故认为该段温度范围内终端内部并未因EPR 或SCT材料性质的差异而出现结构性缺陷，其界面放电未明显出现，或仅有非常微弱的放电发生，且这些放电信号极易被湮没在背景噪声中，不易被检测出。图5a和图5b 的解剖结果也印证了以上谱图特征及结论。
由图9c、图9d 可知，当试样内温度继续降低至-30℃以下时，ϕ -q-n 谱图逐渐呈现出典型孔隙放电的龟背形特征[30-31]，并继续向翼形转变。图9c 中，放电相位范围与图9a、图9b 中相比并未有明显扩展，但放电幅值与频次均显著增加，其放电幅值可达50～65pC，且在发生放电的各相位处放电频次均有所增加，因此导致其谱图逐渐呈现出龟背形，此时放电并不剧烈，属于界面放电的引发及初步发展阶段，故认为在SCT 发生分子链聚集态转变过程后，终端试样内出现了结构不匹配的问题，并逐渐引发了界面放电的产生。而由图9d 所示的-40℃时放电ϕ -q-n 谱图，在正弦电压的峰值附近，放电现象更为剧烈，放电相位范围也扩展至0°～110°和183°～315°，放电幅值在正弦电压峰附近达到了100pC，放电频次在峰值附近也明显更多，因此-40℃条件下谱图形态呈翼形，放电在相位分布上逐渐趋于不均匀，该过程中EPR/ SCT 界面放电较为剧烈，且由于温度的持续降低，试样内部除结构不匹配问题逐渐加重外，在其内部不同材料界面间也出现了气隙放电的翼形谱图特征[32-33]。
3.4 不同温度下施加电压对EPR/SCT 界面放电发展影响
当终端试样的内部温度降低至SCT 的玻璃化转变温度TgSCT 之后，SCT 材料内的CR 分子链段运动逐渐冻结，自由体积分数及玻璃态总体积随温度变化而保持稳定。而在试验过程中发现，随着温度的继续下降，不同温度条件下施加电压的差异对于试样内部EPR/SCT 界面放电发展及特征的影响同样有所区别。
表3 为在试验温度-30℃与-40℃条件下，施加电压分别为25kV、35kV、45kV 及55kV 时，局部放电测试仪所采集到的最大放电瞬时值。统计并绘制了45kV 和55kV 下界面放电的 ϕ -q-n 谱图如图10 所示。
表3 不同施加电压下局部放电量瞬时值
Tab. 3 Instantaneous value of partial discharge of different applied voltages
试验温度/℃局部放电量/pC 25kV 35kV 45kV 55kV -30 15 39 60 145 -40 21 100 362 530
图10 不同电压下EPR/SCT 界面放电ϕ -q-n 谱图
Fig.10 ϕ -q-n graph of EPR/SCT surface discharge under different applied voltage
由表3 中可知，虽然试验温度-30℃与-40℃均已达到了 SCT 材料发生玻璃化转变温度的条件，但-40℃条件下，随着终端试样缆芯处施加电压的升高，最大局部放电量增长幅度更大，放电发展过程逐渐呈现加速的趋势。-30℃条件下，当施加电压升至55kV 时，放电量相较于25kV 时增长近10 倍；而在-40℃下，放电量的增长幅度超过25 倍。
不同温度下施加电压的差异同样影响到界面放电 ϕ-q-n 谱图的形状特征及发展过程。由图10a、图10b 可知，当终端试样内部温度为-30℃时，样品c45在45kV 的ϕ -q-n 谱图呈龟背形，放电相位范围为20°～90°和200°～270°，放电幅值大致为60～80pC，谱图形状在靠近90°位置处出现了尖峰，整体形状向90°处偏移，但正负半周的谱图较为对称；而55kV下样品c55 的ϕ-q-n 谱图中，相位范围有所扩大，放电幅值也达到了145pC，但谱图形状始终呈龟背形，尖峰逐渐趋于缓和，说明此时试样终端内部放电始终以EPR/SCT 界面间的孔隙放电为主。
观察图10c、图10d 中样品ϕ -q-n 谱图可知，试样内部温度降低至-40℃后，样品d45 在击穿前的放电图形为龟背形和翼形的双重混合形态，放电相位分布在5°～100°和182°～305°，但其正负半周的谱图形状并不呈对称关系，正半周的放电更为密集，但相位分布相对较窄；而图10d 为样品d55 在击穿前的放电谱图，由于样品在85min 时就发生了击穿，因此其采集时刻较早，但由图中可知其ϕ -q-n 谱图中放电点在相位0°～135°和180°～320°范围内分布密集，放电幅值最大可达600pC，谱图形呈龟背形与翼形的交叠状态，且在正弦电压的峰值附近出现了凸起，说明此时终端试样内除EPR/SCT 界面间孔隙引发的界面放电外，还存在着SCT 内部或EPR 绝缘层上的放电活动，因此绝缘材料表面的枝状放电和界面长孔隙放电共存，放电也逐渐由碰撞电离向流注状放电发展[31]，如图5d 和图5e 的终端内部解剖状态所示。
上述所发生的放电谱图特征变化，通过图11 所示的终端试样d55 内部SCT 与EPR 层被放电烧蚀后的状态，可从击穿现象中得到更鲜明的体现。一方面，SCT 中分子链段在低于玻璃化转变温度TgSCT时，虽然链段运动和扭转被冻结，但是随着温度的进一步降低，SCT 内部仍然会发生CR 分子链的折叠和弯曲，导致其脆性进一步降低，分子链与链之间的空间被压缩[34]，因此在受到较强电应力作用时，链的破坏情况更为严重，使得其表面产生了更多的缺陷，更易发生放电，并继续被灼烧形成更大的缺陷。另一方面，EPR 绝缘层的玻璃化转变温度TgEPR虽然可达-60℃，但从高弹状态向玻璃化状态转变过程中，在共聚物材料中会先经历一个转变区，转变温度会高于-60℃，因此当温度继续下降至-40℃时，EPR 分子链段的松弛过程逐渐减弱，弹性下降，逐渐呈现出玻璃态的性质[26]，同样会使得界面间的放电继续发展，且更易对绝缘表面造成损伤。因此，在样品d55 中，SCT 被整体贯穿，而在EPR 绝缘表面则留下了明显的刷形放电通道的痕迹。
图11 试样d55 受典型放电烧蚀后痕迹
Fig.11 Typical traces of discharge erosion under -40℃ and 55 kV
4 结论
本文针对高铁列车EPR 电缆终端在高寒环境下频繁出现击穿故障的问题，对其击穿过程和放电特性进行了探究，得到如下结论：
1）随着温度的降低，电缆终端试样的局部放电起始电压和熄灭电压呈降低的趋势，-40℃下起始电压和熄灭电压与常温 20℃相比，分别降低约45%和53%。
2）低温条件下，随着温度的持续下降，SCT 材料管出现分子链段运动被冻结，弹性下降等的玻璃化转变过程，而EPR 材料的性质转变过程出现较晚，因此造成EPR 绝缘层与SCT 管间界面处出现结构不匹配问题，导致界面间缺陷出现，进而引发界面放电等问题。
3）高寒环境下，以多层热缩式应力管为主的电缆终端结构，出现终端内部放电，进而导致绝缘击穿的隐患较大，且其放电谱图特征呈龟背形或翼形，具有显著的特点，应引起现场工作人员的注意。
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