车顶高压设备外绝缘污闪问题一直是威胁动车组安全可靠运行的重大隐患,研究并解决车顶高压设备外绝缘污闪具有重大的意义。为此中车株洲电力机车有限公司在车顶高压设备外绝缘的金属裸露部位加装绝缘护套,以此来延长泄漏电流爬电距离,进而降低设备外绝缘发生污闪的概率。在将此种方案应用于实际时,污闪发生的概率确实大为降低,但绝缘护套内表面会出现灼烧放电问题,此问题威胁着高压设备的安全运行。本文以动车组车顶高压电缆终端-护套结构为研究对象,建立其电场仿真模型和等值电路分析模型,研究了不同界面气隙、界面及外表面湿污分布等工况下电缆终端-护套结构的电场分布特性及界面放电形成机理。在此基础上提出了采用非线性涂层、非线性护套、硅胶灌封、加强密封等四种解决方案以减小界面电场从而抑制局部放电,并对采用非线性材料的两种方案进行了仿真验证分析,证实了优化方案的有效性。首先,利用电场仿真软件建立电缆终端-护套结构二维轴对称模型,仿真研究了终端外表面存在污秽、伞裙柱体和护套交界面上存在气隙及污秽时工况下沿面及界面电场分布特性。结果表明,电缆终端外表面洁净的情况下界面平均电场为4.0×104V/m,当分界面上存在气隙或湿污缺陷时,气隙的大小对其附近电场影响不大,湿污长度的改变使得界面最大电场呈现较大的不同,界面上最大畸变电场为0.8×105V/m～3.4×105V/m,此时的电场值不足以引发局部放电;电缆终端外表面存在均匀湿污的情况下界面平均电场为1.5×105V/m,比外表面洁净时增加了约275%,当分界面上存在湿污或气隙时,界面上的最大畸变电场值为1.8×105V/m～1.9×106V/m,此时界面场强足以引发局部放电;当在护套外表面存在干燥带且伞裙外表面均匀湿污时,分界面上的平均电场可达到2.0×106V/m,此时界面上存在气隙或湿污缺陷时极易发生较强的局部放电,导致电缆和护套灼伤。其次,为进一步揭示不同工况下电缆终端-护套结构电场分布特性的形成机理,本文根据电缆终端-护套结构的几何模型和电场仿真结果建立了电缆终端-护套结构的等值电路模型,基于此等值电路在Simulink中进行仿真分析,结果表明:护套的作用机理只在电缆终端外表面均匀湿污时才会有一定的作用,此时泄漏电流相比于不加护套时降低了约14.7%;在建立的等效电路中,当分界面上存在均匀湿污且界面湿污不接地时气隙两端的电压幅值相比于无湿污时增加了约125%;界面湿污接地比湿污不接地时气隙两端的电压增加的更多。最后,在对电场分布特性及其形成机理研究的基础上,提出了四种优化方案,一是在分界面上涂覆非线性涂层,通过仿真分析得出适合的压敏场强为4.5×105V/m;二是采用非线性护套,此种方案可在一定程度上改善电场畸变,但会导致护套整体损耗增大,护套作用降低,其效果不如采用非线性涂层的方式;三是电缆终端和金具用硅胶进行整体灌封,此种方案可将外部潮气完全阻断,进而从根本上解决了放电问题;四是在原有护套封口处加装一个软质密封罩,此种方案也致力于从根本上解决放电问题,密封罩的存在也可将潮气阻断于外部环境,进而使得分界面上不会存在湿污缺陷,其发生局部放电的概率大为降低。