低溫環(huán)境下不同車載電纜終端結(jié)構(gòu)的局部放電試驗研究

王偉敏，陳群靜，周利軍，薛長征，任小龍

（1.福建省電力有限公司檢修分公司，福建 福州 350013；2.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031；3.桂林電器科學研究院有限公司，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著我國鐵路行業(yè)的蓬勃發(fā)展，電力機車的安全性能越來越受到關(guān)注。中壓電纜作為電力機車的重要部件，其正常工作是電力機車安全運行的重要保障。然而，在我國西北、東北、內(nèi)蒙等低溫環(huán)境地區(qū)下長期工作的電力機車上的電纜終端時常發(fā)生爆炸事故。根據(jù)電纜發(fā)生故障部位數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，電纜終端故障占線路故障的比例約為70%，其運行的好壞直接影響到電纜線路的安全運行[1]。因此，進一步了解在低溫環(huán)境下電纜終端的局部放電機理，減少電纜終端局部放電產(chǎn)生的危害，對機車的正常運行具有重要意義。

局部放電特性可以有效表征電纜終端性能的好壞[2-8]。在電纜終端半導(dǎo)體斷口處安裝應(yīng)力管或應(yīng)力錐電纜附件，能有效改善半導(dǎo)體層斷口處的電場應(yīng)力分布[9-10]。在實際工況下，環(huán)境溫度變化對電纜終端的性能具有重要影響[11-13]。D MUTO等[14]對應(yīng)力錐進行了熱循環(huán)測試，結(jié)果表明應(yīng)力錐在溫度變化的環(huán)境中也能表現(xiàn)出良好的性能。賈志東等[15]基于電纜溫升試驗平臺，對電纜應(yīng)力錐進行熱分析，結(jié)果表明護套內(nèi)層和外層的熱穩(wěn)態(tài)溫度隨電纜的載流量增加呈非線性遞增關(guān)系。S GANGA等[16]基于光譜法研究了不同溫度對應(yīng)力管的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不同溫度和持續(xù)時間下，應(yīng)力管會發(fā)生彈性形變導(dǎo)致應(yīng)力管與主材料界面間形成氣隙、裂紋和表面分層等缺陷。對于含應(yīng)力管與應(yīng)力錐的不同電纜終端結(jié)構(gòu)性能，學者們已經(jīng)做了大量試驗與仿真，但是針對低溫環(huán)境下含應(yīng)力管與應(yīng)力錐的電纜終端局部放電特性卻未見報道。

本研究首先構(gòu)建低溫局部放電測試平臺，在低溫及常溫下對含應(yīng)力管與應(yīng)力錐兩種不同結(jié)構(gòu)電纜終端的局部放電特性進行研究，從局部放電信號中提取特征量并分析不同結(jié)構(gòu)電纜終端的性能。

1 試驗

1.1 材料制備

選取電力機車現(xiàn)場運行工況與年限相近的6根電壓等級為27.5 kV的乙丙橡膠電纜作為試驗樣品，其中有兩種不同結(jié)構(gòu)的電纜終端，一種為含有應(yīng)力管的電纜終端，編號為G，如圖1所示。另一種為含有應(yīng)力錐的電纜終端，編號為Z，如圖2所示。所有電纜的其他參數(shù)一致。

圖1 含應(yīng)力管電纜終端的橫截面Fig.1 The cross section of cable terminal with stress tube

1.2 試驗平臺

低溫局部放電測試系統(tǒng)如圖3所示，試驗平臺中設(shè)有可達到-40℃的低溫箱。其中，T1是調(diào)壓器，T2為試驗變壓器，R為保護電阻，C1與C2均為比值為1:1000的分壓電容，Cx為耦合電容，Rx為檢測阻抗，測試儀為TE571型局部放電測試儀。另外，將電纜柔性終端置于低溫箱內(nèi)，并將電纜頭浸入45#絕緣油中。試驗平臺的背景噪聲低于10 pC。

圖2 含應(yīng)力錐電纜終端的橫截面Fig.2 The cross section of cable terminal with stress cone

圖3 低溫局部放電測試回路Fig.3 Low temperature partial discharge test circuit

1.3 試驗方法

在機車運行時A相與B相兩根電纜分別輪流向機車供電。當其中一根電纜處于供電狀態(tài)時，另一根電纜處于受壓不受流的狀態(tài)，如圖4所示。此時，纜芯不產(chǎn)生焦耳熱，使得電纜終端整體與環(huán)境溫度保持一致。而在高寒地區(qū)運行時，低溫會對受壓不受流的柔性電纜終端內(nèi)部絕緣材料造成影響。我國高寒地區(qū)在冬季的平均氣溫在-30℃左右，因此本研究低溫設(shè)置為-30℃。

圖4 車載電纜工況示意圖Fig.4 Working condition of locomotive cable

為了模擬常溫與低溫環(huán)境，試驗時將電纜的柔性終端分別置于25℃和-30℃的低溫箱中，并放入45#絕緣油中保持24 h。對兩種電纜終端進行以下3個試驗。

試驗1：將兩種電纜柔性終端放入變溫箱，溫度分別設(shè)置為25、10、0、-10、-20、-30℃，將不同電纜終端樣品在每個溫度下進行局部放電試驗，記錄在各個溫度下的放電起始電壓(PDIV)與放電熄滅電壓(PDEV)。

試驗2：將兩種電纜柔性終端分別在常溫25℃與低溫-30℃環(huán)境下進行升、降壓試驗。電壓先從0 V開始，每次加壓1 kV逐漸升壓至50 kV，再從50 kV每次降壓1 kV逐漸降壓至0 kV，并在每個電壓點耐壓1 min測試穩(wěn)定放電量。需要特別說明的是，當達到50 kV時需耐壓8 min。為了保證數(shù)據(jù)的有效性，每組試驗分別在相同條件下進行3次測試。

試驗3：分別在常溫25℃與低溫-30℃條件下，將兩種電纜終端在運行工作電壓27.5 kV下持續(xù)工作180 min，觀察局部放電量并記錄數(shù)據(jù)。重復(fù)進行3組試驗，結(jié)果取平均值。

2 試驗結(jié)果

2.1 局部放電起始電壓與熄滅電壓

局部放電量大于或等于背景噪聲的兩倍時所對應(yīng)的電壓認為是起始電壓，當局部放電量小于或等于背景噪聲時所對應(yīng)的電壓認為是熄滅電壓。不同溫度下，G電纜終端與Z電纜終端的PDIV與PDEV分別如圖5、圖6所示。

圖5 不同溫度下G電纜終端的PDIV和PDEVFig.5 PDIV and PDEV of G cable termination under different temperature

圖6 不同溫度下Z電纜終端的PDIV和PDEVFig.6 PDIV and PDEV of Z cable termination under different temperature

從圖5～6可以看出，不同溫度下G電纜終端的PDIV、PDEV變化較大，在-30℃下其PDIV、PDEV相比常溫環(huán)境下顯著降低；不同溫度下Z電纜終端的PDIV、PDEV變化較小，差異不明顯。

2.2 局部放電量變化趨勢

為了研究實際運行工況下不同結(jié)構(gòu)電纜終端在常溫與低溫環(huán)境下局部放電特征的變化，將電纜終端置于25℃與-30℃下進行局部放電測試，試驗持續(xù)180 min，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，在常溫下G電纜終端在試驗過程中的平均放電量為17～20 pC，Z電纜終端的平均放電量為14～16 pC，G電纜終端的平均放電量略大于Z電纜終端；在低溫環(huán)境中，G電纜終端在試驗過程中的平均放電量達到了40 pC左右，Z電纜終端在試驗過程中的平均放電量為17 pC左右，G電纜終端的平均放電量比Z電纜終端的平均放電量多了一倍。

圖7 不同溫度下電纜終端的平均局部放電量變化趨勢Fig.7 Change trends of average partial discharge capacity of cable termination under different temperature

2.3 局部放電統(tǒng)計特征分析

本研究提取局部放電信號中最大放電量(qmax)和平均放電量(qave)作為局部放電信號的特征量。每個相位段φi內(nèi)的qave可通過式（1）計算。

式（1）中：N為所檢測的工頻周期總數(shù)；nis為第s個周期在相位段φi內(nèi)的放電次數(shù)；qisj為第s個檢測周期在相位段φi內(nèi)第j次放電的放電量[17]。

常溫及低溫下G電纜終端局部放電的相位譜圖分別如圖8、圖9所示。從圖8可以看出，在常溫下G電纜終端正半周的放電相位區(qū)間為39°～90°，在負半周的放電相位區(qū)間為216°～270°。G電纜終端在正半周的 qave、qmax與負半周的 qave、qmax大小相當，其中qave的最大值達到了19.2 pC，qmax的最大值達到25.3 pC，并且波形呈現(xiàn)“△”形狀。從圖9可以看出，在低溫下G電纜終端正半周的放電相位區(qū)間為5°～90°，負半周的放電相位區(qū)間為184°～270°。G電纜終端在正半周的qave、qmax與負半周的 qave、qmax大小相當，qave最大值達到40.4 pC，qmax最大值達到54.2 pC。

圖8 常溫下G電纜終端局部放電的相位譜圖Fig.8 Partial discharge phase spectra of G cable termination under room temperature

圖9 低溫下G電纜終端的局部放電相位譜圖Fig.9 Partial discharge phase spectra of G cable termination under low temperature

對比圖8與圖9可以看出，試驗溫度的變化對G電纜終端的qave與qmax影響比較明顯。當環(huán)境溫度由常溫變?yōu)榈蜏貢r，正半周的放電相位區(qū)間從39°～90°擴大到 5°～90°，負半周的放電相位區(qū)間從216°～270°擴大到184°～270°，qave與qmax也增大近一倍。

圖10 常溫環(huán)境下Z電纜局部放電的相位譜圖Fig.10 Partial discharge phase spectra of Z cable termination under room temperature

常溫及低溫下Z電纜終端局部放電的相位譜圖分別如圖10、圖11所示。從圖10可以看出，常溫下Z電纜終端正半周的放電區(qū)間為70°～90°，負半周的放電區(qū)間為246°～270°。Z電纜終端在正半周的qave、qmax與負半周的 qave、qmax大小相當，其中 qave的最大值達到14.7 pC，qmax的最大值達到16.7 pC。從圖11可以看出，低溫下Z電纜終端正半周的放電區(qū)間為62°～90°，負半周的放電區(qū)間為240°～270°。Z電纜終端在正半周的qave、qmax與負半周的qave、qmax大小相當，其中qave的最大值達到15.1 pC，qmax的最大值達到17.6 pC

圖11 低溫環(huán)境下電纜Z局部放電的相位譜圖Fig.11 Partial discharge phase spectra of Z cable termination under room temperature

對比圖10與圖11可以看出，試驗溫度的變化對Z電纜終端的放電相位區(qū)間以及qave、qmax的影響較小。試驗溫度由常溫變?yōu)榈蜏貢r，Z電纜終端的放電相位區(qū)間與放電量變化不大。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 局部放電特征量的提取

為了解局部放電發(fā)展、變化的特征規(guī)律，進一步分析局部放電相位統(tǒng)計特征譜圖。本研究提取負半周的陡峭度(Ku-)、局部放電相位寬度兩個局部放電特征量進行研究。負半周陡峭度(Ku-)用于描述某種形態(tài)的分布對比于正態(tài)分布（Ku-=0）形狀的突起程度：如果Ku-＞0，則說明該頻譜輪廓比正態(tài)分布輪廓尖銳陡峭；如果Ku-＜0，則說明該譜圖輪廓比正態(tài)分布輪廓平坦[18]。負半周的陡峭度計算公式如式（2）所示。

式（2）中：xi表示第i相位縱坐標，可以是平均局部放電量幅值或者是放電重復(fù)率(n)。μ、σ、pi分別表示均值、標準方差以及第i相位上的概率。

不同溫度下電纜終端局部放電相位區(qū)間如表1所示。從表1可以看出，當局部放電測試的環(huán)境溫度由常溫降為低溫時，G電纜終端正半周的放電相位區(qū)間寬度從52°增大為86°，相位區(qū)間擴大了34°；負半周的放電相位區(qū)間從55°增大為87°，相位區(qū)間擴大了32°。而Z電纜終端正半周的放電相位區(qū)間從21°上升到29°，負半周從25°上升到31°，其相位區(qū)間差異不明顯。表明當局部放電測試的環(huán)境溫度由常溫降為低溫時，對G電纜終端的局部放電相位區(qū)間影響較大，G電纜終端在低溫環(huán)境下的放電更加劇烈。

表1 不同溫度下電纜終端局部放電相位區(qū)間Tab.1 Partial discharge phase of cables under different temperature

表2為不同溫度下電纜終端結(jié)構(gòu)局部放電譜圖的負半周陡峭度Ku-。從表2可以看出，當局部放電測試的環(huán)境溫度由常溫降為低溫時，對G電纜終端局部放電譜圖的陡峭度影響更加明顯，其中qave-φ譜圖的陡峭度由23.09減小至11.12，qmax-φ譜圖的陡峭度從20.5減小至9.67。而對Z電纜終端的局部放電譜圖的負半周陡峭度Ku-影響很小。

表2 不同溫度下電纜終端局部放電譜圖負半周陡峭度Ku-Tab.2 The negative half cycle steepness Ku-of partial discharge spectra for cable termination under different temperature

3.2 影響局部放電的機理分析

為了更深入地了解長期在西北地區(qū)寒冷環(huán)境下電纜終端局部放電的機理，對局部放電比較明顯的含應(yīng)力管的電纜終端進行解剖，如圖12所示。從圖12可以看出，應(yīng)力管內(nèi)表面有條明顯的放電氣隙痕跡。應(yīng)力管通常采用高介電常數(shù)的材料，而介電常數(shù)過大會引起電容電流產(chǎn)生熱量，促使材料老化[19]；應(yīng)力管在電場下長期運行，溫度的變化也會使應(yīng)力管的材料變硬老化使其不具備彈性，容易產(chǎn)生空隙缺陷而發(fā)生局部放電[20]。應(yīng)力錐的原理是通過在電纜終端半導(dǎo)體層斷口處增大填充半徑來均化電場分布，應(yīng)力錐采用半導(dǎo)體耐低溫材料，其在低溫環(huán)境下能保持良好的絕緣性能和力學性能[21]。

圖12 電纜終端解剖圖Fig.12 Dissection diagram of cable termina

文獻[22-24]研究表明含應(yīng)力錐的電纜終端在低溫環(huán)境下運行時，依然能保持良好的彈性，這與本研究的結(jié)果相一致。因此，在低溫環(huán)境下，含應(yīng)力管的電纜終端比含應(yīng)力錐的電纜終端更容易產(chǎn)生絕緣氣隙，導(dǎo)致含應(yīng)力管的電纜終端不能有效改善電纜終端屏蔽斷口處的電場分布。

4 結(jié)論

（1）在低溫環(huán)境下，含應(yīng)力管的電纜終端比含應(yīng)力錐的電纜終端更容易產(chǎn)生絕緣空隙，導(dǎo)致含應(yīng)力管的電纜終端不能有效改善電纜終端屏蔽斷口處的電場分布，使電纜終端發(fā)生放電發(fā)熱擊穿。

（2）低溫環(huán)境對含應(yīng)力管的電纜終端局部放電譜圖特征的影響比含應(yīng)力錐的電纜終端大，說明在低溫環(huán)境下，含應(yīng)力錐的電纜終端的性能優(yōu)于含應(yīng)力管的電纜終端。因此，建議長期運行在高寒地區(qū)的電力機車，需要著重關(guān)注并分析電纜終端結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下的性能。