低氣壓下航空線纜的局部放電特性

江 軍 李 治 張本棟 李文源 張潮海

低氣壓下航空線纜的局部放電特性

江 軍1李 治1張本棟2李文源3張潮海1

（1. 南京航空航天大學多電飛機電氣系統(tǒng)工信部重點實驗室 南京 211106 2. 國網山東省電力公司萊蕪供電公司 濟南 250000 3. 曼徹斯特大學電氣電子工程學院 曼徹斯特 M60 1QD）

為實現(xiàn)飛機電氣化，電源電壓等級不斷升高，多電飛機電氣系統(tǒng)中線纜絕緣發(fā)生局部放電（PD）的風險隨之增加。該文通過設置線纜對接地金屬板放電、線纜對線纜架放電和線纜與線纜間放電三種典型模型，全面探究了航空線纜在低氣壓以及典型工作頻率下的局部放電特性。試驗結果表明，三種放電模型的局部放電起始電壓（PDIV）都隨著氣壓的下降而降低，50kPa以上時線纜與線纜間放電模型的PDIV高出其他模型的2倍以上。電壓頻率的增大將顯著增加模型的放電重復率，10kPa下的線纜對線纜架放電影響效果最為明顯。相同工況下，不同放電模型局部放電相位分析（PRPD）譜圖的相位寬度及“極性效應”強弱存在差異，這些特征有助于放電模型類型的識別，也將為航空線纜設計與故障診斷提供借鑒和參考。

低氣壓 多電飛機 航空線纜 局部放電 局部放電相位分析

0 引言

多電飛機（More-Electric-Aircraft, MEA）通過采用先進的電氣裝置替換液壓和氣動裝置，減輕飛機的整體質量，大幅減少燃料消耗。與傳統(tǒng)飛機相比，多電飛機上的電力電子設備逐漸增多，為滿足其日益增長的電力需求，飛機電力系統(tǒng)供電容量得到明顯提高[1]。飛機系統(tǒng)中供電電壓由直流28V、交流115V提升至直流270V、交流230V，且供電電壓仍呈上升趨勢[2]。在未來的發(fā)展中，多電飛機供電系統(tǒng)母線電壓將達到數kV級數值[3]。提高的額定功率將加劇線纜絕緣材料的退化進程[4]，同時超負荷運行下線纜間的溫度將升高，較高的溫度加速絕緣材料的降解過程[5-6]。多電飛機電氣系統(tǒng)的絕緣將面臨新的嚴峻挑戰(zhàn)，亟待關注。

線纜是電氣設備的電力傳輸通道，其絕緣狀況關乎整個飛機電氣系統(tǒng)的運行安全。一方面，由于絕緣材料會增加飛機自重，機載線纜的絕緣厚度很小，部分航空線纜絕緣厚度僅約為260μm[7]，飛機在起飛、降落及巡航過程中的振動會引起線纜絕緣層的磨損[8]；另一方面，飛機中線纜分布密集，長度可達500多km（以空客A380為例[9]），再加上功率變換器引入的高頻電壓應力，上述因素都將增加飛機中線纜的絕緣失效風險[10-11]。

局部放電（Partial Discharge, PD）作為絕緣失效的早期典型特征，是引發(fā)絕緣故障的重要原因之一[12-14]，在多電飛機的應用場景中，局部放電的發(fā)生還會受到電壓頻率、氣壓及溫濕度等參數的影響[15-16]。Paschen定律提出，在均勻電場下空氣的介電強度會隨著氣壓的降低而下降。商用和軍用飛機通常在6～15km的高度飛行，承受的氣壓變化范圍很大，最低可至10kPa[17-18]。低氣壓環(huán)境加劇了航空領域發(fā)生PD的風險，引起了眾多學者的關注和重視。I. Christou等學者通過設置線纜對接地金屬板放電模型開展低氣壓下的PD檢測，提出一種基于局部放電起始電壓（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）計算安全工作電壓的方法[19]。文獻[20]進一步通過中低壓航空線纜氣隙放電的PDIV測量和理論建模仿真，量化了氣壓與PDIV之間的關系。此類研究探討了線纜在不同氣壓下發(fā)生PD的問題，但忽視了飛機電源頻率對PD的影響，所以其研究結論不足以支撐航空線纜的絕緣檢測和設計。為了評估電源頻率對局部放電的影響機制，F(xiàn). Alrumayan開展了50～1 000Hz范圍內航空線纜放電測試，指出PD對線纜絕緣的損傷程度隨著頻率的改變而顯著增加[21]。然而，上述研究僅針對單一放電模型，缺乏對不同工況下放電模型的統(tǒng)籌對比考量。為此，曼徹斯特大學高電壓實驗室針對航空線纜開展了多種放電模型的PDIV檢測，提出不同模型下PDIV存在明顯差異[22-23]。但是，PDIV只是表征局部放電現(xiàn)象的初步參數，氣壓、電源頻率、模型類型對航空線纜絕緣的局部放電綜合參數，如放電幅值、次數及相位等的影響規(guī)律尚不明確。

因此，本文結合多電飛機實際工作環(huán)境，設置了多種航空線纜局部放電典型模型，在10～101kPa的低氣壓范圍內，對比研究了50Hz工頻、400Hz高頻（飛機恒頻交流供電系統(tǒng)常用頻率）、800Hz高頻（飛機變頻交流供電系統(tǒng)常用頻率）三種情形下不同航空線纜放電模型的PDIV隨氣壓變化規(guī)律。深入研究了低氣壓下，50Hz和400Hz下不同模型的局部放電相位分析（Phase-Resolved Partial Discharge, PRPD）譜圖及相應放電特征，為多電飛機向高電壓方向發(fā)展的航空線纜絕緣設計與故障診斷提供借鑒和參考。

1 試驗設置

1.1 航空線纜局部放電檢測平臺

為模擬多電飛機實際運行環(huán)境，搭建航空線纜局部放電檢測平臺如圖1所示。真空試驗腔內可實現(xiàn)溫度-35～25 ℃、相對濕度10%～90%、氣壓10～101kPa范圍內的精確控制。本試驗采用信號發(fā)生器外接高壓放大器的方式獲取變頻的正弦波電壓。線纜放電模型連接在高壓放大器輸出端和接地線之間，形成放電回路。高頻電流傳感器（High-Frequency Current Transformer, HFCT）安裝在與放電模型相連的接地線上，檢測局部放電的信號。高壓放大器選用美國Trek公司的20/20C—HS—H—CE，放大比例1:2 000。高頻電流傳感器的靈敏度典型值為輸入1mA（峰-峰值），輸出13mV（峰-峰值）。

圖1 航空線纜局部放電檢測平臺

1.2 模型設置與檢測流程

本文根據美國國防部批準引用的標準ASTM D3032—21第25小節(jié)“局部放電起始電壓和截止電壓”中設置的放電模型[24]，設計了試驗的三種放電模型，如圖2所示。三種模型分別為：①將導線纏繞在大約10倍于導線外徑的芯棒10圈，并用膠帶將導線固定在芯棒上，導線的兩端延伸到芯棒之外連接到高壓引線上，這種設置對應于線纜對線纜架放電模型；②將導線綁在平坦的金屬板上，將導線的兩端彎曲，使其遠離金屬板，這種模型用于模擬線纜與接地金屬平面間的放電；③在兩根導體之間建立雙絞線結構，線纜與線纜間的放電可以通過這種模型模擬。本次試驗采用導線截面積為2mm2的AFR250型聚四氟乙烯薄膜繞包絕緣電線線纜，絕緣層為聚四氟乙烯，絕緣層厚度為0.2mm，導線為鍍銀銅，導線半徑為0.85mm。

圖2 航空線纜模型

在測量PDIV的過程中，采用逐步升壓法，以100V為步長逐漸提高電壓直至產生PD脈沖，記錄此電壓為PDIV。由于發(fā)生局部放電具有隨機性，因此每組試驗條件下的PDIV測量3次并計算平均值，將平均值記為有效值以保證試驗的準確性。將每一組PDIV記錄后，對每一個試驗組施加其相應PDIV的120%以保證每次放電的強度一致，提取200個周期的放電脈沖以計算平均放電幅值和放電重復率，并繪制PRPD譜圖。

2 試驗結果

2.1 局部放電起始電壓

400Hz下三種模型的PDIV隨氣壓變化曲線和不同頻率下線纜貼金屬板模型的PDIV對比如圖3所示。對于三種模型而言，同一模型在不同頻率下的PDIV數值都十分接近，因此本圖僅展示線纜貼金屬板一種模型在不同頻率下隨氣壓的變化規(guī)律。不同頻率下PDIV數值相差最大的工況是101kPa下線纜貼金屬板模型，差值為120V，約占此時PDIV的6%。試驗結果表明三種模型的PDIV在不同頻率下數值略有差異，但基本一致。三種模型的PDIV隨著氣壓的升高而呈線性上升的趨勢，繞金屬棒模型和貼金屬板模型的PDIV上升平緩且數值接近，在50kPa以下兩條曲線重合度較高。雙絞線模型的PDIV要高于前兩種模型，當氣壓達到50kPa以上時，雙絞線模型的PDIV達到貼金屬板模型的兩倍及以上。

圖3 PDIV隨氣壓變化曲線和不同頻率下PDIV對比

2.2 平均放電幅值與放電重復率

為了探究三種模型在不同氣壓下的放電強弱規(guī)律，分別分析了三種模型在電源頻率為50Hz和400Hz時平均放電幅值和放電重復率隨氣壓變化的規(guī)律，如圖4～圖7所示。施加電壓頻率為50Hz時，貼金屬板模型和繞金屬棒模型的平均放電幅值都隨著氣壓的升高先增大再減小，轉折點在30kPa處。繞金屬棒模型的平均放電幅值隨著氣壓的升高始終保持著下降的趨勢，并且幅值明顯高于其他兩種模型。

圖4 50Hz下平均放電幅值隨氣壓變化曲線

圖5 400Hz下平均放電幅值隨氣壓變化曲線

圖6 50Hz下放電重復率隨氣壓變化曲線

圖7 400Hz下放電重復率隨氣壓變化曲線

電源頻率為400Hz時，三種模型的平均放電幅值都隨著氣壓的升高先增大后減小。雙絞線和貼金屬板模型的平均放電幅值大小基本一致，且都小于繞金屬棒模型的幅值。繞金屬棒模型的平均放電幅值變化值較大，約為其他模型的3倍。

局部放電引起的絕緣損傷與放電次數有緊密的關系，放電次數越多對線纜絕緣層的損壞效果就越明顯。施加電壓頻率為50Hz時，三種模型的放電重復率都呈現(xiàn)著隨氣壓升高先下降后上升的變化趨勢。繞金屬棒和貼金屬板模型的放電重復率隨氣壓變化的規(guī)律保持一致，且數值上相差不大。10～30kPa范圍內雙絞線模型與其他兩種模型的放電重復率基本相同，但氣壓達到30kPa時雙絞線模型的放電重復率開始上升，70kPa后其余兩種放電模型的放電重復率才開始上升。

施加電壓頻率為400Hz時，雙絞線模型和貼金屬板模型的放電重復率都呈現(xiàn)著隨氣壓升高先減小后增加的變化趨勢，但貼金屬板模型的上升幅度較小。繞金屬棒模型的放電重復率始終呈下降趨勢且10～30kPa內的下降幅度很大。50Hz與400Hz下的放電重復率相比要小，但整體都呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。

2.3 PRPD譜圖

PRPD譜圖作為局部放電的一項重要統(tǒng)計特征，不僅能夠展現(xiàn)放電相位等信息，還能作為不同工況下放電模式識別的重要依據。當電源頻率為400Hz時，三種模型在不同氣壓下的PRPD譜圖如圖8～圖10所示。三種模型的放電主要都發(fā)生在施加電壓正負半周的前半部分，且呈現(xiàn)“△”形狀。

圖8 不同氣壓下繞金屬棒模型的PRPD譜圖

圖9 不同氣壓下貼金屬板模型的PRPD譜圖

圖10 不同氣壓下雙絞線模型的PRPD譜圖

繞金屬棒模型在負半周的相對放電幅值略高于正半周，存在較明顯的“極性效應”。氣壓為10kPa時，正負半周的放電強烈程度基本一致。隨著氣壓的變化，放電相位寬度一致且未出現(xiàn)明顯的相位偏移現(xiàn)象。貼金屬板模型在不同氣壓下的放電中“極性效應”十分明顯，尤其是在50kPa以上對應的情形。在正半周，從零相位點開始就有局部放電的產生，而在負半周則略有延后。雙絞線模型在各組氣壓下的譜圖形狀和幅值基本一致，整體上不呈現(xiàn)“極性效應”，與另兩種模型存在顯著差異。

3 分析與討論

3.1 氣壓對PDIV的影響機制

根據試驗結果可知隨著氣壓的降低，三種模型的PDIV都呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。根據L. Niemeyer等[25]推導出的廣義表達式可知，起始放電電場強度是隨著氣壓降低而降低的函數，即

式中，(E/p)cr為一種氣體參數，在空氣中其數值為25V/(Pa·m)；p為氣隙中的氣體壓力；f為一個隨著氣壓、缺陷形狀大小改變的函數，在空氣中，f的值隨氣壓的降低而增大，但是其變化曲線斜率遠小于1。當氣隙的形狀固定時，Einc主要隨氣壓的降低而減小，并且PDIV與Einc保持相同變化趨勢。基于式（1）計算不同氣壓下的PDIV，并與雙絞線模型PDIV共同進行歸一化處理，繪制對比曲線如圖11所示。盡管實測與計算曲線變化趨勢一致，但存在差異。這是由于試驗過程中溫度、濕度、氣壓等因素的微弱改變會引起計算與實測曲線的偏離。

3.2 放電過程間隙電場強度變化模型

氣壓從多方面改變著局部放電的特性，其對放電幅值和放電次數都會產生一定的影響。為直觀分析氣壓在放電過程中的作用，以雙絞線為例建立了正弦下電場強度與放電脈沖的對應模型，如圖12所示。i表示間隙間總電場強度；0表示由施加電壓形成的外加電場強度；q表示由氣隙間帶電質點形成的積累電荷電場強度。q的形成主要是因為在放電過程中氣隙間會產生帶電質點，其在外加電場的作用下會在間隙內發(fā)生移動，從而形成積聚電荷電場。隨著電壓極性發(fā)生改變，積聚電荷電場和外加電場之間的作用方向會形成周期性的變化，其具體的間隙電場變化曲線如圖13所示，其中橫坐標表示相位，縱坐標表示電場強度。

圖12 間隙電場強度在完整周期內的變化模型

圖13 氣隙電場強度與外加電場強度變化曲線

根據不同時刻外加電場與積聚電荷電場的極性，可以將一個周期分為四個階段：Ⅰ階段位于正弦電壓正半周前半部分，此時高壓側電壓高于接地側，由于帶電質點的移動需要時間，此時正電荷積聚在高壓側附近，在此階段q與0同向，即i=0+q；Ⅱ階段位于正弦電壓正半周后半部分，電荷電場極性翻轉，施加電場極性不變，0與q反向疊加，即i=0-q；Ⅲ及Ⅳ階段的電場變化與Ⅰ及Ⅱ階段相同，但方向相反。

根據以上分析過程，當沒有放電發(fā)生時，空間的積聚電荷幾乎保持不變，其形成的積聚電荷電場強度大小為定值。由圖13可知，由于空間電荷的存在，正負半周的前半段電場發(fā)生畸變，間隙電場得到加強。后半段的電場由于積聚電荷電場方向發(fā)生偏轉，間隙電場強度被削弱。同時可以得知，在一個周期內正負半周的前半段更容易發(fā)生放電，后半段放電困難。

3.3 氣壓對放電次數和放電幅值的影響

存在放電時氣隙電場強度變化與放電脈沖示意圖如圖14所示，其中min為最小放電電場強度；res為放電后的氣隙殘余電場強度；為放電時刻氣隙電場強度高出min的電場強度值；e為有效放電時間，表征半個周期內氣隙電場強度高出min的時間；de為放電延遲時間；r為氣隙恢復時間。放電幅值與min和的大小密切相關，而放電次數與de和r的大小密切相關。

圖14 氣隙電場強度變化與放電脈沖示意圖

由于PDIV隨著氣壓的降低而減小，而試驗中模型兩端施加的電壓為各氣壓下PDIV的120%，故氣隙兩端施加的電場強度隨氣壓的降低而減小。氣壓的下降會降低初始電子產生的概率，相應地加長放電時延de，從而直接引起放電次數的減少。另一方面，min與氣壓成正比關系，min的降低會縮短恢復時間r，這會引起放電次數的增加。由于低氣壓下的PDIV較小，所以氣隙間的電場強度偏小，其對放電次數的影響程度較弱。因此在低氣壓下，放電次數主要由min主導，所以氣壓降低放電次數增加。隨著氣壓的升高PDIV逐漸增大，施加電場強度的影響效果增強，同時min的影響程度保持不變，所以在某一氣壓下，施加電場強度和min對放電次數的影響程度達到平衡，此時出現(xiàn)拐點。氣壓在拐點之上時，隨著氣壓的升高，施加電場強度對de的影響程度大于min對恢復時間r的影響程度，所以放電次數與氣壓成正比關系。因此，三種模型的放電重復率呈現(xiàn)隨氣壓升高，先降低后升高的變化趨勢。

由于放電幅值與min呈正相關，所以隨著氣壓的降低，放電幅值也呈減小趨勢。另一方面，放電幅值與的變化趨勢一致，隨著氣壓降低，放電時延de增大，隨之增大，故放電幅值增加。由于低氣壓下施加電場強度偏低，其影響效果較弱，故在較低氣壓下放電幅值受min主導。在氣壓偏高的范圍內施加電場強度較高，其影響程度增強，占主導地位，所以放電幅值呈現(xiàn)隨氣壓降低先升高后降低的趨勢。

3.4 頻率對放電次數和放電幅值的影響分析

放電的過程中電壓頻率對放電次數和放電幅值具有重要的影響作用。頻率的增加將導致間隙內部總電荷量升高[27-28]，從而導致電荷形成的電勢q增加，進而影響有效放電時間e。兩種頻率下的e對比如圖15所示。放電次數可以表示為

式中，dV/dt為電壓的上升速度，由于正弦電壓的上升速度時刻變化，dV/dt可近似取其平均上升速度；K為常數；Vmin為最小放電電壓；Vres為放電后氣隙內剩余電壓。結合兩種頻率下有效放電時間和上升速度的關系，可推斷出400Hz的放電次數高于50Hz[29]。

根據電場強度示意圖12所示的Ⅱ階段和Ⅳ階段可知，電荷電場與施加電場方向相反，頻率的升高會增強電荷電場強度，進而抑制下一次放電。因此電壓頻率為400Hz時的平均放電幅值小于50Hz時的幅值。對繞金屬棒模型而言能夠觀測到400Hz下的放電幅值低于50Hz下的放電幅值，但是對雙絞線模型而言這種變化就很微弱，這是由于試驗中的兩種頻率數值相差不大，頻率的影響不明顯。

4 結論

本文在10～101kPa范圍內，對多種線纜放電模型施加50Hz、400Hz、800Hz電壓，研究PDIV變化規(guī)律。深入研究了低氣壓下，50Hz、400Hz下平均放電幅值及放電重復率等特征差異，并對氣壓和頻率的影響機制進行了分析，得到以下結論：

1）針對三種模型，氣壓的降低導致PDIV減小。氣壓變化過程中有效放電時間和最小放電電場強度對放電起相反作用，隨著氣壓的變化，二者對放電的影響程度不同，因此放電次數和放電幅值曲線產生拐點。綜合衡量PDIV、放電次數和放電幅值后，明確了低氣壓下線纜繞金屬棒模型發(fā)生放電的風險更高，損壞效果更大。

2）電壓頻率通過改變間隙內部總電荷量影響放電次數和放電幅值。電壓頻率升高會增加放電次數，降低放電幅值。高頻下局部放電對線纜絕緣層的損壞程度更大，尤其是針對雙絞線模型。

3）相同頻率下，三種模型的PRPD譜圖顯示的“極性效應”、起始放電相位及相位寬度存在直觀差異。PRPD譜圖上出現(xiàn)的相位差異和“極性效應”的強弱可為多電飛機電氣系統(tǒng)中不同線纜模型的診斷與類型識別提供借鑒和參考。

[1] Borghei M, Ghassemi M. Insulation materials and systems for more- and all-electric aircraft: a review identifying challenges and future research needs[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2021, 7(3): 1930-1953.

[2] 張卓然, 許彥武, 于立, 等. 多電飛機高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與關鍵技術[J]. 航空學報, 2021, 42(6): 12-25.

Zhang Zhuoran, Xu Yanwu, Yu Li, et al. Parallel HVDC electric power system for more-electric-aircraft: state of the art and key technologies[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2021, 42(6): 12-25.

[3] Barzkar A, Ghassemi M. Electric power systems in more and all electric aircraft: a review[J]. IEEE Access, 2020, 8: 169314-169332.

[4] Shahsavarian T, Wu Xin, Lents C, et al. Temperature-dependent partial discharge characteristics of high temperature materials at DC voltage for hybrid propulsion systems[J]. High Voltage, 2021, 6(4): 590-598.

[5] 周利軍, 仇祺沛, 成睿, 等. 高溫高氣壓下XLPE電纜電樹枝生長規(guī)律及局放特性[J]. 高電壓技術, 2018, 44(5): 1421-1427.

Zhou Lijun, Qiu Qipei, Cheng Rui, et al. Propagation and partial discharge characteristics of electrical trees in XLPE cable under high temperatures and high gas pressures[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(5): 1421-1427.

[6] 趙一楓, 劉剛, 謝月, 等. 退役高壓XLPE電纜絕緣空間電荷行為研究[J]. 電力工程技術, 2020, 39(3): 151-157, 172.

Zhao Yifeng, Liu Gang, Xie Yue, et al. Space charge behavior of retired high-voltage XLPE cables[J]. Electric Power Engineering Technology, 2020, 39(3): 151-157, 172.

[7] Diaw E H N, Roy S L, Teyssèdre G, et al. Current measurements in high performance polymers used in aeronautic cables[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2020, 27(6): 2195-2202.

[8] 李歡, 王永興, 鄒積巖, 等. 航空線纜絕緣的加速老化試驗研究[J]. 電器與能效管理技術, 2017(7): 15-19.

Li Huan, Wang Yongxing, Zou Jiyan, et al. Investigation on accelerated aging characteristics of aviation cable insulation[J]. Electrical & Energy Management Technology, 2017(7): 15-19.

[9] Moffat B G, Abraham E, Desmulliez M P Y, et al. Failure mechanisms of legacy aircraft wiring and interconnects[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008, 15(3): 808-822.

[10] Madonna V, Giangrande P, Zhao Weiduo, et al. Electrical machines for the more electric aircraft: partial discharges investigation[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, 57(2): 1389-1398.

[11] Lusuardi L, Rumi A, Cavallini A, et al. Partial discharge phenomena in electrical machines for the more electrical aircraft. part II: impact of reduced pressures and wide bandgap devices[J]. IEEE Access, 2021, 9: 27485-27495.

[12] 朱煜峰, 許永鵬, 陳孝信, 等. 基于卷積神經網絡的直流XLPE電纜局部放電模式識別技術[J]. 電工技術學報, 2020, 35(3): 659-668.

Zhu Yufeng, Xu Yongpeng, Chen Xiaoxin, et al. Pattern recognition of partial discharges in DC XLPE cables based on convolutional neural network[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 659-668.

[13] 陳鉅棟, 江軍, 楊小平, 等. 油浸式高壓套管局部放電非接觸式特高頻檢測[J]. 電力工程技術, 2021, 40(1): 147-154.

Chen Judong, Jiang Jun, Yang Xiaoping, et al. Non-contact partial discharge detection of high voltage oil-impregnated-paper bushing based on UHF technology[J]. Electric Power Engineering Technology, 2021, 40(1): 147-154.

[14] 杜浩, 關弘路, 蔣琛, 等. 交流電壓下交聯(lián)聚乙烯電纜典型缺陷局部放電特性研究[J]. 高壓電器, 2020, 56(12): 164-170.

Du Hao, Guan Honglu, Jiang Chen, et al. Investigation of partial discharge characteristics of typical defects in XLPE cable under AC voltages[J]. High Voltage Apparatus, 2020, 56(12): 164-170.

[15] 江軍, 張本棟, 王凱, 等. 面向多電飛機的脈沖波形下局部放電規(guī)律[J]. 航空學報, 2020, 41(9): 206-215.

Jiang Jun, Zhang Bendong, Wang Kai, et al. Partial discharge rule of more-electric-aircraft with pulse voltage waveform[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2020, 41(9): 206-215.

[16] 姚雨杭, 潘成, 唐炬, 等. 交直流復合電壓下流動變壓器油中金屬微粒運動規(guī)律和局部放電特性研究[J]. 電工技術學報, 2021, 36(15): 3101-3112.

Yao Yuhang, Pan Cheng, Tang Ju, et al. Motion behaviors and partial discharge characteristics of metallic particles in moving transformer oil under AC/DC composite voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(15): 3101-3112.

[17] Montanari G C. Partial discharge detection in medium voltage and high voltage cables: maximum distance for detection, length of cable, and some answers[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine, 2016, 32(5): 41-46.

[18] Shahsavarian T, Li Chuanyang, Baferani M A, et al. High temperature insulation materials for DC cable insulation—part II: partial discharge behavior at elevated altitudes[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2021, 28(1): 231-239.

[19] Christou I, Nelms A, Cotton I, et al. Choice of optimal voltage for more electric aircraft wiring systems[J]. IET Electrical Systems in Transportation, 2011, 1(1): 24-30.

[20] Driessen A B J M, van Duivenbode J, Wouters P A A F. Partial discharge detection for characterizing cable insulation under low and medium vacuum conditions[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2018, 25(1): 306-315.

[21] Alrumayan F, Cotton I, Nelms A. Partial discharge testing of aerospace electrical systems[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2010, 46(2): 848-863.

[22] Christou I, Cotton I. Methods for partial discharge testing of aerospace cables[C]//2010 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, San Diego, CA, USA, 2010: 1-5.

[23] H?hner T, Rybsky P, Cotton I, et al. A round-robin test study of partial discharge inception voltage in aeronautic cables[C]//2020 International Symposium on Electrical Insulating Materials (ISEIM), Tokyo, Japan, 2020: 185-189.

[24] American Society for Testing and Materials. ASTM D3032-21. Standard test methods for hookup wire insulation[S]. West Conshohocken: ASTM International, 2021.

[25] Niemeyer L. A generalized approach to partial discharge modeling[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, 2(4): 510-528.

[26] 米彥, 桂路, 劉露露, 等. 環(huán)氧樹脂針-板缺陷在指數衰減脈沖和正弦電壓作用下的局部放電特性[J]. 電工技術學報, 2020, 35(2): 425-434.

Mi Yan, Gui Lu, Liu Lulu, et al. Partial discharge characteristics of epoxy resin needle-plate defect under exponential decay pulse and sinusoidal voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 425-434.

[27] Wang Xia, Shu Zihang, Duan Shenjie, et al. Study of space charge accumulation property in polyethylene under applied voltage of square wave[C]//2019 2nd International Conference on Electrical Materials and Power Equipment (ICEMPE), Guangzhou, China, 2019: 178-181.

[28] 周力任, 吳廣寧, 高波, 等. 聚酰亞胺薄膜中電荷輸運機理和空間電荷特性[J]. 電工技術學報, 2009, 24(12): 6-11.

Zhou Liren, Wu Guangning, Gao Bo, et al. Charge transport mechanism and space charge characteristic in polyimide film[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(12): 6-11.

[29] 羅楊, 吳廣寧, 劉繼午, 等. 局部放電作用對變頻電機匝間納米復合絕緣的損傷機理研究[J]. 電工技術學報, 2014, 29(6): 303-310.

Luo Yang, Wu Guangning, Liu Jiwu, et al. Study on PD damage mechanism of nano-composite used as turn insulation in inverter-fed traction motors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 303-310.

Partial Discharge Characteristics of Aeronautical Cables at Low Pressure

Jiang Jun1Li Zhi1Zhang Bendong2Li Wenyuan3Zhang Chaohai1

（1. Center for More-Electric-Aircraft Power System Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 211106 China 2. State Grid Shandong Electric Power Company Lai Wu Power Supply Company Jinan 250000 China 3. School of Electrical and Electronic Engineering The University of Manchester Manchester M60 1QD United Kingdom）

In order to achieve the electrification of aircraft, the risk of partial discharge (PD) of cable insulation in the electrical system of more-electric-aircraft is increasing with the constant increase of power supply and voltage level. The partial discharge characteristics of aeronautical cables at low pressure and typical frequency were investigated by setting three typical models: cable to ground metal plate discharge, cable to cable rack discharge and cable to cable discharge. The experimental results show that the partial discharge inception voltage (PDIV) of the three types of discharge models decreases with the decrease of pressure, and the PDIV of cable to cable discharge models is more than two times higher than that of other models when the pressure is above 50kPa. The increase of voltage frequency significantly increases the discharge repetition rate of models, and the effect is obvious for cable to cable rack discharge at 10kPa. In the same condition, the phase width and the strength of "polarity effect" of phase-resolved partial discharge (PRPD) spectrum for different discharge models varies. The characteristics are helpful to the identification of discharge model types, and can provide reference for the design and fault diagnosis of aeronautical cables.

Low pressure, more-electric-aircraft, aeronautical cable, partial discharge, phase-resolved partial discharge

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211207

TM855

江蘇省自然科學基金面上項目（BK20211189）、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金（NT2021012）和南京航空航天大學2021年度“研究生創(chuàng)新實驗競賽”培育項目資助。

2021-08-02

2021-12-06

江 軍 男，1988年生，博士，副教授，研究方向為面向電力設備及航空航天電氣裝備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。E-mail：jiangjun0628@163.com（通信作者）

李 治 男，1998年生，碩士研究生，研究方向為電氣設備狀態(tài)檢測與故障診斷。E-mail：lz15543050534@163.com

（編輯 李冰）