低氣壓條件下車載電纜柔性終端絕緣特性研究

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(1.中車株洲電力機(jī)車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001；2.大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點實驗室，湖南 株洲 412001;3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1 引言

近些年來，隨著我國電氣化軌道交通的快速發(fā)展，電力機(jī)車在西北高原地區(qū)得到廣泛推廣應(yīng)用。與此同時，車載電氣設(shè)備的絕緣面臨著高原地區(qū)復(fù)雜環(huán)境的挑戰(zhàn)。電力機(jī)車車載電纜是接觸網(wǎng)向機(jī)車輸送電能的關(guān)鍵部件，而電纜的終端是絕緣脆弱的地方[1]，近年來在高原地區(qū)運(yùn)行的電力機(jī)車屢有發(fā)局部放電是一種公認(rèn)的診斷評估電纜絕緣狀態(tài)的有效方法[2]。目前，電纜研究主要集中在電纜內(nèi)部存在絕緣缺陷的局部放電特性與電樹枝發(fā)展特性，文獻(xiàn)[3]研究了電纜局部放電與電樹枝形態(tài)的關(guān)系；文獻(xiàn)[4-7]研究了電纜內(nèi)部存在氣隙、毛刺以及刀痕等典型缺陷下的局部放電特性；文獻(xiàn)[8-9]研究了在電纜內(nèi)部存在高溫與高壓氣隙時的電樹枝發(fā)展與局部放電特性。上述研究多體現(xiàn)在具體的絕緣缺陷和局部放電特性的關(guān)系，而目前基于外部環(huán)境對電纜絕緣性能的影響也有大量的研究成果，文獻(xiàn)[10-11]研究了在低溫下交聯(lián)聚乙烯和環(huán)氧樹脂的局部放電特性與電樹枝發(fā)展規(guī)律；文獻(xiàn)[12]研究了在高溫環(huán)境下交聯(lián)聚乙烯電纜的局部放電特性。

近年，隨著高原環(huán)境運(yùn)用柔性終端故障的數(shù)量增多，而基于環(huán)境氣壓條件電纜局部放電特性的研究技術(shù)缺乏。因此，有必要開展車載電纜柔性終端在低氣壓下的絕緣特性研究，對低氣壓條件下的電纜終端局部放電進(jìn)行監(jiān)測，以研究氣壓與西北高原地區(qū)電纜故障的關(guān)系。

本文主要針對高原地區(qū)的低氣壓環(huán)境特征對車載電纜柔性的結(jié)緣特性影響影響進(jìn)行了研究：搭建了低氣壓下車載電纜終端局部放電研究系統(tǒng)，以整個電纜的柔性終端作為研究對象，模擬低氣壓環(huán)境下柔性終端的工作環(huán)境，進(jìn)而對不同氣壓下柔性終端局部放電特性進(jìn)行了測試與研究。

2 故障電纜工況介紹

車載電纜運(yùn)行工況如圖1所示，為了降低車外環(huán)境對車頂高壓設(shè)備絕緣的影響，電力機(jī)車多將車頂高壓設(shè)備置于車內(nèi)安裝，因此柔性終端結(jié)構(gòu)也在電力機(jī)車上開始普及使用。

圖1 車載電纜工況示意圖

目前西北地區(qū)運(yùn)用的車載電纜柔性終端線上運(yùn)用擊穿事故頻發(fā)，擊穿現(xiàn)場如圖2所示。而這種故障在華中、華南、華東以及西南等非高原地區(qū)尚無發(fā)生。

圖2 運(yùn)行現(xiàn)場爆炸電纜照片

3 試驗系統(tǒng)及方法

3.1 柔性終端低溫低氣壓試驗系統(tǒng)

針對電纜運(yùn)行的低氣壓環(huán)境，設(shè)計了如圖3所示的電纜柔性終端低氣壓試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)對柔性電纜終端進(jìn)行處理，以單獨(dú)研究高原地區(qū)的氣壓因素對該終端的影響。對于電纜的剛性終端的處理如圖3(a)所示，利用銅制密封接頭作為電極，電極外接入直徑為250mm的無暈環(huán)，以防止終端出現(xiàn)電暈。對于電纜的柔性終端的處理如圖3(b)所示，將其置于定制的有機(jī)玻璃管中，為了復(fù)現(xiàn)低氣壓的條件，利用真空泵對密閉的油杯試驗終端進(jìn)行抽氣，同時利用絕對氣壓表監(jiān)測管內(nèi)的氣壓。為了防止電纜金屬端部在試驗中發(fā)生電暈現(xiàn)象，柔性終端的金屬端部同樣接入了直徑為250mm的無暈環(huán)。

3.2 局部放電試驗系統(tǒng)

試驗采用TE571局放測試儀來測試不同溫度下電纜終端的局部放電特性。采用局部放電耦合裝置與耦合電容串聯(lián)的試驗回路，電路接線如圖4所示。圖4(a)中，高壓電阻R的阻值為400MΩ；Ck為電容量1019pf的耦合電容；C1與C2為分壓電容，分壓比為1000:1；Z為局放測試儀的測試阻抗。整個試驗的背景干擾小于10pc。

3.3 柔性終端低溫低氣壓試驗方法

將電纜試樣接入圖4中的試驗系統(tǒng)中。電纜試樣的剛性終端如圖3(a)處理，電纜試驗的柔性終端如圖3(b)置于有機(jī)玻璃管內(nèi)。本試驗中選擇101.3kPa(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)、84.3kPa、77.3kPa以及65.2kPa幾個比較有代表性的氣壓值進(jìn)行。電纜試樣的柔性終端在每個溫度和氣壓下靜置24h后開始進(jìn)行局部放電試驗。

圖3 低溫試驗系統(tǒng)

圖4 局部放電試驗系統(tǒng)

以1kV/s的速度逐漸提升電壓，直至電壓提高至2倍車載電纜的工作電壓，即55kV。在這個過程中記錄試樣在各個環(huán)境條件下的放電起始電壓與熄滅放電的電壓、各個電壓對應(yīng)的放電量以及局部放電相位分布。在每個溫度與氣壓的組合條件下，采集10組數(shù)據(jù)取平均值。

4 不同環(huán)境條件車載電纜局部放電特性

4.1 不同環(huán)境條件對放電起始/熄滅電壓的影響

文中規(guī)定：放電量穩(wěn)定高于背景放電量2倍時的電壓為放電起始電壓；放電量穩(wěn)定小于或者等于背景放電量時的電壓為熄滅放電電壓。

圖5給出的是電纜試樣在不同氣壓條件下的放電起始電壓與放電熄滅電壓曲線圖。由圖5中可以得到：在101.3kPa到65.2kPa這個溫度區(qū)間內(nèi)電纜的放電起始電壓與熄滅電壓波動不大，放電起始電壓平均值在40kV左右，放電熄滅電壓在37kV左右。圖5中每個氣壓下的放電起始電壓與熄滅電壓具有一定的分散性，是一個電壓取值范圍。但是電壓值的分散性比較小，測試所得熄滅電壓的峰值均為超過起始電壓的均值，起始電壓的峰值均為低于熄滅電壓的均值。因此，可以認(rèn)為放電起始電壓與熄滅電壓雖然具有分散性，但是其總體分散規(guī)律還是符合整體的變化趨勢。

圖5 放電起始/熄滅電壓與氣壓關(guān)系

4.2 不同環(huán)境條件對放電發(fā)展的影響

為了觀察柔性終端在不同的氣壓下的局部放電與外加電壓的關(guān)系，本文以5kV為單位時間，統(tǒng)計了0kV～2UN(55kV)區(qū)間內(nèi)電纜試樣柔性終端的放電量的平均值，如圖6所示。

通過圖6可以得到：當(dāng)試驗電壓在0kV～35kV時，不同氣壓下的電纜試樣放電量維持在背景噪聲的附近，且放電量不隨電壓的增加而增加。當(dāng)電壓提高到37kV左右時，不同氣壓下的電纜都開始產(chǎn)生局放，放電量隨著電壓的增加而增加，且隨著外加電壓增加，放電量增加的速度也增加。此外，圖中還可以看出在不同氣壓條件下的電纜試樣局部放電發(fā)展趨勢較為相似，所以氣壓對電纜柔性終端的放電發(fā)展趨勢影響不大。

圖6 不同氣壓下局部放電與電壓關(guān)系

4.3 不同環(huán)境條件對放電相位譜圖的影響

為了進(jìn)一步了解氣壓對電纜柔性電纜終端的放電特性的影響，提取了各個電纜在不同氣壓下發(fā)生放電的二維相位譜圖。圖7是電纜的柔性終端在不同氣壓條件下的放電二維譜圖，譜圖中給出不同相位與該相位的最大放電量qmax的關(guān)系。

由圖7可以看出放電相位和放電量的變化情況：柔性電纜終端的放電相位集中在一三象限中。各個相位的開窗的最大放電量分布Hqmax(φ)在0°～90°和180°～270°的qmax并不是從較小的值開始上升，放電強(qiáng)度不高的相位中qmax值的大小比較相近，在起始放電相位處呈現(xiàn)“懸崖”狀。

表1給出了不同氣壓下電纜柔性終端局部放電分布的相位區(qū)間。由表1可以見：在不同氣壓下的放電相位區(qū)間比較一致，正半周的放電相位寬度在68°～71°左右，負(fù)半周的放電相位在71°～73°左右。因此，不同氣壓對放電區(qū)間的影響比較小。

表1 不同氣壓條件下放電區(qū)間

為了進(jìn)一步分析不同氣壓下放電譜圖中Hqmax(φ)的形態(tài)差異，本文引入了偏斜度sk和翹度ku對放電譜圖的形態(tài)特征進(jìn)行量化。其定義如式(1)和(2)所示：

(1)

(2)

式中，xi為隨機(jī)序列，f(xi)為第i個相位窗內(nèi)xi出現(xiàn)的概率，m為均值，σ為方差。偏斜度和翹度分別代表了分布圖的三階矩和四階矩。

由式(1)、(2)計算出在不同的氣壓條件下局部放電譜圖Hqmax(φ)的偏斜度sk和翹度ku，如表2所示。從表2可以看出不同氣壓下的正半周的偏斜度sk在3.5左右，翹度ku在6.5左右；不同氣壓下的負(fù)半周的偏斜度sk在4.5左右，翹度ku在10左右。不同氣壓下放電譜圖的偏斜度sk和翹度ku差異不大，可見氣壓對放電譜圖的形態(tài)特征影響不大。

表2 偏斜度和翹度計算結(jié)果

圖7 不同氣壓下局部放電二維譜圖

5 結(jié)論

本文搭建了可以復(fù)現(xiàn)高原低氣壓環(huán)境的試驗系統(tǒng)，對電纜柔性終端在低氣壓下的局部放電特性進(jìn)行了研究，得到結(jié)論如下：

(1)搭建的試驗系統(tǒng)能夠反演低氣壓環(huán)境下電纜的工作狀態(tài)。在101.3kPa至65.2kPa范圍內(nèi)，氣壓的變化對車載電纜柔性終端的放電起始/熄滅電壓、放點發(fā)展規(guī)律、放電相位寬度以及放電譜圖的形態(tài)特征影響不大。

(2)高原環(huán)境中的低氣壓因素并不是導(dǎo)致西北高原地區(qū)車載電纜柔性終端絕緣劣化的主要因素，在實際工程中，應(yīng)將低氣壓因素與其他環(huán)境因素綜合考慮。