低溫環境下不同車載電纜終端結構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

隨著我國鐵路行業的蓬勃發展，電力機車的安全性能越來越受到關注。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、內蒙等低溫環境地區下長期工作的電力機車上的電纜終端時常發生爆炸事故。根據電纜發生故障部位數據統計表明，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境下電纜終端的局部放電機理，減少電纜終端局部放電產生的危害，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]。在電纜終端半導體斷口處安裝應力管或應力錐電纜附件，能有效改善半導體層斷口處的電場應力分布[9-10]。在實際工況下，環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]對應力錐進行了熱循環測試，結果表明應力錐在溫度變化的環境中也能表現出良好的性能。賈志東等[15]基于電纜溫升試驗平臺，對電纜應力錐進行熱分析，結果表明護套內層和外層的熱穩態溫度隨電纜的載流量增加呈非線性遞增關系。S GANGA等[16]基于光譜法研究了不同溫度對應力管的影響，結果發現在不同溫度和持續時間下，應力管會發生彈性形變導致應力管與主材料界面間形成氣隙、裂紋和表面分層等缺陷。對于含應力管與應力錐的不同電纜終端結構性能，學者們已經做了大量試驗與仿真，但是針對低溫環境下含應力管與應力錐的電纜終端局部放電特性卻未見報道。

本研究首先構建低溫局部放電測試平臺，在低溫及常溫下對含應力管與應力錐兩種不同結構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構電纜終端的性能。

1 試驗

1.1 材料制備

選取電力機車現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，其中有兩種不同結構的電纜終端，一種為含有應力管的電纜終端，編號為G，如圖1所示。另一種為含有應力錐的電纜終端，編號為Z，如圖2所示。所有電纜的其他參數一致。

圖1 含應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如圖3所示，試驗平臺中設有可達到-40℃的低溫箱。其中，T1是調壓器，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，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時，另一根電纜處于受壓不受流的狀態，如圖4所示。此時，纜芯不產生焦耳熱，使得電纜終端整體與環境溫度保持一致。而在高寒地區運行時，低溫會對受壓不受流的柔性電纜終端內部絕緣材料造成影響。我國高寒地區在冬季的平均氣溫在-30℃左右，因此本研究低溫設置為-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。為了保證數據的有效性，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下持續工作180 min，觀察局部放電量并記錄數據。重復進行3組試驗，結果取平均值。

2 試驗結果

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構電纜終端在常溫與低溫環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180 min，結果如圖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內的qave可通過式（1）計算。

式（1）中：N為所檢測的工頻周期總數；nis為第s個周期在相位段φi內的放電次數；qisj為第s個檢測周期在相位段φi內第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間為39°～90°，在負半周的放電相位區間為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“△”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間為5°～90°，負半周的放電相位區間為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。當環境溫度由常溫變為低溫時，正半周的放電相位區間從39°～90°擴大到 5°～90°，負半周的放電相位區間從216°～270°擴大到184°～270°，qave與qmax也增大近一倍。

圖10 常溫環境下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間為70°～90°，負半周的放電區間為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間為62°～90°，負半周的放電區間為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間以及qave、qmax的影響較小。試驗溫度由常溫變為低溫時，Z電纜終端的放電相位區間與放電量變化不大。

3 試驗結果分析

3.1 局部放電特征量的提取

為了解局部放電發展、變化的特征規律，進一步分析局部放電相位統計特征譜圖。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-)用于描述某種形態的分布對比于正態分布（Ku-=0）形狀的突起程度：如果Ku-＞0，則說明該頻譜輪廓比正態分布輪廓尖銳陡峭；如果Ku-＜0，則說明該譜圖輪廓比正態分布輪廓平坦[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間如表1所示。從表1可以看出，當局部放電測試的環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間寬度從52°增大為86°，相位區間擴大了34°；負半周的放電相位區間從55°增大為87°，相位區間擴大了32°。而Z電纜終端正半周的放電相位區間從21°上升到29°，負半周從25°上升到31°，其相位區間差異不明顯。表明當局部放電測試的環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間影響較大，G電纜終端在低溫環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間Tab.1 Partial discharge phase of cables under different temperature

表2為不同溫度下電纜終端結構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寒冷環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力管的電纜終端進行解剖，如圖12所示。從圖12可以看出，應力管內表面有條明顯的放電氣隙痕跡。應力管通常采用高介電常數的材料，而介電常數過大會引起電容電流產生熱量，促使材料老化[19]；應力管在電場下長期運行，溫度的變化也會使應力管的材料變硬老化使其不具備彈性，容易產生空隙缺陷而發生局部放電[20]。應力錐的原理是通過在電纜終端半導體層斷口處增大填充半徑來均化電場分布，應力錐采用半導體耐低溫材料，其在低溫環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]研究表明含應力錐的電纜終端在低溫環境下運行時，依然能保持良好的彈性，這與本研究的結果相一致。因此，在低溫環境下，含應力管的電纜終端比含應力錐的電纜終端更容易產生絕緣氣隙，導致含應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 結論

（1）在低溫環境下，含應力管的電纜終端比含應力錐的電纜終端更容易產生絕緣空隙，導致含應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，使電纜終端發生放電發熱擊穿。

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