乙丙橡膠電纜終端氣隙局部放電過程及特征提取

郭 蕾，曹偉東，白龍雷，邢立勐，項恩新，周利軍

（1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 611756；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

乙丙橡膠（ethylene propylene rubber，EPR）電纜作為高速列車的電力傳輸媒介，其絕緣狀況與高速列車的安全、可靠運行息息相關.隨著我國高速列車的蓬勃發展，EPR 電纜終端內部氣隙缺陷所引發的局部放電現象日益引起關注和重視.現有研究表明[1-3]，電纜終端的制作及安裝需要人工操作完成，極易因在終端內絕緣表面劃切而造成氣隙缺陷，引發缺陷處放電現象，在一定程度上加劇電纜擊穿事故的發生和嚴重程度.研究和掌握EPR 電纜終端內部氣隙缺陷的放電過程及特征，提高電纜終端的運行可靠性迫在眉睫.

近年來，國內外學者對各類缺陷存在情況下的交聯聚乙烯電纜局部放電問題開展了深入的研究，其研究結果表明電纜局部放電過程中蘊含豐富的特征信息，可為診斷其絕緣狀態提供重要參考.Alexander等[4]研究了交聯聚乙烯絕緣與應力管間存在氣隙情況下的放電過程，指出氣隙中的空氣在電場作用下不斷發生老化分解，老化分解過程中會產生額外的電子和離子，該過程進一步加快了氣隙擊穿；劉剛等[5]研究了10 kV 交聯聚乙烯電纜終端主絕緣含不同寬度氣隙時的放電特性，指出氣隙寬度越窄，該處電場畸變越大，更容易引發局部放電；姜蕓等[6]研究了交聯聚乙烯電纜接頭部位含尖端缺陷時的放電特性，指出尖端處的電場畸變嚴重，且不同電壓等級下的放電特性譜圖有明顯的差異，并根據二維小波變化提取了放電譜圖特征；常文治等[7]針對硅橡膠和交聯聚乙烯交界面處存在金屬顆粒缺陷時的沿面放電特性開展試驗，結果表明根據放電平均能量、總能量及放電次數可將放電過程劃分為4 個階段，且可從局部放電相位（phase resolved partial discharge，PRPD）譜圖中提取出兩個局部放電特征量.

目前，眾多學者針對交聯聚乙烯類型電纜的放電特性研究已開展了大量的工作，但由于EPR 電纜應用場所特殊，且前期的使用量較少，有關EPR 電纜及其終端內部缺陷的局放現象及特征提取的研究較為匱乏，尚無文獻對終端內氣隙缺陷的完整放電過程開展研究工作，給EPR 電纜絕緣狀態的有效監測帶來了困難.因此為保障包括高速列車在內的各類重要裝備的可靠運行，亟需圍繞EPR 電纜終端內部氣隙缺陷的放電過程及特征提取開展研究.

文中采用高速列車用25 kV EPR 電纜制備了含氣隙缺陷的電纜終端試樣.通過測量系統記錄了試樣從起始放電到絕緣擊穿全過程的放電參量，以及其PRPD 譜圖的演化過程.根據放電參量的變化趨勢將放電過程分為3 個階段，通過Gaussian 金字塔和灰度共生矩陣對放電全過程的PRPD 譜圖進行特征提取，并分析了其有效性.

1 試驗設計

1.1 缺陷試樣制備

試驗樣品由高速列車用EPR 材料型號為QTOJ30G-25 kV 的熱縮型電纜制作完成.試驗中，含缺陷試樣的制作過程如下：

步驟1剝去電纜傘裙、外護套80 cm；剝去外屏蔽、外半導體層75 cm，露出主絕緣；截去端部絕緣7 cm，露出纜芯.

步驟2在EPR 絕緣上制作氣隙缺陷：在絕緣表面上制作長×寬×深為100 mm×0.5 mm×1 mm的凹槽，以模擬在制作接頭或終端過程中因制作人員操作不當使得橡膠絕緣受損，導致熱縮管與絕緣間出現氣隙的現象.由于目前并未有氣隙缺陷制作的標準，上述氣隙缺陷是參照行業經驗和相關文獻[8-9]所論述的方法進行制作的.

步驟3按照電纜附件制作規范，將電纜終端安裝完成.需要說明的是，文中共制作了5 個相同試樣進行了多次試驗，文中的數據統計和分析過程均是在多組試樣樣本、多次試驗的試驗結果基礎上進行的，并基于試驗過程出現頻率最多和最為典型的數據進行分析，以保證試驗結果的可重復性及后文分析參數的普適性.

1.2 局部放電試驗平臺

試驗中采用脈沖電流法對局部放電信號進行采集，試驗接線如圖1 所示，圖中：試驗變壓器為TQSW 無局部放電工頻試驗變壓器，其容量為10 kV?A，額定電壓為100 kV；高壓電阻阻值為400 MΩ；分壓器的分壓比為1000∶1；耦合電容為1000 pF；采用MPD 600 測量系統進行局部放電測試.

1.3 加壓方式

為了研究氣隙缺陷下EPR 電纜局部放電全過程的參數及特性，文中采用逐步升壓法與恒壓法結合的方式，該方式一方面是為了盡可能地模擬實際工況中EPR 電纜終端的受壓方式，另一方面也可加速試樣放電過程，起到縮減試驗時間的作用，加壓方式如圖2 所示，其步驟如下：

步驟1緩慢升壓至電纜試樣出現起始放電，根據相關研究，將起始放電定義為測得的放電量高于背景放電量2 倍及以上，并維持1 min 左右[10]，由于試驗在屏蔽大廳中進行，背景放電量穩定在5 pC左右，故當測得放電量在10 pC 或以上，并維持1 min時，即認為出現了局部放電活動.

步驟2在起始電壓U0下持續1 h，放電參量無明顯變化后，以2.0 kV 為升壓步長繼續加壓并維持1 h，以該加壓方式加壓至37.5 kV 后，電壓維持不變，直至試樣擊穿.

步驟3對擊穿試樣進行解剖并分析氣隙缺陷下EPR 電纜的放電過程及特征.

2 氣隙缺陷下局部放電特性分析

2.1 放電階段劃分

在整個放電過程中，對于同一放電參量，其幅值差很大，以放電量峰值Qpeak而言，在60 min 處的Qpeak值為86.493 pC，而在660 min 處的Qpeak值為340433.300 pC，增加了4 個數量級.為了清晰地反應在整個放電過程中放電參量的變化規律，文中對放電參量幅值取對數處理.圖3 為放電過程中，放電量峰值Qpeak、平均放電量Qavg、放電次數N隨時間變化的趨勢圖.

圖3 Qpeak、Qavg、N 隨時間變化Fig.3 Changes of Qpeak，Qavg and N with time

為了定量分析各曲線隨時間變化的趨勢，繪制出各曲線在10 min 內Qpeak、Qavg、N的幅值斜率絕對值隨時間變化趨勢圖，如圖4 所示.幅值斜率絕對值反映了10 min 內幅值的變化情況，由圖中可看出：在0～280 min 內，隨時間變化較為平緩，其值分布在0～0.02 間，而和kN隨時間變化略有波動，其值分布在0～0.04 間；在280～620 min 內，隨時間變化波動均較大；在620 min 后，兩條曲線在有兩次波動后，其余時間均近乎為直線，雖然kN的變化趨勢在620～720 min 內與280～620 min 內的變化趨勢類似，但在720～820 min 內，三者隨時間間變化趨勢類似.

圖4 、、kN 隨時間變化Fig.4 Changes of ， and kN with time

基于以上分析，綜合考慮Qpeak、Qavg、N三者的斜率絕對值隨時間變化趨勢，將整個放電過程分為3 個階段，分別為放電發展階段0～280 min、放電持續階段280～620 min、臨近擊穿階段620 min～.

2.2 各階段放電量變化過程分析

圖5 為整個放電過程中各階段放電量隨時間變化的趨勢.由圖中可知，在放電發展階段，放電量總體上呈現增長趨勢，幅值分布在20～200 pC，在每一個加壓點，放電量都有不同幅度的激增，在270 min左右出現了幅值較為突出的脈沖放電，如圖5（a）虛線橢圓框所示.

圖5 放電量隨時間變化Fig.5 Discharge output varing with time

在放電持續階段，放電開始出現“激增、抑制”現象，即在每一次大脈沖放電出現后，后續的放電量被抑制，增長趨勢變得平緩，如圖5（b）虛線箭頭所示，300～360 min 內出現大脈沖放電后，后續的放電變平緩，在440 min 和460 min 附近的放電量同樣有上述的變化規律.而在565 min 左右，出現了810 nC左右的放電脈沖，表明此時電纜絕緣性能開始顯著下降.在后續的一小時左右，即565～ 600 min 內，放電量變化的規律同樣出現了“激增、抑制”現象.

在臨近擊穿階段，在640、660、670 min 附近出現了較大脈沖放電，隨后放電量穩定在100～300 nC間，且無放電量激增現象出現，同時終端試樣內部發出“砰、砰······”沉悶聲，并在820 min左右發生擊穿現象.

2.3 各階段PRPD 譜圖變化過程分析

PRPD 譜圖是局部放電檢測手段中一個重要的工具[11-12].目前，大都只挑選了某個放電階段內典型的PRPD 譜圖作為該階段的代表譜圖進行分析，可以反映該放電階段PRPD 譜圖的大致形狀，但是若一個放電階段內PRPD 譜圖變化不是規律變化，而是出現了多種形態，上述做法將會丟失大量放電信息.故文中通過測量系統對氣隙缺陷下EPR 電纜從起始放電至擊穿全過程的PRPD 譜圖變化情況進行了記錄和分析.

圖6 為放電發展階段PRPD 譜圖隨時間演變圖，其施加電壓U為13.5～21.5 kV，時間t為0～280 min.圖中：紅色線為施加的正弦波電壓；綠色線為幅值為0 的電壓（圖7、8 同）.

圖6 放電發展階段PRPD 譜圖隨時間演變Fig.6 Time-dependent evolution of PRPD spectra in discharge development stage

從圖6（a）可以看出：在開始加壓60 min 內，放電量在10～133 pC，放電相位集中在[25°，133°]和[211°，295°]，正半軸的放電圖案形似“兔耳狀”，即圖案呈現兩邊凸，中間凹的趨勢；負半周的放電圖案形似“火焰狀”，即放電密集區域集中在低幅值區域中部，高幅值區域和低幅值區域邊界的放電較為稀疏.圖6（b）～（d）中放電量幅值、相位寬度隨電壓、時間有所增長，但其正、負半周圖案形狀與圖6（a）類似.值得注意的是，在圖6（e）中，正半軸圖案不再是“兔耳狀”，而演變為“火焰狀”，同時，雖然負半周圖案形似“火焰狀”，但在其上方出現了一小簇放電，如圖6（e）中虛線框所示，結合圖5（a）中虛線框所示推測，此處的放電是由于激增的放電脈沖導致，同時這也是放電進入下一階段的信號.

圖7 為放電持續階段PRPD 譜圖隨時間演變圖，其施加電壓為23.5～33.5 kV，時間段為280～620 min.對比分析圖6（e）和圖7（a）發現，圖6（e）中的一小簇放電發展成為“尖刺狀”放電，如圖7（a）中虛線所示.不難發現，在圖7（a）～（f）中都有明顯的“尖刺狀”放電現象，結合圖5（a）和圖5（b）中放電量變化趨勢，可推測“尖刺狀”放電是由大脈沖放電導致.當加壓至33.5 kV，累計時間565 min 時，如圖7（g），PRPD 圖譜中全相位都出現了放電量，且最大放電量幅值為875 nC 左右，為前一階段最大放電量幅值的40 倍左右，但后續的放電量較擊穿前的放電量并未有太大變化，說明在該電壓、時間節點下，電纜終端試樣內部EPR 絕緣性能已顯著降低，可能處于臨界擊穿的狀態.

圖7 放電持續階段PRPD 譜圖隨時間演變Fig.7 Time-dependent evolution of PRPD spectra in discharge duration stage

圖8 為臨近擊穿階段PRPD 譜圖隨時間演變圖，其施加電壓為35.5～37.5 kV，時間段為620～820 min.需要說明的是：由于在565 min 時發生EPR絕緣性能顯著下降，臨界擊穿后，PRPD 圖譜出現了全相位放電，導致后續的放電量變化無法在圖譜中展示，故文中將565 min 前的累計圖譜清空后，重新記錄放電信息.PRPD 譜圖的變化.

重新記錄的PRPD 譜圖如圖8（a）所示，正、負半周放電量幅值基本一致，最大放電量幅值穩定在13 nC 左右，圖案均呈“火焰狀”分布.在640～670 min 時段內出現了3 次大脈沖放電，如圖5（c）中矩形虛線框所示.此時的PRPD 累計圖如圖8（b）所示，放電量再次全相位出現，且幅值高達630 nC左右，為前一時刻放電幅值的48 倍左右.

圖8 臨近擊穿階段PRPD 譜圖隨時間演變Fig.8 Time-dependent evolution of PRPD spectra in near-breakdown stage

將670 min 時的PRPD 譜圖清零，圖8（c）為清零后20 min 內累計的PRPD 圖像，此時圖像與628 min時的圖像形狀近似，但其圖像外圍放電增加，最大放電量幅值穩定在30 nC 左右.

在720～820 min 時間段內，PRPD 譜圖開始呈現出特殊規律性.由圖8（d）～（g）中可看出，正、負半周圖案呈現略微“右傾”趨勢，且在負半周圖案下方有一缺口，如圖8（g）虛線框所示.隨著時間變化，譜圖中最大放電量基本穩定在400 nC 左右.

820 min 時，終端試樣內部發出“砰、砰······”聲，停止試驗，對EPR 電纜缺陷處進行了解剖.解剖發現外絕緣管上無明顯現象，而在內層應力管、氣隙缺陷附近的主絕緣區域炭化痕跡明顯，氣隙處絕緣被燒灼、炭化痕跡明顯.

2.4 終端試樣氣隙缺陷放電特點分析

在EPR 絕緣氣隙缺陷處發生局部放電需要兩個先決條件：1）氣隙內存在激發電子產生放電；2）氣隙處場強達到臨界擊穿場強[13].

對于條件1），激發電子由外界光輻射或前一次局部放電遺留的空間電荷脫陷產生；對于條件2），氣隙處的場強Eg，主要取決于外施場強E0和氣隙內表面電荷累計的反向場強Er，如圖9 所示，其中Eg=E0?Er.

圖9 絕緣內部氣隙放電機理Fig.9 Mechanism of air-gap discharge in insulation

條件1）中，對于光致電離，情況較為復雜，隨機性太大，文中未做分析，而主要考慮前一次局部放電遺留的空間電荷脫陷形成激發電子的作用，電荷脫陷的概率分布服從Richardson-Schottky 定律[14]：

式中：P(t)為時刻t激發電子脫陷概率；Ne(t)為時刻t氣隙表面可脫陷的電子數；E(t)為時刻t氣隙內電場強度；ξ為絕緣介質表面對電子的吸收率（ξ<1）；t0為初次電子激發時刻；q0為時刻t0的一次放電量；φ為絕緣介質表面脫陷功函數；τ為消逝常數；e為基本電荷；ν0為光電離常數；K為玻爾茲曼常數；T為溫度；ε0為真空介電常數.

條件2）中，E0由外施電壓決定，Er由累積在氣隙內壁的電子數量決定，而氣隙內壁電子數量又由內壁電子的累積速度和消散速度決定.累積速度取決于前一次放電脈沖的強度，放電脈沖越強，累積電子數量越多[15].電子消散速度取決于三方面[16-18]：1）與上一次局部放電累積的正電荷中和；2）外施交流電極性反轉時表面累積電子脫落；3）通過介質電導注入電極.

試驗過程中，隨著開始加壓至15.0 kV，在施加電壓的正半周，E0逐漸增大，放電量幅值隨之增大；Er逐漸增大，Eg逐漸減小.根據式（1），電子從氣隙表面脫陷概率減小，此時減緩了放電的產生；而當到達電壓正半周峰值附近時，Er相對于E0可忽略，放電量幅值又有了新的增長，故在放電正半周，圖譜呈現“兔耳狀”.在施加電壓的負半周，由于施加電壓極性反轉，使得累計在氣隙內部的電荷脫落，增加了激發電子的數量，故在放電負半周，圖譜呈現放電較為密集的“火焰狀”.當加壓至23.0 kV 時，正半周的Er相對于E0可忽略，故“兔耳狀”放電逐漸演變為“火焰狀”放電.

在加壓25.0～37.0 kV 時，原本分布密集的小幅值脈沖放電活動增強，放電幅值增加并有分布稀疏的大幅值脈沖放電出現，使得譜圖在形式上出現“尖刺狀”的放電特征，同時放電過程中在氣隙內壁積累了較多的電荷，增大了Er，減小了Eg，根據式（1），Eg減小導致激發電子脫陷概率減少，抑制了下一次放電過程中放電量的增長，從而出現了2.2 節中所顯示的“激發、抑制”現象.

3 圖像金字塔的GLCM 特征提取

3.1 圖像金字塔GLCM 方法分析

通過以上分析可以看出，PRPD 譜圖在各個放電階段不同時間節點的形狀都有一定的特征，因此如何正確地提取出這些特征信息，并如何準確反映電纜終端內部絕緣狀態，成為了提高EPR 電纜運行可靠性的關鍵.

目前，針對圖像特征提取的方法主要通過顏色、紋理、形狀、空間關系來實現，而紋理特征由于其既包含了圖像表面結構組織排列信息，又包含了單個像素與周圍環境的聯系被廣泛應用.灰度共生矩陣（gray-level co-occurrence matrix，GLCM）作為紋理特征提取中一個重要的方法，反映了圖像在方向、間隔、變化幅度及快慢上的綜合信息，但GLCM 方法忽略了局部特征之間的空間排列信息[19]，本文中為了彌補這一不足，在GLCM 方法上結合多尺度分析，構建了基于圖像金字塔的GLCM 特征提取方法.

本文中所使用的圖像金字塔為Gaussian 金字塔，建立Gaussian 金字塔圖像序列的方法如下[20]：

設原圖像為G0，以G0作為Gaussian 金字塔的零層（底層），Gaussian 金字塔的k層Gk中各元素可用式（3）表示，首先將k?1 層圖像與低通窗口wm×n進行卷積，再把卷積的結果作隔行隔列的降采樣.

式中：wmn為wm×n的元素，wm×n為5×5 的窗口函數，如 式（4）所 示；Gk?1,(2i+m)(2j+n)為Gk?1的元素；L為Gaussian 金字塔頂層的層號；Cl為Gaussian金字塔第l層圖像的列數；Rl為Gaussian 金字塔第l層圖像的行數.

3.2 特征提取流程

為進一步清楚說明圖像金字塔GLCM 方法的原理及應用效果，本節以圖8（g）為例，給出基于圖像金字塔的GLCM 特征提取步驟如下：

步驟1將PRPD 譜圖幅值進行歸一化處理，其歸一化值如式（5）.

式中：q為放電量；qmin為放電量最小值；qmax為放電量最大值；

步驟2輸入原始圖像level0，原始圖像經高斯低通濾波和下采樣后構建Gaussian 金字塔圖像序列，圖像序列中接近底層的圖像（對應細的尺度）可以給出圖像中的許多小尺度的細節，而接近頂層的圖像（對應粗的尺度）可能僅表達了圖像中主要目標的特點，通常選取金字塔的層數為4 層.圖10 為所構造的金字塔圖像序列，其中：圖像level0、level1、level2、level3的大小分別為1024×1024、512×512、256×256、128×128 像素.

圖10 Gaussian 金字塔構建過程Fig.10 Gaussian pyramid formation process

步驟3將金字塔圖像序列中單張圖片壓縮為16 個灰度級；計算出在間隔d=1，角度θ=0，45°，90°，135°方向上的共生矩陣Q；將共生矩陣Q歸一化后求取特征參數.

在基于GLCM 的14 個紋理特征中，有3 個特征量——角二階矩（angular second moment，ASM）、熵（entropy，ENT）、對比度（contrast ratio，CON）——是不相關的[20]，故文中將這3 個紋理參數作為選取的特征量.表1 所示即為通過Gaussian 金字塔圖像系列所提取得到的部分特征參數.

表1 Gaussian 金字塔圖像系列特征Tab.1 Characteristics of Gaussian pyramid image series

3.3 特征量隨時間變化

基于3.1 節所述的特征提取方法，對氣隙缺陷下EPR 電纜放電全過程的PRPD 譜圖進行了特征提取與分析，繪制出多尺度PRPD 譜圖的各特征量隨時間變化的趨勢，如圖11 中所示.

圖11 多尺度下特征量隨時間變化趨勢Fig.11 Change tendency of features with time in multi-scale

由圖11 可以看出：

1）整個放電過程中，對于level0，從中提取的各特征量隨時間增長并無太大變化，近乎為直線，故對level0進行GLCM特征提取并不可取.

2）對于level1和level2，從中提取的特征量在放電前兩個階段的變化不明顯，而在臨近擊穿階段，各特征量隨時間變化明顯，ASM隨時間增長而下降，ENT 和CON 隨時間增長而增長，故對于level1和level2，從中提取的特征量可用來表征臨近擊穿階段.

3）對于level3，從中提取的特征量隨時間變化明顯，ASM 隨時間增長而下降，ENT 和CON隨時間增長而增長.綜合對比上述4 種特征參量與電纜終端試樣放電過程的映射聯系可知，對于level3，從中提取的特征量可較為準確地反映出試樣放電的狀態，因此使用level3進行特征參量的提取，能夠準確、有效地表征出放電階段的變化.

4 結 論

1）氣隙缺陷下，EPR 電纜試樣的放電過程可以根據放電量峰值、平均放電量、放電次數隨時間變化的趨勢分為3 個階段：放電發展階段、放電持續階段、臨近擊穿階段.

2）在放電發展階段，PRPR 譜圖呈現出“兔耳狀”和“火焰狀”；在放電持續階段，PRPR 譜圖呈現出“尖刺狀”；在臨近擊穿階段，PRPR 譜圖正、負半周圖案呈現略微“右傾”趨勢，且在負半周圖案下方有一缺口.

3）對于Gaussian 金字塔圖像序列，從原始圖像中提取的特征量不適合用來表征放電階段；從第1 層圖像和第2 層圖像提取的特征量僅適用于表征臨近擊穿階段；從第3 層圖像提取的特征量適合用來表征整個放電階段.