低温环境下不同车载电缆终端结构的局部放电试验研究

王伟敏，陈群静，周利军，薛长征，任小龙

（1.福建省电力有限公司检修分公司，福建 福州 350013；2.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031；3.桂林电器科学研究院有限公司，广西 桂林 541004）

0 引言

随着我国铁路行业的蓬勃发展，电力机车的安全性能越来越受到关注。中压电缆作为电力机车的重要部件，其正常工作是电力机车安全运行的重要保障。然而，在我国西北、东北、内蒙等低温环境地区下长期工作的电力机车上的电缆终端时常发生爆炸事故。根据电缆发生故障部位数据统计表明，电缆终端故障占线路故障的比例约为70%，其运行的好坏直接影响到电缆线路的安全运行[1]。因此，进一步了解在低温环境下电缆终端的局部放电机理，减少电缆终端局部放电产生的危害，对机车的正常运行具有重要意义。

局部放电特性可以有效表征电缆终端性能的好坏[2-8]。在电缆终端半导体断口处安装应力管或应力锥电缆附件，能有效改善半导体层断口处的电场应力分布[9-10]。在实际工况下，环境温度变化对电缆终端的性能具有重要影响[11-13]。D MUTO等[14]对应力锥进行了热循环测试，结果表明应力锥在温度变化的环境中也能表现出良好的性能。贾志东等[15]基于电缆温升试验平台，对电缆应力锥进行热分析，结果表明护套内层和外层的热稳态温度随电缆的载流量增加呈非线性递增关系。S GANGA等[16]基于光谱法研究了不同温度对应力管的影响，结果发现在不同温度和持续时间下，应力管会发生弹性形变导致应力管与主材料界面间形成气隙、裂纹和表面分层等缺陷。对于含应力管与应力锥的不同电缆终端结构性能，学者们已经做了大量试验与仿真，但是针对低温环境下含应力管与应力锥的电缆终端局部放电特性却未见报道。

本研究首先构建低温局部放电测试平台，在低温及常温下对含应力管与应力锥两种不同结构电缆终端的局部放电特性进行研究，从局部放电信号中提取特征量并分析不同结构电缆终端的性能。

1 试验

1.1 材料制备

选取电力机车现场运行工况与年限相近的6根电压等级为27.5 kV的乙丙橡胶电缆作为试验样品，其中有两种不同结构的电缆终端，一种为含有应力管的电缆终端，编号为G，如图1所示。另一种为含有应力锥的电缆终端，编号为Z，如图2所示。所有电缆的其他参数一致。

图1 含应力管电缆终端的横截面Fig.1 The cross section of cable terminal with stress tube

1.2 试验平台

低温局部放电测试系统如图3所示，试验平台中设有可达到-40℃的低温箱。其中，T1是调压器，T2为试验变压器，R为保护电阻，C1与C2均为比值为1:1000的分压电容，Cx为耦合电容，Rx为检测阻抗，测试仪为TE571型局部放电测试仪。另外，将电缆柔性终端置于低温箱内，并将电缆头浸入45#绝缘油中。试验平台的背景噪声低于10 pC。

图2 含应力锥电缆终端的横截面Fig.2 The cross section of cable terminal with stress cone

图3 低温局部放电测试回路Fig.3 Low temperature partial discharge test circuit

1.3 试验方法

在机车运行时A相与B相两根电缆分别轮流向机车供电。当其中一根电缆处于供电状态时，另一根电缆处于受压不受流的状态，如图4所示。此时，缆芯不产生焦耳热，使得电缆终端整体与环境温度保持一致。而在高寒地区运行时，低温会对受压不受流的柔性电缆终端内部绝缘材料造成影响。我国高寒地区在冬季的平均气温在-30℃左右，因此本研究低温设置为-30℃。

图4 车载电缆工况示意图Fig.4 Working condition of locomotive cable

为了模拟常温与低温环境，试验时将电缆的柔性终端分别置于25℃和-30℃的低温箱中，并放入45#绝缘油中保持24 h。对两种电缆终端进行以下3个试验。

试验1：将两种电缆柔性终端放入变温箱，温度分别设置为25、10、0、-10、-20、-30℃，将不同电缆终端样品在每个温度下进行局部放电试验，记录在各个温度下的放电起始电压(PDIV)与放电熄灭电压(PDEV)。

试验2：将两种电缆柔性终端分别在常温25℃与低温-30℃环境下进行升、降压试验。电压先从0 V开始，每次加压1 kV逐渐升压至50 kV，再从50 kV每次降压1 kV逐渐降压至0 kV，并在每个电压点耐压1 min测试稳定放电量。需要特别说明的是，当达到50 kV时需耐压8 min。为了保证数据的有效性，每组试验分别在相同条件下进行3次测试。

试验3：分别在常温25℃与低温-30℃条件下，将两种电缆终端在运行工作电压27.5 kV下持续工作180 min，观察局部放电量并记录数据。重复进行3组试验，结果取平均值。

2 试验结果

2.1 局部放电起始电压与熄灭电压

局部放电量大于或等于背景噪声的两倍时所对应的电压认为是起始电压，当局部放电量小于或等于背景噪声时所对应的电压认为是熄灭电压。不同温度下，G电缆终端与Z电缆终端的PDIV与PDEV分别如图5、图6所示。

图5 不同温度下G电缆终端的PDIV和PDEVFig.5 PDIV and PDEV of G cable termination under different temperature

图6 不同温度下Z电缆终端的PDIV和PDEVFig.6 PDIV and PDEV of Z cable termination under different temperature

从图5～6可以看出，不同温度下G电缆终端的PDIV、PDEV变化较大，在-30℃下其PDIV、PDEV相比常温环境下显著降低；不同温度下Z电缆终端的PDIV、PDEV变化较小，差异不明显。

2.2 局部放电量变化趋势

为了研究实际运行工况下不同结构电缆终端在常温与低温环境下局部放电特征的变化，将电缆终端置于25℃与-30℃下进行局部放电测试，试验持续180 min，结果如图7所示。从图7可以看出，在常温下G电缆终端在试验过程中的平均放电量为17～20 pC，Z电缆终端的平均放电量为14～16 pC，G电缆终端的平均放电量略大于Z电缆终端；在低温环境中，G电缆终端在试验过程中的平均放电量达到了40 pC左右，Z电缆终端在试验过程中的平均放电量为17 pC左右，G电缆终端的平均放电量比Z电缆终端的平均放电量多了一倍。

图7 不同温度下电缆终端的平均局部放电量变化趋势Fig.7 Change trends of average partial discharge capacity of cable termination under different temperature

2.3 局部放电统计特征分析

本研究提取局部放电信号中最大放电量(qmax)和平均放电量(qave)作为局部放电信号的特征量。每个相位段φi内的qave可通过式（1）计算。

式（1）中：N为所检测的工频周期总数；nis为第s个周期在相位段φi内的放电次数；qisj为第s个检测周期在相位段φi内第j次放电的放电量[17]。

常温及低温下G电缆终端局部放电的相位谱图分别如图8、图9所示。从图8可以看出，在常温下G电缆终端正半周的放电相位区间为39°～90°，在负半周的放电相位区间为216°～270°。G电缆终端在正半周的 qave、qmax与负半周的 qave、qmax大小相当，其中qave的最大值达到了19.2 pC，qmax的最大值达到25.3 pC，并且波形呈现“△”形状。从图9可以看出，在低温下G电缆终端正半周的放电相位区间为5°～90°，负半周的放电相位区间为184°～270°。G电缆终端在正半周的qave、qmax与负半周的 qave、qmax大小相当，qave最大值达到40.4 pC，qmax最大值达到54.2 pC。

图8 常温下G电缆终端局部放电的相位谱图Fig.8 Partial discharge phase spectra of G cable termination under room temperature

图9 低温下G电缆终端的局部放电相位谱图Fig.9 Partial discharge phase spectra of G cable termination under low temperature

对比图8与图9可以看出，试验温度的变化对G电缆终端的qave与qmax影响比较明显。当环境温度由常温变为低温时，正半周的放电相位区间从39°～90°扩大到 5°～90°，负半周的放电相位区间从216°～270°扩大到184°～270°，qave与qmax也增大近一倍。

图10 常温环境下Z电缆局部放电的相位谱图Fig.10 Partial discharge phase spectra of Z cable termination under room temperature

常温及低温下Z电缆终端局部放电的相位谱图分别如图10、图11所示。从图10可以看出，常温下Z电缆终端正半周的放电区间为70°～90°，负半周的放电区间为246°～270°。Z电缆终端在正半周的qave、qmax与负半周的 qave、qmax大小相当，其中 qave的最大值达到14.7 pC，qmax的最大值达到16.7 pC。从图11可以看出，低温下Z电缆终端正半周的放电区间为62°～90°，负半周的放电区间为240°～270°。Z电缆终端在正半周的qave、qmax与负半周的qave、qmax大小相当，其中qave的最大值达到15.1 pC，qmax的最大值达到17.6 pC

图11 低温环境下电缆Z局部放电的相位谱图Fig.11 Partial discharge phase spectra of Z cable termination under room temperature

对比图10与图11可以看出，试验温度的变化对Z电缆终端的放电相位区间以及qave、qmax的影响较小。试验温度由常温变为低温时，Z电缆终端的放电相位区间与放电量变化不大。

3 试验结果分析

3.1 局部放电特征量的提取

为了解局部放电发展、变化的特征规律，进一步分析局部放电相位统计特征谱图。本研究提取负半周的陡峭度(Ku-)、局部放电相位宽度两个局部放电特征量进行研究。负半周陡峭度(Ku-)用于描述某种形态的分布对比于正态分布（Ku-=0）形状的突起程度：如果Ku-＞0，则说明该频谱轮廓比正态分布轮廓尖锐陡峭；如果Ku-＜0，则说明该谱图轮廓比正态分布轮廓平坦[18]。负半周的陡峭度计算公式如式（2）所示。

式（2）中：xi表示第i相位纵坐标，可以是平均局部放电量幅值或者是放电重复率(n)。μ、σ、pi分别表示均值、标准方差以及第i相位上的概率。

不同温度下电缆终端局部放电相位区间如表1所示。从表1可以看出，当局部放电测试的环境温度由常温降为低温时，G电缆终端正半周的放电相位区间宽度从52°增大为86°，相位区间扩大了34°；负半周的放电相位区间从55°增大为87°，相位区间扩大了32°。而Z电缆终端正半周的放电相位区间从21°上升到29°，负半周从25°上升到31°，其相位区间差异不明显。表明当局部放电测试的环境温度由常温降为低温时，对G电缆终端的局部放电相位区间影响较大，G电缆终端在低温环境下的放电更加剧烈。

表1 不同温度下电缆终端局部放电相位区间Tab.1 Partial discharge phase of cables under different temperature

表2为不同温度下电缆终端结构局部放电谱图的负半周陡峭度Ku-。从表2可以看出，当局部放电测试的环境温度由常温降为低温时，对G电缆终端局部放电谱图的陡峭度影响更加明显，其中qave-φ谱图的陡峭度由23.09减小至11.12，qmax-φ谱图的陡峭度从20.5减小至9.67。而对Z电缆终端的局部放电谱图的负半周陡峭度Ku-影响很小。

表2 不同温度下电缆终端局部放电谱图负半周陡峭度Ku-Tab.2 The negative half cycle steepness Ku-of partial discharge spectra for cable termination under different temperature

3.2 影响局部放电的机理分析

为了更深入地了解长期在西北地区寒冷环境下电缆终端局部放电的机理，对局部放电比较明显的含应力管的电缆终端进行解剖，如图12所示。从图12可以看出，应力管内表面有条明显的放电气隙痕迹。应力管通常采用高介电常数的材料，而介电常数过大会引起电容电流产生热量，促使材料老化[19]；应力管在电场下长期运行，温度的变化也会使应力管的材料变硬老化使其不具备弹性，容易产生空隙缺陷而发生局部放电[20]。应力锥的原理是通过在电缆终端半导体层断口处增大填充半径来均化电场分布，应力锥采用半导体耐低温材料，其在低温环境下能保持良好的绝缘性能和力学性能[21]。

图12 电缆终端解剖图Fig.12 Dissection diagram of cable termina

文献[22-24]研究表明含应力锥的电缆终端在低温环境下运行时，依然能保持良好的弹性，这与本研究的结果相一致。因此，在低温环境下，含应力管的电缆终端比含应力锥的电缆终端更容易产生绝缘气隙，导致含应力管的电缆终端不能有效改善电缆终端屏蔽断口处的电场分布。

4 结论

（1）在低温环境下，含应力管的电缆终端比含应力锥的电缆终端更容易产生绝缘空隙，导致含应力管的电缆终端不能有效改善电缆终端屏蔽断口处的电场分布，使电缆终端发生放电发热击穿。

（2）低温环境对含应力管的电缆终端局部放电谱图特征的影响比含应力锥的电缆终端大，说明在低温环境下，含应力锥的电缆终端的性能优于含应力管的电缆终端。因此，建议长期运行在高寒地区的电力机车，需要着重关注并分析电缆终端结构在低温环境下的性能。