乙丙橡胶电缆终端气隙局部放电过程及特征提取

郭 蕾，曹伟东，白龙雷，邢立勐，项恩新，周利军

（1.西南交通大学电气工程学院，四川 成都 611756；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

乙丙橡胶（ethylene propylene rubber，EPR）电缆作为高速列车的电力传输媒介，其绝缘状况与高速列车的安全、可靠运行息息相关.随着我国高速列车的蓬勃发展，EPR 电缆终端内部气隙缺陷所引发的局部放电现象日益引起关注和重视.现有研究表明[1-3]，电缆终端的制作及安装需要人工操作完成，极易因在终端内绝缘表面划切而造成气隙缺陷，引发缺陷处放电现象，在一定程度上加剧电缆击穿事故的发生和严重程度.研究和掌握EPR 电缆终端内部气隙缺陷的放电过程及特征，提高电缆终端的运行可靠性迫在眉睫.

近年来，国内外学者对各类缺陷存在情况下的交联聚乙烯电缆局部放电问题开展了深入的研究，其研究结果表明电缆局部放电过程中蕴含丰富的特征信息，可为诊断其绝缘状态提供重要参考.Alexander等[4]研究了交联聚乙烯绝缘与应力管间存在气隙情况下的放电过程，指出气隙中的空气在电场作用下不断发生老化分解，老化分解过程中会产生额外的电子和离子，该过程进一步加快了气隙击穿；刘刚等[5]研究了10 kV 交联聚乙烯电缆终端主绝缘含不同宽度气隙时的放电特性，指出气隙宽度越窄，该处电场畸变越大，更容易引发局部放电；姜芸等[6]研究了交联聚乙烯电缆接头部位含尖端缺陷时的放电特性，指出尖端处的电场畸变严重，且不同电压等级下的放电特性谱图有明显的差异，并根据二维小波变化提取了放电谱图特征；常文治等[7]针对硅橡胶和交联聚乙烯交界面处存在金属颗粒缺陷时的沿面放电特性开展试验，结果表明根据放电平均能量、总能量及放电次数可将放电过程划分为4 个阶段，且可从局部放电相位（phase resolved partial discharge，PRPD）谱图中提取出两个局部放电特征量.

目前，众多学者针对交联聚乙烯类型电缆的放电特性研究已开展了大量的工作，但由于EPR 电缆应用场所特殊，且前期的使用量较少，有关EPR 电缆及其终端内部缺陷的局放现象及特征提取的研究较为匮乏，尚无文献对终端内气隙缺陷的完整放电过程开展研究工作，给EPR 电缆绝缘状态的有效监测带来了困难.因此为保障包括高速列车在内的各类重要装备的可靠运行，亟需围绕EPR 电缆终端内部气隙缺陷的放电过程及特征提取开展研究.

文中采用高速列车用25 kV EPR 电缆制备了含气隙缺陷的电缆终端试样.通过测量系统记录了试样从起始放电到绝缘击穿全过程的放电参量，以及其PRPD 谱图的演化过程.根据放电参量的变化趋势将放电过程分为3 个阶段，通过Gaussian 金字塔和灰度共生矩阵对放电全过程的PRPD 谱图进行特征提取，并分析了其有效性.

1 试验设计

1.1 缺陷试样制备

试验样品由高速列车用EPR 材料型号为QTOJ30G-25 kV 的热缩型电缆制作完成.试验中，含缺陷试样的制作过程如下：

步骤1剥去电缆伞裙、外护套80 cm；剥去外屏蔽、外半导体层75 cm，露出主绝缘；截去端部绝缘7 cm，露出缆芯.

步骤2在EPR 绝缘上制作气隙缺陷：在绝缘表面上制作长×宽×深为100 mm×0.5 mm×1 mm的凹槽，以模拟在制作接头或终端过程中因制作人员操作不当使得橡胶绝缘受损，导致热缩管与绝缘间出现气隙的现象.由于目前并未有气隙缺陷制作的标准，上述气隙缺陷是参照行业经验和相关文献[8-9]所论述的方法进行制作的.

步骤3按照电缆附件制作规范，将电缆终端安装完成.需要说明的是，文中共制作了5 个相同试样进行了多次试验，文中的数据统计和分析过程均是在多组试样样本、多次试验的试验结果基础上进行的，并基于试验过程出现频率最多和最为典型的数据进行分析，以保证试验结果的可重复性及后文分析参数的普适性.

1.2 局部放电试验平台

试验中采用脉冲电流法对局部放电信号进行采集，试验接线如图1 所示，图中：试验变压器为TQSW 无局部放电工频试验变压器，其容量为10 kV•A，额定电压为100 kV；高压电阻阻值为400 MΩ；分压器的分压比为1000∶1；耦合电容为1000 pF；采用MPD 600 测量系统进行局部放电测试.

1.3 加压方式

为了研究气隙缺陷下EPR 电缆局部放电全过程的参数及特性，文中采用逐步升压法与恒压法结合的方式，该方式一方面是为了尽可能地模拟实际工况中EPR 电缆终端的受压方式，另一方面也可加速试样放电过程，起到缩减试验时间的作用，加压方式如图2 所示，其步骤如下：

步骤1缓慢升压至电缆试样出现起始放电，根据相关研究，将起始放电定义为测得的放电量高于背景放电量2 倍及以上，并维持1 min 左右[10]，由于试验在屏蔽大厅中进行，背景放电量稳定在5 pC左右，故当测得放电量在10 pC 或以上，并维持1 min时，即认为出现了局部放电活动.

步骤2在起始电压U0下持续1 h，放电参量无明显变化后，以2.0 kV 为升压步长继续加压并维持1 h，以该加压方式加压至37.5 kV 后，电压维持不变，直至试样击穿.

步骤3对击穿试样进行解剖并分析气隙缺陷下EPR 电缆的放电过程及特征.

2 气隙缺陷下局部放电特性分析

2.1 放电阶段划分

在整个放电过程中，对于同一放电参量，其幅值差很大，以放电量峰值Qpeak而言，在60 min 处的Qpeak值为86.493 pC，而在660 min 处的Qpeak值为340433.300 pC，增加了4 个数量级.为了清晰地反应在整个放电过程中放电参量的变化规律，文中对放电参量幅值取对数处理.图3 为放电过程中，放电量峰值Qpeak、平均放电量Qavg、放电次数N随时间变化的趋势图.

图3 Qpeak、Qavg、N 随时间变化Fig.3 Changes of Qpeak，Qavg and N with time

为了定量分析各曲线随时间变化的趋势，绘制出各曲线在10 min 内Qpeak、Qavg、N的幅值斜率绝对值随时间变化趋势图，如图4 所示.幅值斜率绝对值反映了10 min 内幅值的变化情况，由图中可看出：在0～280 min 内，随时间变化较为平缓，其值分布在0～0.02 间，而和kN随时间变化略有波动，其值分布在0～0.04 间；在280～620 min 内，随时间变化波动均较大；在620 min 后，两条曲线在有两次波动后，其余时间均近乎为直线，虽然kN的变化趋势在620～720 min 内与280～620 min 内的变化趋势类似，但在720～820 min 内，三者随时间间变化趋势类似.

图4 、、kN 随时间变化Fig.4 Changes of ， and kN with time

基于以上分析，综合考虑Qpeak、Qavg、N三者的斜率绝对值随时间变化趋势，将整个放电过程分为3 个阶段，分别为放电发展阶段0～280 min、放电持续阶段280～620 min、临近击穿阶段620 min～.

2.2 各阶段放电量变化过程分析

图5 为整个放电过程中各阶段放电量随时间变化的趋势.由图中可知，在放电发展阶段，放电量总体上呈现增长趋势，幅值分布在20～200 pC，在每一个加压点，放电量都有不同幅度的激增，在270 min左右出现了幅值较为突出的脉冲放电，如图5（a）虚线椭圆框所示.

图5 放电量随时间变化Fig.5 Discharge output varing with time

在放电持续阶段，放电开始出现“激增、抑制”现象，即在每一次大脉冲放电出现后，后续的放电量被抑制，增长趋势变得平缓，如图5（b）虚线箭头所示，300～360 min 内出现大脉冲放电后，后续的放电变平缓，在440 min 和460 min 附近的放电量同样有上述的变化规律.而在565 min 左右，出现了810 nC左右的放电脉冲，表明此时电缆绝缘性能开始显著下降.在后续的一小时左右，即565～ 600 min 内，放电量变化的规律同样出现了“激增、抑制”现象.

在临近击穿阶段，在640、660、670 min 附近出现了较大脉冲放电，随后放电量稳定在100～300 nC间，且无放电量激增现象出现，同时终端试样内部发出“砰、砰······”沉闷声，并在820 min左右发生击穿现象.

2.3 各阶段PRPD 谱图变化过程分析

PRPD 谱图是局部放电检测手段中一个重要的工具[11-12].目前，大都只挑选了某个放电阶段内典型的PRPD 谱图作为该阶段的代表谱图进行分析，可以反映该放电阶段PRPD 谱图的大致形状，但是若一个放电阶段内PRPD 谱图变化不是规律变化，而是出现了多种形态，上述做法将会丢失大量放电信息.故文中通过测量系统对气隙缺陷下EPR 电缆从起始放电至击穿全过程的PRPD 谱图变化情况进行了记录和分析.

图6 为放电发展阶段PRPD 谱图随时间演变图，其施加电压U为13.5～21.5 kV，时间t为0～280 min.图中：红色线为施加的正弦波电压；绿色线为幅值为0 的电压（图7、8 同）.

图6 放电发展阶段PRPD 谱图随时间演变Fig.6 Time-dependent evolution of PRPD spectra in discharge development stage

从图6（a）可以看出：在开始加压60 min 内，放电量在10～133 pC，放电相位集中在[25°，133°]和[211°，295°]，正半轴的放电图案形似“兔耳状”，即图案呈现两边凸，中间凹的趋势；负半周的放电图案形似“火焰状”，即放电密集区域集中在低幅值区域中部，高幅值区域和低幅值区域边界的放电较为稀疏.图6（b）～（d）中放电量幅值、相位宽度随电压、时间有所增长，但其正、负半周图案形状与图6（a）类似.值得注意的是，在图6（e）中，正半轴图案不再是“兔耳状”，而演变为“火焰状”，同时，虽然负半周图案形似“火焰状”，但在其上方出现了一小簇放电，如图6（e）中虚线框所示，结合图5（a）中虚线框所示推测，此处的放电是由于激增的放电脉冲导致，同时这也是放电进入下一阶段的信号.

图7 为放电持续阶段PRPD 谱图随时间演变图，其施加电压为23.5～33.5 kV，时间段为280～620 min.对比分析图6（e）和图7（a）发现，图6（e）中的一小簇放电发展成为“尖刺状”放电，如图7（a）中虚线所示.不难发现，在图7（a）～（f）中都有明显的“尖刺状”放电现象，结合图5（a）和图5（b）中放电量变化趋势，可推测“尖刺状”放电是由大脉冲放电导致.当加压至33.5 kV，累计时间565 min 时，如图7（g），PRPD 图谱中全相位都出现了放电量，且最大放电量幅值为875 nC 左右，为前一阶段最大放电量幅值的40 倍左右，但后续的放电量较击穿前的放电量并未有太大变化，说明在该电压、时间节点下，电缆终端试样内部EPR 绝缘性能已显著降低，可能处于临界击穿的状态.

图7 放电持续阶段PRPD 谱图随时间演变Fig.7 Time-dependent evolution of PRPD spectra in discharge duration stage

图8 为临近击穿阶段PRPD 谱图随时间演变图，其施加电压为35.5～37.5 kV，时间段为620～820 min.需要说明的是：由于在565 min 时发生EPR绝缘性能显著下降，临界击穿后，PRPD 图谱出现了全相位放电，导致后续的放电量变化无法在图谱中展示，故文中将565 min 前的累计图谱清空后，重新记录放电信息.PRPD 谱图的变化.

重新记录的PRPD 谱图如图8（a）所示，正、负半周放电量幅值基本一致，最大放电量幅值稳定在13 nC 左右，图案均呈“火焰状”分布.在640～670 min 时段内出现了3 次大脉冲放电，如图5（c）中矩形虚线框所示.此时的PRPD 累计图如图8（b）所示，放电量再次全相位出现，且幅值高达630 nC左右，为前一时刻放电幅值的48 倍左右.

图8 临近击穿阶段PRPD 谱图随时间演变Fig.8 Time-dependent evolution of PRPD spectra in near-breakdown stage

将670 min 时的PRPD 谱图清零，图8（c）为清零后20 min 内累计的PRPD 图像，此时图像与628 min时的图像形状近似，但其图像外围放电增加，最大放电量幅值稳定在30 nC 左右.

在720～820 min 时间段内，PRPD 谱图开始呈现出特殊规律性.由图8（d）～（g）中可看出，正、负半周图案呈现略微“右倾”趋势，且在负半周图案下方有一缺口，如图8（g）虚线框所示.随着时间变化，谱图中最大放电量基本稳定在400 nC 左右.

820 min 时，终端试样内部发出“砰、砰······”声，停止试验，对EPR 电缆缺陷处进行了解剖.解剖发现外绝缘管上无明显现象，而在内层应力管、气隙缺陷附近的主绝缘区域炭化痕迹明显，气隙处绝缘被烧灼、炭化痕迹明显.

2.4 终端试样气隙缺陷放电特点分析

在EPR 绝缘气隙缺陷处发生局部放电需要两个先决条件：1）气隙内存在激发电子产生放电；2）气隙处场强达到临界击穿场强[13].

对于条件1），激发电子由外界光辐射或前一次局部放电遗留的空间电荷脱陷产生；对于条件2），气隙处的场强Eg，主要取决于外施场强E0和气隙内表面电荷累计的反向场强Er，如图9 所示，其中Eg=E0−Er.

图9 绝缘内部气隙放电机理Fig.9 Mechanism of air-gap discharge in insulation

条件1）中，对于光致电离，情况较为复杂，随机性太大，文中未做分析，而主要考虑前一次局部放电遗留的空间电荷脱陷形成激发电子的作用，电荷脱陷的概率分布服从Richardson-Schottky 定律[14]：

式中：P(t)为时刻t激发电子脱陷概率；Ne(t)为时刻t气隙表面可脱陷的电子数；E(t)为时刻t气隙内电场强度；ξ为绝缘介质表面对电子的吸收率（ξ<1）；t0为初次电子激发时刻；q0为时刻t0的一次放电量；φ为绝缘介质表面脱陷功函数；τ为消逝常数；e为基本电荷；ν0为光电离常数；K为玻尔兹曼常数；T为温度；ε0为真空介电常数.

条件2）中，E0由外施电压决定，Er由累积在气隙内壁的电子数量决定，而气隙内壁电子数量又由内壁电子的累积速度和消散速度决定.累积速度取决于前一次放电脉冲的强度，放电脉冲越强，累积电子数量越多[15].电子消散速度取决于三方面[16-18]：1）与上一次局部放电累积的正电荷中和；2）外施交流电极性反转时表面累积电子脱落；3）通过介质电导注入电极.

试验过程中，随着开始加压至15.0 kV，在施加电压的正半周，E0逐渐增大，放电量幅值随之增大；Er逐渐增大，Eg逐渐减小.根据式（1），电子从气隙表面脱陷概率减小，此时减缓了放电的产生；而当到达电压正半周峰值附近时，Er相对于E0可忽略，放电量幅值又有了新的增长，故在放电正半周，图谱呈现“兔耳状”.在施加电压的负半周，由于施加电压极性反转，使得累计在气隙内部的电荷脱落，增加了激发电子的数量，故在放电负半周，图谱呈现放电较为密集的“火焰状”.当加压至23.0 kV 时，正半周的Er相对于E0可忽略，故“兔耳状”放电逐渐演变为“火焰状”放电.

在加压25.0～37.0 kV 时，原本分布密集的小幅值脉冲放电活动增强，放电幅值增加并有分布稀疏的大幅值脉冲放电出现，使得谱图在形式上出现“尖刺状”的放电特征，同时放电过程中在气隙内壁积累了较多的电荷，增大了Er，减小了Eg，根据式（1），Eg减小导致激发电子脱陷概率减少，抑制了下一次放电过程中放电量的增长，从而出现了2.2 节中所显示的“激发、抑制”现象.

3 图像金字塔的GLCM 特征提取

3.1 图像金字塔GLCM 方法分析

通过以上分析可以看出，PRPD 谱图在各个放电阶段不同时间节点的形状都有一定的特征，因此如何正确地提取出这些特征信息，并如何准确反映电缆终端内部绝缘状态，成为了提高EPR 电缆运行可靠性的关键.

目前，针对图像特征提取的方法主要通过颜色、纹理、形状、空间关系来实现，而纹理特征由于其既包含了图像表面结构组织排列信息，又包含了单个像素与周围环境的联系被广泛应用.灰度共生矩阵（gray-level co-occurrence matrix，GLCM）作为纹理特征提取中一个重要的方法，反映了图像在方向、间隔、变化幅度及快慢上的综合信息，但GLCM 方法忽略了局部特征之间的空间排列信息[19]，本文中为了弥补这一不足，在GLCM 方法上结合多尺度分析，构建了基于图像金字塔的GLCM 特征提取方法.

本文中所使用的图像金字塔为Gaussian 金字塔，建立Gaussian 金字塔图像序列的方法如下[20]：

设原图像为G0，以G0作为Gaussian 金字塔的零层（底层），Gaussian 金字塔的k层Gk中各元素可用式（3）表示，首先将k−1 层图像与低通窗口wm×n进行卷积，再把卷积的结果作隔行隔列的降采样.

式中：wmn为wm×n的元素，wm×n为5×5 的窗口函数，如 式（4）所 示；Gk−1,(2i+m)(2j+n)为Gk−1的元素；L为Gaussian 金字塔顶层的层号；Cl为Gaussian金字塔第l层图像的列数；Rl为Gaussian 金字塔第l层图像的行数.

3.2 特征提取流程

为进一步清楚说明图像金字塔GLCM 方法的原理及应用效果，本节以图8（g）为例，给出基于图像金字塔的GLCM 特征提取步骤如下：

步骤1将PRPD 谱图幅值进行归一化处理，其归一化值如式（5）.

式中：q为放电量；qmin为放电量最小值；qmax为放电量最大值；

步骤2输入原始图像level0，原始图像经高斯低通滤波和下采样后构建Gaussian 金字塔图像序列，图像序列中接近底层的图像（对应细的尺度）可以给出图像中的许多小尺度的细节，而接近顶层的图像（对应粗的尺度）可能仅表达了图像中主要目标的特点，通常选取金字塔的层数为4 层.图10 为所构造的金字塔图像序列，其中：图像level0、level1、level2、level3的大小分别为1024×1024、512×512、256×256、128×128 像素.

图10 Gaussian 金字塔构建过程Fig.10 Gaussian pyramid formation process

步骤3将金字塔图像序列中单张图片压缩为16 个灰度级；计算出在间隔d=1，角度θ=0，45°，90°，135°方向上的共生矩阵Q；将共生矩阵Q归一化后求取特征参数.

在基于GLCM 的14 个纹理特征中，有3 个特征量——角二阶矩（angular second moment，ASM）、熵（entropy，ENT）、对比度（contrast ratio，CON）——是不相关的[20]，故文中将这3 个纹理参数作为选取的特征量.表1 所示即为通过Gaussian 金字塔图像系列所提取得到的部分特征参数.

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

3.3 特征量随时间变化

基于3.1 节所述的特征提取方法，对气隙缺陷下EPR 电缆放电全过程的PRPD 谱图进行了特征提取与分析，绘制出多尺度PRPD 谱图的各特征量随时间变化的趋势，如图11 中所示.

图11 多尺度下特征量随时间变化趋势Fig.11 Change tendency of features with time in multi-scale

由图11 可以看出：

1）整个放电过程中，对于level0，从中提取的各特征量随时间增长并无太大变化，近乎为直线，故对level0进行GLCM特征提取并不可取.

2）对于level1和level2，从中提取的特征量在放电前两个阶段的变化不明显，而在临近击穿阶段，各特征量随时间变化明显，ASM随时间增长而下降，ENT 和CON 随时间增长而增长，故对于level1和level2，从中提取的特征量可用来表征临近击穿阶段.

3）对于level3，从中提取的特征量随时间变化明显，ASM 随时间增长而下降，ENT 和CON随时间增长而增长.综合对比上述4 种特征参量与电缆终端试样放电过程的映射联系可知，对于level3，从中提取的特征量可较为准确地反映出试样放电的状态，因此使用level3进行特征参量的提取，能够准确、有效地表征出放电阶段的变化.

4 结 论

1）气隙缺陷下，EPR 电缆试样的放电过程可以根据放电量峰值、平均放电量、放电次数随时间变化的趋势分为3 个阶段：放电发展阶段、放电持续阶段、临近击穿阶段.

2）在放电发展阶段，PRPR 谱图呈现出“兔耳状”和“火焰状”；在放电持续阶段，PRPR 谱图呈现出“尖刺状”；在临近击穿阶段，PRPR 谱图正、负半周图案呈现略微“右倾”趋势，且在负半周图案下方有一缺口.

3）对于Gaussian 金字塔图像序列，从原始图像中提取的特征量不适合用来表征放电阶段；从第1 层图像和第2 层图像提取的特征量仅适用于表征临近击穿阶段；从第3 层图像提取的特征量适合用来表征整个放电阶段.