基于放電特性的動車組乙丙橡膠電纜絕緣老化表征參量及靈敏性研究

2020-06-10 06:12:08周利軍邢立勐白龍雷曹偉東項恩新梁大偉

中國鐵道科學 2020年3期

周利軍，邢立勐，白龍雷，曹偉東，項恩新，梁大偉，郭蕾

（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；3.國網浙江省電力有限公司建設分公司,浙江寧波 315012）

乙丙橡膠（Ethylene-Propylene Rubber,EPR）電纜因具有耐老化、耐電暈等優點,被廣泛用作動車組電纜絕緣材料［1-3］。但長期服役的EPR 電纜在不同地域運行時因負荷變化頻繁,常出現短時過載或超負荷狀態,再加上電纜終端處接觸電阻損耗問題,電纜產生大量熱量；同時,因EPR 電纜內部附件多層且絕緣較厚使其本身不能良好散熱而局部溫度升高,熱老化已成為EPR 電纜絕緣老化的主要因素；長期的熱應力作用消耗了抗氧化劑,EPR 絕緣分子鏈發生斷裂,加深絕緣劣化而產生凹陷、氣隙等,氣固界面材料的介電常數差異將引起界面電場分布不均勻,EPR 電纜極易發生局部放電而引發故障,嚴重威脅了動車組的安全運行,并造成了巨大的經濟損失［4-6］。因此,研究EPR電纜絕緣老化局部放電表征參量與電纜老化程度之間的對應關系,并提取能夠靈敏地反映絕緣狀態的表征參量,可為動車組的安全運行提供保障。

隨著國內外學者對電纜內部絕緣老化問題研究的深入,老化問題引發的局部放電現象得到學者們的廣泛關注,并提出一些分析及評估電纜絕緣老化狀態的方法。文獻［7-8］研究電纜絕緣不同位置及形狀的氣隙局部放電特征,認為相鄰的氣隙將促進局部放電,并對圓柱狀氣隙場強計算建立新的模型；文獻［9］基于脈沖序列分析法研究老化電纜絕緣的局部放電特征,結果表明相鄰的局部放電信號電壓差可有效地評估絕緣老化狀態；文獻［10］研究了電纜絕緣加速熱氧老化后的形態變化及介電性能,并將陷阱電荷量作為電纜絕緣老化狀態評估參量；文獻［11-12］探究了環境溫度等對EPR電纜絕緣沿面放電特征的影響,并基于放電特征建立了故障診斷模型；文獻［13-14］基于局部放電發展過程分析了放電相位、放電次數及放電幅值與電纜接頭絕緣狀態間的對應關系,為評估含氣隙缺陷的電纜接頭劣化程度提供了參考依據。目前,由于高速動車組整體運營時間較短及EPR 電纜局部放電機理的復雜性,關于根據局部放電表征參量判斷車載EPR 電纜老化后的絕緣狀態問題仍處于探索階段,缺乏可準確、靈敏且有效反映該類電纜絕緣老化程度的表征參量及評估方法。

本文搭建EPR 絕緣放電檢測系統,采用高速動車組專用EPR 電纜材料制備老化絕緣樣品,探索放電特征,提取放電表征參量,并根據EPR 電纜熱老化過程的發展、演變規律,分析表征參量反映老化程度的靈敏性,為有效評估動車組EPR 電纜的運行狀態提供重要參考。

1 放電檢測系統

1.1 EPR絕緣樣品的制備

為模擬動車組EPR 電纜絕緣放電的真實性,選取與25 kV 動車組電纜主絕緣相同的EPR 絕緣材料制成未硫化的橡膠片（簡稱EPR 片）。硫化前,用硫化機對EPR 片預熱1 min,然后將其放置在模具中并設定壓力為10 MPa、溫度為160 ℃,硫化10 min 后EPR 片厚度約1.5 mm。再用酒精擦拭干凈EPR 片表面的污跡和雜質后靜置12 h；將EPR 片分為A,B,C,D 等4 組,每組3 片,置于熱老化箱中,分別在120,135,150 和165 ℃下老化120 h。試驗前,將老化的EPR 片裁剪成長和寬均為100 mm的樣片,絕緣樣品制備完成。

EPR 絕緣材料耐熱等級為E 級［15］,由溫度每升高8～12 ℃、絕緣材料的絕緣壽命縮短一半的原則［11］可知,A,B,C,D 這4 組絕緣樣品分別近似等效為EPR 電纜絕緣在允許長期運行溫度90 ℃下運行960,1 920,7 680和15 360 h。

1.2 試驗平臺

根據動車組車載電纜絕緣實際承受電壓情況,采用更貼合EPR 電纜絕緣層附近電場分布規律的柱板電極系統對4 組絕緣樣品進行放電測試試驗［11］。基于脈沖電流法原理的試驗平臺測試電路如圖1所示,其中示波器采集放電信號并發送至服務器進行數據處理。為保證試驗結果準確性,測試前濾波去噪,使環境干擾降到10 pC以下。

1.3 試驗方法

圖1 試驗平臺測試電路

將制備完成的4組絕緣樣品分別放置于圖1所示的柱板電極系統下并浸入油中,首先以0.5 kV·s-1的速度升壓,當示波器可觀測到初始放電脈沖時,記當前電壓為起始放電電壓；在此基礎上利用階梯升壓法對樣品加壓［16］,以1.0 kV 的梯度逐級升壓并保持各級電壓30 min,每級電壓下采集5 次放電信息；由于升壓至15 kV左右,絕緣樣品表面易發生放電閃絡,為避免設備損壞,該電壓時立刻停止加壓,試驗結束后對放電脈沖和數據進行處理和分析。

階梯升壓法是對絕緣樣品放電老化的促進過程,與恒壓法具有相同效果且在短時間內可獲取更多的試驗數據［16］。

2 試驗結果

2.1 絕緣樣品放電痕跡

各組絕緣樣品具代表性的放電痕跡照片如圖2所示。

圖2 絕緣樣品放電痕跡

由圖2可知：放電痕跡從高壓電極沿絕緣樣品表面向外輻射延伸,痕跡末端呈分支、簇狀或曲線形生長且部分痕跡達到絕緣樣品邊緣；高壓電極附近電場強度最大,造成圓形區域內嚴重灼傷；A,B,C 和D 這4 組樣品被灼傷的區域及放電痕跡顏色依次加深,數量依次增多并呈現不同形態。

2.2 沿面放電過程劃分

為研究老化絕緣樣品的放電發展過程,統計4組絕緣樣品的平均放電量qave,總放電能量Wtotal隨放電時間的變化分別如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知：qave和Wtotal隨著時間的持續具有階段性,放電0～60 min（S1 階段）時qave和Wtotal增加不明顯,60～210 min（S2 階段）時qave和Wtotal明顯增加,210～300 min（S3 階段）時qave和Wtotal增加不明顯,300～360 min（S4 階段）時qave和Wtotal陡然增加,在放電360 min 后趨向平緩,若繼續增加放電時間,絕緣樣品在某一時刻極容易發生放電閃絡。

圖3 平均放電量qave 變化趨勢

圖4 總放電能量Wtotal變化趨勢

結合圖2分析,放電時間小于300 min,放電痕跡處于不斷生長中；放電時間超過300 min,部分放電痕將要延伸至絕緣樣品邊緣,形成完整的放電通道,放電能力增強。在相同放電階段,qave和Wtotal隨絕緣樣品老化程度加深而增加得更明顯。另外,相對于A,B,C 這3 組,D 組樣品進入下一放電階段的放電時間略提前,例如S2 至S3 階段約提前30 min。

綜合以上特征,將4 組絕緣樣品對應的放電過程S1,S2,S3,S4 階段分別命名為放電起始階段、放電發展階段、放電平穩階段、放電激發階段。結合圖2分析各放電階段下放電痕跡生長過程,表明S1階段絕緣樣品表面沒有出現明顯痕跡；S2 階段放電時間持續了約150 min,從柱電極有多條放電痕跡沿樣品表面向周圍發展且隨機性較強,隨放電持續,痕跡繼續延伸并增寬；進入S3階段,痕跡主干顏色加深并出現分支,初步形成的痕跡分支向周圍繼續擴散；S4 階段,部分分支痕跡繼續延伸的同時再分支,接近形成完整的放電通道；高壓電極附近的表面嚴重灼傷。

將在正半周的放電總能量記為Wtotal+,在負半周的放電總能量記為Wtotal-；計算相同放電時間下正負半周放電總能量差ΔW,則

其中,

式中：Um為當前測試電壓有效值；i為相位窗數；N為第i個相位窗相位φi處的放電次數；qin為相位φi處第n次放電量。

絕緣樣品正負半周期放電總能量差ΔW如圖5所示。由圖5可知：A,B,C 組樣品在放電0～150 min 內,ΔW快速增加且ΔW＞0,在放電150～270 min 內,A 和B 組絕緣樣品的ΔW無明顯增加且ΔW＞0,即在S3 階段結束前,正半周放電總能量大于負半周,在S2 階段前期正半周能量增加較負半周迅速,在S2 階段后期及S3 階段則負半周能量增長速度增加明顯；D 組樣品在放電0～120 min內,ΔW快速增加且ΔW＞0,較C 組樣品放電時間提前約30 min；C 和D 組樣品在放電150～240 min內ΔW快速減小,在放電240～270 min內ΔW＜0,即在S3 階段,負半周放電能量超過正半周,主要原因是C 和D 組樣品在S3 階段的負半周放電重復率大于正半周,負半周的總放電量超過正半周使正負半周總能量差發生反轉；在S4階段,負半周的總放電量又小于正半周,因此4組絕緣樣品的正半周總能量均大于負半周,由于S4 階段后期更接近放電閃絡,正負半周放電能量趨于飽和,所以ΔW隨放電時間增加的增長速率變平緩,并且隨老化程度加深而減小,其中D 組樣品的ΔW＜1.5×10-9J。

2.3 歸一化處理

圖5 正負半周期放電總能量差ΔW

放電量q—相位φ譜圖能夠清晰地反映放電量在各個電壓相位上的分布情況。為了更直觀地觀察絕緣樣品放電的分布特征,對放電量q進行極差歸一化處理［17］,計算公式為

式中：e為放電量q極差歸一化值；qi為相位φi上的放電量；qmax和qmin分別為1個工頻周期內放電量序列中的極大值和極小值。

AS1—DS4 依次為4 組絕緣樣品在S1—S4 階段的q—φ歸一化譜圖如圖6所示。

圖6 4組樣品在S1—S4階段的q—φ歸一化譜圖

由圖6可以看出：在S1 階段,4 組絕緣樣品均僅在正半周期產生稀疏放電量,隨著放電的發展,負半周產生放電量；在S2 和S3 階段,C 和D 組樣品的正半周末期至負半周發展出2 個放電相位區間；在S4 階段,D 組樣品在正半周的放電量分布于2 個相位區間；A 和B 組樣品的譜圖形狀近似于不規則的“三角形”,C 組樣品在S2 和S3 階段放電分布近似于不規則“梯形”,而D 組樣品從S2至S3 階段,放電譜圖形狀由近似“梯形”向“長條形”演變。4 組絕緣樣品在整個放電過中放電密度中心均向負半周轉移,其中在S3 階段,大幅值放電量及小幅值放電量分離程度隨老化程度加深而增大,S2 和S3 階段的放電重復率遠超過S1 和S4 階段；4 組絕緣樣品的放電相位寬度Δφ滿足ΔφS2≈ΔφS3≈ΔφS1+ΔφS4（ΔφS1,ΔφS2,ΔφS3和ΔφS4分別為S1,S2,S3和S4階段的放電相位寬度）。

3 絕緣老化表征參量及其靈敏性

3.1 正負半周放電偏斜度Sk+和Sk-

雖然q—φ歸一化譜圖可在一定程度上反映放電的分布特征,但是存在重復性差、非定量描述等不足之處。基于現有研究,采用與絕緣劣化程度有較大相關性的放電偏斜度Sk［17］對q—φ歸一化譜圖進行定量研究,其計算公式為

式中：μ為放電量的平均值；pi為第i個相位窗放電量出現的概率；δ為該放電階段下放電量序列標準差。

根據式（3）計算4 組絕緣樣品在各個放電階段q—φ歸一化譜圖的正負半周放電偏斜度Sk+和Sk-。偏斜度Sk可有效反映放電譜圖形狀相對于正態分布左右偏斜程度。一般地,Sk=0 時,放電譜圖形狀左右對稱；Sk＞0時,放電譜圖形狀向左偏；Sk＜0 時,放電譜圖形狀向右偏［18］。4 組絕緣樣品q—φ歸一化譜圖的偏斜度Sk變化趨勢如圖7所示。由圖7可以看出：大部分放電譜圖偏斜度Sk＜0；在相同放電階段,A,B,C 和D 這4 組絕緣樣品的偏斜度有SkA＞SkB＞SkC＞SkD,表明絕緣樣品老化程度越大,q—φ歸一化譜圖的偏斜度越小。

各組絕緣樣品的偏斜度Sk隨放電發展逐漸減小,圖7曲線在S1—S3 階段下降較快,在S3—S4階段下降較為平緩。究其原因是,在S1—S3 階段放電通道逐漸分支延伸并變寬,電荷不斷累積于放電通道內,持續放電增加了電荷沉積量,各階段復合電場發生改變,在電壓交變時降低了發生放電電壓,同時放電脈沖傳播的延時變長［16］,q—φ歸一化譜圖有右偏趨勢。在S4 階段,部分放電痕跡延伸至絕緣樣品邊緣形成成熟的放電通道,同時沉積的電荷趨于飽和,隨著放電持續,增加了放電傳播效率,抑制了右偏程度。

圖7 Sk變化趨勢

由于受二次電子發射的影響,樣品的Sk+的斜率變化總是大于Sk-。在S3 階段之前,A 和B 組樣品的Sk+與Sk-差值ΔSkA和ΔSkB均逐漸減小,而在S2 階段之前,C 和D 組樣品的Sk+與Sk-差值ΔSkC和ΔSkD也逐漸減小。A 與B 組樣品在S4 階段放電量逐漸飽和,放電譜圖較穩定,Sk+近似于Sk-；C和D 組樣品在S3 階段的負半周放電強于正半周,因此在該階段下ΔSkC和ΔSkD均明顯增大；在S4 階段,D 組樣品在相位［0,70°］范圍內發生放電,C 組樣品在此范圍內沒有放電,因此ΔSkD遠大于ΔSkC。

基于圖7偏斜度計算正負半周偏斜度差的絕對值|ΔSk|,記為正負偏斜相似度,如圖8所示。由圖8的正負偏斜相似度隨放電發展變化曲線發現,隨著樣品老化程度加深,在更早的放電階段存在|ΔSk|min（|ΔSk|min為正負偏斜最大相似度）,則老化程度越大絕緣樣品,其q—φ歸一化譜圖的正負半周偏斜在更早的放電階段達到最大相似度。這是由于4 組絕緣樣品的放電起始于正半周,隨著放電持續,老化程度較高的絕緣樣品放電發展更快,在放電持續更短的時間內,負半周便有放電量產生并放電重復率和放電量幅值快速增加,另外,也一定程度上縮短了相對于正半周放電的時延性［18］,于是正負半周偏斜度在更靠前的放電階段達到相似。

3.2 qmax— φ的改進型Z-score規范化處理

圖8 正負偏斜相似度差異

高溫老化造成分子鏈斷裂和放電發展促使絕緣劣化均將不同程度地降低EPR 絕緣性能。已有研究表明,最大放電量的分布能夠表征出電纜因缺陷或老化引起放電的強度差異變化,更為具體地判斷電纜絕緣狀態及其影響因素［17-18］。統計學定義Z-score規范化計算規范值z如下。

考慮到在不同放電階段,放電量等參數的變化顯著,為了使規范化后的結果更加具有對比性,此處針對放電數據的均值和標準差進行了改進,得到qmax- φ的改進型Z-score 規范化處理的計算公式如下。

式中：qmaxi為相位φi處最大放電量；為某組絕緣樣品S1—S4 階段的qmax平均值；σmax為某組絕緣樣品S1—S4階段的qmax標準差。

AS1—AS4分別為A組樣品S1—S4階段qmax-φ改進型Z-score 規范化處理的灰度圖,如圖9所示。圖中：正值表示該相位上放電強度相對較大,負值表示該相位上放電強度相對較弱。

記z＞0 為z+,計算z+頻數比例P（z+）表征樣品的整體老化狀態及隨放電發展劣化程度如圖10所示。由圖10可以看出：在S1 階段,4 組絕緣樣品的放電強度遠低于放電全過程的平均水平,z+出現的頻數近似于0；在S2 階段,A 和B 組樣品放電強度增大較明顯,P（z+）約為28%；C 和D組樣品放電強度也增大但相對全過程較低,P（z+）分別約為18%和15%；在S3 階段,C 和D 組樣品放電相位寬度增加,強度較大的放電重復率升高,使得P（z+）大幅度增加,其中D 組樣品達到62%,遠高于放電全過程平均水平；從S3 階段開始,4 組絕緣樣品均發展成高強度放電,尤其是C和D 組樣品表現最為明顯,而S4 階段以高強度放電為主。由此可見,持續放電時間超過210 min時,放電顯著地促進了絕緣樣品劣化。

圖9 qmax—φ的改進型Z-score規范化處理灰度圖

圖10 不同放電階段的P（z+）

利用最大正值zmax與樣品最大劣化程度對應,隨著放電發展各組樣品的zmax變化趨勢如圖11所示。由圖11可以看出：A 組樣品的zmax在S1—S3階段增長較慢,S3—S4 階段增長最快,其最大程度劣化在放電末期發展更迅速；B,C 和D 組樣品的zmax在S2—S3階段增長最快,增長速度分別約為A 組樣品的2,4 和8 倍,與絕緣樣品等效EPR 電纜絕緣在90℃長期運行相對應的壽命衰減倍數成正相關；其中C 和D 這2 組樣品由于整體老化程度較大,在S3 階段后期形成的放電通道較A 和B組樣品相對更完整,因此在S3—S4 階段,zmax增長速度明顯變緩,樣品最大程度劣化發展速率變緩慢。

圖11 不同放電階段的zmax

3.3 不同表征參量的靈敏性

由3.1 節可知,正負偏斜最大相似度|ΔSk|min可以作為判斷EPR 電纜絕緣老化程度的表征參量。為了驗證該識別方法的可行性,使用相同試驗平臺對在110,120,130,140,150 和160 ℃下老化50 片的6 組EPR 絕緣樣品進行PD 測試,6 組編號依次為E,F,G,H,I和J。統計各組樣品正負偏斜最大相似度|ΔSk|min在4 個階段出現的概率,并引入正負陡峭最大相似度|ΔKu|min比較,結果見表1。

表1 |ΔSk|min與|ΔKu|min在各階段分布的概率

由表1可知,處于不同老化狀態的EPR電纜絕緣的正負陡峭最大相似度分布很均勻,不能對EPR絕緣狀態做判斷,而|ΔSk|min隨著老化程度加深在更早的放電階段出現的概率均大于90%,從而證明了正負偏斜最大相似度|ΔSk|min對判斷EPR 絕緣老化程度反應更靈敏。

然而可能存在老化程度不同的絕緣樣品|ΔSk|min出現在相同放電階段的情況,導致老化判斷存在誤差性。分別計算E,F,G,H,I和J這6組絕緣樣品3 次試驗中S3 與S2 階段P（z+）差的平均值和zmax差的平均值計算S3 與S2 階段最大放電量qmax差的平均值為記F—J 組絕緣樣品壽命衰減程度為E 組的R倍。得到關系曲線分別如圖12和13所示。圖12顯示老化程度較大的絕緣樣品在S3 階段發生高強度放電時,相對于S2階段,P（z+）增加十分明顯；而圖13顯示了與R良好的正相關性,因此當|ΔSk|min出現在相同階段時,根據S2和S3階段的P（z+）與zmax變化,對EPR 電纜絕緣不同的老化程度進一步判斷；同時對放電促進EPR 電纜絕緣劣化情況進行判斷,結合正負偏斜最大相似度|ΔSk|min可提高判斷EPR 電纜絕緣老化程度的靈敏性。