面向未來多電飛機的低氣壓下局部放電

張本棟，江軍，李治，李世民，張潮海

南京航空航天大學 多電飛機電氣系統工信部重點實驗室，南京 211106

隨著航空交通運輸的持續增長，航空業每年排放到大氣中的CO超過9億噸，巨大的能源消耗和溫室氣體排放加劇了全球能源危機與溫室效應。為了減少溫室氣體排放，降低石油能源消耗量，多電飛機(More-Electric-Aircraft，MEA)應運而生。多電飛機采用電能作為統一的機載二次能源，取代傳統飛機中的氣壓、液壓及相關機械部件，可以有效降低飛行重量、提升能源利用率。多電飛機以其經濟、節能、安全和便捷的優勢已經成為未來主要發展趨勢。

相比于傳統飛機，多電飛機供電系統需要更高的容量以實現各種機載設備穩定可靠地運行。經過幾十年的發展，多電飛機供電系統的容量已經由最初的幾十kV·A級別發展至現在的MV·A級別，隨著多電飛機的繼續發展，飛機供電系統的容量將會進一步提高。提升供電容量的方式主要有兩個：提高電流或者電壓。提高電流要求更粗直徑的導體電纜，這會加重飛機的飛行重量，增加能源消耗，因此目前飛機中提高供電容量的方式主要是提升電壓。波音B787供電系統中的電壓已經提高到 AC230 V、DC540 V，功率達到1 MV·A。為了進一步提高飛機供電系統的容量，未來多電飛機供電系統電壓將會提到幾千伏。飛機供電電壓的提升以及復雜的運行環境給飛機電氣系統絕緣帶來巨大的挑戰，極易導致絕緣系統發生局部放電(Partial Discharge，PD)甚至擊穿失效。因此，針對多電飛機絕緣薄弱點，亟待開展針對性的絕緣測試與局部放電分析和評估，以保障多電飛機安全穩定運行。

多電飛機絕緣系統在各種運行工況下容易失效，這已經引起了眾多學者的關注和重視。絕緣系統在不同環境參數老化下的壽命首先得到研究，Sili等探究了溫度、氣壓和濕度對聚酰亞胺薄膜壽命的影響，發現即使放電能量較高，當材料表面形成半導體層后，介質的強度仍然會得到加強。此外，壽命模型在不同氣壓下的適用性也得到了確認。然而，僅僅探究不同參數下的材料壽命是不夠的，這無法為多電飛機絕緣系統強度提供足夠的預警與評估。因此針對多種航空電纜的故障起始放電電壓(Partial Discharge Inception Voltage,PDIV)仿真計算、測量在文獻[13]中得到了探究，并提出一種基于最小PDIV的方法用以量化評估電纜的絕緣性能。但是，僅以PDIV作為絕緣的評估特征會存在較大的誤差，為提高評估精確性，更多的PD統計特征仍然需要進行考量。因此，電壓波形與頻率對多電飛機作動電機繞組放電的各種統計特征得到了探究，研究發現脈沖電壓下的放電強度要遠高于正弦電壓而頻率會降低放電幅值增加放電重復率。此外，Wang等針對航空推進電機繞組設置了不同的故障，探究了氣壓對PDIV及放電譜圖的影響，并利用放電的表面電荷、數目及相位等特征實現了不同PD源的分類與分離。目前，針對多電飛機低氣壓運行條件下的探究仍然主要集中于局部放電的PDIV特征分析，氣壓對PD放電幅值、次數以及相位等多特征的影響規律與機制尚不完全清晰，多電飛機不同放電位置的特征分析與對比探究也同樣缺乏。

基于此，本文面向多電飛機實際工況與運行場景，在實驗室搭建平臺，模擬了航空電機繞組放電與航空電纜對地放電兩種典型絕緣故障，在400 Hz正弦電壓、1～101 kPa氣壓范圍內進行了大量重復實驗，探究了氣壓對兩種絕緣故障PDIV、放電幅值、放電重復率以及相位分辨局部放電(Phase-Resolved Pcrtial Discharge,PRPD)譜圖等統計特征的影響，評估了不同氣壓下的絕緣放電風險，為多電飛機進一步向大功率高電壓方向發展的絕緣設計與故障診斷提供借鑒和參考。

1 故障模擬與實驗步驟

1.1 局部放電檢測實驗平臺

在實驗室搭建的局部放電檢測系統如圖1所示。系統主要由高壓電源、放電模型與腔體、數據采集單元以及氣壓控制模塊組成。高壓電源用于產生實驗所需的特定電壓幅值與波形，由信號發生器(RIGOL DG4102)與高壓功率放大器(TRek 20/20C-HS)串聯組成，所采用的放大器放大比例為2 000倍，壓擺率(10%～90%)不低于800 V/μs。放電模型與腔體用于模擬對應的放電缺陷并提供氣壓恒定的放電空間。數據采集單元分為局部放電數據采集與環境數據采集組成。局部放電脈沖由高頻電流互感器(High Frequency Current Transformer，HFCT)采集并由示波器進行存儲，所采用的HFCT檢測帶寬為0.3～100 MHz，示波器為Tektronix MDO3034，最大采樣頻率為2.5×10/s，帶寬350 MHz。環境數據采集(Data Acquisition，DAQ)由數據采集卡(NI USB-6343)與環境傳感器組成，用于氣壓(CH1)、溫度(CH2)和濕度(CH3)的采集顯示。氣壓控制由真空泵與氣壓微調針閥組成，可實現腔體內部氣壓大小的準確控制。

圖1 實驗平臺與連接示意圖Fig.1 Experimental platform and connection diagram

1.2 典型絕緣缺陷模擬與氣壓選擇

隨著多電飛機進一步向大功率、高電壓方向發展，飛機的供電電壓將會提升至kV級別，飛機中部分高電壓、小間隙位置將會面臨更高的絕緣風險，其中以航空電機繞組放電以及電纜對地放電尤為嚴峻。為了模擬對應的故障，根據實際情況設置了兩種不同的故障模型如圖2、圖3所示。

電機繞組放電模型制作過程依據IEC60851-5-2008，其繞制過程及模型示意圖如圖2所示。模型繞制采用的漆包線直徑0.51 mm，絕緣材料為聚酰亞胺，厚度0.025 mm，最高耐溫180 ℃。根據標準中的規格，0.51 mm的漆包線需要在125±5 mm的距離上相互扭絞12圈，限于裝置尺寸，選擇在60 mm的距離上相互扭絞6圈。

目前尚無相關標準涉及模擬航空電纜放電，考慮飛機微電網均以機殼作為負極或接地處，供電系統主要由高壓引線輸出，電纜與接地之間的絕緣狀況需要引起關注，因此設置了圖3結構的線板放電模型。電纜絕緣材料為聚四氟乙烯(Poly Tetra FluoroEthylene，PTFE)，PTFE電纜直徑2.1 mm，內部導體直徑1.7 mm，絕緣層厚度0.2 mm。PTFE電纜平整放置于平滑板電極之上，兩端用固定貼進行固定，中間放電區域長度為60 mm。

所有線纜及放電平面在實驗前均用酒精試紙進行擦拭并晾干，以消除表面靜電及雜質對放電的影響。

圖2 航空電機繞組放電模型Fig.2 Turn-to-turn discharge model in aviation machine

圖3 電纜對地放電模型結構示意圖Fig.3 Structure setup of cable-to-ground discharge model

多電飛機的飛行高度可從地面至萬米的高空，飛機在運行過程中會經歷寬泛的氣壓變化范圍，因此確定氣壓研究范圍對研究結果具有重要意義。不同高度下氣壓值的經驗公式為

(1)

式中：為高度；()為高度下的氣壓值；(0)=101.3 kPa為地面氣壓；=298.15 K為常溫;=6.5×10K/m;=29.271 m/K。

根據式(1)繪制不同高度下的氣壓變化曲線如圖4所示，可以看到隨著高度的上升，氣壓逐漸降低且呈現出先快后慢的變化趨勢。當海拔高度為25 km時，氣壓在10 kPa以下，在考慮一定裕量的基礎上將最低氣壓定為1 kPa，研究氣壓點選取為101.3、80、50、30、10、1 kPa。

圖4 不同海拔高度對應的氣壓值Fig.4 Air pressure at different altitudes

1.3 實驗測量程序

實驗測量主要包含起始放電電壓測量與放電數據采集兩部分。為了盡可能消除人為測量帶來的主觀誤差，設計了基于Labview的PDIV自動測量系統，程序控制示意圖如圖5所示。利用Labview控制信號發生器以實現輸出電壓的自動控制。HFCT及示波器被用來檢測放電是否產生。實驗時每次增加電壓100 V，加壓后采集回路監控是否有局部放電產生，若30 s內有局部放電產生，則記錄此時電壓，若沒有放電產生，則繼續加壓直至產生放電。相同條件下重復測量5次，取5次平均值作為最終PDIV。

圖5 PDIV自動測量程序示意圖Fig.5 Scgematic diagram of program of PDIV automatic measurement

局部放電脈沖數據采集時，首先將電機繞組放電模型連接于電路之中，將氣壓調節至大氣壓，根據PDIV測量結果將電壓調節為大氣壓PDIV的125%左右，頻率為400 Hz，之后保持電壓及頻率不變，確認發生放電后連續采集200周期放電數據。通過改變氣壓，采集不同氣壓下的放電數據。當所有氣壓下的數據采集完成后，更換為電纜接地故障模型，重復以上數據采集步驟。所有實驗結束后，采集數據均存入PC待進一步處理與分析。

2 實驗結果

2.1 不同氣壓及故障下的PDIV

通過測量不同模型及氣壓下的PDIV，以評估不同環境條件下的絕緣水平，根據1.3節中的步驟，得到不同故障及氣壓下的PDIV如圖6所示。

圖6 不同故障下PDIV隨氣壓變化曲線Fig.6 Variation curves of PDIV with air pressure under different failures

不同故障下的PDIV均隨氣壓的降低呈直線降低。當氣壓為大氣壓時，電機繞組放電的PDIV為2.02 kV，氣壓降至1 kPa時，PDIV降至0.90 kV，僅為大氣壓下的44.6%。當模型為電纜對地放電時，大氣壓下的PDIV為5.14 kV，1 kPa 下降至1.5 kV，降低幅度為70.8%，這說明氣壓對PDIV具有較大的影響。此外，在同一氣壓下，電纜對地故障的PDIV要高于電機繞組放電。

2.2 不同氣壓及故障下的放電幅值與次數

為了確定多故障在不同氣壓下的放電強弱規律，提取了200個周期的放電脈沖并計算了不同氣壓下的平均放電幅值、最大放電幅值、放電重復率及累積放電幅值如圖7～圖10所示。圖7為不同故障下平均放電幅值隨氣壓變化曲線，由圖可以看出，隨著氣壓的降低，平均放電幅值呈現出先升高后降低的變化趨勢，在50 kPa或者30 kPa氣壓下出現最大的平均放電幅值。氣壓低于30 kPa 時，隨著氣壓的降低，平均放電幅值呈現出較快的下降趨勢，1 kPa下電機繞組平均放電幅值為0.13 V，遠低于30 kPa下的1.15 V與101 kPa下的0.68 V。氣壓對電纜對地放電的影響趨勢與電機繞組放電基本相同，但不同氣壓下的電纜對地平均放電幅值均高于電機繞組放電幅值。

圖7 不同故障下的平均放電隨氣壓變化曲線Fig.7 Variation curves of average discharge amplitude with air pressure under different failures

圖8為不同故障下最大放電幅值隨氣壓變化曲線，隨著氣壓的降低，不同氣壓下最大放電幅值總體上呈現出先升高后降低的趨勢，與平均放電幅值變化趨勢基本一致。電機繞組放電在 50 kPa 下出現最大的放電幅值，而電纜對地放電在30 kPa下出現最高值。低壓低于30 kPa時，隨著氣壓降低，最大放電幅值同樣呈現出較快的下降趨勢，不論是電機繞組放電還是電纜對地放電，1 kPa下的最大放電幅值均低于大氣壓下的最大放電幅值。通過對不同氣壓下的放電幅值進行分析，可以看出隨著氣壓的下降，放電幅值基本均呈現先上升后降低的趨勢，最高點一般出現在50 kPa或者30 kPa。

不同氣壓和故障下的放電重復率如圖9所示。隨著氣壓的降低，兩種絕緣故障下的放電次數均呈現出逐漸升高的趨勢。1 kPa下，電機繞組放電重復率為11.6×10s，為大氣壓下的5.3倍。電纜對地放電在1 kPa下的放電重復率為20.8×10s，為大氣壓下的5.5倍。此外，在相同氣壓下電纜放電重復率均高于電機繞組放電重復率。

圖8 不同故障下的最大放電隨氣壓變化曲線Fig.8 Variation curves of maximum discharge amplitude with air pressure under different failures

圖9 不同故障下的放電重復率隨氣壓變化曲線Fig.9 Variation curves of discharge repetition rate with air pressure under different failures

局部放電導致的絕緣損傷與放電幅值和次數均有緊密的關系，為了衡量不同環境下的局部放電損傷程度，統計了不同故障下的每秒累積放電幅值如圖10所示。無論是電機繞組放電還是電纜對地放電，隨著氣壓的降低，累積放電幅值均呈現出先增加后降低的趨勢，在30 kPa處出現累積放電幅值最大點。由于平均放電幅值的降低，1 kPa 下的電機繞組累積放電幅值(3.8 kV/s)低于大氣壓下的累積放電幅值(6.2 kV/s)。對于電纜對地放電，得益于低氣壓下放電重復率的增加，使得1 kPa下的累積放電幅值(25.8 kV/s)高于大氣壓下的累積放電幅值(10.1 kV/s)。此外，不同氣壓下電纜對地的累積放電幅值均高于電機繞組放電，在30 kPa下電纜對地累積放電幅值為電機繞組放電的1.9倍。

圖10 不同故障下累積放電幅值隨氣壓變化曲線Fig.10 Variation curves of cumulative discharge amplitude with air pressure under different failures

2.3 不同氣壓及故障下的PRPD譜圖特征

PRPD譜圖作為一種統計特征在不同條件下具有特定的差異，已經在模式識別與故障診斷方面得到重要應用。為了觀察不同氣壓及故障下的譜圖特征，繪制了不同條件下的PRPD譜圖如圖11和圖12所示。

電機繞組放電在不同氣壓下的PRPD譜圖如圖11所示?？梢钥吹?，隨氣壓降低，譜圖逐漸密集，正負半周譜圖形狀基本相同。譜圖形狀隨氣壓降低同樣發生變化，在101 kPa，譜圖形狀呈現出等腰三角形“▲”形狀，每側譜圖形狀基本對稱，當氣壓降至80 kPa時，譜圖形狀開始呈現出類似“兔耳朵”的“雙峰”特征。此后隨著氣壓降低，PRPD譜圖第2個峰值開始逐漸升高，當氣壓降至10 kPa時，半周期譜圖第2個峰值開始超過第1個峰值。當氣壓降至1 kPa時，半周期第1個峰值已不再明顯，甚至消失，譜圖開始重新呈現出單一“峰值”的特征。此外，隨氣壓降低譜圖相位出現明顯的偏移，在50 kPa時開始有放電脈沖偏移超過過零點，1 kPa時正負周期譜圖脈沖初始相位分別為-27.4°和152.8°。在相位寬度上，隨氣壓降低有增加的趨勢，在大氣壓時正半周譜圖相位寬度93.4°，1 kPa時正半周譜圖相位寬度增加至117.9°。

圖11 電機繞組放電在不同氣壓下的PRPD譜圖Fig.11 PRPD under different air pressures in turn-to-turn discharge

電纜對地放電在不同氣壓下的PRPD譜圖如圖12所示。當氣壓為101 kPa時，正負半周譜圖基本對稱，隨著氣壓降至80 kPa，正負半周譜圖開始存在“極性效應”，呈現出不對稱特征，負半周放電幅值高于正半周。當氣壓降至30 kPa時，譜圖的“極性效應”最明顯，負半周放電脈沖幅值明顯高于正半周。隨著氣壓的繼續降低，“極性效應”開始減弱，當氣壓降至1 kPa時，“極性效應”已不再明顯。電纜對地放電PRPD譜圖同樣存在明顯的相位偏移特征，1 kPa時電纜對地放電PRPD譜圖正負周期脈沖初始相位分別為-39.3° 和140.9°，明顯早于電機繞組放電起始相位。在相位寬度上，電纜對地放電PRPD譜圖變化規律也與電機繞組放電PRPD譜圖相同，隨氣壓降低相位寬度逐漸增加，在大氣壓時正半周譜圖相位寬度109.1°，1 kPa時正半周譜圖相位寬度增加至133.8°。

圖12 電纜對地放電在不同氣壓下的PRPD譜圖Fig.12 PRPD under different air pressures in cable-to-ground discharge

3 分析與討論

3.1 氣壓對PDIV影響機理

氣壓的降低會導致局部放電PDIV的快速降低，根據理想氣體的狀態方程，當體積及溫度不變時，氣壓的降低，直接導致空氣中質點數目的減少，而放電間隙質點數目的多少直接影響到放電過程中電子平均自由行程的大小。

電子平均自由行程與氣體的性質(分子的大小等)及氣壓的大小密切相關，當氣體分子種類一定時，電子平均自由行程正比于/，即

(2)

式中：為標準大氣壓和室溫條件下的電子平均自由行程;為壓力;=101.3 kPa為標準大氣壓；為溫度;=298.15 K為室溫。

由于電子平均自由行程較小，在電子移動的距離內可以認為電場恒定，因此自由電子在移動的距離上獲得的能量為

(3)

式中：為基本電荷量;為電子移動區間內的平均電場強度;為電子平均自由行程與電場方向的夾角。

由式(3)可知，Δ與氣壓成反比，與溫度成正比。當溫度一定時，氣壓越低電子在自由行程距離內獲得的能量也就越高，因此碰撞時電子將具有更高的能量，更易引起碰撞電離引發放電，所以低氣壓下局部放電更容易發生，威脅多電飛機絕緣系統安全。

3.2 放電間隙電場變化模型

氣壓對局部放電統計特性的影響是多方面的，這可以從放電幅值隨氣壓的變化曲線中得到體現(圖7和圖8)。為了確定氣壓對放電統計特征的影響，首先建立正弦電壓下不同場強的疊加模型。

由于放電過程會在氣隙中間產生帶電質點，主要有電子、正離子和負離子，當施加電壓為交流電壓時，存在電壓極性的改變，由于帶電質點的移動不是瞬間完成的，當電壓極性變化時，帶電質點存在移動時差，從而造成不同電場的疊加，在不同相位時刻會促進或抑制放電的發生，圖13為施加信號為正弦時一個周期下的電場變化過程，圖中為氣隙場強，為外加電壓場強，為積累電荷場強。根據不同時刻外加電場與空間積聚電荷的極性，可以將半個周期分為2個過程：第1個階段位于正弦電壓正半周過零點之后，此時A端導體電壓高于B。由于帶電質點的移動需要時間，此時正電荷仍然積聚在A極附近，在此階段與外電場同向，氣隙承受的電場=+。第2階段位于正弦電壓正半周的后半部分，電荷電場極性發生翻轉，場強與電荷場強的反向疊加，即=-。正弦波形負半周期電場變化情況與正半周期相同，僅方向相反，不再重復分析。

圖13 一個周期中的電荷變化與電場疊加示意圖Fig.13 Diagram of charge change and electric field superposition in one cycle

根據以上分析過程，當沒有放電發生，且施加電壓幅值及頻率恒定時，空間的積聚電荷幾乎保持不變，正弦電壓下正半周期中的氣隙場強與外加場強如圖14所示，圖中為施加電壓角速度，為時間。由于空間電荷的存在，使氣隙場強發生了畸變，過零點之后的一段區域內氣隙場強得到加強，使放電更容易發生，而其余部分氣隙場強得到削弱，使放電不易發生。因此，放電脈沖主要集中于正弦波形正半周期的前半段，而后半段放電較弱。

圖14 氣隙場強與外加場強變化模型Fig.14 Variation model of air gap field strength and applied field strength

3.3 氣壓對放電幅值和次數的影響分析

氣壓的變化會導致氣隙場強發生改變，從而影響到放電統計特征的變化。為了探討低氣壓環境對多電飛機絕緣系統放電的影響機理，首先建立起放電脈沖與電場變化的對應模型如圖15所示，其中為最小放電場強；為放電后的氣隙殘余場強；Δ為放電時刻氣隙場強高出的場強值；為有效放電時間，表征半個周期內氣隙場強高出的時間；為放電延遲時間；為氣隙恢復時間；放電幅值與、Δ及的大小密切相關，而放電次數與和的大小密切相關。

由圖7可知，隨著氣壓的降低，PDIV與氣壓呈正比變化。由于和與PDIV的大小密切相關，當放電間隙距離不變時，與將會隨PDIV的大小同步變化。

圖15 氣隙場強變化與放電脈沖示意圖Fig.15 Model of air gap field strength variation and discharge pulse

放電幅值大小與放電時刻場強降落Δ+-呈正相關，放電時場強降落越大，放電幅值越高。當外加電壓幅值不變時，氣壓降低，導致氣隙殘余電場降低，放電時刻的場強降落Δ+-將會更大，因此隨著氣壓降低，放電幅值會更高，加大局部放電對多電飛機絕緣系統的損傷。此外，的減小將會使有效放電時間增加并提早放電脈沖的產生時刻。更早的放電脈沖將會促使積累電荷場強更早完成翻轉，使氣隙場強發生變化。根據電場疊加方式的不同，可以將放電區域分為積累電荷場強與外加場強同向疊加形成的Ⅰ區域，積累電荷場強與外加場強反向疊加形成的Ⅱ區域。在相同下，Ⅱ區域的氣隙場強要遠低于Ⅰ區域，Ⅱ區域的放電強度也要低于Ⅰ區域。隨著氣壓的降低，Ⅰ區域逐漸減小而Ⅱ區域逐漸增加，當氣壓降至10 kPa及以下時，主要放電區域為Ⅱ區域，因此1～10 kPa范圍內放電幅值會呈現低于30 kPa，兩方面的共同影響，導致隨著氣壓的降低，放電幅值呈現出先增加后降低的趨勢。

放電次數的變化主要受有效放電時間與氣隙恢復時間的影響。與對放電次數的影響可表示為

(4)

式中：為比例系數。

有效放電時間越長，氣隙恢復時間越短，放電次數也就越多。當氣壓降低時時，的減小使半個周期內的有效放電時間增加，使更多的時間存在放電可能。此外，的減小同樣使氣隙恢復時間減小，單次放電用時縮短。因此，兩方面影響因素共同導致低氣壓下放電次數增加。

4 結 論

1) 低氣壓會導致PDIV的降低。隨著氣壓降低PDIV幾乎呈直線降低，兩種絕緣缺陷在1 kPa 下的PDIV均不足大氣壓下PDIV的50%。因此針對多電飛機的運行工況，低氣壓下的局部放電更容易發生，其絕緣狀況更值得關注。

2) 氣壓對放電幅值和次數存在非單一性的影響。隨著氣壓降低平均放電幅值、最大放電幅值及累積放電幅值均先增加后減小，在30 kPa會出現最大的累積放電幅值，而放電重復率隨著氣壓降低會逐漸增加。當開展絕緣耐受性測試時，30 kPa氣壓下的實驗數據更有參考意義。

3) 不同絕緣缺陷的結構均會影響PRPD譜圖的特征。電機繞組放電PRPD譜圖形狀以“兔耳朵”為主要特征，正負周期形狀基本對稱。電纜對地放電PRPD譜圖以“極性效應”主要特征，負周期放電脈沖高于正周期。不同氣壓及缺陷下PRPD譜圖特征的差異性將有助于開展未來多電飛機電氣系統局部放電引起的模式識別與故障診斷。

4) 低氣壓環境下空間帶電質點的碰撞與運動是局部放電統計特征變化的主要原因。低氣壓環境下電子平均自由行程增加導致PDIV降低，不同氣壓條件下最小放電場強、有效放電時間、氣隙恢復時間、延遲時間以及不同電場疊加的變化相互作用共同影響了放電幅值、放電次數和譜圖的變化規律。