基于放电特性的动车组乙丙橡胶电缆绝缘老化表征参量及灵敏性研究

2020-06-10周利军邢立勐白龙雷曹伟东项恩新梁大伟

中国铁道科学 2020年3期

周利军，邢立勐，白龙雷，曹伟东，项恩新，梁大伟，郭蕾

（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；3.国网浙江省电力有限公司建设分公司,浙江宁波 315012）

乙丙橡胶（Ethylene-Propylene Rubber,EPR）电缆因具有耐老化、耐电晕等优点,被广泛用作动车组电缆绝缘材料［1-3］。但长期服役的EPR 电缆在不同地域运行时因负荷变化频繁,常出现短时过载或超负荷状态,再加上电缆终端处接触电阻损耗问题,电缆产生大量热量；同时,因EPR 电缆内部附件多层且绝缘较厚使其本身不能良好散热而局部温度升高,热老化已成为EPR 电缆绝缘老化的主要因素；长期的热应力作用消耗了抗氧化剂,EPR 绝缘分子链发生断裂,加深绝缘劣化而产生凹陷、气隙等,气固界面材料的介电常数差异将引起界面电场分布不均匀,EPR 电缆极易发生局部放电而引发故障,严重威胁了动车组的安全运行,并造成了巨大的经济损失［4-6］。因此,研究EPR电缆绝缘老化局部放电表征参量与电缆老化程度之间的对应关系,并提取能够灵敏地反映绝缘状态的表征参量,可为动车组的安全运行提供保障。

随着国内外学者对电缆内部绝缘老化问题研究的深入,老化问题引发的局部放电现象得到学者们的广泛关注,并提出一些分析及评估电缆绝缘老化状态的方法。文献［7-8］研究电缆绝缘不同位置及形状的气隙局部放电特征,认为相邻的气隙将促进局部放电,并对圆柱状气隙场强计算建立新的模型；文献［9］基于脉冲序列分析法研究老化电缆绝缘的局部放电特征,结果表明相邻的局部放电信号电压差可有效地评估绝缘老化状态；文献［10］研究了电缆绝缘加速热氧老化后的形态变化及介电性能,并将陷阱电荷量作为电缆绝缘老化状态评估参量；文献［11-12］探究了环境温度等对EPR电缆绝缘沿面放电特征的影响,并基于放电特征建立了故障诊断模型；文献［13-14］基于局部放电发展过程分析了放电相位、放电次数及放电幅值与电缆接头绝缘状态间的对应关系,为评估含气隙缺陷的电缆接头劣化程度提供了参考依据。目前,由于高速动车组整体运营时间较短及EPR 电缆局部放电机理的复杂性,关于根据局部放电表征参量判断车载EPR 电缆老化后的绝缘状态问题仍处于探索阶段,缺乏可准确、灵敏且有效反映该类电缆绝缘老化程度的表征参量及评估方法。

本文搭建EPR 绝缘放电检测系统,采用高速动车组专用EPR 电缆材料制备老化绝缘样品,探索放电特征,提取放电表征参量,并根据EPR 电缆热老化过程的发展、演变规律,分析表征参量反映老化程度的灵敏性,为有效评估动车组EPR 电缆的运行状态提供重要参考。

1 放电检测系统

1.1 EPR绝缘样品的制备

为模拟动车组EPR 电缆绝缘放电的真实性,选取与25 kV 动车组电缆主绝缘相同的EPR 绝缘材料制成未硫化的橡胶片（简称EPR 片）。硫化前,用硫化机对EPR 片预热1 min,然后将其放置在模具中并设定压力为10 MPa、温度为160 ℃,硫化10 min 后EPR 片厚度约1.5 mm。再用酒精擦拭干净EPR 片表面的污迹和杂质后静置12 h；将EPR 片分为A,B,C,D 等4 组,每组3 片,置于热老化箱中,分别在120,135,150 和165 ℃下老化120 h。试验前,将老化的EPR 片裁剪成长和宽均为100 mm的样片,绝缘样品制备完成。

EPR 绝缘材料耐热等级为E 级［15］,由温度每升高8～12 ℃、绝缘材料的绝缘寿命缩短一半的原则［11］可知,A,B,C,D 这4 组绝缘样品分别近似等效为EPR 电缆绝缘在允许长期运行温度90 ℃下运行960,1 920,7 680和15 360 h。

1.2 试验平台

根据动车组车载电缆绝缘实际承受电压情况,采用更贴合EPR 电缆绝缘层附近电场分布规律的柱板电极系统对4 组绝缘样品进行放电测试试验［11］。基于脉冲电流法原理的试验平台测试电路如图1所示,其中示波器采集放电信号并发送至服务器进行数据处理。为保证试验结果准确性,测试前滤波去噪,使环境干扰降到10 pC以下。

1.3 试验方法

图1 试验平台测试电路

将制备完成的4组绝缘样品分别放置于图1所示的柱板电极系统下并浸入油中,首先以0.5 kV·s-1的速度升压,当示波器可观测到初始放电脉冲时,记当前电压为起始放电电压；在此基础上利用阶梯升压法对样品加压［16］,以1.0 kV 的梯度逐级升压并保持各级电压30 min,每级电压下采集5 次放电信息；由于升压至15 kV左右,绝缘样品表面易发生放电闪络,为避免设备损坏,该电压时立刻停止加压,试验结束后对放电脉冲和数据进行处理和分析。

阶梯升压法是对绝缘样品放电老化的促进过程,与恒压法具有相同效果且在短时间内可获取更多的试验数据［16］。

2 试验结果

2.1 绝缘样品放电痕迹

各组绝缘样品具代表性的放电痕迹照片如图2所示。

图2 绝缘样品放电痕迹

由图2可知：放电痕迹从高压电极沿绝缘样品表面向外辐射延伸,痕迹末端呈分支、簇状或曲线形生长且部分痕迹达到绝缘样品边缘；高压电极附近电场强度最大,造成圆形区域内严重灼伤；A,B,C 和D 这4 组样品被灼伤的区域及放电痕迹颜色依次加深,数量依次增多并呈现不同形态。

2.2 沿面放电过程划分

为研究老化绝缘样品的放电发展过程,统计4组绝缘样品的平均放电量qave,总放电能量Wtotal随放电时间的变化分别如图3和图4所示。由图3和图4可知：qave和Wtotal随着时间的持续具有阶段性,放电0～60 min（S1 阶段）时qave和Wtotal增加不明显,60～210 min（S2 阶段）时qave和Wtotal明显增加,210～300 min（S3 阶段）时qave和Wtotal增加不明显,300～360 min（S4 阶段）时qave和Wtotal陡然增加,在放电360 min 后趋向平缓,若继续增加放电时间,绝缘样品在某一时刻极容易发生放电闪络。

图3 平均放电量qave 变化趋势

图4 总放电能量Wtotal变化趋势

结合图2分析,放电时间小于300 min,放电痕迹处于不断生长中；放电时间超过300 min,部分放电痕将要延伸至绝缘样品边缘,形成完整的放电通道,放电能力增强。在相同放电阶段,qave和Wtotal随绝缘样品老化程度加深而增加得更明显。另外,相对于A,B,C 这3 组,D 组样品进入下一放电阶段的放电时间略提前,例如S2 至S3 阶段约提前30 min。

综合以上特征,将4 组绝缘样品对应的放电过程S1,S2,S3,S4 阶段分别命名为放电起始阶段、放电发展阶段、放电平稳阶段、放电激发阶段。结合图2分析各放电阶段下放电痕迹生长过程,表明S1阶段绝缘样品表面没有出现明显痕迹；S2 阶段放电时间持续了约150 min,从柱电极有多条放电痕迹沿样品表面向周围发展且随机性较强,随放电持续,痕迹继续延伸并增宽；进入S3阶段,痕迹主干颜色加深并出现分支,初步形成的痕迹分支向周围继续扩散；S4 阶段,部分分支痕迹继续延伸的同时再分支,接近形成完整的放电通道；高压电极附近的表面严重灼伤。

将在正半周的放电总能量记为Wtotal+,在负半周的放电总能量记为Wtotal-；计算相同放电时间下正负半周放电总能量差ΔW,则

其中,

式中：Um为当前测试电压有效值；i为相位窗数；N为第i个相位窗相位φi处的放电次数；qin为相位φi处第n次放电量。

绝缘样品正负半周期放电总能量差ΔW如图5所示。由图5可知：A,B,C 组样品在放电0～150 min 内,ΔW快速增加且ΔW＞0,在放电150～270 min 内,A 和B 组绝缘样品的ΔW无明显增加且ΔW＞0,即在S3 阶段结束前,正半周放电总能量大于负半周,在S2 阶段前期正半周能量增加较负半周迅速,在S2 阶段后期及S3 阶段则负半周能量增长速度增加明显；D 组样品在放电0～120 min内,ΔW快速增加且ΔW＞0,较C 组样品放电时间提前约30 min；C 和D 组样品在放电150～240 min内ΔW快速减小,在放电240～270 min内ΔW＜0,即在S3 阶段,负半周放电能量超过正半周,主要原因是C 和D 组样品在S3 阶段的负半周放电重复率大于正半周,负半周的总放电量超过正半周使正负半周总能量差发生反转；在S4阶段,负半周的总放电量又小于正半周,因此4组绝缘样品的正半周总能量均大于负半周,由于S4 阶段后期更接近放电闪络,正负半周放电能量趋于饱和,所以ΔW随放电时间增加的增长速率变平缓,并且随老化程度加深而减小,其中D 组样品的ΔW＜1.5×10-9J。

2.3 归一化处理

图5 正负半周期放电总能量差ΔW

放电量q—相位φ谱图能够清晰地反映放电量在各个电压相位上的分布情况。为了更直观地观察绝缘样品放电的分布特征,对放电量q进行极差归一化处理［17］,计算公式为

式中：e为放电量q极差归一化值；qi为相位φi上的放电量；qmax和qmin分别为1个工频周期内放电量序列中的极大值和极小值。

AS1—DS4 依次为4 组绝缘样品在S1—S4 阶段的q—φ归一化谱图如图6所示。

图6 4组样品在S1—S4阶段的q—φ归一化谱图

由图6可以看出：在S1 阶段,4 组绝缘样品均仅在正半周期产生稀疏放电量,随着放电的发展,负半周产生放电量；在S2 和S3 阶段,C 和D 组样品的正半周末期至负半周发展出2 个放电相位区间；在S4 阶段,D 组样品在正半周的放电量分布于2 个相位区间；A 和B 组样品的谱图形状近似于不规则的“三角形”,C 组样品在S2 和S3 阶段放电分布近似于不规则“梯形”,而D 组样品从S2至S3 阶段,放电谱图形状由近似“梯形”向“长条形”演变。4 组绝缘样品在整个放电过中放电密度中心均向负半周转移,其中在S3 阶段,大幅值放电量及小幅值放电量分离程度随老化程度加深而增大,S2 和S3 阶段的放电重复率远超过S1 和S4 阶段；4 组绝缘样品的放电相位宽度Δφ满足ΔφS2≈ΔφS3≈ΔφS1+ΔφS4（ΔφS1,ΔφS2,ΔφS3和ΔφS4分别为S1,S2,S3和S4阶段的放电相位宽度）。

3 绝缘老化表征参量及其灵敏性

3.1 正负半周放电偏斜度Sk+和Sk-

虽然q—φ归一化谱图可在一定程度上反映放电的分布特征,但是存在重复性差、非定量描述等不足之处。基于现有研究,采用与绝缘劣化程度有较大相关性的放电偏斜度Sk［17］对q—φ归一化谱图进行定量研究,其计算公式为

式中：μ为放电量的平均值；pi为第i个相位窗放电量出现的概率；δ为该放电阶段下放电量序列标准差。

根据式（3）计算4 组绝缘样品在各个放电阶段q—φ归一化谱图的正负半周放电偏斜度Sk+和Sk-。偏斜度Sk可有效反映放电谱图形状相对于正态分布左右偏斜程度。一般地,Sk=0 时,放电谱图形状左右对称；Sk＞0时,放电谱图形状向左偏；Sk＜0 时,放电谱图形状向右偏［18］。4 组绝缘样品q—φ归一化谱图的偏斜度Sk变化趋势如图7所示。由图7可以看出：大部分放电谱图偏斜度Sk＜0；在相同放电阶段,A,B,C 和D 这4 组绝缘样品的偏斜度有SkA＞SkB＞SkC＞SkD,表明绝缘样品老化程度越大,q—φ归一化谱图的偏斜度越小。

各组绝缘样品的偏斜度Sk随放电发展逐渐减小,图7曲线在S1—S3 阶段下降较快,在S3—S4阶段下降较为平缓。究其原因是,在S1—S3 阶段放电通道逐渐分支延伸并变宽,电荷不断累积于放电通道内,持续放电增加了电荷沉积量,各阶段复合电场发生改变,在电压交变时降低了发生放电电压,同时放电脉冲传播的延时变长［16］,q—φ归一化谱图有右偏趋势。在S4 阶段,部分放电痕迹延伸至绝缘样品边缘形成成熟的放电通道,同时沉积的电荷趋于饱和,随着放电持续,增加了放电传播效率,抑制了右偏程度。

图7 Sk变化趋势

由于受二次电子发射的影响,样品的Sk+的斜率变化总是大于Sk-。在S3 阶段之前,A 和B 组样品的Sk+与Sk-差值ΔSkA和ΔSkB均逐渐减小,而在S2 阶段之前,C 和D 组样品的Sk+与Sk-差值ΔSkC和ΔSkD也逐渐减小。A 与B 组样品在S4 阶段放电量逐渐饱和,放电谱图较稳定,Sk+近似于Sk-；C和D 组样品在S3 阶段的负半周放电强于正半周,因此在该阶段下ΔSkC和ΔSkD均明显增大；在S4 阶段,D 组样品在相位［0,70°］范围内发生放电,C 组样品在此范围内没有放电,因此ΔSkD远大于ΔSkC。

基于图7偏斜度计算正负半周偏斜度差的绝对值|ΔSk|,记为正负偏斜相似度,如图8所示。由图8的正负偏斜相似度随放电发展变化曲线发现,随着样品老化程度加深,在更早的放电阶段存在|ΔSk|min（|ΔSk|min为正负偏斜最大相似度）,则老化程度越大绝缘样品,其q—φ归一化谱图的正负半周偏斜在更早的放电阶段达到最大相似度。这是由于4 组绝缘样品的放电起始于正半周,随着放电持续,老化程度较高的绝缘样品放电发展更快,在放电持续更短的时间内,负半周便有放电量产生并放电重复率和放电量幅值快速增加,另外,也一定程度上缩短了相对于正半周放电的时延性［18］,于是正负半周偏斜度在更靠前的放电阶段达到相似。

3.2 qmax— φ的改进型Z-score规范化处理

图8 正负偏斜相似度差异

高温老化造成分子链断裂和放电发展促使绝缘劣化均将不同程度地降低EPR 绝缘性能。已有研究表明,最大放电量的分布能够表征出电缆因缺陷或老化引起放电的强度差异变化,更为具体地判断电缆绝缘状态及其影响因素［17-18］。统计学定义Z-score规范化计算规范值z如下。

考虑到在不同放电阶段,放电量等参数的变化显著,为了使规范化后的结果更加具有对比性,此处针对放电数据的均值和标准差进行了改进,得到qmax- φ的改进型Z-score 规范化处理的计算公式如下。

式中：qmaxi为相位φi处最大放电量；为某组绝缘样品S1—S4 阶段的qmax平均值；σmax为某组绝缘样品S1—S4阶段的qmax标准差。

AS1—AS4分别为A组样品S1—S4阶段qmax-φ改进型Z-score 规范化处理的灰度图,如图9所示。图中：正值表示该相位上放电强度相对较大,负值表示该相位上放电强度相对较弱。

记z＞0 为z+,计算z+频数比例P（z+）表征样品的整体老化状态及随放电发展劣化程度如图10所示。由图10可以看出：在S1 阶段,4 组绝缘样品的放电强度远低于放电全过程的平均水平,z+出现的频数近似于0；在S2 阶段,A 和B 组样品放电强度增大较明显,P（z+）约为28%；C 和D组样品放电强度也增大但相对全过程较低,P（z+）分别约为18%和15%；在S3 阶段,C 和D 组样品放电相位宽度增加,强度较大的放电重复率升高,使得P（z+）大幅度增加,其中D 组样品达到62%,远高于放电全过程平均水平；从S3 阶段开始,4 组绝缘样品均发展成高强度放电,尤其是C和D 组样品表现最为明显,而S4 阶段以高强度放电为主。由此可见,持续放电时间超过210 min时,放电显著地促进了绝缘样品劣化。

图9 qmax—φ的改进型Z-score规范化处理灰度图

图10 不同放电阶段的P（z+）

利用最大正值zmax与样品最大劣化程度对应,随着放电发展各组样品的zmax变化趋势如图11所示。由图11可以看出：A 组样品的zmax在S1—S3阶段增长较慢,S3—S4 阶段增长最快,其最大程度劣化在放电末期发展更迅速；B,C 和D 组样品的zmax在S2—S3阶段增长最快,增长速度分别约为A 组样品的2,4 和8 倍,与绝缘样品等效EPR 电缆绝缘在90℃长期运行相对应的寿命衰减倍数成正相关；其中C 和D 这2 组样品由于整体老化程度较大,在S3 阶段后期形成的放电通道较A 和B组样品相对更完整,因此在S3—S4 阶段,zmax增长速度明显变缓,样品最大程度劣化发展速率变缓慢。

图11 不同放电阶段的zmax

3.3 不同表征参量的灵敏性

由3.1 节可知,正负偏斜最大相似度|ΔSk|min可以作为判断EPR 电缆绝缘老化程度的表征参量。为了验证该识别方法的可行性,使用相同试验平台对在110,120,130,140,150 和160 ℃下老化50 片的6 组EPR 绝缘样品进行PD 测试,6 组编号依次为E,F,G,H,I和J。统计各组样品正负偏斜最大相似度|ΔSk|min在4 个阶段出现的概率,并引入正负陡峭最大相似度|ΔKu|min比较,结果见表1。

表1 |ΔSk|min与|ΔKu|min在各阶段分布的概率

由表1可知,处于不同老化状态的EPR电缆绝缘的正负陡峭最大相似度分布很均匀,不能对EPR绝缘状态做判断,而|ΔSk|min随着老化程度加深在更早的放电阶段出现的概率均大于90%,从而证明了正负偏斜最大相似度|ΔSk|min对判断EPR 绝缘老化程度反应更灵敏。

然而可能存在老化程度不同的绝缘样品|ΔSk|min出现在相同放电阶段的情况,导致老化判断存在误差性。分别计算E,F,G,H,I和J这6组绝缘样品3 次试验中S3 与S2 阶段P（z+）差的平均值和zmax差的平均值计算S3 与S2 阶段最大放电量qmax差的平均值为记F—J 组绝缘样品寿命衰减程度为E 组的R倍。得到关系曲线分别如图12和13所示。图12显示老化程度较大的绝缘样品在S3 阶段发生高强度放电时,相对于S2阶段,P（z+）增加十分明显；而图13显示了与R良好的正相关性,因此当|ΔSk|min出现在相同阶段时,根据S2和S3阶段的P（z+）与zmax变化,对EPR 电缆绝缘不同的老化程度进一步判断；同时对放电促进EPR 电缆绝缘劣化情况进行判断,结合正负偏斜最大相似度|ΔSk|min可提高判断EPR 电缆绝缘老化程度的灵敏性。