面向未来多电飞机的低气压下局部放电

张本栋，江军，李治，李世民，张潮海

南京航空航天大学 多电飞机电气系统工信部重点实验室，南京 211106

随着航空交通运输的持续增长，航空业每年排放到大气中的CO超过9亿吨，巨大的能源消耗和温室气体排放加剧了全球能源危机与温室效应。为了减少温室气体排放，降低石油能源消耗量，多电飞机(More-Electric-Aircraft，MEA)应运而生。多电飞机采用电能作为统一的机载二次能源，取代传统飞机中的气压、液压及相关机械部件，可以有效降低飞行重量、提升能源利用率。多电飞机以其经济、节能、安全和便捷的优势已经成为未来主要发展趋势。

相比于传统飞机，多电飞机供电系统需要更高的容量以实现各种机载设备稳定可靠地运行。经过几十年的发展，多电飞机供电系统的容量已经由最初的几十kV·A级别发展至现在的MV·A级别，随着多电飞机的继续发展，飞机供电系统的容量将会进一步提高。提升供电容量的方式主要有两个：提高电流或者电压。提高电流要求更粗直径的导体电缆，这会加重飞机的飞行重量，增加能源消耗，因此目前飞机中提高供电容量的方式主要是提升电压。波音B787供电系统中的电压已经提高到 AC230 V、DC540 V，功率达到1 MV·A。为了进一步提高飞机供电系统的容量，未来多电飞机供电系统电压将会提到几千伏。飞机供电电压的提升以及复杂的运行环境给飞机电气系统绝缘带来巨大的挑战，极易导致绝缘系统发生局部放电(Partial Discharge，PD)甚至击穿失效。因此，针对多电飞机绝缘薄弱点，亟待开展针对性的绝缘测试与局部放电分析和评估，以保障多电飞机安全稳定运行。

多电飞机绝缘系统在各种运行工况下容易失效，这已经引起了众多学者的关注和重视。绝缘系统在不同环境参数老化下的寿命首先得到研究，Sili等探究了温度、气压和湿度对聚酰亚胺薄膜寿命的影响，发现即使放电能量较高，当材料表面形成半导体层后，介质的强度仍然会得到加强。此外，寿命模型在不同气压下的适用性也得到了确认。然而，仅仅探究不同参数下的材料寿命是不够的，这无法为多电飞机绝缘系统强度提供足够的预警与评估。因此针对多种航空电缆的故障起始放电电压(Partial Discharge Inception Voltage,PDIV)仿真计算、测量在文献[13]中得到了探究，并提出一种基于最小PDIV的方法用以量化评估电缆的绝缘性能。但是，仅以PDIV作为绝缘的评估特征会存在较大的误差，为提高评估精确性，更多的PD统计特征仍然需要进行考量。因此，电压波形与频率对多电飞机作动电机绕组放电的各种统计特征得到了探究，研究发现脉冲电压下的放电强度要远高于正弦电压而频率会降低放电幅值增加放电重复率。此外，Wang等针对航空推进电机绕组设置了不同的故障，探究了气压对PDIV及放电谱图的影响，并利用放电的表面电荷、数目及相位等特征实现了不同PD源的分类与分离。目前，针对多电飞机低气压运行条件下的探究仍然主要集中于局部放电的PDIV特征分析，气压对PD放电幅值、次数以及相位等多特征的影响规律与机制尚不完全清晰，多电飞机不同放电位置的特征分析与对比探究也同样缺乏。

基于此，本文面向多电飞机实际工况与运行场景，在实验室搭建平台，模拟了航空电机绕组放电与航空电缆对地放电两种典型绝缘故障，在400 Hz正弦电压、1～101 kPa气压范围内进行了大量重复实验，探究了气压对两种绝缘故障PDIV、放电幅值、放电重复率以及相位分辨局部放电(Phase-Resolved Pcrtial Discharge,PRPD)谱图等统计特征的影响，评估了不同气压下的绝缘放电风险，为多电飞机进一步向大功率高电压方向发展的绝缘设计与故障诊断提供借鉴和参考。

1 故障模拟与实验步骤

1.1 局部放电检测实验平台

在实验室搭建的局部放电检测系统如图1所示。系统主要由高压电源、放电模型与腔体、数据采集单元以及气压控制模块组成。高压电源用于产生实验所需的特定电压幅值与波形，由信号发生器(RIGOL DG4102)与高压功率放大器(TRek 20/20C-HS)串联组成，所采用的放大器放大比例为2 000倍，压摆率(10%～90%)不低于800 V/μs。放电模型与腔体用于模拟对应的放电缺陷并提供气压恒定的放电空间。数据采集单元分为局部放电数据采集与环境数据采集组成。局部放电脉冲由高频电流互感器(High Frequency Current Transformer，HFCT)采集并由示波器进行存储，所采用的HFCT检测带宽为0.3～100 MHz，示波器为Tektronix MDO3034，最大采样频率为2.5×10/s，带宽350 MHz。环境数据采集(Data Acquisition，DAQ)由数据采集卡(NI USB-6343)与环境传感器组成，用于气压(CH1)、温度(CH2)和湿度(CH3)的采集显示。气压控制由真空泵与气压微调针阀组成，可实现腔体内部气压大小的准确控制。

图1 实验平台与连接示意图Fig.1 Experimental platform and connection diagram

1.2 典型绝缘缺陷模拟与气压选择

随着多电飞机进一步向大功率、高电压方向发展，飞机的供电电压将会提升至kV级别，飞机中部分高电压、小间隙位置将会面临更高的绝缘风险，其中以航空电机绕组放电以及电缆对地放电尤为严峻。为了模拟对应的故障，根据实际情况设置了两种不同的故障模型如图2、图3所示。

电机绕组放电模型制作过程依据IEC60851-5-2008，其绕制过程及模型示意图如图2所示。模型绕制采用的漆包线直径0.51 mm，绝缘材料为聚酰亚胺，厚度0.025 mm，最高耐温180 ℃。根据标准中的规格，0.51 mm的漆包线需要在125±5 mm的距离上相互扭绞12圈，限于装置尺寸，选择在60 mm的距离上相互扭绞6圈。

目前尚无相关标准涉及模拟航空电缆放电，考虑飞机微电网均以机壳作为负极或接地处，供电系统主要由高压引线输出，电缆与接地之间的绝缘状况需要引起关注，因此设置了图3结构的线板放电模型。电缆绝缘材料为聚四氟乙烯(Poly Tetra FluoroEthylene，PTFE)，PTFE电缆直径2.1 mm，内部导体直径1.7 mm，绝缘层厚度0.2 mm。PTFE电缆平整放置于平滑板电极之上，两端用固定贴进行固定，中间放电区域长度为60 mm。

所有线缆及放电平面在实验前均用酒精试纸进行擦拭并晾干，以消除表面静电及杂质对放电的影响。

图2 航空电机绕组放电模型Fig.2 Turn-to-turn discharge model in aviation machine

图3 电缆对地放电模型结构示意图Fig.3 Structure setup of cable-to-ground discharge model

多电飞机的飞行高度可从地面至万米的高空，飞机在运行过程中会经历宽泛的气压变化范围，因此确定气压研究范围对研究结果具有重要意义。不同高度下气压值的经验公式为

(1)

式中：为高度；()为高度下的气压值；(0)=101.3 kPa为地面气压；=298.15 K为常温;=6.5×10K/m;=29.271 m/K。

根据式(1)绘制不同高度下的气压变化曲线如图4所示，可以看到随着高度的上升，气压逐渐降低且呈现出先快后慢的变化趋势。当海拔高度为25 km时，气压在10 kPa以下，在考虑一定裕量的基础上将最低气压定为1 kPa，研究气压点选取为101.3、80、50、30、10、1 kPa。

图4 不同海拔高度对应的气压值Fig.4 Air pressure at different altitudes

1.3 实验测量程序

实验测量主要包含起始放电电压测量与放电数据采集两部分。为了尽可能消除人为测量带来的主观误差，设计了基于Labview的PDIV自动测量系统，程序控制示意图如图5所示。利用Labview控制信号发生器以实现输出电压的自动控制。HFCT及示波器被用来检测放电是否产生。实验时每次增加电压100 V，加压后采集回路监控是否有局部放电产生，若30 s内有局部放电产生，则记录此时电压，若没有放电产生，则继续加压直至产生放电。相同条件下重复测量5次，取5次平均值作为最终PDIV。

图5 PDIV自动测量程序示意图Fig.5 Scgematic diagram of program of PDIV automatic measurement

局部放电脉冲数据采集时，首先将电机绕组放电模型连接于电路之中，将气压调节至大气压，根据PDIV测量结果将电压调节为大气压PDIV的125%左右，频率为400 Hz，之后保持电压及频率不变，确认发生放电后连续采集200周期放电数据。通过改变气压，采集不同气压下的放电数据。当所有气压下的数据采集完成后，更换为电缆接地故障模型，重复以上数据采集步骤。所有实验结束后，采集数据均存入PC待进一步处理与分析。

2 实验结果

2.1 不同气压及故障下的PDIV

通过测量不同模型及气压下的PDIV，以评估不同环境条件下的绝缘水平，根据1.3节中的步骤，得到不同故障及气压下的PDIV如图6所示。

图6 不同故障下PDIV随气压变化曲线Fig.6 Variation curves of PDIV with air pressure under different failures

不同故障下的PDIV均随气压的降低呈直线降低。当气压为大气压时，电机绕组放电的PDIV为2.02 kV，气压降至1 kPa时，PDIV降至0.90 kV，仅为大气压下的44.6%。当模型为电缆对地放电时，大气压下的PDIV为5.14 kV，1 kPa 下降至1.5 kV，降低幅度为70.8%，这说明气压对PDIV具有较大的影响。此外，在同一气压下，电缆对地故障的PDIV要高于电机绕组放电。

2.2 不同气压及故障下的放电幅值与次数

为了确定多故障在不同气压下的放电强弱规律，提取了200个周期的放电脉冲并计算了不同气压下的平均放电幅值、最大放电幅值、放电重复率及累积放电幅值如图7～图10所示。图7为不同故障下平均放电幅值随气压变化曲线，由图可以看出，随着气压的降低，平均放电幅值呈现出先升高后降低的变化趋势，在50 kPa或者30 kPa气压下出现最大的平均放电幅值。气压低于30 kPa 时，随着气压的降低，平均放电幅值呈现出较快的下降趋势，1 kPa下电机绕组平均放电幅值为0.13 V，远低于30 kPa下的1.15 V与101 kPa下的0.68 V。气压对电缆对地放电的影响趋势与电机绕组放电基本相同，但不同气压下的电缆对地平均放电幅值均高于电机绕组放电幅值。

图7 不同故障下的平均放电随气压变化曲线Fig.7 Variation curves of average discharge amplitude with air pressure under different failures

图8为不同故障下最大放电幅值随气压变化曲线，随着气压的降低，不同气压下最大放电幅值总体上呈现出先升高后降低的趋势，与平均放电幅值变化趋势基本一致。电机绕组放电在 50 kPa 下出现最大的放电幅值，而电缆对地放电在30 kPa下出现最高值。低压低于30 kPa时，随着气压降低，最大放电幅值同样呈现出较快的下降趋势，不论是电机绕组放电还是电缆对地放电，1 kPa下的最大放电幅值均低于大气压下的最大放电幅值。通过对不同气压下的放电幅值进行分析，可以看出随着气压的下降，放电幅值基本均呈现先上升后降低的趋势，最高点一般出现在50 kPa或者30 kPa。

不同气压和故障下的放电重复率如图9所示。随着气压的降低，两种绝缘故障下的放电次数均呈现出逐渐升高的趋势。1 kPa下，电机绕组放电重复率为11.6×10s，为大气压下的5.3倍。电缆对地放电在1 kPa下的放电重复率为20.8×10s，为大气压下的5.5倍。此外，在相同气压下电缆放电重复率均高于电机绕组放电重复率。

图8 不同故障下的最大放电随气压变化曲线Fig.8 Variation curves of maximum discharge amplitude with air pressure under different failures

图9 不同故障下的放电重复率随气压变化曲线Fig.9 Variation curves of discharge repetition rate with air pressure under different failures

局部放电导致的绝缘损伤与放电幅值和次数均有紧密的关系，为了衡量不同环境下的局部放电损伤程度，统计了不同故障下的每秒累积放电幅值如图10所示。无论是电机绕组放电还是电缆对地放电，随着气压的降低，累积放电幅值均呈现出先增加后降低的趋势，在30 kPa处出现累积放电幅值最大点。由于平均放电幅值的降低，1 kPa 下的电机绕组累积放电幅值(3.8 kV/s)低于大气压下的累积放电幅值(6.2 kV/s)。对于电缆对地放电，得益于低气压下放电重复率的增加，使得1 kPa下的累积放电幅值(25.8 kV/s)高于大气压下的累积放电幅值(10.1 kV/s)。此外，不同气压下电缆对地的累积放电幅值均高于电机绕组放电，在30 kPa下电缆对地累积放电幅值为电机绕组放电的1.9倍。

图10 不同故障下累积放电幅值随气压变化曲线Fig.10 Variation curves of cumulative discharge amplitude with air pressure under different failures

2.3 不同气压及故障下的PRPD谱图特征

PRPD谱图作为一种统计特征在不同条件下具有特定的差异，已经在模式识别与故障诊断方面得到重要应用。为了观察不同气压及故障下的谱图特征，绘制了不同条件下的PRPD谱图如图11和图12所示。

电机绕组放电在不同气压下的PRPD谱图如图11所示。可以看到，随气压降低，谱图逐渐密集，正负半周谱图形状基本相同。谱图形状随气压降低同样发生变化，在101 kPa，谱图形状呈现出等腰三角形“▲”形状，每侧谱图形状基本对称，当气压降至80 kPa时，谱图形状开始呈现出类似“兔耳朵”的“双峰”特征。此后随着气压降低，PRPD谱图第2个峰值开始逐渐升高，当气压降至10 kPa时，半周期谱图第2个峰值开始超过第1个峰值。当气压降至1 kPa时，半周期第1个峰值已不再明显，甚至消失，谱图开始重新呈现出单一“峰值”的特征。此外，随气压降低谱图相位出现明显的偏移，在50 kPa时开始有放电脉冲偏移超过过零点，1 kPa时正负周期谱图脉冲初始相位分别为-27.4°和152.8°。在相位宽度上，随气压降低有增加的趋势，在大气压时正半周谱图相位宽度93.4°，1 kPa时正半周谱图相位宽度增加至117.9°。

图11 电机绕组放电在不同气压下的PRPD谱图Fig.11 PRPD under different air pressures in turn-to-turn discharge

电缆对地放电在不同气压下的PRPD谱图如图12所示。当气压为101 kPa时，正负半周谱图基本对称，随着气压降至80 kPa，正负半周谱图开始存在“极性效应”，呈现出不对称特征，负半周放电幅值高于正半周。当气压降至30 kPa时，谱图的“极性效应”最明显，负半周放电脉冲幅值明显高于正半周。随着气压的继续降低，“极性效应”开始减弱，当气压降至1 kPa时，“极性效应”已不再明显。电缆对地放电PRPD谱图同样存在明显的相位偏移特征，1 kPa时电缆对地放电PRPD谱图正负周期脉冲初始相位分别为-39.3° 和140.9°，明显早于电机绕组放电起始相位。在相位宽度上，电缆对地放电PRPD谱图变化规律也与电机绕组放电PRPD谱图相同，随气压降低相位宽度逐渐增加，在大气压时正半周谱图相位宽度109.1°，1 kPa时正半周谱图相位宽度增加至133.8°。

图12 电缆对地放电在不同气压下的PRPD谱图Fig.12 PRPD under different air pressures in cable-to-ground discharge

3 分析与讨论

3.1 气压对PDIV影响机理

气压的降低会导致局部放电PDIV的快速降低，根据理想气体的状态方程，当体积及温度不变时，气压的降低，直接导致空气中质点数目的减少，而放电间隙质点数目的多少直接影响到放电过程中电子平均自由行程的大小。

电子平均自由行程与气体的性质(分子的大小等)及气压的大小密切相关，当气体分子种类一定时，电子平均自由行程正比于/，即

(2)

式中：为标准大气压和室温条件下的电子平均自由行程;为压力;=101.3 kPa为标准大气压；为温度;=298.15 K为室温。

由于电子平均自由行程较小，在电子移动的距离内可以认为电场恒定，因此自由电子在移动的距离上获得的能量为

(3)

式中：为基本电荷量;为电子移动区间内的平均电场强度;为电子平均自由行程与电场方向的夹角。

由式(3)可知，Δ与气压成反比，与温度成正比。当温度一定时，气压越低电子在自由行程距离内获得的能量也就越高，因此碰撞时电子将具有更高的能量，更易引起碰撞电离引发放电，所以低气压下局部放电更容易发生，威胁多电飞机绝缘系统安全。

3.2 放电间隙电场变化模型

气压对局部放电统计特性的影响是多方面的，这可以从放电幅值随气压的变化曲线中得到体现(图7和图8)。为了确定气压对放电统计特征的影响，首先建立正弦电压下不同场强的叠加模型。

由于放电过程会在气隙中间产生带电质点，主要有电子、正离子和负离子，当施加电压为交流电压时，存在电压极性的改变，由于带电质点的移动不是瞬间完成的，当电压极性变化时，带电质点存在移动时差，从而造成不同电场的叠加，在不同相位时刻会促进或抑制放电的发生，图13为施加信号为正弦时一个周期下的电场变化过程，图中为气隙场强，为外加电压场强，为积累电荷场强。根据不同时刻外加电场与空间积聚电荷的极性，可以将半个周期分为2个过程：第1个阶段位于正弦电压正半周过零点之后，此时A端导体电压高于B。由于带电质点的移动需要时间，此时正电荷仍然积聚在A极附近，在此阶段与外电场同向，气隙承受的电场=+。第2阶段位于正弦电压正半周的后半部分，电荷电场极性发生翻转，场强与电荷场强的反向叠加，即=-。正弦波形负半周期电场变化情况与正半周期相同，仅方向相反，不再重复分析。

图13 一个周期中的电荷变化与电场叠加示意图Fig.13 Diagram of charge change and electric field superposition in one cycle

根据以上分析过程，当没有放电发生，且施加电压幅值及频率恒定时，空间的积聚电荷几乎保持不变，正弦电压下正半周期中的气隙场强与外加场强如图14所示，图中为施加电压角速度，为时间。由于空间电荷的存在，使气隙场强发生了畸变，过零点之后的一段区域内气隙场强得到加强，使放电更容易发生，而其余部分气隙场强得到削弱，使放电不易发生。因此，放电脉冲主要集中于正弦波形正半周期的前半段，而后半段放电较弱。

图14 气隙场强与外加场强变化模型Fig.14 Variation model of air gap field strength and applied field strength

3.3 气压对放电幅值和次数的影响分析

气压的变化会导致气隙场强发生改变，从而影响到放电统计特征的变化。为了探讨低气压环境对多电飞机绝缘系统放电的影响机理，首先建立起放电脉冲与电场变化的对应模型如图15所示，其中为最小放电场强；为放电后的气隙残余场强；Δ为放电时刻气隙场强高出的场强值；为有效放电时间，表征半个周期内气隙场强高出的时间；为放电延迟时间；为气隙恢复时间；放电幅值与、Δ及的大小密切相关，而放电次数与和的大小密切相关。

由图7可知，随着气压的降低，PDIV与气压呈正比变化。由于和与PDIV的大小密切相关，当放电间隙距离不变时，与将会随PDIV的大小同步变化。

图15 气隙场强变化与放电脉冲示意图Fig.15 Model of air gap field strength variation and discharge pulse

放电幅值大小与放电时刻场强降落Δ+-呈正相关，放电时场强降落越大，放电幅值越高。当外加电压幅值不变时，气压降低，导致气隙残余电场降低，放电时刻的场强降落Δ+-将会更大，因此随着气压降低，放电幅值会更高，加大局部放电对多电飞机绝缘系统的损伤。此外，的减小将会使有效放电时间增加并提早放电脉冲的产生时刻。更早的放电脉冲将会促使积累电荷场强更早完成翻转，使气隙场强发生变化。根据电场叠加方式的不同，可以将放电区域分为积累电荷场强与外加场强同向叠加形成的Ⅰ区域，积累电荷场强与外加场强反向叠加形成的Ⅱ区域。在相同下，Ⅱ区域的气隙场强要远低于Ⅰ区域，Ⅱ区域的放电强度也要低于Ⅰ区域。随着气压的降低，Ⅰ区域逐渐减小而Ⅱ区域逐渐增加，当气压降至10 kPa及以下时，主要放电区域为Ⅱ区域，因此1～10 kPa范围内放电幅值会呈现低于30 kPa，两方面的共同影响，导致随着气压的降低，放电幅值呈现出先增加后降低的趋势。

放电次数的变化主要受有效放电时间与气隙恢复时间的影响。与对放电次数的影响可表示为

(4)

式中：为比例系数。

有效放电时间越长，气隙恢复时间越短，放电次数也就越多。当气压降低时时，的减小使半个周期内的有效放电时间增加，使更多的时间存在放电可能。此外，的减小同样使气隙恢复时间减小，单次放电用时缩短。因此，两方面影响因素共同导致低气压下放电次数增加。

4 结 论

1) 低气压会导致PDIV的降低。随着气压降低PDIV几乎呈直线降低，两种绝缘缺陷在1 kPa 下的PDIV均不足大气压下PDIV的50%。因此针对多电飞机的运行工况，低气压下的局部放电更容易发生，其绝缘状况更值得关注。

2) 气压对放电幅值和次数存在非单一性的影响。随着气压降低平均放电幅值、最大放电幅值及累积放电幅值均先增加后减小，在30 kPa会出现最大的累积放电幅值，而放电重复率随着气压降低会逐渐增加。当开展绝缘耐受性测试时，30 kPa气压下的实验数据更有参考意义。

3) 不同绝缘缺陷的结构均会影响PRPD谱图的特征。电机绕组放电PRPD谱图形状以“兔耳朵”为主要特征，正负周期形状基本对称。电缆对地放电PRPD谱图以“极性效应”主要特征，负周期放电脉冲高于正周期。不同气压及缺陷下PRPD谱图特征的差异性将有助于开展未来多电飞机电气系统局部放电引起的模式识别与故障诊断。

4) 低气压环境下空间带电质点的碰撞与运动是局部放电统计特征变化的主要原因。低气压环境下电子平均自由行程增加导致PDIV降低，不同气压条件下最小放电场强、有效放电时间、气隙恢复时间、延迟时间以及不同电场叠加的变化相互作用共同影响了放电幅值、放电次数和谱图的变化规律。