图1 航空线缆局部放电检测平台
Fig.1 PD detection platform for aeronautical cables
摘要 为实现飞机电气化，电源电压等级不断升高，多电飞机电气系统中线缆绝缘发生局部放电（PD）的风险随之增加。该文通过设置线缆对接地金属板放电、线缆对线缆架放电和线缆与线缆间放电三种典型模型，全面探究了航空线缆在低气压以及典型工作频率下的局部放电特性。试验结果表明，三种放电模型的局部放电起始电压（PDIV）都随着气压的下降而降低，50kPa以上时线缆与线缆间放电模型的PDIV高出其他模型的2倍以上。电压频率的增大将显著增加模型的放电重复率，10kPa下的线缆对线缆架放电影响效果最为明显。相同工况下，不同放电模型局部放电相位分析（PRPD）谱图的相位宽度及“极性效应”强弱存在差异，这些特征有助于放电模型类型的识别，也将为航空线缆设计与故障诊断提供借鉴和参考。
关键词：低气压 多电飞机 航空线缆 局部放电 局部放电相位分析
多电飞机（More-Electric-Aircraft, MEA）通过采用先进的电气装置替换液压和气动装置，减轻飞机的整体质量，大幅减少燃料消耗。与传统飞机相比，多电飞机上的电力电子设备逐渐增多，为满足其日益增长的电力需求，飞机电力系统供电容量得到明显提高[1]。飞机系统中供电电压由直流28V、交流115V提升至直流270V、交流230V，且供电电压仍呈上升趋势[2]。在未来的发展中，多电飞机供电系统母线电压将达到数kV级数值[3]。提高的额定功率将加剧线缆绝缘材料的退化进程[4]，同时超负荷运行下线缆间的温度将升高，较高的温度加速绝缘材料的降解过程[5-6]。多电飞机电气系统的绝缘将面临新的严峻挑战，亟待关注。
线缆是电气设备的电力传输通道，其绝缘状况关乎整个飞机电气系统的运行安全。一方面，由于绝缘材料会增加飞机自重，机载线缆的绝缘厚度很小，部分航空线缆绝缘厚度仅约为260µm[7]，飞机在起飞、降落及巡航过程中的振动会引起线缆绝缘层的磨损[8]；另一方面，飞机中线缆分布密集，长度可达500多km（以空客A380为例[9]），再加上功率变换器引入的高频电压应力，上述因素都将增加飞机中线缆的绝缘失效风险[10-11]。
局部放电（Partial Discharge, PD）作为绝缘失效的早期典型特征，是引发绝缘故障的重要原因之一[12-14]，在多电飞机的应用场景中，局部放电的发生还会受到电压频率、气压及温湿度等参数的影响[15-16]。Paschen定律提出，在均匀电场下空气的介电强度会随着气压的降低而下降。商用和军用飞机通常在6～15km的高度飞行，承受的气压变化范围很大，最低可至10kPa[17-18]。低气压环境加剧了航空领域发生PD的风险，引起了众多学者的关注和重视。I. Christou等学者通过设置线缆对接地金属板放电模型开展低气压下的PD检测，提出一种基于局部放电起始电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）计算安全工作电压的方法[19]。文献[20]进一步通过中低压航空线缆气隙放电的PDIV测量和理论建模仿真，量化了气压与PDIV之间的关系。此类研究探讨了线缆在不同气压下发生PD的问题，但忽视了飞机电源频率对PD的影响，所以其研究结论不足以支撑航空线缆的绝缘检测和设计。为了评估电源频率对局部放电的影响机制，F. Alrumayan开展了50～1 000Hz范围内航空线缆放电测试，指出PD对线缆绝缘的损伤程度随着频率的改变而显著增加[21]。然而，上述研究仅针对单一放电模型，缺乏对不同工况下放电模型的统筹对比考量。为此，曼彻斯特大学高电压实验室针对航空线缆开展了多种放电模型的PDIV检测，提出不同模型下PDIV存在明显差异[22-23]。但是，PDIV只是表征局部放电现象的初步参数，气压、电源频率、模型类型对航空线缆绝缘的局部放电综合参数，如放电幅值、次数及相位等的影响规律尚不明确。
因此，本文结合多电飞机实际工作环境，设置了多种航空线缆局部放电典型模型，在10～101kPa的低气压范围内，对比研究了50Hz工频、400Hz高频（飞机恒频交流供电系统常用频率）、800Hz高频（飞机变频交流供电系统常用频率）三种情形下不同航空线缆放电模型的PDIV随气压变化规律。深入研究了低气压下，50Hz和400Hz下不同模型的局部放电相位分析（Phase-Resolved Partial Discharge, PRPD）谱图及相应放电特征，为多电飞机向高电压方向发展的航空线缆绝缘设计与故障诊断提供借鉴和参考。
为模拟多电飞机实际运行环境，搭建航空线缆局部放电检测平台如图1所示。真空试验腔内可实现温度-35～25 ℃、相对湿度10%～90%、气压10～101kPa范围内的精确控制。本试验采用信号发生器外接高压放大器的方式获取变频的正弦波电压。线缆放电模型连接在高压放大器输出端和接地线之间，形成放电回路。高频电流传感器（High-Frequency Current Transformer, HFCT）安装在与放电模型相连的接地线上，检测局部放电的信号。高压放大器选用美国Trek公司的20/20C—HS—H—CE，放大比例1:2 000。高频电流传感器的灵敏度典型值为输入1mA（峰-峰值），输出13mV（峰-峰值）。
图1 航空线缆局部放电检测平台
Fig.1 PD detection platform for aeronautical cables
本文根据美国国防部批准引用的标准ASTM D3032—21第25小节“局部放电起始电压和截止电压”中设置的放电模型[24]，设计了试验的三种放电模型，如图2所示。三种模型分别为：①将导线缠绕在大约10倍于导线外径的芯棒10圈，并用胶带将导线固定在芯棒上，导线的两端延伸到芯棒之外连接到高压引线上，这种设置对应于线缆对线缆架放电模型；②将导线绑在平坦的金属板上，将导线的两端弯曲，使其远离金属板，这种模型用于模拟线缆与接地金属平面间的放电；③在两根导体之间建立双绞线结构，线缆与线缆间的放电可以通过这种模型模拟。本次试验采用导线截面积为2mm2的AFR250型聚四氟乙烯薄膜绕包绝缘电线线缆，绝缘层为聚四氟乙烯，绝缘层厚度为0.2mm，导线为镀银铜，导线半径为0.85mm。
图2 航空线缆模型
Fig.2 Aeronautical cable discharge models
在测量PDIV的过程中，采用逐步升压法，以100V为步长逐渐提高电压直至产生PD脉冲，记录此电压为PDIV。由于发生局部放电具有随机性，因此每组试验条件下的PDIV测量3次并计算平均值，将平均值记为有效值以保证试验的准确性。将每一组PDIV记录后，对每一个试验组施加其相应PDIV的120%以保证每次放电的强度一致，提取200个周期的放电脉冲以计算平均放电幅值和放电重复率，并绘制PRPD谱图。
400Hz下三种模型的PDIV随气压变化曲线和不同频率下线缆贴金属板模型的PDIV对比如图3所示。对于三种模型而言，同一模型在不同频率下的PDIV数值都十分接近，因此本图仅展示线缆贴金属板一种模型在不同频率下随气压的变化规律。不同频率下PDIV数值相差最大的工况是101kPa下线缆贴金属板模型，差值为120V，约占此时PDIV的6%。试验结果表明三种模型的PDIV在不同频率下数值略有差异，但基本一致。三种模型的PDIV随着气压的升高而呈线性上升的趋势，绕金属棒模型和贴金属板模型的PDIV上升平缓且数值接近，在50kPa以下两条曲线重合度较高。双绞线模型的PDIV要高于前两种模型，当气压达到50kPa以上时，双绞线模型的PDIV达到贴金属板模型的两倍及以上。
图3 PDIV随气压变化曲线和不同频率下PDIV对比
Fig.3 PDIV curves changing with pressure and PDIV comparison diagram at different frequencies
为了探究三种模型在不同气压下的放电强弱规律，分别分析了三种模型在电源频率为50Hz和400Hz时平均放电幅值和放电重复率随气压变化的规律，如图4～图7所示。施加电压频率为50Hz时，贴金属板模型和绕金属棒模型的平均放电幅值都随着气压的升高先增大再减小，转折点在30kPa处。绕金属棒模型的平均放电幅值随着气压的升高始终保持着下降的趋势，并且幅值明显高于其他两种模型。
图4 50Hz下平均放电幅值随气压变化曲线
Fig.4 Curves of average discharge amplitude changing with pressure at 50Hz
图5 400Hz下平均放电幅值随气压变化曲线
Fig.5 Curves of average discharge amplitude changing with pressure at 400Hz
图6 50Hz下放电重复率随气压变化曲线
Fig.6 Curves of discharge repetition rate changing with pressure at 50Hz
图7 400Hz下放电重复率随气压变化曲线
Fig.7 Curves of discharge repetition rate changing with pressure at 400Hz
电源频率为400Hz时，三种模型的平均放电幅值都随着气压的升高先增大后减小。双绞线和贴金属板模型的平均放电幅值大小基本一致，且都小于绕金属棒模型的幅值。绕金属棒模型的平均放电幅值变化值较大，约为其他模型的3倍。
局部放电引起的绝缘损伤与放电次数有紧密的关系，放电次数越多对线缆绝缘层的损坏效果就越明显。施加电压频率为50Hz时，三种模型的放电重复率都呈现着随气压升高先下降后上升的变化趋势。绕金属棒和贴金属板模型的放电重复率随气压变化的规律保持一致，且数值上相差不大。10～30kPa范围内双绞线模型与其他两种模型的放电重复率基本相同，但气压达到30kPa时双绞线模型的放电重复率开始上升，70kPa后其余两种放电模型的放电重复率才开始上升。
施加电压频率为400Hz时，双绞线模型和贴金属板模型的放电重复率都呈现着随气压升高先减小后增加的变化趋势，但贴金属板模型的上升幅度较小。绕金属棒模型的放电重复率始终呈下降趋势且10～30kPa内的下降幅度很大。50Hz与400Hz下的放电重复率相比要小，但整体都呈现先下降后上升的趋势。
PRPD谱图作为局部放电的一项重要统计特征，不仅能够展现放电相位等信息，还能作为不同工况下放电模式识别的重要依据。当电源频率为400Hz时，三种模型在不同气压下的PRPD谱图如图8～图10所示。三种模型的放电主要都发生在施加电压正负半周的前半部分，且呈现“△”形状。
图8 不同气压下绕金属棒模型的PRPD谱图
Fig.8 PRPD spectrums of cable to rod model at 400Hz and different pressures
图9 不同气压下贴金属板模型的PRPD谱图
Fig.9 PRPD spectrums of cable to metal plate model at 400Hz and different pressures
图10 不同气压下双绞线模型的PRPD谱图
Fig.10 PRPD spectrums of cable to cable model at 400Hz and different pressures
绕金属棒模型在负半周的相对放电幅值略高于正半周，存在较明显的“极性效应”。气压为10kPa时，正负半周的放电强烈程度基本一致。随着气压的变化，放电相位宽度一致且未出现明显的相位偏移现象。贴金属板模型在不同气压下的放电中“极性效应”十分明显，尤其是在50kPa以上对应的情形。在正半周，从零相位点开始就有局部放电的产生，而在负半周则略有延后。双绞线模型在各组气压下的谱图形状和幅值基本一致，整体上不呈现“极性效应”，与另两种模型存在显著差异。
根据试验结果可知随着气压的降低，三种模型的PDIV都呈现明显的下降趋势。根据L. Niemeyer等[25]推导出的广义表达式可知，起始放电电场强度是随着气压降低而降低的函数，即
（1）
式中，(E/p)cr为一种气体参数，在空气中其数值为25V/(Pa·m)；p为气隙中的气体压力；f为一个随着气压、缺陷形状大小改变的函数，在空气中，f的值随气压的降低而增大，但是其变化曲线斜率远小于1。当气隙的形状固定时，Einc主要随气压的降低而减小，并且PDIV与Einc保持相同变化趋势。基于式（1）计算不同气压下的PDIV，并与双绞线模型PDIV共同进行归一化处理，绘制对比曲线如图11所示。尽管实测与计算曲线变化趋势一致，但存在差异。这是由于试验过程中温度、湿度、气压等因素的微弱改变会引起计算与实测曲线的偏离。
图11 计算与实测的双绞线模型PDIV随气压变化曲线
Fig.11 The PDIV curves of twisted pair model with pressure were calculated and measured
气压从多方面改变着局部放电的特性，其对放电幅值和放电次数都会产生一定的影响。为直观分析气压在放电过程中的作用，以双绞线为例建立了正弦下电场强度与放电脉冲的对应模型，如图12所示。Ei表示间隙间总电场强度；E0表示由施加电压形成的外加电场强度；Eq表示由气隙间带电质点形成的积累电荷电场强度。Eq的形成主要是因为在放电过程中气隙间会产生带电质点，其在外加电场的作用下会在间隙内发生移动，从而形成积聚电荷电场。随着电压极性发生改变，积聚电荷电场和外加电场之间的作用方向会形成周期性的变化，其具体的间隙电场变化曲线如图13所示，其中横坐标ωt表示相位，纵坐标E表示电场强度。
图12 间隙电场强度在完整周期内的变化模型
Fig.12 Variation model of gap electric field intensity in one cycle
图13 气隙电场强度与外加电场强度变化曲线
Fig.13 Variation curves of gap electric field intensity and applied field intensity
根据不同时刻外加电场与积聚电荷电场的极性，可以将一个周期分为四个阶段：Ⅰ阶段位于正弦电压正半周前半部分，此时高压侧电压高于接地侧，由于带电质点的移动需要时间，此时正电荷积聚在高压侧附近，在此阶段Eq与E0同向，即Ei=E0+Eq；Ⅱ阶段位于正弦电压正半周后半部分，电荷电场极性翻转，施加电场极性不变，E0与Eq反向叠加，即Ei=E0-Eq；Ⅲ及Ⅳ阶段的电场变化与Ⅰ及Ⅱ阶段相同，但方向相反。
根据以上分析过程，当没有放电发生时，空间的积聚电荷Q几乎保持不变，其形成的积聚电荷电场强度大小为定值。由图13可知，由于空间电荷的存在，正负半周的前半段电场发生畸变，间隙电场得到加强。后半段的电场由于积聚电荷电场方向发生偏转，间隙电场强度被削弱。同时可以得知，在一个周期内正负半周的前半段更容易发生放电，后半段放电困难。
局部放电的发生需满足两个必要条件：①气隙电场强度大于发生放电的最小放电电场强度；②气隙中有能激发电子崩的初始电子，其中初始电子产生的概率
由Richardson-Schottky定律来表示[26]。
（2）
式中，e为电子电荷量；A为发生放电的表面面积；S函数表征表面材料、结构和状态；
为脱陷功函数；E为发射表面的电场强度；
为真空介电常数；k为玻耳兹曼常数；T为温度。由式（2）可知，E的升高将提高有效初始电子出现的概率。
存在放电时气隙电场强度变化与放电脉冲示意图如图14所示，其中Emin为最小放电电场强度；Eres为放电后的气隙残余电场强度；∆E为放电时刻气隙电场强度高出Emin的电场强度值；te为有效放电时间，表征半个周期内气隙电场强度高出Emin的时间；tde为放电延迟时间；tr为气隙恢复时间。放电幅值与Emin和∆E的大小密切相关，而放电次数与tde和tr的大小密切相关。
图14 气隙电场强度变化与放电脉冲示意图
Fig.14 Schematic diagram of air gap field intensity variation and discharge pulse
由于PDIV随着气压的降低而减小，而试验中模型两端施加的电压为各气压下PDIV的120%，故气隙两端施加的电场强度随气压的降低而减小。气压的下降会降低初始电子产生的概率，相应地加长放电时延tde，从而直接引起放电次数的减少。另一方面，Emin与气压成正比关系，Emin的降低会缩短恢复时间tr，这会引起放电次数的增加。由于低气压下的PDIV较小，所以气隙间的电场强度偏小，其对放电次数的影响程度较弱。因此在低气压下，放电次数主要由Emin主导，所以气压降低放电次数增加。随着气压的升高PDIV逐渐增大，施加电场强度的影响效果增强，同时Emin的影响程度保持不变，所以在某一气压下，施加电场强度和Emin对放电次数的影响程度达到平衡，此时出现拐点。气压在拐点之上时，随着气压的升高，施加电场强度对tde的影响程度大于Emin对恢复时间tr的影响程度，所以放电次数与气压成正比关系。因此，三种模型的放电重复率呈现随气压升高，先降低后升高的变化趋势。
由于放电幅值与Emin呈正相关，所以随着气压的降低，放电幅值也呈减小趋势。另一方面，放电幅值与∆E的变化趋势一致，随着气压降低，放电时延tde增大，∆E随之增大，故放电幅值增加。由于低气压下施加电场强度偏低，其影响效果较弱，故在较低气压下放电幅值受Emin主导。在气压偏高的范围内施加电场强度较高，其影响程度增强，占主导地位，所以放电幅值呈现随气压降低先升高后降低的趋势。
放电的过程中电压频率对放电次数和放电幅值具有重要的影响作用。频率的增加将导致间隙内部总电荷量升高[27-28]，从而导致电荷形成的电势Vq增加，进而影响有效放电时间te。两种频率下的te对比如图15所示。放电次数可以表示为
（3）
式中，dV/dt为电压的上升速度，由于正弦电压的上升速度时刻变化，dV/dt可近似取其平均上升速度；K为常数；Vmin为最小放电电压；Vres为放电后气隙内剩余电压。结合两种频率下有效放电时间和上升速度的关系，可推断出400Hz的放电次数高于50Hz[29]。
图15 50Hz和400Hz有效放电时间对比
Fig. 15 Comparison of effective discharge time at 50Hz and 400Hz
根据电场强度示意图12所示的Ⅱ阶段和Ⅳ阶段可知，电荷电场与施加电场方向相反，频率的升高会增强电荷电场强度，进而抑制下一次放电。因此电压频率为400Hz时的平均放电幅值小于50Hz时的幅值。对绕金属棒模型而言能够观测到400Hz下的放电幅值低于50Hz下的放电幅值，但是对双绞线模型而言这种变化就很微弱，这是由于试验中的两种频率数值相差不大，频率的影响不明显。
本文在10～101kPa范围内，对多种线缆放电模型施加50Hz、400Hz、800Hz电压，研究PDIV变化规律。深入研究了低气压下，50Hz、400Hz下平均放电幅值及放电重复率等特征差异，并对气压和频率的影响机制进行了分析，得到以下结论：
1）针对三种模型，气压的降低导致PDIV减小。气压变化过程中有效放电时间和最小放电电场强度对放电起相反作用，随着气压的变化，二者对放电的影响程度不同，因此放电次数和放电幅值曲线产生拐点。综合衡量PDIV、放电次数和放电幅值后，明确了低气压下线缆绕金属棒模型发生放电的风险更高，损坏效果更大。
2）电压频率通过改变间隙内部总电荷量影响放电次数和放电幅值。电压频率升高会增加放电次数，降低放电幅值。高频下局部放电对线缆绝缘层的损坏程度更大，尤其是针对双绞线模型。
3）相同频率下，三种模型的PRPD谱图显示的“极性效应”、起始放电相位及相位宽度存在直观差异。PRPD谱图上出现的相位差异和“极性效应”的强弱可为多电飞机电气系统中不同线缆模型的诊断与类型识别提供借鉴和参考。
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Partial Discharge Characteristics of Aeronautical Cables at Low Pressure
Abstract In order to achieve the electrification of aircraft, the risk of partial discharge (PD) of cable insulation in the electrical system of more-electric-aircraft is increasing with the constant increase of power supply and voltage level. The partial discharge characteristics of aeronautical cables at low pressure and typical frequency were investigated by setting three typical models: cable to ground metal plate discharge, cable to cable rack discharge and cable to cable discharge. The experimental results show that the partial discharge inception voltage (PDIV) of the three types of discharge models decreases with the decrease of pressure, and the PDIV of cable to cable discharge models is more than two times higher than that of other models when the pressure is above 50kPa. The increase of voltage frequency significantly increases the discharge repetition rate of models, and the effect is obvious for cable to cable rack discharge at 10kPa. In the same condition, the phase width and the strength of "polarity effect" of phase-resolved partial discharge (PRPD) spectrum for different discharge models varies. The characteristics are helpful to the identification of discharge model types, and can provide reference for the design and fault diagnosis of aeronautical cables.
keywords：Low pressure, more-electric-aircraft, aeronautical cable, partial discharge, phase-resolved partial discharge
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211207
中图分类号：TM855
江苏省自然科学基金面上项目（BK20211189）、中央高校基本科研业务费专项资金（NT2021012）和南京航空航天大学2021年度“研究生创新实验竞赛”培育项目资助。
收稿日期 2021-08-02
改稿日期 2021-12-06
江 军 男，1988年生，博士，副教授，研究方向为面向电力设备及航空航天电气装备的状态监测与故障诊断。E-mail：jiangjun0628@163.com（通信作者）
李 治 男，1998年生，硕士研究生，研究方向为电气设备状态检测与故障诊断。E-mail：lz15543050534@163.com
（编辑 李冰）