摘 要：通过对动车组高压电缆局部放电形成原因的归类总结，分析其产生的机理，建立相对应的电缆局部放电模型和干扰模型。搭建测试系统，对测试系统的主要组成部分进行阐述，对不同状态的动车组高压电缆进行现场测试，得到相应的试验数据，并对结果进行分析。研究结果表明：在测试过程中消除外界干扰是非常重要的，通过分析现场测试过程中干扰信息，提出相应的抗干扰措施，为后期开展局部放电的测试具有一定的指导作用，为高压电缆的早期故障预测提供数据支撑。
关键词：局部放电；高压电缆；试验测试；动车组；外部干扰
动车组高压电缆将25 kV高压电引入动车组的主变压器一次侧绕组，作为动车组电能的输送线路，它的性能是否良好直接关系到动车组的正常运行。动车组高压电缆的局部放电性能是产生绝缘缺陷重要表征，亦是促使绝缘老化的主要原因之一，通过监测高压电缆的局部放电性能能够及时的发现早期缺陷，进而及时的采取措施[1−2]。国内外的相关研究人员以及IEEE、CIGRE等相关机构组织普遍认为局部放电试验是对电缆绝缘状态评价的一种有效手段[3]，并且已有大量文献通过局部放电测试对中高压电缆绝缘状态的监测、诊断和定位进行了研究[4−10]。动车组高压电缆在新造和大修时都需要进行局部放电测试，用以保障动车组供电线路的安全可靠[11−12]。本文对动车组高压电缆局部放电的原因和机理进行了分析，并对不同运行时间的高压电缆进行了实测研究。
1 局部放电的原因分析
动车组高压电缆产生局部放电的原因大体上可以归纳为以下几种情况：
1) 电缆线芯带有毛刺
动车组高压电缆线芯在生产加工或者电缆总成的过程中，由于受到生产条件的一些限制，可能导致在电缆线芯表面形成毛刺。若出厂前未被检测出来，装车运行一段时间后，电缆就可能产生局部放电。
2) 绝缘受潮
动车组高压电缆外部有ERP化合物制成的绝缘层和红色无卤交联EVA材料制成的护套所保护，但在高压电缆与电缆终端的接口处，由于列车在运行中，经常受到雨、雪、风、砂、阳光的侵蚀，容易导致绝缘受潮。
3) 绝缘局部受损伤
动车组高压电缆在运输、安装以及运用过程中都有可能会导致电缆绝缘外层的损伤，当日常检修不及时或不彻底时，导致电缆可能长期带“病”工作。而且动车组高压电缆在动车运用过程中，部分高压电缆暴露在外，动车组高速运行时，容易受到锋锐杂物的碰撞，造成电缆绝缘层受损，以上因素都可能导致电缆的局部放电。
4) 电缆绝缘内部有气隙
动车组高压电缆在出厂前都会经过检验，当电缆绝缘层内部的气隙比较大时，可能会被发现，但是当电缆绝缘层的内部气隙小时，可能会被漏掉。通过较长时间的使用，局部放电会不断加强，最终会形成故障。另外，随着我国的快速发展，电缆厂家规模的不断扩大和新厂家的应运而生，相应的测试设备不到位，形成一种潜在的危险[13]。
2 局部放电机理分析
2.1 局部放电表征参数
动车组高压电缆发生局部放电的过程比较复杂，它的物理状态通常需要采用多种相关表征参数进行描绘，同时局部放电对高压电缆的绝缘层破坏机理也是比较复杂的，也得通过多种参数来评定它对电缆绝缘的危害程度。被广泛用来表征局部放电的参数主要有视在放电电荷qa，放电重复率N，放电能量W，放电平均电流I和放电功率P。本文所采用的表征参数为视在放电电荷qa，具体分析如下。
在高压电缆试样的两端注入一定的电荷量，如果此电荷量引起的端电压变化量与局部放电引起的变化量一致，那么此电荷量就是视在放电电荷，视在放电量单位为pC。当局部放电试验中参数设置的不同，外界因素影响和误差干扰时，测得的视在放电电荷可能有所差异。一般在控制各种影响因素不发生变化的情况下，所测得的最大稳定视在放电电荷可以作为电缆的局部放电量。
当电缆绝缘内部气隙发生局部放电时，它的电荷交换和累积过程实际测量起来比较困难，但可以通过局部放电引起电缆绝缘体两端的电荷变化来等效，等效过程通过等效电路来进行验证。假设电缆绝缘体内部有一气泡缺陷，如图1所示。气泡的等效电阻Rc和电容Cc，气泡与绝缘体串联部分介质的等效电阻Rb和电容Cb，以及其他部分的等效电阻Ra和电容Ca组成的等效回路如图2所示。
图1 电缆绝缘内部气隙
Fig. 1 Internal air gap of cable insulation
图2 电缆绝缘内部气隙等效电路图
Fig. 2 Equivalent circuit diagram of internal air gap of cable insulation
由于电缆绝缘体中内部气泡的放电时间比较短暂，通常只有10−8~10−7 s，放电脉冲的频率非常高，因此等效电阻在分析等效电路中的响应时可以忽略不计，认为等效电路仅由等效电容构成，简化等效模型。从电缆绝缘内部气隙等效电路图中可分析出视在放电电荷qa与实际放电电荷qc两者间的差异。当电缆绝缘体中的气泡发生放电时，设气泡上变化的电压Δuc，则气泡两端的实际放电电荷为：
(1)通常情况下，
，实际放电电荷可以简化为：
(2)
一次放电过程仅为10−8~10−7 s，比电源回路的时间常数小很多，所以电源来不及补充电荷，因此电容Ca和Cb上的电荷发生转移，Ca两端电压改变量用Δua表示，Cb两端电压改变量用Δub表示，可以得出气泡上变化的电压为：
(3)高压电缆试品两端瞬变的电荷即视在放电电荷可以表示为：
(4)
通过上述分析可以得出qa和qc的关系为：
(5)2.2 局部放电图谱分析
将表征动车组高压电缆局部放电的各种参数通过图形显示的方式展示出来，例如将局部放电量Q，放电发生的次数N，相位Φ和时间T等参数按照对应关系绘制为图形，从而能够清晰直观的反映放电现象。
局部放电图谱分析主要有以下几类：局部放电量与相位图谱(Q−Φ)，放电发生次数与相位图谱(N−Φ)，点阵图谱，局部放电量与时间图谱(Φ−T)，基圆图谱等二维图谱，以及局部放电量、相位与时间(Q−Φ−T)的三维图谱[14]。
将试验电压一个工频周期内等分成若干个区间，再求出不同周期内同一相位处放电量的平均值，然后绘制出局部放电量与相位、时间的直方图，就可以得到动车组高压电缆的局部放电图谱。采用型号为JF-1205局部放电检测仪进行现场测试，其中局部放电量与相位图谱(Q−Φ)测试结果如图3所示，基圆图谱测试结果如图4所示。
图3 Q−Φ图谱
Fig. 3 Q−Φ diagram
图4 基圆图谱
Fig. 4 Partial discharge images
由Q−Φ图谱和基圆图谱可以得出，高压电缆局部放电是一个电荷逐渐积累，然后释放的过程；在正弦交流电压作用下，局部放电形所成的脉冲幅值和其产生的位置都不是固定的；电缆的局部放电现象大多发生在一个正弦周期的第一和第三象限，即发生在电压值由最低上升到最高阶段。通过对电缆试品进行统计分析可以得出其放电量、放电次数和放电能量等服从正态分布。
2.3 干扰信号图谱分析
在动车组高压电缆实际测试环境中干扰信号较多，局部放电测试设备测得的局部放电信号大多情况下是和其它干扰信号混合在一起的，通过对图形进行对比分析并处理采集到的信号，可以减弱干扰信号对电缆局部放电信号的影响，从中提取出真正需要的局部放电信号，从而达到期望的测试 效果[15−18]。
影响局部放电检测结果的外界因素有很多，根据其特征可大体归纳为2类：第一类是持续的连续型干扰信号，例如不同频段的空间无线电、测试电源中的高次谐波以及外界的电磁辐射等；第二类是脉冲型干扰信号，例如可控硅触发脉冲、大型设备的启停、继电器动作、高压开关通断等。对于连续波形干扰，基于其连续性波形特征，可从局部放电脉冲信号中分离出或者采取对应的滤波手段予以消除。脉冲型干扰信号的高频特性与局部放电脉冲特征重合度很高，因此除专业技术人员外，普通操作人员很难辨别出二者之间的差别，极其不利于发现高压电缆中存在的绝缘隐患。而局部放电图谱分析可以将各种脉冲信号的幅值，相位，时间等特征展现在图形上，操作人员可根据这些特征从掺杂着各种形式的干扰信号的脉冲中分辨出高压电缆实际的局部放电脉冲信号，从而了解电缆真实的绝缘状况。
从大量的试验测试中可总结出以下几类干扰信号：
1) 固定相位的脉冲干扰，如图5所示。
图5 固定相位的干扰波形
Fig. 5 Stationary phase disturbance waveform
由图5可以得出，此类干扰信号发生在一个工频正弦周期内，集中出现在大致相同位置，并且幅值基本上是一致的。因此，由于它的固定性，这种性质的干扰，在Q−Φ频谱分析图谱中呈现出单个的峰值，在Q−T图谱中展现出整齐的排列，所以固定相位干扰波形不难从局部放电信号中滤除。
2) 与正弦电压相位及时间相关规律的干扰脉冲，如图6所示。
图6 与相位、时间相关的干扰波形
Fig. 6 Associated with the phase and time disturbance waveform
此类脉冲干扰信号与相位、时间之间有一定的规律，所以，这种脉冲会出现在一些固定的相位范围内，把这些特征呈现在Q−Φ−T三维图谱上后，会形成一些规则图形，如椭圆形、S形、斜线型等，这种特征有助于采取分离技术将此类干扰从局部放电信号中滤除。
3) 随机出现的干扰波形，如图7所示。
图7 随机干扰波形
Fig. 7 Random disturbance waveform
随机出现的干扰脉冲波形，无法从相位、幅值、时间、频次上得出一定的规律性。因此，随机干扰波形在Q−Φ−T三维图谱上的相位极其混乱，在某些情况下也会掺杂到局部放电脉冲中。但是，通过对Q−Φ−T三维图谱的统计显示，它与局部放电脉冲信号的性质并不可能完全一致，而局部放电测量的是较稳定出现的局部放电脉冲信号，因此这种干扰信号可以通过观察图谱加以区分[19]。
4) 各种类型干扰的混合，如图8所示。
在实际的测试环境中，测试所得到的局部放电信号经常掺杂着各种各样的干扰信号，这些干扰信号虽然与局部放电信号相互叠加，但是在Q−Φ，N−Φ和Q−Φ−T等统计图谱中能够分析出局部放电信号和外界干扰信号的特征规律。因此，通过对局部放电图谱进行详细分析，并在检测时采取有效抗干扰措施，就能避免因外界干扰引起的测量误差，从而达到良好的检测效果。
图8 各种类型的混合波形
Fig. 8 Various types of hybrid waveforms
3 测试试验
3.1 测试引用规范
测试依据现行铁路机车车辆电缆试验标准TB/T1484.3-2010《30 kV乙柄橡皮绝缘单相电力电缆》规定，对于动车组使用的25 kV高压电缆，在1.5倍额定电压下，即37.5 kV的工频试验电压下，电缆的局部放电量不能超过10 pC。
电缆局部放电试验以及工频耐压试验所用的电源，应采用频率为50 Hz的正弦波，标准正弦波的波形因数为
，在标准JB/T10435—2004《电缆局部放电测试系统检定方法》中，要求波形因数不超过
。
3.2 测试方法
根据标准电线电缆电性能试验方法GB/T30 48.12-2007《局部放电试验》的要求，将试验电压施加在导电线芯及金属屏蔽之间，在进行局部放电试验过程中，使电压平稳升至75%试验电压的时间不能超过60 s，之后缓慢升至试验电压，记录试验电压和局部放电量等相关参数。
3.3 测试回路
由于工业用电不能满足试验要求，对测试装置的电源系统进行了专门设计。测试系统可以提供0~80 kV可调的电压输出，主要由隔离变压器、电压调压器、无局放高压升压变压器和耦合电容器组成，局部放电测试仪显示不同电压下的局部放电量。其中隔离变压器实现电路隔离及电源地与屏蔽地的隔离，实现隔离衰减来自供电电源包括供电系统中地线的干扰；调压器根据要求具有电压从零起调，损耗低，波形畸变小，调节电压平稳，火花小，噪音低等特点，尤其调压器电刷为平面接触，接触良好，电刷移动升降电压时，火花小，噪音低；无局放高压试验变压器采用环氧筒式结构，具有局部放电量小、系统损耗低、输出电压波形失真小、设备重量轻等特点；耦合电容器与检测阻抗单元串联，用来传递电缆局部放电脉冲电流信号，配合实现局部放电信号的获取；局部放电测试仪技术采用嵌入式ARM系统作为中央处理单元，控制12位分辨率的高速模数转换芯片进行数据采集，实现对局部放电量的高精度测量。
高压电缆的测试回路包括无局放电源W、单通道数字式局放仪D，耦合电容器Ck，校准电容器Ccal，滤波器Z，输入单元ZA，高压电压表V以及被测试电缆CX，测试回路示意图如图9所示。
伊恩·弗莱明：奥地利人制造了第一台打字机、第一台缝纫机、第一辆汽车，然而是谁将这些东西发扬光大了呢？显然不是奥地利人。奥地利人讨厌现代发明和进步，仅仅是因为卡夫卡讨厌它们。对旅行者来说，奥地利人真正的魅力，当然是他们对待生活那轻佻、随意的态度，以及对政府的失望。举个例子，相比意大利、法国和瑞士，奥地利国民是最不善于从游客身上榨取金钱的人。
图9 测试回路示意图
Fig. 9 Test circuit diagram
3.4 测试数据
1) 250 km统型动车组3号车特高压贯穿电缆。
2) 250 km统型动车组(5级修)3~4车之间特高压过桥连接电缆。
3) 250 km统型动车组(4级修)3~4车之间特高压过桥连接电缆。
4) 200 km统型动车组(5级修)13~14车之间特高压过桥连接电缆。
5) 广深港动车组高压试验用特高压连接电缆。
在此给出250 km统型动车组3号车特高压贯穿电缆测试部分测试数据，如表1所示。表1中电压“0”出现的局放量数值是背景干扰信号。
表1 局部放电测试数据
Table 1 Partial discharge test data
3.5 测试数据分析
由表1可以得出，被测试电缆的局放量远远大于标准，其主要原因是背景干扰信号大，在电压为“0”时其局放量已经是11.8 pC。经现场分析得出造成背景干扰大的因素主要有以下2点原因：
1) 测试点距接地极太远，接地引线近200 m；
2) 测试时间在下午4点，此时邻近的厂房内有较多的施工作业，并且有100 m平行于接地线的作业动车组。
3.5.1 电缆试验过程的背景干扰
背景干扰是试验人员用一个标准电信号对试验电缆注入标准电量，行业中称之“定标”。当试验人员定标结束，关闭定标开关后，这时放电量表的读数和图示仪中椭圆上显示的杂波，图10和图11是试验的背景干扰：图10中放电量表显示103.0定标电量，图示仪中椭圆上显示2根竖线是103.0定标电量，其余杂波是背景干扰；图11中试验人员关闭定标，图示仪中椭圆上显示的是干扰图形，背景干扰电量为15.7 pC，干扰信号主要来自地线，测试系统的接地线比较长(约200 m)，另外由于空间没有屏蔽，也有空间电波干扰。这些干扰可以通过规范的接地极得到改善(＜5 pC)。
3.5.2 测试局放量小于背景干扰量的原因
测试数据中有些局放量小于背景干扰值，其原因之一是由于被试件有时带有微小毛刺，在很低电压下会放电，但电压升高后微小毛刺会烧掉，局放量会减少；其二是背景干扰是不稳定的，随着时间的不同会产生变化。在实际的测试环境中，需要对比分析局部放电图谱，采取相应的抗干扰措施，尽量避免因外界干扰引起的测量误差。
图10 背景干扰情况1
Fig. 10 Background interference situation 1
图11 背景干扰情况2
Fig. 11 Background interference situation 2
4 测试中的外界干扰
动车组电缆局部放电测试电源系统需要考虑工作时的稳定性，准确性。根据相关技术标准，动车组25 kV高压电缆在局部放电试验时设备自身的噪声值小于等于15 pC，试验值小于等于15 pC。对动车组25 kV电缆的局部放电量的要求本身就很严格，15 pC的局部放电量相当于150 mV的脉冲放电量。这样对局部放电测试设备自身的抗干扰能力提出了相当高的要求，通过减小自身产生的干扰和阻断外界干扰的2种方式，为此在设计局部放电测试系统中就要考虑到系统的抗干扰设计。应从局部放电测试系统干扰的来源和抗干扰2方面综合考虑系统抵抗外界和自身不良影响的措施。
4.1 外来干扰
4.1.1 与施加电源电压无关的干扰
这种类型的干扰与加至被试电缆上的电压无关，它不随施加电压的变化而变化。电磁干扰和静电干扰是测试环境中常见的两大干扰源，这2种干扰源广泛的存在各个空间。在工厂测试环境中，可能会存在变压器，无线发射器，高压输送线路等，这些都会产生电磁信号[20−21]。这些高频信号会通过电磁耦合等方式进入测试电路，这些干扰信号还不易与电缆的放电信号区分，测试误差大大增大。测试的高压电缆也会收集周围的电磁干扰，对试验结果造成影响。测试环境周围电气设备的放电也会导致电场和磁场，由于分布阻抗耦合到金属外表里的模拟线、信号线和地线等内部走线，引起测试设备控制系统的错误反应，从而导致测试误差。
4.1.2 与电源电压有关的干扰
这类干扰一般随电源电压的增加而变大。在测试场地或工厂提供的电源中的干扰和电源设备接地而受到其他接地设备的影响都会干扰局部放电的测试精度。在局部放电测试系统中，使用的是测试场地电网50 Hz的380 V交流电。在试验场地提供的电源中，会受到电网中其他设备接通和断开的影响。在测试现场提供的电源中，会存在过电压、欠电压、浪涌，这些都会引起高压生成电路的波动。电源中的高次谐波也会对控制系统中的逻辑元件造成干扰。地线干扰的原因主要是导线电阻会使系统中2个接地点产生电压差，这种电压差较大时会影响整个系统[22−23]。
4.2 消除外来干扰的方法
4.2.1 消除与电源电压无关的干扰方法
在试验环境中，应单独为电缆局部放电测试设备提供380 V工频交流电源。为此应从试验厂区变电站单独引出局部放电测试设备的电源，而且整个线路不能接其他设备，以防影响。从变电站到设备的电缆，应采用2芯带屏蔽的铜电缆，同时1芯的铜电缆作为接地线。
当380 V工频交流电接入设备后，首先经过一个双屏蔽隔离变压器。隔离变压器能够抵抗电网中奇数次谐波干扰，变压器的屏蔽层能够有效的隔绝自身和外界的电磁干扰。隔离变压器一次侧和二次侧的电气隔离也能有效过滤共模干扰。
然后再经过一个Π形滤波电路，主要由电容和电阻组成。Π形电路能够有效的抵抗电源中的干扰，包括电磁场对电源线耦合产生的共模干扰和电网上其他设备产生的差模干扰。同时由于接触调压器在调压过程中不可避免的产生电火花，形电路也能有效的消除其干扰。
在经过变压器升压后，最高可产生50 kV的高压电。使变压器输出的50 Hz的50 kV高压交流电再经过一个高压滤波装置。高压滤波装置由电感和电容组成，能够消除变压器可能产生的局部放电的干扰。
4.2.2 消除与电源有关的干扰措施
接地方面：接地时将直径为3.3~4.0 mm的紫铜棒埋入地下15 m，接地电阻小于1[24]。同时由于地面是不良导体，干扰也可能通过地面进入设备。在天气干燥的情况下，大地传输干扰的影响小于天气潮湿的情况，因为干燥时导电能力较弱。在地表1 m以下的地方给接地棒套上绝缘防护管，防止受地表干扰的影响；空间屏蔽方面为了防止测试环境周围设备的电磁干扰，局部放电测试应在开阔的场地试验，周围避免存在其他大功率设备。在有条件的地方，应建立专门的屏蔽室。屏蔽室由2~3 mm的钢板组成，并且应有良好的接地[25−26]。
5 结论
1) 通过对局部放电机理的分析，得出局部放电试验可以更容易的发现高压电缆组装后的绝缘缺陷。对于即将上线运行或已投入运行的动车组而言，进行高压电缆局部放电检测，通过对测试数据进行采集和分析，能够及时了解高压电缆的薄弱环节，掌握其局部放电量的情况以及绝缘老化程度，及时采取相应处理措施，以实现动车组高压供电的安全、可靠。
2) 通过对现场测试，掌握了在进行动车组高压电缆局部放电试验时的环境要求，试验设备的组成以及测试方法，为动车组高压电缆局部放电试验的深入研究提供了技术储备，为动车组的正常运营提供了技术保障。
