面向未來(lái)多電飛機(jī)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(xué) 多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211106

隨著航空交通運(yùn)輸?shù)某掷m(xù)增長(zhǎng)，航空業(yè)每年排放到大氣中的CO超過(guò)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(jī)與溫室效應(yīng)。為了減少溫室氣體排放，降低石油能源消耗量，多電飛機(jī)(More-Electric-Aircraft，MEA)應(yīng)運(yùn)而生。多電飛機(jī)采用電能作為統(tǒng)一的機(jī)載二次能源，取代傳統(tǒng)飛機(jī)中的氣壓、液壓及相關(guān)機(jī)械部件，可以有效降低飛行重量、提升能源利用率。多電飛機(jī)以其經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、安全和便捷的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為未來(lái)主要發(fā)展趨勢(shì)。

相比于傳統(tǒng)飛機(jī)，多電飛機(jī)供電系統(tǒng)需要更高的容量以實(shí)現(xiàn)各種機(jī)載設(shè)備穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，多電飛機(jī)供電系統(tǒng)的容量已經(jīng)由最初的幾十kV·A級(jí)別發(fā)展至現(xiàn)在的MV·A級(jí)別，隨著多電飛機(jī)的繼續(xù)發(fā)展，飛機(jī)供電系統(tǒng)的容量將會(huì)進(jìn)一步提高。提升供電容量的方式主要有兩個(gè)：提高電流或者電壓。提高電流要求更粗直徑的導(dǎo)體電纜，這會(huì)加重飛機(jī)的飛行重量，增加能源消耗，因此目前飛機(jī)中提高供電容量的方式主要是提升電壓。波音B787供電系統(tǒng)中的電壓已經(jīng)提高到 AC230 V、DC540 V，功率達(dá)到1 MV·A。為了進(jìn)一步提高飛機(jī)供電系統(tǒng)的容量，未來(lái)多電飛機(jī)供電系統(tǒng)電壓將會(huì)提到幾千伏。飛機(jī)供電電壓的提升以及復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境給飛機(jī)電氣系統(tǒng)絕緣帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，極易導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)發(fā)生局部放電(Partial Discharge，PD)甚至擊穿失效。因此，針對(duì)多電飛機(jī)絕緣薄弱點(diǎn)，亟待開(kāi)展針對(duì)性的絕緣測(cè)試與局部放電分析和評(píng)估，以保障多電飛機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

多電飛機(jī)絕緣系統(tǒng)在各種運(yùn)行工況下容易失效，這已經(jīng)引起了眾多學(xué)者的關(guān)注和重視。絕緣系統(tǒng)在不同環(huán)境參數(shù)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(duì)聚酰亞胺薄膜壽命的影響，發(fā)現(xiàn)即使放電能量較高，當(dāng)材料表面形成半導(dǎo)體層后，介質(zhì)的強(qiáng)度仍然會(huì)得到加強(qiáng)。此外，壽命模型在不同氣壓下的適用性也得到了確認(rèn)。然而，僅僅探究不同參數(shù)下的材料壽命是不夠的，這無(wú)法為多電飛機(jī)絕緣系統(tǒng)強(qiáng)度提供足夠的預(yù)警與評(píng)估。因此針對(duì)多種航空電纜的故障起始放電電壓(Partial Discharge Inception Voltage,PDIV)仿真計(jì)算、測(cè)量在文獻(xiàn)[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(píng)估電纜的絕緣性能。但是，僅以PDIV作為絕緣的評(píng)估特征會(huì)存在較大的誤差，為提高評(píng)估精確性，更多的PD統(tǒng)計(jì)特征仍然需要進(jìn)行考量。因此，電壓波形與頻率對(duì)多電飛機(jī)作動(dòng)電機(jī)繞組放電的各種統(tǒng)計(jì)特征得到了探究，研究發(fā)現(xiàn)脈沖電壓下的放電強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于正弦電壓而頻率會(huì)降低放電幅值增加放電重復(fù)率。此外，Wang等針對(duì)航空推進(jìn)電機(jī)繞組設(shè)置了不同的故障，探究了氣壓對(duì)PDIV及放電譜圖的影響，并利用放電的表面電荷、數(shù)目及相位等特征實(shí)現(xiàn)了不同PD源的分類與分離。目前，針對(duì)多電飛機(jī)低氣壓運(yùn)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(duì)PD放電幅值、次數(shù)以及相位等多特征的影響規(guī)律與機(jī)制尚不完全清晰，多電飛機(jī)不同放電位置的特征分析與對(duì)比探究也同樣缺乏。

基于此，本文面向多電飛機(jī)實(shí)際工況與運(yùn)行場(chǎng)景，在實(shí)驗(yàn)室搭建平臺(tái)，模擬了航空電機(jī)繞組放電與航空電纜對(duì)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(nèi)進(jìn)行了大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，探究了氣壓對(duì)兩種絕緣故障PDIV、放電幅值、放電重復(fù)率以及相位分辨局部放電(Phase-Resolved Pcrtial Discharge,PRPD)譜圖等統(tǒng)計(jì)特征的影響，評(píng)估了不同氣壓下的絕緣放電風(fēng)險(xiǎn)，為多電飛機(jī)進(jìn)一步向大功率高電壓方向發(fā)展的絕緣設(shè)計(jì)與故障診斷提供借鑒和參考。

1 故障模擬與實(shí)驗(yàn)步驟

1.1 局部放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在實(shí)驗(yàn)室搭建的局部放電檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要由高壓電源、放電模型與腔體、數(shù)據(jù)采集單元以及氣壓控制模塊組成。高壓電源用于產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的特定電壓幅值與波形，由信號(hào)發(fā)生器(RIGOL DG4102)與高壓功率放大器(TRek 20/20C-HS)串聯(lián)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(duì)應(yīng)的放電缺陷并提供氣壓恒定的放電空間。數(shù)據(jù)采集單元分為局部放電數(shù)據(jù)采集與環(huán)境數(shù)據(jù)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(jìn)行存儲(chǔ)，所采用的HFCT檢測(cè)帶寬為0.3～100 MHz，示波器為T(mén)ektronix MDO3034，最大采樣頻率為2.5×10/s，帶寬350 MHz。環(huán)境數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition，DAQ)由數(shù)據(jù)采集卡(NI USB-6343)與環(huán)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(diào)針閥組成，可實(shí)現(xiàn)腔體內(nèi)部氣壓大小的準(zhǔn)確控制。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jī)進(jìn)一步向大功率、高電壓方向發(fā)展，飛機(jī)的供電電壓將會(huì)提升至kV級(jí)別，飛機(jī)中部分高電壓、小間隙位置將會(huì)面臨更高的絕緣風(fēng)險(xiǎn)，其中以航空電機(jī)繞組放電以及電纜對(duì)地放電尤為嚴(yán)峻。為了模擬對(duì)應(yīng)的故障，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置了兩種不同的故障模型如圖2、圖3所示。

電機(jī)繞組放電模型制作過(guò)程依據(jù)IEC60851-5-2008，其繞制過(guò)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)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(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)涉及模擬航空電纜放電，考慮飛機(jī)微電網(wǎng)均以機(jī)殼作為負(fù)極或接地處，供電系統(tǒng)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(guān)注，因此設(shè)置了圖3結(jié)構(gòu)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(nèi)部導(dǎo)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(jìn)行固定，中間放電區(qū)域長(zhǎng)度為60 mm。

所有線纜及放電平面在實(shí)驗(yàn)前均用酒精試紙進(jìn)行擦拭并晾干，以消除表面靜電及雜質(zhì)對(duì)放電的影響。

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

圖3 電纜對(duì)地放電模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure setup of cable-to-ground discharge model

多電飛機(jī)的飛行高度可從地面至萬(wàn)米的高空，飛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷寬泛的氣壓變化范圍，因此確定氣壓研究范圍對(duì)研究結(jié)果具有重要意義。不同高度下氣壓值的經(jīng)驗(yàn)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(jù)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(xiàn)出先快后慢的變化趨勢(shì)。當(dāng)海拔高度為25 km時(shí)，氣壓在10 kPa以下，在考慮一定裕量的基礎(chǔ)上將最低氣壓定為1 kPa，研究氣壓點(diǎn)選取為101.3、80、50、30、10、1 kPa。

圖4 不同海拔高度對(duì)應(yīng)的氣壓值Fig.4 Air pressure at different altitudes

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量程序

實(shí)驗(yàn)測(cè)量主要包含起始放電電壓測(cè)量與放電數(shù)據(jù)采集兩部分。為了盡可能消除人為測(cè)量帶來(lái)的主觀誤差，設(shè)計(jì)了基于Labview的PDIV自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，程序控制示意圖如圖5所示。利用Labview控制信號(hào)發(fā)生器以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的自動(dòng)控制。HFCT及示波器被用來(lái)檢測(cè)放電是否產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)時(shí)每次增加電壓100 V，加壓后采集回路監(jiān)控是否有局部放電產(chǎn)生，若30 s內(nèi)有局部放電產(chǎn)生，則記錄此時(shí)電壓，若沒(méi)有放電產(chǎn)生，則繼續(xù)加壓直至產(chǎn)生放電。相同條件下重復(fù)測(cè)量5次，取5次平均值作為最終PDIV。

圖5 PDIV自動(dòng)測(cè)量程序示意圖Fig.5 Scgematic diagram of program of PDIV automatic measurement

局部放電脈沖數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先將電機(jī)繞組放電模型連接于電路之中，將氣壓調(diào)節(jié)至大氣壓，根據(jù)PDIV測(cè)量結(jié)果將電壓調(diào)節(jié)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(rèn)發(fā)生放電后連續(xù)采集200周期放電數(shù)據(jù)。通過(guò)改變氣壓，采集不同氣壓下的放電數(shù)據(jù)。當(dāng)所有氣壓下的數(shù)據(jù)采集完成后，更換為電纜接地故障模型，重復(fù)以上數(shù)據(jù)采集步驟。所有實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采集數(shù)據(jù)均存入PC待進(jìn)一步處理與分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同氣壓及故障下的PDIV

通過(guò)測(cè)量不同模型及氣壓下的PDIV，以評(píng)估不同環(huán)境條件下的絕緣水平，根據(jù)1.3節(jié)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(dāng)氣壓為大氣壓時(shí)，電機(jī)繞組放電的PDIV為2.02 kV，氣壓降至1 kPa時(shí)，PDIV降至0.90 kV，僅為大氣壓下的44.6%。當(dāng)模型為電纜對(duì)地放電時(shí)，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(shuō)明氣壓對(duì)PDIV具有較大的影響。此外，在同一氣壓下，電纜對(duì)地故障的PDIV要高于電機(jī)繞組放電。

2.2 不同氣壓及故障下的放電幅值與次數(shù)

為了確定多故障在不同氣壓下的放電強(qiáng)弱規(guī)律，提取了200個(gè)周期的放電脈沖并計(jì)算了不同氣壓下的平均放電幅值、最大放電幅值、放電重復(fù)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(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)，在50 kPa或者30 kPa氣壓下出現(xiàn)最大的平均放電幅值。氣壓低于30 kPa 時(shí)，隨著氣壓的降低，平均放電幅值呈現(xiàn)出較快的下降趨勢(shì)，1 kPa下電機(jī)繞組平均放電幅值為0.13 V，遠(yuǎn)低于30 kPa下的1.15 V與101 kPa下的0.68 V。氣壓對(duì)電纜對(duì)地放電的影響趨勢(shì)與電機(jī)繞組放電基本相同，但不同氣壓下的電纜對(duì)地平均放電幅值均高于電機(jī)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(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，與平均放電幅值變化趨勢(shì)基本一致。電機(jī)繞組放電在 50 kPa 下出現(xiàn)最大的放電幅值，而電纜對(duì)地放電在30 kPa下出現(xiàn)最高值。低壓低于30 kPa時(shí)，隨著氣壓降低，最大放電幅值同樣呈現(xiàn)出較快的下降趨勢(shì)，不論是電機(jī)繞組放電還是電纜對(duì)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(guò)對(duì)不同氣壓下的放電幅值進(jìn)行分析，可以看出隨著氣壓的下降，放電幅值基本均呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)，最高點(diǎn)一般出現(xiàn)在50 kPa或者30 kPa。

不同氣壓和故障下的放電重復(fù)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(shù)均呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)。1 kPa下，電機(jī)繞組放電重復(fù)率為11.6×10s，為大氣壓下的5.3倍。電纜對(duì)地放電在1 kPa下的放電重復(fù)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(fù)率均高于電機(jī)繞組放電重復(fù)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(fù)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(dǎo)致的絕緣損傷與放電幅值和次數(shù)均有緊密的關(guān)系，為了衡量不同環(huán)境下的局部放電損傷程度，統(tǒng)計(jì)了不同故障下的每秒累積放電幅值如圖10所示。無(wú)論是電機(jī)繞組放電還是電纜對(duì)地放電，隨著氣壓的降低，累積放電幅值均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，在30 kPa處出現(xiàn)累積放電幅值最大點(diǎn)。由于平均放電幅值的降低，1 kPa 下的電機(jī)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(duì)于電纜對(duì)地放電，得益于低氣壓下放電重復(fù)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(duì)地的累積放電幅值均高于電機(jī)繞組放電，在30 kPa下電纜對(duì)地累積放電幅值為電機(jī)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(tǒng)計(jì)特征在不同條件下具有特定的差異，已經(jīng)在模式識(shí)別與故障診斷方面得到重要應(yīng)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(jī)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(fù)半周譜圖形狀基本相同。譜圖形狀隨氣壓降低同樣發(fā)生變化，在101 kPa，譜圖形狀呈現(xiàn)出等腰三角形“▲”形狀，每側(cè)譜圖形狀基本對(duì)稱，當(dāng)氣壓降至80 kPa時(shí)，譜圖形狀開(kāi)始呈現(xiàn)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(gè)峰值開(kāi)始逐漸升高，當(dāng)氣壓降至10 kPa時(shí)，半周期譜圖第2個(gè)峰值開(kāi)始超過(guò)第1個(gè)峰值。當(dāng)氣壓降至1 kPa時(shí)，半周期第1個(gè)峰值已不再明顯，甚至消失，譜圖開(kāi)始重新呈現(xiàn)出單一“峰值”的特征。此外，隨氣壓降低譜圖相位出現(xiàn)明顯的偏移，在50 kPa時(shí)開(kāi)始有放電脈沖偏移超過(guò)過(guò)零點(diǎn)，1 kPa時(shí)正負(fù)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(shì)，在大氣壓時(shí)正半周譜圖相位寬度93.4°，1 kPa時(shí)正半周譜圖相位寬度增加至117.9°。

圖11 電機(jī)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(duì)地放電在不同氣壓下的PRPD譜圖如圖12所示。當(dāng)氣壓為101 kPa時(shí)，正負(fù)半周譜圖基本對(duì)稱，隨著氣壓降至80 kPa，正負(fù)半周譜圖開(kāi)始存在“極性效應(yīng)”，呈現(xiàn)出不對(duì)稱特征，負(fù)半周放電幅值高于正半周。當(dāng)氣壓降至30 kPa時(shí)，譜圖的“極性效應(yīng)”最明顯，負(fù)半周放電脈沖幅值明顯高于正半周。隨著氣壓的繼續(xù)降低，“極性效應(yīng)”開(kāi)始減弱，當(dāng)氣壓降至1 kPa時(shí)，“極性效應(yīng)”已不再明顯。電纜對(duì)地放電PRPD譜圖同樣存在明顯的相位偏移特征，1 kPa時(shí)電纜對(duì)地放電PRPD譜圖正負(fù)周期脈沖初始相位分別為-39.3° 和140.9°，明顯早于電機(jī)繞組放電起始相位。在相位寬度上，電纜對(duì)地放電PRPD譜圖變化規(guī)律也與電機(jī)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(shí)正半周譜圖相位寬度109.1°，1 kPa時(shí)正半周譜圖相位寬度增加至133.8°。

圖12 電纜對(duì)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(duì)PDIV影響機(jī)理

氣壓的降低會(huì)導(dǎo)致局部放電PDIV的快速降低，根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程，當(dāng)體積及溫度不變時(shí)，氣壓的降低，直接導(dǎo)致空氣中質(zhì)點(diǎn)數(shù)目的減少，而放電間隙質(zhì)點(diǎn)數(shù)目的多少直接影響到放電過(guò)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(zhì)(分子的大小等)及氣壓的大小密切相關(guān)，當(dāng)氣體分子種類一定時(shí)，電子平均自由行程正比于/，即

(2)

式中：為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)的距離內(nèi)可以認(rèn)為電場(chǎng)恒定，因此自由電子在移動(dòng)的距離上獲得的能量為

(3)

式中：為基本電荷量;為電子移動(dòng)區(qū)間內(nèi)的平均電場(chǎng)強(qiáng)度;為電子平均自由行程與電場(chǎng)方向的夾角。

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

3.2 放電間隙電場(chǎng)變化模型

氣壓對(duì)局部放電統(tǒng)計(jì)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(xiàn)(圖7和圖8)。為了確定氣壓對(duì)放電統(tǒng)計(jì)特征的影響，首先建立正弦電壓下不同場(chǎng)強(qiáng)的疊加模型。

由于放電過(guò)程會(huì)在氣隙中間產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)，主要有電子、正離子和負(fù)離子，當(dāng)施加電壓為交流電壓時(shí)，存在電壓極性的改變，由于帶電質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)不是瞬間完成的，當(dāng)電壓極性變化時(shí)，帶電質(zhì)點(diǎn)存在移動(dòng)時(shí)差，從而造成不同電場(chǎng)的疊加，在不同相位時(shí)刻會(huì)促進(jìn)或抑制放電的發(fā)生，圖13為施加信號(hào)為正弦時(shí)一個(gè)周期下的電場(chǎng)變化過(guò)程，圖中為氣隙場(chǎng)強(qiáng)，為外加電壓場(chǎng)強(qiáng)，為積累電荷場(chǎng)強(qiáng)。根據(jù)不同時(shí)刻外加電場(chǎng)與空間積聚電荷的極性，可以將半個(gè)周期分為2個(gè)過(guò)程：第1個(gè)階段位于正弦電壓正半周過(guò)零點(diǎn)之后，此時(shí)A端導(dǎo)體電壓高于B。由于帶電質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)需要時(shí)間，此時(shí)正電荷仍然積聚在A極附近，在此階段與外電場(chǎng)同向，氣隙承受的電場(chǎng)=+。第2階段位于正弦電壓正半周的后半部分，電荷電場(chǎng)極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，場(chǎng)強(qiáng)與電荷場(chǎng)強(qiáng)的反向疊加，即=-。正弦波形負(fù)半周期電場(chǎng)變化情況與正半周期相同，僅方向相反，不再重復(fù)分析。

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

根據(jù)以上分析過(guò)程，當(dāng)沒(méi)有放電發(fā)生，且施加電壓幅值及頻率恒定時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)與外加場(chǎng)強(qiáng)如圖14所示，圖中為施加電壓角速度，為時(shí)間。由于空間電荷的存在，使氣隙場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生了畸變，過(guò)零點(diǎn)之后的一段區(qū)域內(nèi)氣隙場(chǎng)強(qiáng)得到加強(qiáng)，使放電更容易發(fā)生，而其余部分氣隙場(chǎng)強(qiáng)得到削弱，使放電不易發(fā)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(chǎng)強(qiáng)與外加場(chǎng)強(qiáng)變化模型Fig.14 Variation model of air gap field strength and applied field strength

3.3 氣壓對(duì)放電幅值和次數(shù)的影響分析

氣壓的變化會(huì)導(dǎo)致氣隙場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生改變，從而影響到放電統(tǒng)計(jì)特征的變化。為了探討低氣壓環(huán)境對(duì)多電飛機(jī)絕緣系統(tǒng)放電的影響機(jī)理，首先建立起放電脈沖與電場(chǎng)變化的對(duì)應(yīng)模型如圖15所示，其中為最小放電場(chǎng)強(qiáng)；為放電后的氣隙殘余場(chǎng)強(qiáng)；Δ為放電時(shí)刻氣隙場(chǎng)強(qiáng)高出的場(chǎng)強(qiáng)值；為有效放電時(shí)間，表征半個(gè)周期內(nèi)氣隙場(chǎng)強(qiáng)高出的時(shí)間；為放電延遲時(shí)間；為氣隙恢復(fù)時(shí)間；放電幅值與、Δ及的大小密切相關(guān)，而放電次數(shù)與和的大小密切相關(guān)。

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(guān)，當(dāng)放電間隙距離不變時(shí)，與將會(huì)隨PDIV的大小同步變化。

圖15 氣隙場(chǎng)強(qiáng)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(shí)刻場(chǎng)強(qiáng)降落Δ+-呈正相關(guān)，放電時(shí)場(chǎng)強(qiáng)降落越大，放電幅值越高。當(dāng)外加電壓幅值不變時(shí)，氣壓降低，導(dǎo)致氣隙殘余電場(chǎng)降低，放電時(shí)刻的場(chǎng)強(qiáng)降落Δ+-將會(huì)更大，因此隨著氣壓降低，放電幅值會(huì)更高，加大局部放電對(duì)多電飛機(jī)絕緣系統(tǒng)的損傷。此外，的減小將會(huì)使有效放電時(shí)間增加并提早放電脈沖的產(chǎn)生時(shí)刻。更早的放電脈沖將會(huì)促使積累電荷場(chǎng)強(qiáng)更早完成翻轉(zhuǎn)，使氣隙場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化。根據(jù)電場(chǎng)疊加方式的不同，可以將放電區(qū)域分為積累電荷場(chǎng)強(qiáng)與外加場(chǎng)強(qiáng)同向疊加形成的Ⅰ區(qū)域，積累電荷場(chǎng)強(qiáng)與外加場(chǎng)強(qiáng)反向疊加形成的Ⅱ區(qū)域。在相同下，Ⅱ區(qū)域的氣隙場(chǎng)強(qiáng)要遠(yuǎn)低于Ⅰ區(qū)域，Ⅱ區(qū)域的放電強(qiáng)度也要低于Ⅰ區(qū)域。隨著氣壓的降低，Ⅰ區(qū)域逐漸減小而Ⅱ區(qū)域逐漸增加，當(dāng)氣壓降至10 kPa及以下時(shí)，主要放電區(qū)域?yàn)棰騾^(qū)域，因此1～10 kPa范圍內(nèi)放電幅值會(huì)呈現(xiàn)低于30 kPa，兩方面的共同影響，導(dǎo)致隨著氣壓的降低，放電幅值呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。

放電次數(shù)的變化主要受有效放電時(shí)間與氣隙恢復(fù)時(shí)間的影響。與對(duì)放電次數(shù)的影響可表示為

(4)

式中：為比例系數(shù)。

有效放電時(shí)間越長(zhǎng)，氣隙恢復(fù)時(shí)間越短，放電次數(shù)也就越多。當(dāng)氣壓降低時(shí)時(shí)，的減小使半個(gè)周期內(nèi)的有效放電時(shí)間增加，使更多的時(shí)間存在放電可能。此外，的減小同樣使氣隙恢復(fù)時(shí)間減小，單次放電用時(shí)縮短。因此，兩方面影響因素共同導(dǎo)致低氣壓下放電次數(shù)增加。

4 結(jié) 論

1) 低氣壓會(huì)導(dǎo)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(duì)多電飛機(jī)的運(yùn)行工況，低氣壓下的局部放電更容易發(fā)生，其絕緣狀況更值得關(guān)注。

2) 氣壓對(duì)放電幅值和次數(shù)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(huì)出現(xiàn)最大的累積放電幅值，而放電重復(fù)率隨著氣壓降低會(huì)逐漸增加。當(dāng)開(kāi)展絕緣耐受性測(cè)試時(shí)，30 kPa氣壓下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更有參考意義。

3) 不同絕緣缺陷的結(jié)構(gòu)均會(huì)影響PRPD譜圖的特征。電機(jī)繞組放電PRPD譜圖形狀以“兔耳朵”為主要特征，正負(fù)周期形狀基本對(duì)稱。電纜對(duì)地放電PRPD譜圖以“極性效應(yīng)”主要特征，負(fù)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(kāi)展未來(lái)多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)局部放電引起的模式識(shí)別與故障診斷。

4) 低氣壓環(huán)境下空間帶電質(zhì)點(diǎn)的碰撞與運(yùn)動(dòng)是局部放電統(tǒng)計(jì)特征變化的主要原因。低氣壓環(huán)境下電子平均自由行程增加導(dǎo)致PDIV降低，不同氣壓條件下最小放電場(chǎng)強(qiáng)、有效放電時(shí)間、氣隙恢復(fù)時(shí)間、延遲時(shí)間以及不同電場(chǎng)疊加的變化相互作用共同影響了放電幅值、放電次數(shù)和譜圖的變化規(guī)律。