南航等单位学者发表低气压下多电飞机航空线缆局部放电特性的研究成果

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。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。

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。提高的额定功率将加剧线缆绝缘材料的退化进程，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。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，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；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），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。

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，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。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。低气压环境加剧了航空领域发生局部放电的风险，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局部放电检测，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。有研究文献进一步通过中低压航空线缆气隙放电的局部放电起始电压测量和理论建模仿真，量化了气压与局部放电起始电压之间的关系。此类研究探讨了线缆在不同气压下发生局部放电的问题，但忽视了飞机电源频率对局部放电的影响，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50～1000Hz范围内航空线缆放电测试，指出局部放电对线缆绝缘的损伤程度随着频率的改变而显著增加。

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局部放电起始电压检测，提出不同模型下局部放电起始电压存在明显差异。但是，局部放电起始电压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。

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。南京航空航天大学多电飞机电气系统工信部重点实验室、国网山东省电力公司莱芜供电公司、曼彻斯特大学电气电子工程学院的江军、李治、张本栋、李文源、张潮海，在2022年第21期《电工技术学报》上撰文，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。

图1  航空线缆局部放电检测平台

研究人员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。

他们表示，试验结果表明，三种放电模型的局部放电起始电压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局部放电起始电压高出其他模型的2倍以上。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。综合衡量局部放电起始电压、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。

此外，研究人员发现，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，电压频率的增大会增加放电次数、降低放电幅值，显著增加模型的放电重复率。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。10kPa下的线缆对线缆架放电影响效果最为明显。

他们指出，相同工况下，不同放电模型局部放电相位分析（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。局部放电相位分析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。