問題を解決しました。
最初に NLS_LANG=.AL32UTF8
を追加しました Oracle がインストールされているシステムの環境変数として、以下のように cx_Oracle の connect 関数に encoding と nencoding パラメータを渡しました。
cx_Oracle.connect(username, password, connection_string,
encoding="UTF-8", nencoding="UTF-8")
この問題については、ここ https://github.com/oracle/python- でも説明されています。 cx_Oracle/issues/157