Rozwiązałem problem.
Najpierw dodałem NLS_LANG=.AL32UTF8
jako zmienną środowiskową w systemie, w którym zainstalowano Oracle. Po drugie przekazałem parametr kodowania i nencoding w funkcji connect programu cx_Oracle, jak poniżej.
cx_Oracle.connect(username, password, connection_string,
encoding="UTF-8", nencoding="UTF-8")
Ten problem jest również omawiany tutaj na https://github.com/oracle/python- cx_Oracle/issues/157