（电机与电器专业论文）电机安全性能自动测试系统.pdf

塑坚盔堂堡主堡壅 塑塞 a b s t r a c t t h i s p a p e ri s i n t r o d u c et h eh a r d w a r em o d u l eo fc o m p u t e r c o n t r o l l i n g t e s t i n g i n s t r u m e n to fe l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g s i n s u l a t i o np e r f o r m a n c e t h e t e s t i n g i n s t r u m e n to fe l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g s i n s u l a t i o n p e r f o r m a n c e i sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：i n s u l a t i o nr e s i s t a n c et e s t i n g i n s t r u m e n t ，a ci n s u l a t et e s t i n gi n s t r u m e n ta n dc o i li n s u l a t et e s t i n g i n s t r u m e n t t h e s et h r e et e s t i n gi n s t r u m e n tc a nb ec i r c u l a t e du n d e rt h ec o n t r o l o fc o m p u t e ra n ds e n db a c k e dt h er e s u l tt ot h ec o m p u t e r a m o n gt h e mi n s u l a t e d t h ei n s u l a t i o nr e s i s t a n c et e s t i n gi n s t r u m e n tt oa d o p tt h eh i g hd i r e c tv o l t a g e t e s t i n gm e t h o d ；t h ea ci n s u l a t et e s t i n gi n s t r u m e n ta d o p tt ot h ei n s t r u m e n t o fa ch i g hv o l t a g e ，a n dw ea l s od e s i g n e dt h ep r o t e c t e dc i r c u i tw i t he x c e s s i v e c u r r e n t ：t h ec o i li n s u l a t et e s t i n gi n s t r u m e n ti sa d o p ts u r g ev o l t a g ei m p a c t t e s ti n gm e t h o d t h ee l e c t r i c a l m a c h i n et e s t i n gp l a t f o r mh a sac o m p u t e ra si t sc o n t r o l l e r ， a n di n c l u d e sm e a s u r i n gm o d u l e ，i o i n t e r f a c em o d u l ea n dv i r t u a li n s t r u m e n t p l a t f o r m i tc a na c c o m p l i s ht h em e a s u r i n go fm a c h i n e sq u i c ka n de x a c t l y a n d g i v et h ea l a r mi fj u d g i n gs y s t e me r r o r 第2 页 塑坚查堂堡主兰垡丝苎二曼= 童堕丝一 第一章绪论 国家标准要求的试验项目分为三大类：电气性能试验、安全性能试验及机械外观 等。本论文下面对电机测试所要进行的安全性能试验的目的、种类、方法及要求做一 个简单的介绍。 第一节安全性能试验目的 随着经济的不断发展，各行业对电机的需求量不断增加，同时对电机的使用安全 性和可靠性要求也在不断提高。作为用电设备，除了应能在额定电压下长期安全可靠 运行之外，当发生负载的切除、一相接地事故、或由于高次谐波等引起的瞬时过电压， 电机也必须具备充分的绝缘强度。其绝缘在避雷器等保护装置的配合下，即使在电力 系统发生大气过电压和操作过电压时，也必须可靠。绝缘强度在电机的各种性能中， 是最重要的因素之一。安全性能试验的目的是检验电机设备在长期的额定电压作用 下，绝缘性能的可靠程度，以及即使在外施过电压作用下，也不致产生有害的局部放 电和绝缘物的损坏。 检验仪器设备绝缘能力的安全性能试验大致可分为绝缘特性试验和绝缘强度试 验。绝缘特性试验是对电机的绝缘进行质量监督。绝缘特性试验的主要目的是在电机 制造过程中，用来发现生产中的缺陷，同时掌握设备的绝缘特性，由此可以检查在运 行中由于吸潮和老化所引起的绝缘劣化，使电机设备的绝缘事故防患于未然；绝缘强 度试验的目的是检验电机设备对于工频电压、雷电冲击电压、操作冲击电压等是否具 有规定水平以上的绝缘强度。 绝缘特性试验是电机设备在制造过程中鉴定绝缘的各种性能，绝缘强度试验是用 来检验设备绝缘在规定时间内是否能承受所规定的电压。绝缘是否达到应有的寿命， 应以这两个相辅相成的试验来确定。若从试验发展的过程来看，对于绝缘设备，后者 是必须的，而前者一直作为参考来对待的。所以从实用性角度来看，绝缘强度试验占 有重要的地位。 第二节安全性能试验的种类、测试方法与技术要求 电机的安全性能特性试验分为三个部分：( 1 ) 绝缘电阻的测定，( 2 ) 耐电压试验 ( 介电强度试验) ，( 3 ) 绕组匝间绝缘耐电压试验。 第1 页 塑坚查堂堡主堂垡堡塞 一堇二皇丝丝一 1 2 1 绝缘电阻的测试方法和技术要求 ( 一) 试验设备 ( 1 )测定电机绕组的绝缘电阻采用兆欧表或者直流高压测试电路，其规格应根据 被测绕组在电机上的额定工作电压来选定。兆欧表或高压直流测试电路的电压选定原 则见表1 1 。 表1 1兆欧表的选定原则 ( 2 )测量埋置在绕组内的其它发热元件的热敏电阻等检温计或其它有特殊要求的 器件时，一般采用不高于2 5 0 v 的兆欧表或按其要求选用其它规格的兆欧表。 ( - - ) 测量方法及有关要求 1 、测试时电机的状态 测量电机绕组的绝缘电阻时，应分别在实际冷状态和热状态下进行。 检查试验时，可在实际冷状态下进行。 2 、测量方法 常用的测量绝缘电阻的基本方法有三种：惠斯登电桥法，电容充电法和电压电流 法，其中电压电流法被广泛采用电压电流法是在一个测试电压源u s 上串接被测电阻 r x 和标准采样电阻& ，使之形成一个闭合回路。当u s 一定且r x r o 时，采样电阻 上的压降与r x 成反比，从而可以得出被测电阻值。若采用高稳定的直流测试电源， 还可获得较高的测量准确度。 目前，在常规的绝缘检测中，摇表的使用率仍很高，它由手摇发电机和流比计构 成，示值基本与测试电压无关，属比率测量方法，但操作费力、费时，测量准确度低1 ， 误差约为( 1 0 2 0 ) 。对电机的不同绕组，如直流电机的电枢绕组、励磁绕组( 包 括串励绕组、并励绕组和他励绕组) ：交流异步电动机的定子绕组和绕线电机的转子 绕组；交流同步电机的定子绕组、励磁绕组及某些自励电机励磁系统中的电抗器、电 流互感器等的绕组，如果它们的两个线端都已引出到电机机壳之外，则应分别测量每 个绕组( 包括三相交流电机的定予三相绕组) 对机壳的绝缘电阻和各绕组相互间的绝 缘电阻。试验时，不参与试验的绕组应与机壳可靠连接。对在电机内部已做连接的绕 组( 如三相绕组已接成y 形或形) ，则可测它们与机壳之间的绝缘电阻。 此外，在实际运行中，经常碰到诸如下列不好处理的情况：1 交联聚乙烯电缆 虽有2 0 0 0 兆欧以上的绝缘电阻，却发生了对地闪络事故；2 高压电机虽有3 0 0 兆欧 的绝缘电阻，却产生了绝缘击穿；3 一个电力系统中的电缆与设各虽测得绝缘电阻 第2 页 塑垩查堂堡圭兰垡丝壅 一兰已兰墅l 一 均大于1 0 0 0 兆欧，但接地继电器却经常发生动作等等。另外有些电气设备虽然已经 到了短时间耐压都无法经受的地步，但用兆欧表测定，其指针仍指示最大值。由此可 以看出常规绝缘电阻测试仪的局限性，同时说明了采用其它绝缘检测方法和发展新测 试仪器的必要性，单片微机高压绝缘电阻测试系统为这种发展提供了可能。 测量时，如果采用兆欧表，兆欧表的转速应保持在1 2 0 f f m i n 左右，读数应在仪表 指针达到稳定后读取。 测量后，应将被测绕组对地放电后在拆测量线。 ( 三)测量结果的判断 电机绕组的绝缘电阻在热状态下所测的数值应不小于下式所求得的数值 r m = ( 1 一i ) 1 0 0 0 + r 1 0 0 式中：r m 一一电机绕组的绝缘电阻，m q ； u 一一电机绕组的额定电压，v ； p 一一电机的额定容量，对直流电机及交流电动机其单位为k w ，对交 流发电机为k v a ，对调相机，则为k v a r 。 因为中型以下的电机的容量在几百千瓦以下，所以上式中的p 1 0 0 远小于1 0 0 0 ， 可以认为1 0 0 0 + p 1 0 0 = 1 0 0 0 。这样，中型以下电机绝缘电阻的考核标准则可用如下简 略公式求得： 2 蒜( m f t ) ( 1 _ 2 ) 例如额定电压为3 8 0 v 的交流电机绕组在热状态下的绝缘电机应不低于3 8 0 1 0 0 0 = 0 3 8 ( m f t ) 。 一般电机标准中，都没有电机在冷状态下的绝缘电阻的考核标准，通常只标明： 在检查试验时，电机的绝缘电阻可以只在冷状态进行测定和考核，但应保证电机在热 态时绝缘电阻值不低于式l l 求得的值。 上述话原则上是正确的，但在实际工作中很难掌握，这是因为：电机在冷热态时 绝缘电阻之间的关系与电机试验所处环境的温度、相对湿度，以及电机绝缘材料的性 能、质量、状态等很多因素有关。有资料给出了如下经验公式可供参考 r 。志了7 5 - t ( 1 _ 3 ) 式中：r m c 一一冷态绝缘电阻考核值，m q ； t 一一测量时的绕组温度( 一般用环境温度) ，； u 一一绕组额定电压，v 。 第3 页 塑坚奎兰堡主兰垡丝苎笙二皇二苎笙一 1 2 2 工频耐压的测试方法与技术要求 耐电压试验为校验电机绕组与机壳之间的绝缘强度，一般分为两个阶段：电工半 成品阶段与整机阶段。对于耐电压试验根据使用目的和电力系统中的过电压种类，具 体可分为工频交流耐压试验、雷电冲击波试验、操作冲击波电压试验。 ( 1 ) 工频交流耐压试验：长时间旅加某一限度的电压，不会造成绝缘的损坏，但 超过这个限度的电压，绝缘物的老化速度加快，最后会导致绝缘物的破坏。如果施加 短时最高电压，对于正确设计运行的设备，也不会带来绝缘的损坏。上述就是以往施 加一定时间工频过电压试验的基本想法。 根据j e c 一1 7 0 ，工频交流耐压试验的目的是检验同电力系统直接连接的供用电 设备的绝缘强度和确定长期使用中的安全性。工频交流耐压试验主要有以下几种： f 1 短时间交流耐压试验。对试品施加规定电压1 分钟，确定不发生破坏性放电的试 验。 b 长时间交流耐压试验。对试品施加规定电压1 0 分钟，确定不发生破坏性放电的试 验。 c 喷水状态下交流耐压试验。在标准规定的喷水条件下，对试品施加规定的试验电 压1 0 秒，确定不发生破坏性放电的试验。 d 交流破坏性电压试验。这是一种求出试品的交流破坏性电压的试验方法。作为外 施电压的方法有升高电压法、定值加压法及突然加压法等，在破坏性放电中，液 体以及气体或固体表面的破坏性放电称为闪络，固体内部的破坏性放电称为击穿。 e 人工盐尘污秽交流耐压实验。人工盐尘污秽试验是考虑到在户外所使用的外部绝 缘，在运行中受到污秽，因而人为地制造污秽潮湿状态以求出闪络电压的试验。 ( 2 ) 冲击电压试验( 雷电冲击波试验) ：冲击电压试验是模拟发生在电力系统中的 雷电波的电压波形而进行的试验。其目的是检验雷击及其他因素所造成的瞬时过电压 时，设备是否还保持良好的绝缘程度。 因自然发生的雷电波使电力系统受到侵袭的电压波形可分为以下三种： a 全波。沿着一定长度的输电线传播的雷电冲击波，到达电气设备时的电压波形。 b 波尾截波。在雷电波的传播过程中，达到波头值之后，在绝缘子发生闪络情况的 波形。 c 波头截波。当非常高的雷电波直接或在端子相近处发生时，端子电压会急剧升高， 因而发生闪络情况的电压波形。 根据j e c - - 1 7 1 ，冲击电压试验有以下四种：a 冲击耐压试验、b 5 0 闪络电 压试验、c 冲击破坏试验、d 电压一时间曲线试验。 要确定设备对于冲击电压的绝缘强度，就需根据不同的试验目的进行相应的试 验a 冲击耐压实验就是检验设备是否能承受所设计的冲击电压。尤其对于绝缘不能自 第4 页 塑坚查竺塑主兰焦垒奎鱼二兰竺丝一 愈的设备( 例如变压器、电抗器等) 应进行这种试验a 5 0 闪络试验和冲击破坏试验 从决定试品的极限冲击绝缘强度的意义上来说是至关重要的。5 0 闪络电压试验主要 是对套管和绝缘子等这些自愈设备进行试验。电压一时间曲线则是和绝缘配合密切相 关的。由于雷电等过电压所引起的设备绝缘破坏情况和由交流电压引起的绝缘破坏情 况有明显的不同，输电系统的绝缘配合是由系统各组成部分对于冲击电压的绝缘强度 为基础而构成。 ( 3 ) 操作冲击波电压试验 操作冲击波试验可分为以下几种： a 操作冲击波耐压试验。确定对试品施加规定的试验电压，不产生绝缘破坏的试验。 b 5 0 闪络试验。求出在施加几次一定波形、一定电压值的情况下的试品闪络概率。 c 操作冲击波破坏试验。求出外施电压的幅值逐渐升高时，试品发生破坏性放电时 的电压。 d 电压一时间曲线试验。求出在外旋一种或几种不同波形的操作冲击电压波形时， 闪络电压的瞬时值和闪络时间之间的关系曲线。 一、工频耐压试验的方法 其工作过程是低压交流电( 3 8 0 v 5 0 h z 或2 2 0 v 5 0 h z ) 通过升压变压器按一定比 例升压后加在被试品上，通过检测高压泄漏电流的大小来判断被试品是否合格。电路 示意图如图1 一l 所示。 电源调压 器 图卜1 耐电压试验电路主要部分示意图 二、交流耐压试验的技术要求 ( 一) 试验注意事项 电机组装成整机后，应先进行绝缘电阻测定试验并确定其绝缘电阻值符合要求后 再进行耐电压试验。如电机需进行超速、偶然过电流或短时过转矩及短路机械强度试 验时，本项试验应在这些试验后进行；如需进行温升试验，则应在温升试验后立即进 行。试验应在电机静止状态下进行，但对汽轮发电机的转子绕组，则应在额定转速下 第5 页 塑望查堂堡主兰垡丝苎蔓二雯二堕笙一 进行。 试验时，电压应施加于绕组与机壳之间，其他不参与试验的绕组和铁心均应与机 壳连接。对额定电压在1 k v 以上的多相电机，若每相的两端均单独引出时，试验电 压应施加于每相( 两端并接) 与机壳之间，此时其他不参与试验的绕组和铁心均应与 机壳连接。 ( 二) 试验电压与时间 试验电压的频率为5 0 h z ，波形尽可能接近正弦波。 按电机生产环节的不同，其试验步骤、试验电压值及试验时间有所不同，通常规 定如下。 1 、一般生产情况 整机试验时，试验电压按表1 - 2 的规定，电工半成品试验时，其电压一般要高于 表1 2 的规定( 具体标准由行业或企业以指导性文件规定。如一般低压中小型交流异 步电动机按表1 2 中规定为1 0 0 0 + 2 u n ，电工半成品耐电压值规定为1 5 0 0 + 2 u n ) 。 试验时，施加的电压应从不超过全值电压的一半开始，然后以不超过全值电压的 5 均匀地或分段地增加至全值。电压至全值的时间应不少于1 0 s 。全值电压试验时间 应持续1 m i n 。然后，逐渐将电压降至全值的一半以下后，再断开电源。 表1 - 2 部分中小型电机的耐电压试验值 项号电机或部件试验电压( 有效值) ( v ) 1 p n l k w 且u n 1 0 0 v 电机的绝缘绕组5 0 0 + 2 u n 2 u n 9 6 v 由独立电源供电的电动机由该类型产品标准规定 3 p n 1 0 0 0 k w 电机的绝缘绕组，1 除外1 0 0 0 + 2 u n ，但最低1 5 0 0 v 4 同步电机磁场绕组( 1 ) 励磁电压u f n 5 0 0 v 4 0 0 0 + 2 u r n 2 、大批连续生产情况 对批量生产的5 k w ( 或k v a ) 及以下的电机，可将上述试验的加压时间缩短为 5 s ，也可用只加1 s ，但电压应为表1 2 所规定值的1 2 倍，试验电压应采用“突加” 法，例如用试棒施加( 应格外注意安全) 。 3 、重复试验和电机修理后的试验 电机绕组一般只许在出厂检查试验时进行一次耐电压试验。如因需要必须再进行 一次试验时，试验电压应不超过表1 2 所规定的8 0 。对于修理时绕组完全重绕的电 机，应用与新电机同样的条件进行本项试验。对于修理时绕组部分重绕的电机，试验 电压应不超过表1 - 2 规定的7 5 。有必要时，试验前应对未重绕部分进行清洁和干燥。 对拆装清理过的电机，在清洁干燥后，用1 5 倍的电机额定电压做耐电压试验，但额 定电压为1 0 0 v 及以上的，应至少为1 0 0 0 v ；额定电压为1 0 0 v 以下的，应至少为5 0 0 v 。 ( 三) 试验时的注意事项 为确保试验人员的安全，试验时应注意： 第6 页 堂望盔堂堡主堂竺丝壅苎二苎二堕兰一一 ( 1 )试验应由两名有经验的试验人员进行，一人操作，一人监视，其中监视者应 控制。个可以切断试验电源的脚踏开关，试验场所应有光警示信号。非试验人员一律 不准进入试验场地。试验中，试验人员的精神应高度集中。 ( 2 )试验时，所有人员离被试电机距离最少为l m 。 ( 3 )试验后，先将被试绕组对地放电再拆下接线。 ( 4 )应经常检查耐压试验设备过流元件动作的灵敏性和电压指示仪表的准确性。 ( 四) 电机耐电压试验后的合格标准 在耐电压试验中，电机绕组无击穿及闪络现象，即认为该电机耐电压合格。 1 2 3 匝间耐压的测试方法与技术要求 绕组匝间耐压试验的目的是为了发现因电磁线外层绝缘质量问题和生产制造中 对绕组绝缘造成的损伤，其中有些较轻的质量问题和损伤在短时升压试验时不能被发 现，而在实际运行时，则可能在合、断电源等操作过电压或雷电过电压等瞬间高电压 的冲击下造成匝间短路击穿，发生整机损坏故障，轻者损坏电机，重者可能损伤其它 配套设施。 匝间耐压试验时，对被试绕组施加上述生产使用时所可能遇到的过电压，能显示 出故障现象，从而设法进行修复。电机绕组的绝缘故障是产生电机运行故障的主要原 因之一，提高电机绕组匝间绝缘性能，对提高电机使用质量，延长运行寿命起着重要 作用。 一、试验方法 目前具体的匝间耐压试验的方法有以下几种： ( 1 ) 直接浪涌电压冲击法： 直接浪涌电压 冲击法的电路原理 图如图l 一2 所示， 图中的r l 与l 分别 为电机匝间的电阻 与电感，当k 断开 后，外加的电源切 煞。 。z 步一 图1 2 浪涌法电路原理及振荡波形图 除，则r - - l - - c 回路就会有放电电流的流动，由于电感l 与电容c 的作用，放电方 向在相继的改变，由于r 的耗能作用，放电的能量越来越小，最后趋向于零。放电曲 线为振荡曲线的条件为r 2 4 7 石，振荡的角频率为。= 1 丽，振荡衰减的快慢由 衰减系数6 ( 8 = r t j 2 l ) 来决定。振荡衰减曲线见图1 - - 2 ，其中u o 为初始电压。直 第7 页 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 接浪涌冲击法的冲击电压直接加在被试对象上，数据准确，试验品与标准品的可比性 强，加上该方法电路简单，操作方便，是目前使用最广泛的匝问耐压试验方法。 ( 2 )感应脉冲法： 其原理是利用充电后的电容器对励磁线圈放电，或使其产生高频振荡，以电机绕 组作为付边感应出一定的高频电压，根据不同的电压波形来判断故障情况。其优点是 被试验绕组上的电压振荡频率不随被试绕组电感的变化而变化，缺点是要得到高的匝 间电压，则需要大截面的交链铁心，体积庞大，笨重。 ( 3 )工频交流法： 绕组匝间短路用交流电来检查，其实质上是通过测量交流电压、电流得出绕组阻 抗，与同类正常绕组相比以确定是否存在匝间短路。该方法简单易行，在拆机状态时 检查各个磁极之间的交流阻抗容易比较出匝间短路的故障线圈，但是在匝间短路不严 重时或只有单匝短路时由于电路参数变化较小而会导致方法失效。 ( 4 )电晕法 这是一种新型的匝间耐压测试方法。通过对被试绕组上施加高压纳秒级脉冲波 形，波头时间极短，电压大量侵入绝缘不良的绕组线圈，从而导致绝缘不良的匝间产 生电晕放电。通过检测电晕电流，即可比较出匝间绝缘性能的好坏。该方法优点是不 仅可以发现匝间绝缘的好坏，通过对电晕电流的比较计算，还可以计算出匝间短路在 线圈中的位置，缺点是对高压发生仪器和检测设备的要求都较高。 二、匝间耐压测试的技术要求 产品标准是衡量产品质量是否合格的依据，产品标准多具强制性，一经颁发，有 关的制造厂、用户和质量监督部门都得遵守。判断某台电机是否合格就是按照标准所 规定的条件和方法进行测试，以考察它的性能能否达到标准的要求。 我国的标准体系分为四级，国家标准、专业标准( 部标准) 、地方标准和企业标 准。国家标准是对全国经济技术发展有重大意义、在全国范围内实行的标准：如关于 量大面广，跨部门生产的重要产品的标准。国家标准由国家标准局审批和颁发，代号 g b ，“旋转电机基本技术要求”的编号为g b 7 5 5 - - 8 7 ，7 5 5 是序号，8 7 表示这个标准 是1 9 8 7 年批准的。部标准( 专业标准) 为各专业范围内实行的标准。各类电机的基 本系列、重要派生类系列及重要专用系列的技术条件一般都属于部标准。电机的部标 准由机械工业部颁发，8 7 年以前的代号是j b 、j b ，z ，9 1 年以后为j b 厂r 。 在本测试系统中有关绕组匝间耐压测试的标准大致上有以下几个： 1 ) g b 7 5 5 8 7 旋转电机基本技术要求 2 ) j b f f 5 8 1 0 - - 9 1 电机磁极线圈及磁场绕组匝间绝缘试验规范 3 ) j b f f 5 8 1 1 - - 9 1 交流低压电机成型绕组匝间绝缘试验方法及限值 4 ) j b z 2 9 4 - - 8 7 交流低压散嵌绕组匝间绝缘试验方法 第8 页 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 5 ) j b z 3 4 6 - - 8 9交流低压散嵌绕组匝间绝缘试验限值 绕组匝间耐电压试验简称匝间试验。由于电机绕组的结构方式、电压等级、使用 条件等各有不同，所以对试验电压的要求、试验方法等也有所不同。这里主要介绍各 种电机的通用条款和几大类的通用项目。 表1 3 部分电机绕组匝间冲击耐电压值( 峰值，v ) 绕组型式计算公式公式中各量的含义及说明 交流低压 u z = k l k 2 k 3 。u g k l 电压系数，取1 4 0 散嵌绕组 2 1 4 k 2 k 3 u g k 厂一运行系数，1 0 i 4 ( u 矗l1 4 0 v )k 3 尺寸系数，电机中心高 3 5 0 v( 1 ) u z 为片间冲击电压峰值。用于一般用途电机 绕组( 2 ) u z r o 时，采样电 阻上r o 的压降与r x 成反比，从而可以得出被测电阻值。若采用高稳定的直流测试电 源，还可获得较高的测量准确度。 测试线路如图2 7 所示，图中p t 为5 0 0 v 5 v 的电 压传感器，该电压传感器的内阻为4 7 3 m q 。r x 为待测 电阻。则加在电压传感器上的电压值为： u ： 坠 4 7 3 ：型!( v ) 4 7 3 + r r4 7 3 + r r 则驴学“7 3 ( m q )( 式2 _ 1 ) 图2 _ 7 测试线路原硼 这种测量方法简单方便，在直流测试电源电压已知的情况下只需测试一次电压 值，便可以得到该绝缘电阻值。 第三节绝缘电阻测试的硬件电路 2 3 1 总体硬件结构 绝缘电阻测试仪硬件电路框图如图2 - - 8 所示，整个硬件电路分为六个模块，分 区囹 图2 8 绝缘电阻测试仪电路框图 别为：( 1 ) 高频正弦波振荡发生器，( 2 ) 功率放大电路，( 3 ) 升压变压器，( 4 ) 控制 电路，( 5 ) 倍压整流电路，( 6 ) 测试电路。下面简要的介绍各个模块的作用。 第1 5 页 浙江大学硕士学位论文 第二章绝缘电阻的测试 ( 1 ) 高频正弦波振荡发生器 利用r c 串并联振荡，生成一个频率和幅值均可调的正弦波信号。 ( 2 ) 功率放大电路 利用对称三极管二级推挽，把正弦波信号进行功率放大，提高了信号的输出电流 能力。 ( 3 ) 升压变压器 把最大幅值为1 2 v 的正弦交流信号升压至最大幅值为1 5 0 伏的交流信号。 ( 4 ) 控制电路 接收计算机的控制信号，控制低压交流信号与升压变压器之间的接通与断开。 ( 5 ) 倍压整流信号 用了4 个二极管和电容的4 倍压整流电路，最高可以把升压变压器付边输出的 1 5 0 v 升压至大约6 0 0 v 。 ( 6 ) 测试电路 把倍压整流电路的直流输出电压作为电源，连接被测件可以进行测试。 2 3 2 正弦波振荡发生器 一、电路组成 由于串并联网络在国= 输出最大，相位弥= 0 。，所以构成振荡回路时，要求 放大回路的相移吼= + 2 n n - 。 图2 9 所示的r c 串并联正弦波振荡电路，采用同相比例运算放大器，使 p _ = + 2 n n - 。 “刨 硷岩+ l z vf 鼍 莎 献嘛每 二、 振荡频率 r c 串并联正弦波振荡电路的振荡频率就是串并联网络的五= 丽1 。 第1 6 页 浙江大学硕士学位论文 第二章绝缘电阻的测试 三、起振条件 根据起振条件ia fl 1 ，而ifi 1 3 ，所以要求同相比例放大电路的电压放大 倍数a f _ 1 + r p l i b 略大于3 ，故r p l 应略大于2 r 2 。如果a e 3 ，输出波形失真，变成近于方波。 四、稳幅措施 利用二极管的非线性完成自动稳幅的电路。在负反馈电路中，二极管v 1 ，v 2 与 电阻r 5 并联，不论输出信号是在正半周还是在负半周，总有一个二极管正向导通。 若两个二极管参数一致，则电压放大倍数a = 1 + ( r p l + r j r d ) r 2 ，式中r d 为二 极管正向交流电阻。 振荡电路起振时，输出电压幅值较小，根据二极管的特性，这时，它的正向交流 电阻r d 阻值大，使放大倍数a 较大，有利于起振。当输出电压幅值增大后，通过的 二极管的电流增大，r d 较小，使放大倍数下降，从而达到自动稳定输出的目的。 2 3 3 升压变压器及其设计 在正弦波振荡电路及倍压整流电路之间的是升压变压器。升压变压器的主要作用 有两个，一是把正弦波振荡电路产生并经过功率放大电路输出的低压正弦波信号升压 成为电压较高的正弦波信号，二是把前面的振荡电路和倍压整流电路进行隔离。 1 、升压变压器的设计 根据电工手册中关于小功率变压器的计算可知，对于设计一个小功率变压器，需 要预先进行计算和设计的项目有以下几个：变压器的额定功率，初级电流，变压器铁 芯的粗截面积s 。和净截面积s 。，初级线圈和次级线圈的匝数，各线圈导线直径等。 下面针对绝缘测试中用到的升压变压器参数的决定做一个简单的介绍。 ( 1 ) 计算变压器的额定功率 变压器的输出功率为p 2 = 1 2 u 2 ，我们也可以从最后的测试电路来分析，因为倍压 整流电路输出电压为直流5 0 0 v ，测试电路中的电阻为不小于4 7 m q ，由此可见测试 电路中消耗的功率非常小，电流也很小，所以该升压变压器的额定功率很小，一般而 言小于i 瓦。 ( 2 ) 变压器铁芯截面积s 。 计算铁芯截面积的目的是要确定使用何种规格的硅钢片，或者铁氧体，铁芯截面 积s 。和变压器功率有关，一般的经验公式为： s 。= 足扛( 厘米2 ) 式中k 一一系数，根据硅钢片或铁氧体的质量而定，一般在1 0 1 5 。 第1 7 页 塑坚奎堂婴主兰竺笙塞 翌三兰丝丝皇堕竺型蔓 根据前面的额定功率计算得知，取s 。为l 厘米2 就足够了，所以该升压变压器采 用了铁氧体铁芯，截面积大约i 厘米2 。 ( 3 ) 各线圈的匝数 先确定每伏匝数( n o ) 。由下式可求得 e = 4 4 4 f n q ) 。1 0 一= 4 4 4 f n b 。s 。1 0 。( 伏) n 一! ! ! o n e 4 4 4 毋m sc 式中卜一一次侧输入电压频率。 算出n o 后，根据原副边的工作电压就可求出各线圈的匝数。 原边线圈匝数n l u l n o 副边线圈匝数n 2 - - u 2 n o 由上面可知，n o 与电压频率f 成反比，前面的正弦波振荡电路的输出电压频率 大约为1 0 0 0 h z ，带入后计算可得出原边线圈匝数为1 6 0 匝，副边线圈匝数为2 2 4 0 匝。 2 3 4 倍压整流电路 绝缘电阻测试仪的直流电源，需要的电压较高( 几百伏以上) ，但同时负载电流 又较小( 几毫安以下) ，这时如果采用倍压整流电路，就可以用较低的交流电压和一 定耐压的二极管，获得比输入交流电压高很多倍的输出直流电压。倍压整流电路如图 2 一1 0 所示，它的工作原理如下： 图2 1 0 倍压整流电路 设电源变压器二次侧电压u 2 = 2 u ，s i nc o t ，电容两端初始电压为零。 当u 2 为正半周时，二极管d l 正偏导通，u 2 通过d l 向电容c l 充电，在理想情 况下，u c l 一面，极性右正左负。 当u 2 为负半周时，二极管d 1 反偏截止，d 2 正偏导通，电容c 2 充电至u c 2 。 2 劢，极性右正左负。 当u 2 再次为正半周时，二极管d l 、d 2 反偏截止，d 3 正偏导通，电容c 3 充电 第1 8 页 塑坚查堂堡主堂垡堡兰 笙三兰丝竺皇里! ! ! ! 堕 至u c 32 2 u 2 ，极性右正左负。 当u 2 再次为负半周时，可知只有二极管d 4 正偏导通，电容c 4 充电至u c 4 2 、- 2 u ，极性右正左负。 依次类推，若在图中3 ，4 点后面按照图式结构形式还接有个数相同的二极管和 电容时，则每个电容将充电至2 2 u ：，极性均为右正左负。 所以，只要把负载接到有关电容组的两端，就可以得到相应的多倍直流输出电压。 例如，将负载跨接在2 ，a 两端，则输出两端近似等于2 v 1 - 2 u ：若将负载跨接于4 ，a 两端，则输出电压近似等于4 x 2 u ，此时共用到4 个二极管和电容，由此可见，当用 了n 个二极管和电容时，可以构成n 倍压整流电路，输出电压可以达到2 玑。 以上分析均未计及电容放电的影响。实际情况是，当接上负载后，电容将要对负 载放电，使输出电压降低和脉动增大。所以，倍压整流电路只适用于负载电流q i a d , 的 场合。 在倍压整流电路中，每个二极管承受的最大方向电压是2 - 压- u ，电容c 1 的耐压 应大于劢，其余电容的耐压应大于2 面，。 第四节绝缘电阻测试误差分析及数据拟合技术 在本绝缘电阻测试系统中，如果直流电源电压值保持不变，则通过式2 一l 可以 用电压传感器上的电压值直接求得待测电阻r x ，但是随着待测电阻r x 的变化，也即 直流电源负载的变化，直流电源的输出电压值也发生了改变，这样，我们就无法直接 通过式2 1 得到高精度的待测绝缘电压值了。且因为我们无法知道随着待测电阻阻 值r x 的变化，该直流电源输出电压与r x 的明确的代数关系式。所以，我们只能在 调试过程中接入不同的外接电阻值，得到有限的几个r x 与u 的关系。如何利用这有 限的关系，来生成一个满足我们测试精度要求的经验公式，这就需要用到下面所述的 数据拟合技术。 2 4 1 问题的提出 一般所得到的试验结果都是离散的数据点，因为匝间耐压振荡波形曲线都是根据 这些离散数据点来绘制：在某些情况下，我们还需要根据这些离散点求得离散点附近 的数据；这些离散点可能有误差、干扰引起的高频成分，需要采取一定的措施进行滤 第1 9 页 浙江大学硕士学位论文 第二章绝缘电阻的测试 波。 基于以上的原因，我们需要对这些离散数据进行合适的处理，满足以上要求。而 数据拟合是满足这些要求的一种常见办法。 在科学试验和生产实践中，有许多函数关系仅能通过由试验或观测得到的一组数 据点：( x i ，y i ) i = l ，2 ，3 ( 2 2 ) 来表示，而它的解析式f ( x ) 是不知道的，现在选一个函数系 吼( x ) ，妒。( x ) ，p ：( x ) ，( x ) ，构成的函数空间： = s p a n 妒。( x ) ，妒i ( x ) ，妒2 ( x ) ，伊。( x ) ( 2 3 ) n 并在此空间选一个函数：妒( x ) = u f l o ，( x ) ( 2 4 ) = o 来近似表示f ( x ) ，这里u j 是一些待定的参数。 有两个原则可以确定p ( x ) 1 让它通过所有的数据点：2 让它尽可能从每个数据点附近通过，如果是第二 种情况，就是数据拟合问题。拟合问题在实际中提出是很自然的，因为测量量总是会 有这样那样的误差，要求函数来精确满足本身就不精确的数据是没有必要的，相反我 们希望使用某种手段平滑的滤去数据中的噪声。 2 4 2 拟合标准 令，1 = 妒( t ) 一y ，= “，妒( z ，) 一y = 0 r = ( r l ，r 2 ，r m ) 7 称为剩余向量，拟合效果的好坏问题就是剩余向量的大 小问题，如果判断标准为：，f 2 = ，7 r - - i i rj 1 2 最小，则称为最小二乘法。对线性参数 ， 拟合，计算方法上最小二乘法最简单，应用也最广泛。 拟合函数是基函数的线性组合，一般来说，基函数的选择是比较复杂的问题，它 主要依靠对拟合函数的仔细分析，搞清物理背景，即依靠问题本身的性质决定，如果 从问题这方面得不到信息，通常可以敢多项式函数、三角函数、指数函数、样条函数 等，也可以用正交法来筛选。 第2 0 页 堂兰查堂堡圭堂垡笙壅 塑三翌丝丝皇里! ! ! ! 堕 2 4 3 拟合算法 在进行电机型式试验测试时，一般因为电机具备惯性特性，特性曲线平滑，用多 项式拟合一般就可以取得较好的效果? 而且多项式拟合计算简单，下面就是基函数为 多项式的拟合算法。 设数据( x i ，y i ) i _ 1 ，2 ，n 基函数组成的拟合函数为：y ( z ) = + 口1 x + a 2 x 2 + + 口。x ”= 口j x ( 2 6 ) j 一0 其中m n ，拟合的剩余向量的模，也就是偏差的平方和，为 f ( a o ，a l ， 要求2 7 式的最小值，分别对a o ，a l a 2 ，a m 求偏导，并使之为0 ，有 考2z 砉h 蜘。 例，1 ，肌 即 ( 2 7 ) 宝b 。+ a l x k + + x ? 一y 。k ：窆x 斗d 。窆x + ，nx f 一一窆n x f ：0 女；l = 0女= 0女= 0k = 0 可以得到以a o ，d l ，a8 2 ，a m 为变量的如下方程组： j = o 1 ，i n n”hn x f + q x ：“+ + x ：”= z y z f ，= 0 , 1 2 ，m t = o女= 0女= 0= 0 这个方程组的系数矩阵是一个对称阵，并且是正定的，可唯一解出a o ，吐l ，a ，a 。 代入2 6 式后就可得到多项式函数拟合出来的函数表达式。 2 4 4 应用实例 因为倍压整流输出电压将随着外接负载的变化而变化，所以，直接利用式2 1 求出的绝缘电阻值将会有较大的误差，需要进行修正。 首先可以利用电路测得当外接总电阻变化时，电源电压随之受到的影响大小。经 过测量后得到的数据如下表所示。 表2 1 电源电压随外接电阻的变化 0 外接电阻( m q ) l 1 1 79 8 7 8 f 5 939 8 电源电压( v ) f 5 0 34 8 84 8 5 4 8 0 i 4 7 54 6 8 因为电源电压的降落与电流的大小有直接关系，而电流的大小是与电阻的倒数成 第2 l 页 1 l jty 一 )i x (陟 。 = )m 口 塑兰奎兰堡圭兰焦堡壅 兰三芏丝堂皇里! ! ! ! 堕 正比，所以在这里，以外接电导g 作为自变量，求u g 之间的关系，为了减少计算 量，假设u = a + b g + c g 2 ，利用前面所提到的算法计算参数a ，b ，c 。可以求得参数 a ，b ，c 分别为a , - 5 0 3 ，b 一1 8 0 ，c o 。 所以电源电压u 。5 0 3 1 8 0 g ，然后可以利用这个结果对测量方法做一个修正， 2 3 7 9 2 一型 u 2 1 万毒 j 叫；+ ( 4 7 3 u 。2 3 7 争2 ) r i + 8 5 1 4 = 0 由上式可以得到以= 竺三兰i 二翌翌兰生丝霉箬二三坚墅望二塑( 2 8 ) u 1 经过实践测试计算表明，式2 - - 8 对直流电源外接电阻不敏感，无论外接电阻是 大还是较小，均有良好的精度，可以满足测试精度的要求。 第2 2 页 浙江大学硕士学位论文 第三章工频耐压测试 第三章工频耐压测试 电动机的定子绕组在嵌线后，应对主相绕组和副相绕组之间的绝缘介电强度， 以及定子绕组和绕线式转子绕组对铁芯之间的绝缘介电强度进行耐电压试验，在电动 机组装后应在绕组和机壳之间进行耐电压试验。耐电压试验时，绝缘的击穿特征与电 机实际运行时相似，各种隐形的局部缺陷一般都能发现，它是考核产品绝缘介电强度 最有效、最直接的试验项目。 第一节影响工频耐压的主要因素 对于绝缘材料，在不破坏其绝缘性能的情况下施加高电压的过程，称为耐压( 或 抗电压) 试验：在破坏其绝缘性能时施加高电压的过程，称为击穿试验。电气设备的 质量检查均采用耐压试验，若用连续均匀升电压或逐级升电压方法对被试件施加高电 压，当试件击穿时的电压值v b ( k v ) 称为击穿电压。影响介质击穿的主要因素有以下 几个方面。 1 、旌加电压的时间 多数绝缘材料的击穿电压与加电压的时间有关系，击穿电压随加电压的时间加长而 明显下降，如图3 1 所示。 遵循以下公式：k2 k ( 1 + 南) ( 1 ) 式中v t 为加电压后t 时刻的击穿电压；为加电压视为无 穷长时的最小击穿电压；旺为与材料和试验条件有关的常 数，a 需用试验方法确定；t 为加电压的时间。 2 、温度与湿度 在低温范围内，击穿电压随温度 的升降变化不大：在较高温度范围， 不论是绝缘材料本身还是周围环境兰 温度与湿度增加，击穿电压都下降。 髻 对于某些材料，情况更为明显。如图 3 2 所示。 时问( t ) 图3 1 击穿电压与加电 压时问的关系 图3 - - 2 环境温度及湿度与击穿电压的关系 第2 3 页 一 ，。l 、 一卜一 浙江大学硕士学位论文 第三章工频耐压测试 3 、电压频率 交流电压对绝缘材料的考验更严格。随着交流频率的增加，击穿电压值下降，如 图3 3 所示。这是因为频率增加时，介质的热效应增加，而加速了局部放电的破坏过 程，电压波形以正弦波为宜。如果在直流电压作用下，则试件内部的局部放电过程容 易自行衰减，而且介质损耗一般要比在交流电场中小，因而直流击穿电压比交流击穿 电压高。如果在脉冲电压作用下，由于电压作用时间很短，一般说来，热的积累效应 和局部放电造成的破坏来不及形成，因而脉冲击穿电压要比直流击穿电压高。 4 、加电压的速度 割造 升电压的速度越快，击穿电压值越低。在高空条件下( 相当抽气时的“真空”耐 压击穿) ，空气密度减小，单位容积的热容量也随之减小，冷却条件恶化。根据巴申定 律可知空气压力减小了，因而介质击穿电压值明显降低，被试样件的击穿电压值按下 式校正： v 。= v a 式中v 是标准气压下的试验电压；v 。为在空中某高度的试验电压；a 为随高度改变的 绝缘耐压强度系数，其值如表3 一l 所示。 表3 1 绝缘耐压强度系数随高度变化的关系 高度h ( 米)1 0 0 01 2 0 01 5 0 01 8 0 02 1 0 02 4 0 0 2 7 0 0 系数a1 o0 9 80 9 50 9 2o 8 9 0 8 60 8 3 高度h ( 米) 3 0 0 03 6 0 04 2 0 0 4 8 0 05 7 0 06 0 0 0 1 6 0 0 0 系数a0 8o 7 50 7 00 6 5 0 6 1o 5 60 2 3 此外，击穿电压还受空气间隙、试件本身厚度、放射线的照射、机械外力的作用、 电极材料及其极性等因素的影响。 第2 4 页 浙江大学硕士学位论文 第三章工频耐压测试 第二节工频耐压测试硬件电路 3 2 1 硬件电路及工作原理 工频耐压设备原理图如图3 4 ，它主要由以下几个部分组成： ( 1 ) 升压电路，把工频电压2 2 0 v 经过调压器调节后输入升压变压器的原边，调节调 压器即可以调节工频耐压的测试电压，最高可调至3 8 0 0 v 。 ( 2 ) 控制电路，控