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第一节绝缘电阻及吸收比试验 一 绝缘电阻试验使用范围绝缘电阻试验是电气设备绝缘试验中一种最简单 最常用的验方法 当电气设备绝缘受潮 表面变脏 留有表面放电或击穿痕迹时 其绝缘电阻会显著下降 根据绝缘等级的不同 测试要求的区别 常采用的兆欧表输出电压有100V 250V 500V 1000V 2500V 5000V 10000V等 由于绝缘电阻试验所施加的电压较低 对于一些集中性缺陷 即使可能是很严重的缺陷 但在测量时显示绝缘电阻仍然很大的现象 因此 绝缘电阻试验只适用于检测贯穿性缺陷和普遍性缺陷 1 二 绝缘电阻试验的主要参数及技术指标 电气设备的绝缘 不能等值为单纯的电阻 其等值电路往往是电阻电容的混合电路 很多电气设备的绝缘都是多层的 例如电机绝缘中用的云母带 变压器等绝缘中用的油和纸 因此 在绝缘试验中测得的并不是一个纯电阻 如图4 1为双层电介质的一个简化等值电路 图4 2吸收曲线及绝缘电阻变化曲线 图4 2吸收曲线及绝缘电阻变化曲线 2 当合上开关K将直流电压U加到绝缘上后 等值电路中电流i的变化如图4 2中曲线所示 开始电流很大 以后逐渐减小 最后趋近于一个常数Ig 这个过程的快慢 与绝缘试品的电容量有关 电容量越大 持续的时间越长 甚至达数分钟或更长时间 图4 2中曲线i和稳态电流Ig之间的面积为绝缘在充电过程中从电源 吸收 的电荷Qa 这种逐渐 吸收 电荷的现象就叫做 吸收现象 从图4 2曲线可以看出 在绝缘电阻试验中 所测绝缘电阻是随测量时间变化而变化的 只有当t 时 其测量值为R R 但在绝缘电阻试验中 特别是电容量较大时 很难测量R 的值 因此 在实际试验中 规程规定 只需测量60s时的绝缘电阻值 即R60S的值 当电容量特别大时 吸收现象特别明显 如大型发电机 可以采用10min时的绝缘电阻值 3 对于不均匀的绝缘试品 如果绝缘状况良好 则吸收现象明显 如果绝缘受潮严重或内部有集中性的导电通道 这一现象更为明显 工程上用 吸收比 来反映这一特性 吸收比一般用K表示 其定义为 K R60s R15s 4 1 式中R60s为t 60s测得绝缘电阻值 R15s为t 15s时测得的绝缘电阻值 对于电容量较大的绝缘试品 K可采用下式表示 K R10min R1min 4 2 式中R10min为t 10min时测得的绝缘电阻值 R1min为t 1min时测得的绝缘电阻值 K在工程上称为极化指数 当绝缘状况良好时 K值较大 其值远大于1 当绝缘受潮时 K值将变小 一般认为如K 1 3时 就可判断绝缘可能受潮 从上面的分析可知 对电容量较小的绝缘试品 可以只测量其绝缘电阻 对于电容量较大的绝缘试品 不仅要测量其绝缘电阻 还要测量其吸收比 4 三 试验设备 工程上进行绝缘电阻试验所采用的设备为兆欧表 兆欧表有三个接线端子 线路端子 L 接地端子 E 屏蔽 或保护 端子 G 被试品接在L和E之间 G用以消除绝缘试品表面泄漏电流的影响 其试验原理接线如图4 3所示 在绝缘试验中 如不接屏蔽端子 测得的绝缘电阻是表面电阻和体积电阻的并联值 因为这时沿绝缘表面的泄漏电流同样流过兆欧表的测量回路 如果在表面上缠上几匝裸铜线 并接到端子G上 则绝缘表面泄漏电流不流过兆欧表的测量回路 这时测得的结果便是消除了表面泄漏电流影响的真实的体积电阻 5 兆欧表种类较多 根据测量对象的不同 采用的测量电压不同 如前所述 根据电压产生的方式不同 分为手摇式兆欧表和电子式兆欧表 其原理图如图4 4和4 5所示 图4 4手摇式兆欧表原理接线图 6 手摇式兆欧表采用了流比计的测量机构 仪表的读数与手摇式发电机的端电压或转速绝对值的关系不大 一般只要使得手柄的转速达到额定转速 通常为120r min 的80 以上就行 重要的是必须保持转速的恒定 需要注意的是 当试品电容较大时 测量后须先将兆欧表从测量回路中断开 然后才能停止转动发电机 以免试品电容电流反充损坏仪器 电子式兆欧表测量原理与手摇式兆欧表的测量原理一样 只是电源的产生方式不一样 由于电力电子技术的发展 开关电源技术已比较成熟 因此 工程上大量采用了电子式兆欧表 与手摇式兆欧表相比 不仅试验工作量降低 测量吸收比时更容易 而且电源容量可以做得较大 同时 一台兆欧表还可以将几种不同电压集成在一台设备中 适用面更广 7 四 绝缘电阻试验结果判断的基本方法 在绝缘电阻试验中 绝缘电阻的大小与绝缘材料的结构 体积有关 与所用的兆欧表的电压高低有关 还与大气条件有关 因此 不能简单的用绝缘电阻的大小或吸收比来判断绝缘的好坏 在排除了大气条件的影响后 所测绝缘电阻值和吸收比应与其出厂时的值比较 与历史数据相比较 与同批设备相比较 其变化不能超过规程允许的范围 同时 应结合绝缘电阻值与吸收比的变化结合起来综合考虑 五 测量绝缘电阻的规定 1 测试规定 1 试验前应拆除被试设备电源及一切外连线 并将被试物短接后接地放电1min 电容量较大的应至少放电2min 以免触电 2 校验兆欧表是否指零或无穷大 3 用干燥清洁的柔软布擦去被试物的表面污垢 必要时可先用汽油洗净套管的表面积垢 以消除表面的影响 8 4 接好线 如用手摇式兆欧表时 应用恒定转速 120r min 转动摇柄 兆欧表指针逐渐上升 待1min后读取其他绝缘电阻值 5 在测量吸收比时 为了在开始计算时就能在被试物上加上全部试验电压 应在兆欧表达到额定转速时再将表笔接于被试物 同时计算时间 分别读取15s和60s的读数 6 试验完毕或重复进行试验时 必须将被试物短接后对地充分放电 这样除可保证安全外 还可提高测试的准确性 7 记录被试设备的铭牌 规范 所在位置及气象条件等 2 测试时注意事项 1 对于同杆双回架空线或双母线 当一路带电时 不得测量另一回路的绝缘电阻 以防感应高压损坏仪表和危及人身安全 对于平行线路 也同样要注意感应电压 一般不应测其绝缘电阻 在必须测量时 要采取必要措施才能进行 如用绝缘棒接线等 2 测量大容量电机和长电缆的绝缘电阻时 充电电流很大 因而兆欧表开始指示数很小 但这并不表示被试设备绝缘不良 必须经过较长时间 才能得到正确的结果 使用手摇式兆欧表测量大容量设备的绝缘电阻时 试验结束时手不能停 要先断开L线与被测设备之间的联接 再停止转动摇表 并立即对被测设备放电和接地 防止被试设备对兆欧表反充电损坏兆欧表和被测设备所带高电压电人 9 3 如所测绝缘电阻过低 应进行分解试验 找出绝缘电阻最低的部分 4 一般应在干燥 晴天 环境温度不低于50C时进行测量 在阴雨潮湿的天气及环境湿度太大时 不应进行测量 5 测量绝缘的吸收比时 应避免记录时间带来的误差 由上述可知 变压器 发电机等设备绝缘的吸收比 是用兆欧表在加压15s和60s时记录其绝缘电阻值后计算求得的 测量时 流过绝缘的电流分量中漏导电流不随时间变化 其值很小 分析时可以略去 充电电流在很短时间 小于1s 内衰减到零 也可以略去 随时间变化的主要分量是吸收电流 它与测量时间t的关系为 4 3 式中A 常数 决定于被试品绝缘材料 n 指数 10 故 4 4 试验时 记录时间往往不是实际加压时间 设记录时间与加压时间的绝对误差为 则此时测得的绝缘电阻为 而实际的绝缘电阻R为 4 5 11 由上两式计算出的绝缘电阻测量值的相对误差 为 4 6 式中 测量时间的相对误差 试验时 时间记录往往不易准确 兆欧表刻度展开时间一般1 2s 若记录时间有2s误差 则对15s而言 为 对60s而言 为3 左右 若取吸收比K 2 则n 0 5 因此 当记录时间的相对误差为2s时 对15s绝缘电阻的相对误差 对60s绝缘电阻的相对误差 12 对于 和 5 9 这样 在现场测量吸收比时 往往导致测量结果重复性较差 给测试结果分析带来困惑 因此 应准确过自动记录15s和60s的时间 的相对误差引起的吸收比计算结果的误差可达 若用极化指数来监测吸收过程 上述误差可以忽略 6 屏蔽环装设位置 为了避免表面泄漏电流的影响 测量时应在绝缘表面加等电位屏蔽环 且应靠近E端子装设 7 兆欧表的L和E端子接线不能对调 用兆欧表测量电气设备绝缘电阻时 其正确接线方法是L端子接被试品与大地绝缘的导电部分 E端子接被试品的接地端 8 兆欧表与被试品间的连线不能铰接或拖地 否则会产生测量误差 9 采取兆欧表测量时 应设法消除外界电磁场干扰引起的误差 在现场有时在强磁场附近或在未停电的设备附近使用兆欧表测量绝缘电阻 由于电磁场干扰也会引起很大的测量误差 13 1 磁耦合 由于兆欧表没有防磁装置 外磁场对发电机里的磁钢和表头部分的磁钢的磁场都会产生影响 当外界磁场强度为400A m时 误差为 外界磁场愈强 影响愈严重 误差愈大 2 电容耦合 由于带电设备和被试设备之间存在耦合电容 将使被试品中流过干扰电流 带电设备电压愈高 距被试品愈近 干扰电流愈大 因而引起的误差也愈大 消除外界电磁场干扰的办法是 远离强电磁场进行测量 采用高电压级的兆欧表 例如使用5000V或10000V的兆欧表进行测量 利用兆欧表的屏蔽端子G进行屏蔽 10 为便于比较 对同一设备进行测量时 应采用同样的兆欧表 同样的接线 当采用不同型式的兆欧表测绝缘电阻 特别是测量具有非线性电阻的阀型避雷器时 往往会出现很大的差别 当用同一只兆欧表测量同一设备的绝缘电阻时 应采用相同的接线 否则将测量结果放在一起比较是没有意义的 14 六 影响测试绝缘电阻的主要因素 1 湿度 随着周围环境的变化 电气设备绝缘的吸湿程度也随着发生变化 当空气相对湿度增大时 由于毛细管作用 绝缘物 特别是极性纤维所构成的材料 将吸收较多的水分 使电导率增加 降低了绝缘电阻的数值 尤其是对表面泄漏电流的影响更大 2 温度 电气设备的绝缘电阻随温度变化而变化的 其变化的程度随绝缘的种类而异 富于吸湿性的材料 受温度影响最大 一般情况下 绝缘电阻随温度升高而减小 这是因为温度升高时 加速了电介质内部离子的运行 同时绝缘内的水分 在低温时与绝缘物结合得较紧密 当温度升高时 在电场作用下水分即向两极伸长 这样在纤维质中 呈细长线状的水分粒子伸长 使其电导增加 此外 水分中含有溶解的杂质或绝缘物内含有盐类 酸性物质 也使电导增加 从而降低了绝缘电阻 15 由于温度对绝缘电阻值有很大影响 而每次测量又不能在完全相同的温度下进行 所以为了比较试验结果 我国有关单位曾提出过采用温度换算系数的问题 但由于影响温度换算的因素很多 如设备中所用的绝缘材料特性 设备的新旧 干燥程度 测温方法等 所以很难规定出一个准确的换算系数 目前我国规定了一定温度下的标准数值 希望尽可能在相近温度下进行测试 以减少由于温度换算引起的误差 3 表面脏污和受潮 由于被试物的表面脏污或受潮会使其表面电阻率大大降低 绝缘电阻将明显下降 必须设法消除表面泄漏电流的影响 以获得正确的测量结果 4 被试设备剩余电荷 对有剩余电荷的被试设备进行试验时 会出现虚假现象 由于剩余电荷的存在会使测量数据虚假地增大或减小 16 要求在试验前先充分放电10min 图4 6示出了不同放电时间后 绝缘电阻与加压时间的关系 剩余电荷的影响还与试品容量有关 若试品容量较小时 这种影响就小得多了 5 兆欧表容量 实测表明 兆欧表的容量对绝缘电阻 吸收比和极化指数的测量结果都有一定的影响 兆欧表容量愈大愈好 考虑到我国现有一般兆欧表的容量水平 推荐选用最大输出电流1mA及以上的兆欧表 这样可以得到较准确测量结果 图4 6不同的放电时间后绝缘电阻与加压时间的关系曲线 17 七 测量结果 各种电力设备的绝缘电阻允许值 见规程规定 将所测得的结果与有关数据比较 这是对实验结果进行分析判断的重要方法 通常用来作为比较的数据包括 同一设备的各相间的数据 出厂试验数据 耐压前后数据等 如发现异常 应立即查明原因或辅以其他测试结果进行综合分析 判断 电气设备的绝缘电阻不仅与其绝缘材料的电阻系数成正比 而且还与其尺寸有关 它们的关系可用来表示 即使是同一工厂生产的两台电压等级完全相同的变压器 绕组间的距离L应该大致相等 其中的绝缘材料也应该相同 但若它们的容量不同 则会使绕组表面积S不同 容量大者S大 这样它们的绝缘电阻就不相同 容量大者绝缘电阻小 因此 即使是同一电压等级的设备 简单地规定绝缘电阻允许值是不合理的 而应采用科学的 比较 方法 所以在规程中一般不具体规定绝缘电阻的数值 而强调 比较 或仅规定吸收比与极化指数等指标 18 对于吸收过程较长的大容量设备 如大型变压器 发电机 电缆等 有时用R60 R15吸收比值不足以反映绝缘介质的电流吸收全过程 为更好地判断绝缘是否受潮 可采用较长时间的绝缘电阻比值进行衡量 称为绝缘的极化指数 表示为 4 7 式中K2 极化指数 R10min 加压10min时测的绝缘电阻 R1min 加压1min时测的绝缘电阻 极化指数测量加压时间较长 用手摇兆欧表很难控制转速稳定 一般采用电动兆欧表测量 测定的电介质吸收比率与温度无关 变压器的极化指数一般应大于1 5 绝缘较好时其值可达3 4 19 第二节泄漏电流和直流耐压试验 一 泄漏电流 由于绝缘电阻测量的局限性 所以在绝缘试验中就出现了测量泄漏电阻的项目 关于泄漏电流的概念在上节中已加以说明 测量泄漏电流所用的设备要比兆欧表复杂 一般用高压整流设备进行测试 由于试验电压高 所以就容易暴露绝缘本身的弱点 用微安表直测泄漏电流 这可以做到随时进行监视 灵敏度高 并且可以用电压和电流 电流和时间的关系曲线来判断绝缘的缺陷 因此 它属于非破坏性试验 由于电压是分阶段地加到绝缘物上 便可以对电压进行控制 当电压增加时 薄弱的绝缘将会出现大的泄漏电流 也就是得到较低的绝缘电阻 1 泄漏电流测量的特点 测量泄漏电流的原理和测量绝缘电阻的原理本质上是完全相同的 而且能检出缺陷的性质也大致相同 但由于泄漏电流测量中所用的电源一般均由高压整流设备供给 并用微安表直接读取泄漏电流 因此 它与绝缘电阻测量相比又有自己的以下特点 20 1 试验电压高 并且可随意调节 测量泄漏电流时是对一定电压等级的被试设备施以相应的试验电压 这个试验电压比兆欧表额定电压高得多 所以容易使绝缘本身的弱点暴露出来 因为绝缘中的某些缺陷或弱点 只有在较高的电场强度下才能暴露出来 2 泄漏电流可由微安表随时监视 灵敏度高 测量重复性也较好 3 根据泄漏电流测量值可以换算出绝缘电阻值 而用兆欧表测出的绝缘电阻值则不可换算出泄漏电流值 因为要换算首先要知道加到被试设备上的电压是多少 兆欧表虽然在铭牌上刻有规定的电压值 但加到被试设备上的实际电压并非一定是此值 而与被试设备绝缘电阻的大小有关 当被试设备的绝缘电阻很低时 作用到被试设备上的电压也非常低 只有当绝缘电阻趋于无穷大时 作用到被试设备上的电压才接近于铭牌值 这是因为被试设备绝缘电阻过低时 兆欧表内阻压降使 线路 端子上的电压显著下降 21 4 可以用或的关系曲线并测量吸收比来判断绝缘缺陷 泄漏电流与加压时间的关系曲线如图4 7所示 在直流电压作用下 当绝缘受潮或有缺陷时 电流随加压时间下降得比较慢 最终达到的稳态值也较 即绝缘电阻较小 图4 7泄漏电流与加压时间的关系曲线1 良好 2 受潮或有缺陷 22 5 测量原理当直流电压加于被试设备时 其充电电流 几何电流和吸收电流 随时间的增加而逐渐衰减至零 而泄漏电流保持不变 故微安表在加压一定时间后其指示数值趋于恒定 此时读取的数值则等于或近似等于漏导电流即泄漏电流 对于良好的绝缘 其漏导电流与外加电压的关系曲线应为一直线 但是实际上的漏导电流与外加电压的关系曲线仅在一定的电压范围内才是近似直线 如图4 8中的OA段 若超过此范围后 离子活动加剧 此时电流的增加要比电压增加快得多 如AB段 到B点后 如果电压继续再增加 则电流将急剧增长 产生更多的损耗 以致绝缘被破坏 发生击穿 图4 8绝缘的伏安特性 23 在预防性试验中 测量泄漏电流时所加的电压大都在A点以下 故对良好的绝缘 其伏安特性应近似于直线 当绝缘有缺陷 局部或全部 或有受潮的现象存在时 则漏导电流急剧增长 使其伏安特性曲线就不是直线了 因此 可以通过测量泄漏电流来判断绝缘是否有缺陷或是否受潮 将直流电压加到绝缘上时 其泄漏电流是不衰减的 在加压到一定时间后 微安表的读数就等于泄漏电流值 绝缘良好时 泄漏电流和电压的关系几乎呈一直线 且上升较小 绝缘受潮时 泄漏电流则上升较大 当绝缘有贯通性缺陷时 泄漏电流将猛增 和电压的关系就不是直线了 因此 通过泄漏电流和电压之间变化的关系曲线就可以对绝缘状态进行分析判断 在图4 9和图4 10中绘出了泄漏电流和电压及时间的关系曲线 24 图4 9泄漏电流和电压的关系曲线图4 10泄漏电流和时间的关系曲线 25 2 影响测量结果的主要因素 1 高压连接导线 由于接往被测设备的高压导线时暴露在空气中的 当其表面场强高于约20kV cm时 决定于导线直径 形状等 沿导线表面的空气发生电离 对地有一定的泄漏电流 这一部分电流会结果回来而流过微安表 因而影响测量结果的准确度 一般都把微安表固定在升压变压器的上端 这时就必须用屏蔽线作为引线 也要用金属外壳把微安表屏蔽起来 屏蔽线金额已用低压的软金属线 因为屏蔽和心之间的电压极低 致使仪表的压降而已 金属的外壳屏蔽一定要接到仪表和升压变压器引线的接点上 要尽可能地靠近升压变压器出线 这样 电晕虽然还照样发生 但只在屏蔽线的外层上产生电晕电流 而这一电流就不会流过微安表 只要可以完全防止高压导线点与放电对测量结果的影响 由上述可知 这样接线会带来一些不便 为此 根据电晕的原理 采取用粗而短的导线 并且增加导线对地距离 避免导线有毛刺等措施 可减小电晕对测量结果的影响 26 2 表面泄漏电流 图4 11通过被试设备的体积泄漏电流和表面泄漏电流及消除示意图 a 未屏蔽 b 屏蔽 27 泄漏电流可分为体积泄漏电流和表面泄漏电流两种 如图4 11所示 表面泄漏电流的大小 只要决定于被试设备的表面情况 如表面受潮 脏污等 若绝缘内部没有缺陷 而仅表面受潮 世界上并不会降低其内部绝缘强度 为真实反映绝缘内部情况 在泄漏电流测量中 所要测量的只是体积电流 但是在实际测量中 表面泄露电流往往大于体积泄漏电流 这给分析 判断被试设备的绝缘状态带来了困难 因而必须消除表面泄漏电流对真实测量结果的影响 消除的办法实施被试设备表面干燥 清洁 且高压端导线与接地端要保持足够的距离 另一种是采用屏蔽环江表面泄漏电流直接短接 使之不流过微安表 见图4 11 b 3 温度 与绝缘电阻测量相似 温度对泄漏电流测量结果有显著影响 所不同的是温度升高 泄漏电流增大 由于温度对泄漏电流测量有一定影响 所以测量最好在被试设备温度为30 80oC时进行 因为在这样的温度范围内 谢老电流的变化较为显著 而在低温时变化小 故应停止运行后的热状态下进行测量 或在冷却过程中对几种不同温度下的泄漏电流进行测量 这样做也便于比较 28 4 电源电压的非正弦波形在进行泄漏电流测量时 供给整流设备的交流高压应该是正弦波形 如果供给整流设备的交流低压不时正线波 则对测量结果是有影响的 影响电压波形的主要是三次谐波 必须指出 在泄漏电流测量中 调压器对波形的影响也是很多的 实践证明 自耦变压器畸变小 损耗也小 故应尽量选用自耦变压器调压 另外 在选择电源时 最好用线电压而不用相电压 因相电压的波形易畸变 如果电压是直接在高压直流侧测量的 则上述影响可以消除 5 加压速度对被试设备的泄漏电流本身而言 它与加压速度无关 但是用微安表所读取得并不一定是真实的泄漏电流 而可能是保护吸收电流在内的合成电流 这样 加压速度就会对读数产生一定的影响 对于电缆 电容器等设备来说 由于设备的吸收现象很强 这是的泄漏电流要经过很长的时间才能读到 而在测量时 又不可能等很出的时间 大都是读取加压后1min或2min时的电流值 这一电流显然还包含着被试设备的吸收电流 而这一部分吸收电流是和加压速度有关的 29 如果电压是逐渐加上的 则在加压的过程中 就已有吸收过程 读得的电流值就较小 如果电压是很快加上的 或者是一下子加上的 则在加压的过程中就没有完成吸收的过程 而在同一时间下读得的电流就会大一些 对于电容大的设备就是如此 而对电容量很小的设备 因为他们没有什么吸收过程 则加压速度所产生的影响就不大了 但是按照一般步骤进行系列电流测量时 很难控制加压的速度 所以对大容量的设备进行测量时 就出现了问题 6 微安表接在不同位置时在测量接线中 微安表接的位置不同 测得的泄漏电流竖直也不同 因而对测量结果有很大影响 图4 12所示为微安表接在不同位置时的分析用图 由图4 12可见 当微安表处于 A1位置时 此时升压变压器T和CB及C12 抵押绕组可看成地电位 和稳压电容C的泄漏电流与高压导线的电晕电流都将有可能通过微安表 这些试具的泄漏电流有时甚至远大于被试设备的泄漏电流 在某种程度上 当带上被试设备后 由于高压引线末端电晕的减少 总的泄漏电流又可能小于试具的泄漏电流 这使得企图从总的电流间去试具电流的做法将产生异常结果 30 为了既能将微安表装于低压端 又能比较真实地消除砸三电流及电晕电流的影响 可选用绝缘较好的升压变压器 这样 升压变压器一次侧对地及一 二次侧之间杂散电流的影响就可以大大减小 经验表明 一 二次侧之间杂散电流的影响很大的 另外 还可将高压进线用多层塑料管套上 被试设备的裸露部分用塑料 橡皮之类绝缘物覆盖上 能提高测量的准确度 特别是当被试设备的电容量很小 又没有装稳压电容时 在不接入被试设备来测量试具的泄漏电流时 升压变压器T的高压绕组上各点的电压与接入被试设备进行测量时的情况有显著的不同 这使上述减去所测试具泄漏电流的办法将产生更大的误差 所以当微安表处于升压变压器的低压端时 测量结果受杂散电流影响最大 除采用上述措施外 也可将接线稍加改动 如图4 12所示 将1 2两点 3 4两点连接起来 在图中用虚线表示 并将升压变压器和稳压电容器对地绝缘起来 这样做能够得到较为满意的测量结果 但并不能完全消除杂散电流等的影响 因为高压引线的电晕电流还会流过微安表 31 图4 12微安表接在不同位置时的分析图 除采用上述措施外 也可将接线稍加改动 如图4 12所示 将1 2两点 3 4两点连接起来 在图中用虚线表示 并将升压变压器和稳压电容器对地绝缘起来 这样做能够得到较为满意的测量结果 但并不能完全消除杂散电流等的影响 因为高压引线的电晕电流还会流过微安表 当被试设两极对地均可绝缘时 可将微安表接于 A2位置 即微安表处于被试设备低电位端 此位置处理受表面泄漏的影响外 不受杂散电流的影响 当微安表接于图4 12中的 A位置时 如前所述 若屏蔽很好 其测量结果是很准确的 32 7 试验电压极性1 电渗透现象使不同极性试验电压下油纸绝缘电气设备的泄漏电流测量值不同电渗透现象是指在外加电场作用下 液体通过多孔固体的运动现象 它是胶体中常见的电动现象之一 由于多孔固体在与液体接触的交界面处 因吸附离子或本身的电力而带电荷 液体则带相反电荷 因此在外电场作用下 液体会对固体发生相对移动 运行经验表明 电缆或变压器的绝缘受潮通常是从外皮或外壳附近开始的 根据电渗现象 电缆或变压器的绝缘中的水分在电场作用下带正电 当电缆心或变压器绕组加正极性电压时 绝缘中的水分被其排斥而渗向外皮或外壳 使其水分含量相对减小 从而导致泄漏电流减少 当电缆心或变压器绕组加负极性电压时 绝缘中的水分会被其吸引而渗过绝缘向电缆心或变压器绕组移动 使其绝缘中高场强区的水分相对增加 导致泄漏电流增大 a 实验电压的极性对新的电缆和变压器的测量结果无影响 因为新电缆和变压器绝缘基本没有受潮 所含水分甚微 在电场作用下 电渗现象很弱 故正 负极性试验电压下的泄漏电流相同 b 实验电压的极性对旧的电缆和变压器的测量结果有明显的影响 33 2 试验电压极性小于对引线电晕电流的影响在不均匀 不对称电场中 外加电压极性不同 其放电过程及放电电压不同的现象 称为极性效应 根据气体放电理论 在直流电压作用下 对棒 板间隙而言 其棒为负极性时的火花放电电压比棒为正极性时高得多 这是因为棒为负极性时 游离形成的正空间电荷 使棒电极前方的电场被削弱 而在棒为正极性时 正空间电荷使棒电极前方电场加强 有利于流注的发展 所以在较低的电压下就导致间隙发生火花放电 对电晕起初是电压而言 由于极性效应 会使棒为负极性的电晕起始电压较棒为正极性时略低 这是因为棒为负极性时 虽然有利仍从电场最强的棒端附近开始 但正空间电荷使棒极附近的电场增强 故其电晕起始电压较低 而棒为正极性时 由于正空间电荷的作用犹如帮电极的 等效 曲率半径有所增大 故其电晕起始电压较高 在进行直流泄漏电流试验时 其高压引线对地构成的电场可等效为棒 板电场 由上述分析可知 当实验电压为负极性时 电晕其实电压较低 所以此时的电晕电流影响较大 从这个角度而言 测量泄漏电流较小的设备 如少油断路器等 时 宜采用正极性试验电压 34 3 测量时的操作规定 1 按接线图接好线 并由专人认真检查接线和仪器设备 当确认无误后 方可通电及升压 2 在升压过程中 应密切监视被试设备 实验回路及有关表计 微安表的读数应在升压过程中 按规定分阶段进行 且需要有一定的停留时间 以避开吸收电流 3 在测量过程中 若有击穿 闪络等异常现象发生 应马上降压 以断开电源 并查明原因 详细记录 待妥善处理后 再继续测量 4 实验完毕 降压 断开电源后 均应对被试设备进行充分放电 放电前先将微安表短接 并先通过有高阻值电阻的放电棒放电 然后直接接地 否则会将微安表烧坏 例如在图4 12中 无论在哪个位置放电 都会有电流流过微安表 即使微安表短接 也发生由于冲击而烧表现象 因此必须严格执行通过高电阻放电的办法 而且还应注意放电位置 对电缆 变压器 发电机的放电时间 可以其容量大小由1min增至3min 电力电容器可长至5min 除此之外 还应注意附近设备有无感应静电电压的可能 必要时也应放电或预先短接 5 若是三相设备 同理应进行其它两项测量 6 按照规定的要求进行详细记录 35 4 测量中的问题 在电力系统交接和预防性实验中 测量泄漏电流时 常遇到的主要异常情况如下 一 从微安表中反映出来的情况 1 指针来回摆动 这可能是由于电源波动 整流后直流电压的脉动系数比较大以及试验回路和被试设备有充放电过程所致 若摆动不大 又不十分影响读数 则可取其平均值 若摆动很大 影响读数 则可增大主回路和保护回路中的滤波电容的电容量 必要时可改变滤波方式 2 指针周期性摆动 这可能是由于回路存在的反充电所致 或者是被试设备绝缘不良产生周期性放电造成的 3 指针突然冲击 若向小冲击 可能是电源回路引起的 若向大冲击 可能是试验回路或被试设备出现闪络或产生间歇性放电引起的 4 指针指示数值随测量时间而发生变化 若逐渐下降 则可能是由于充电电流减小或被试设备表面绝缘电阻上升所致 若逐渐上升 往往是被试设备绝缘老化引起的 5 测压用微安表不规则摆动 这可能是由于测压电阻断线或接触不良所致 6 指针反指 这可能是由于被试设备经测压电阻放电所致 7 接好线后 未加压时 微安表有指示 这可能是外界干扰太强或地电位抬高引起的 遇到 3 4 两种情况时 一般应立即降低电压 停止测量 否则可能导致被试设备击穿 36 二 从泄漏电流数值上反映出来的情况 1 泄漏电流过大 这可能是由于测量回路中各设备的绝缘状况不佳或屏蔽不好所致 遇到这种情况时 应首先对实验设备和屏蔽进行认真检查 例如电缆电流偏大应先检查屏蔽 若确认无上述问题 则说明被试设备绝缘不良 2 泄漏电流过小 这可能是由于线路接错 微安表保护部分分流或有断脱现象所致 3 当采用微安表在低压侧读数 且用差值法消除误差时 可能会出现负值 这可能是由于高压线过长 空载时电晕电流大所致 因此高压引线应当尽量粗 短 无毛刺 三 硅堆的异常情况在泄漏电流测量中 有时发生硅堆击穿现象 这是由于硅堆选择不当 均压不良或质量不佳所致 为防止硅堆击穿 首先应正确选择硅堆 使硅堆不致在反向电压下击穿 其次应采用并联电阻的方法对硅堆串进行均压 若每个硅堆工作电压为5kV时 每个并联电阻常取为2 37 5 测量结论 对某一电气设备进行泄漏电流测量后 应对测量结果进行认真 全面地分析 以判断设备的绝缘状况 做出结论是合格或不合格 对泄漏电流测量结果进行分析 判断可从下述几方面着手 一 与规定值比较泄漏电流的规定值就是其允许的标准 它是在生产实践中根据积累多年的经验制订出来的 一般能说明绝缘状况 对于一定的设备 具有一定的规定标准 这是最简便的判断方法 二 比较对称系数法在分析泄漏电流测量结果时 还常采用不对称系数 即三相之中的最大值和最小值的比 进行分析 判断 一般说来不对称系数不大于2 三 查看关系曲线法利用泄漏电流和外加电压的关系曲线即曲线可以说明绝缘在高压下的状况 如果在实验电压下 泄漏电流与电压的关系曲线是一近似直线 那就说明绝缘没有严重缺陷 如果是曲线 而且形状陡峭 则说明绝缘有缺陷 38 四 空载电流对试验结果的影响如果试验时天气比较潮湿 绝缘支架受潮 试验回路有尖端毛刺 等尖端放电现象存在 则不带被试品就有较大的空载泄漏电流存在 对试验结果会造成较大的影响 有些人会用先测一下空载电流 然后再带上被试下测出负载试验泄漏电流 用负载试验泄漏电流减去空载泄漏电流的办法进行校正 实际上这是不科学的 因为带上被试品后会改变电位分布 有时会出负载试验泄漏电流小于空载泄漏电流的现象 因而正确的做法是 先不带负载 加压到额定值 看空载泄漏电流在什么水平 如果较小可以忽略不计 如果较大 则应排除造成空载泄漏电流较大的原因 如清擦或烘干绝缘支架 改变微安表的位置 清除试验回路的尖端毛刺 直到空载泄漏电流合格为止 39 二 直流耐压试验 直流耐压试验和直流泄漏试验的原理 接线及方法完全相同 差别在于直流耐压试验的试验电压较高 所以它除能发现设备受潮 劣化外 对发现绝缘的某些局部缺陷具有特殊的作用 往往这些局部缺陷在交流耐压试验中是不能被发现的 直流耐压试验与交流耐压相比有以下几个特点 1 设备较轻便 在对大容量的电力设备 如发动机 进行试验 特别是在试验电压较高时 交流耐压试验需要容量较大的试验变压器 而当进行直流耐压试验时 试验变压器的容量可不必考虑 通常负荷的泄漏电流都不超过几毫安 核算到变压器侧的容量微不足道 因此 直流耐压试验的试验设备较轻便 2 绝缘无介质极化损失 在进行直流耐压试验时 绝缘没有极化损失 因此不致使绝缘发热 从而避免因热击穿而损坏绝缘 进行交流耐压试验时 既有介质损失 还有局部放电 致使绝缘发热 对绝缘的损伤比较严重 而直流下绝缘内的局部放电要比交流下的轻得多 基于这些原因 直流耐压试验还有些非破坏性试验的特性 40 3 可制作伏安特性 进行直流耐压试验时 可制作伏安特性曲线 可根据伏安特性曲线的变化来发现绝缘缺陷 并可由此来预测击穿电压 如图4 13所示 预测击穿电压的方法是将泄漏电流与电压关系曲线延长 泄漏电流急剧增长的地方 表示即将击穿 此时即停止试验 如图4 13中的 即为近似的击穿电压 图4 13延长伏安特性曲线预测击穿电压 41 根据预测的直流击穿电压 有人认为可以估算出交流击穿电压的幅值 换算公式为 交流击穿电压幅值 直流击穿电压 式中 巩固系数 与设备的绝缘材料和结构有关 可用直流击穿电压与交流击穿电压的幅值来表示 其值一般在1 0 4 2范围内 4 在进行直流耐压试验时 一般都兼做泄漏电流测量 由于直流耐压试验时所加电压较高 故容易发现缺陷 5 易于发现某些设备的局部缺陷 对电缆来说 直流试验也容易发现其局部缺陷 综上所述 直流耐压试验能够发现某些交流耐压所不能发现的缺陷 但交流耐压对绝缘的作用更近于运行情况 因而能检出绝缘在正常运行时的最弱点 因此 这两试验不能互相代替 必须同时应用于预防性试验中 特别是电机 电缆等更应当作直流试验 42 一 试验电压的确定进行直流耐压试验时 外施电压的数值通常应参考该绝缘的交流耐压试验电压和交 直流下击穿电压之比 但主要是根据运行经验来确定 二 实验电压的极性电力设备的绝缘分为内绝缘和外绝缘 外绝缘对地电场可以近似用棒 板电极构成的不对称 极不均匀电场中 气体间隙相同时 由于极性效应 负棒 正极的火花放电电压是正棒 负极的火花放电电压的2倍多 如图4 14所示 图4 14棒 板空气间隙的直流火花放电电压与间隙距离的关系 43 由图4 14可见 当间隙距离为100cm时 正 负极性的火花放电电压分别为450kV和1000kV 即1000 450 2 2倍 这种极性效应是由于电晕空间电荷对电场畸变造成的 通常 电力设备的外绝缘水平比其内绝缘水平高 显然 施加负极性试验电压外绝缘更不容易发生闪络 这有利于实现直流耐压试验检查内绝缘缺陷的目的 另外 对电缆等油浸纸绝缘的电力设备 由于电渗现象 其内绝缘施加负极性试验电压时的击穿电压较正极性低10 左右 也就是说 电缆心接负极试验电压检出缺陷的灵敏度更高 即更容易发生绝缘缺陷 应指出 直流耐压试验的时间可比交流耐压试验的时间 1min 长些 直流耐压试验结果的分析判断 可参阅交流耐压试验分析判断的有关原则 44 第三节介质损失角正切值试验 电介质就是绝缘材料 当研究绝缘物质在电场作用下所发生的物理现象时 把绝缘物质称为电介质 而从材料的使用观点出发 在工程上把绝缘物质称为绝缘材料 既然绝缘材料不导电 怎么会有损失呢 我们确实总希望绝缘材料的绝缘电阻愈高愈好 即泄漏电流愈小愈好 但是 世界上绝对不导电的物质是没有的 任何绝缘材料在电压作用下 总会流过一定的电流 所以都有能量损耗 把在电压作用下电介质中产生的一切损耗称为介质损耗或介质损失 如果电介质损耗很大 会使电介质温度升高 促使材料发生老化 发脆 分解等 如果介质温度不断上升 甚至会把电介质熔化 烧焦 丧失绝缘能力 导致热击穿 因此电介质损耗的大小是衡量绝缘介质电性能的一项重要指标 在外加交流电压作用下 绝缘介质就流过电流 电流在介质中产生能量损耗 这种损耗成为介质损耗 介质损耗很大时 就会使介质温度升高而老化 甚至导致热击穿 因此 介质损耗的大小就反映了介质的优劣状况 45 当绝缘物上加交流电压时 可以把介质看成为一个电阻和电容并联组成的等值电路 如图4 15 a 所示 根据等值电路可以作出电流和电压的相量图 如图4 15 b 所示 图4 15在绝缘物上加交流电压时的等值电路及相量图 a 介质等值电路 b 等值电路电流 电压相量 46 由相量图可知 介质损耗由产生 夹角大时 就越大 故称为介质损失角 其正切值为 4 8 介质损耗 4 9 由上式可见 当U f C一定时 P正比于 所以用来表征介质损耗 测量的灵敏度较高 可以发现绝缘的整体受潮 劣化 变质及小体积设备的局部缺陷 47 一 介质损失角正切值的测量原理 介质损耗角正切的测量方法很多 从原理上来分 可分为平衡测量法和角差测量法两类 传统的测量方法为平衡测量法 即高压西林电桥法 由于技术的发展和检测手段的不断完善 角差测量法使用的越来越普遍 当绝缘受潮 老化时 有功电流将增大 tg 也增大 通过测tg 可以反映出绝缘的分布性缺陷 如果缺陷是集中性的 有时测tg 就不灵敏 这是因为集中性缺陷为局部的 可以把介质分为缺陷和无缺陷的两部分 无缺陷的部分为R1和C1的并联 有缺陷部分为R2和C2的并联 则 4 10 4 11 4 12 48 当有缺陷部分占的比例很小时 就很小 所以测整体的时就不易发现局部缺陷 在 电力设备预防性试验规程 中对电机 电缆等绝缘 因为缺陷的集中性及体积较大 通常不做此项试验 而对套管 电力变压器 互感器 电容器等则做此项试验 我国目前使用的测试验装置有西林电桥 图4 16给出了QS1西林电桥的三种试验接线 M型介质试验器 还有P5026M型交流电桥 GWS 1型光导微机介质损耗测试仪等 具体的使用方法可参见制造厂说明 本节主要介绍西林电桥法测量 西林电桥的两个高压桥臂 分别由试品ZN及无损耗的标准电容器CN组成 两个低压桥臂 分别由无感电阻R3及无感电阻R4与电容C4并联组成 如图4 16所示 各桥臂的导纳为 49 调节R3 C4使电桥达到平衡时 应满足 4 13 解此方程 实部 虚部分别相等 可得 4 14 4 15 50 当tg 0 1 误差允许不大于1 时 式 4 15 可改写为 4 16 高压西林电桥是用于工频高压 于是 2 f 100 是固定的 同时电桥中的R4取 也是固定的 这时 tg R4C4 KC4 106 4 17 式中C4的单位是F 若C4以 F计则上式可写为 tg KC4 4 18 式中K F 1 51 于是C4就可以直接分度为tg 在西林电桥上tg 是直读的 Cx是按R3的读数 通过式 4 15 计算得出 CN一般都用100pF 个别也有用50pF或1000pF 但都是固定已知值 高压西林电桥的高压桥臂的阻抗比对应的低压臂阻抗大得多 所以电桥上施加的电压绝大部分都降落在高压桥臂上 只要把试品和标准电容器放在高压保护区 用屏蔽线从其低压端连接到低压桥臂上 则在低压桥臂上调节R3和C4就很安全 而且测量准确度较高 但这种方法要求被试品高低压端均对地绝缘 52 图4 16QS1型西林电桥原理接线 a 正接线 b 反接线 c 对角线接线Zx 被测绝缘阻抗 CN 标准电容 R3 可变电阻 C4 可变电容 G 检流计 53 图4 16 a 正接线用于两极对地绝缘的设备 用于试验室或绕组间测 图4 16 b 反接线用于现场被试设备为一极接地的设备 要求电桥有足够的绝缘 由于R3和C4处于高电位 为保证操作的安全应采取一定的措施 一个办法是将电桥本体和操作者一起放在绝缘台上或放在一个叫法拉第笼的金属笼里对地绝缘起来 使操作者与R3 C4处于等电位 另一种办法是人通过绝缘连杆去调节R3和C4 现场试验通常采用反接线试验方法 图4 16 c 对角线接线用于被试设备为一极接地的设备且电桥没有足够的绝缘 电桥测试中的注意事项 在电桥测试中 有些问题往往容易被忽视 使测量数据不能反映被试设备的真实情况 常被忽视的问题有 1 外界电场干扰的影响 在电压等级较低 例如35kV电压等级 的电气设备测试中 容易忽视电场干扰的影响 2 高压标准电容器的影响 现场经常使用的BR 16型标准电容器 电容量为50pF 要求 0 1 由于标准电容器经过一段时间存放 应用和运输后 本身的质量在不断变化 会受潮 生锈 如忽视了这些质量问题 同样会影响测试的数据 3 试品电容量变化的影响 在用QS1型西林电桥测量电气设备绝缘状况时 往往重视值 而容易忽视试品电容量的变化 由此而产生一些事故 54 4 消除表面泄漏的方法 当测量电气设备绝缘的时 空气相对湿度对其测量结果影响很大 当绝缘表面脏污 且又处于湿度较大的环境中时 表面泄漏电流增加 对其测量结果影响更大 采取其有效的方法 如电热风法 瓷套表面瓷群涂擦法 化学去湿法等 5 测试电源的选择 在现场测试中 有时会遇到试验电压与干扰电源不同步 用移相等方法也难以使电桥平衡的情况 6 电桥引线的影响 1 引线长度的影响 分析研究表明 在一般情况下 Cx引线长度约为5 10m 其电容约为1500 3000pF 而CN引线约为1 1 5m 其电容约为300 500pF 当R4 3184欧和R3较小时 对测量结果影响很小 但若进行小容量试品测试时 就会产生偏大的测量误差 2 高压引线与试品夹角的影响 测量小容量试品时 高压引线与试品的杂散电容对测量的影响不可忽视 3 引线电晕的影响 高压引线的直径较细时 当试验电压超过一定数时 就可能产生电晕 例如若用一般的导线做高压引线 当电压超过50kV后 就会出现电晕现象 电晕损耗通过杂散电容将被计入被试品的内 严重影响测量结果 并可能导致误判断 55 4 引线接触不良的影响 当QS1电桥高压线或测量引出线与被试品接触不良时 相当于被试支路串联一个附加电阻 该电子在交流电压作用下会产生有功损耗并与被试品自身有功损耗叠加 使测量的介质损耗因数超过规定的限值 导致误判断 7 接线的影响 小电容 小于500pF 试品主要有电容型套管 3 110kV电容式电流互感器等 对这些试品采用QS1型电桥的正 反接线进行测量时 其介质损耗因数的测量结果是不同的 按正接线测量一次对二次或一次对二次及外壳 垫绝缘 的介质损耗因数 测量结果是实际被试品一次对二次及外壳绝缘的介质损耗因数 而一次和顶部周围接地部分的电容和介质损耗因数均被屏蔽掉 电桥正接线测量时 接地点是电桥的屏蔽点 由于正接地具有良好的抗电场干扰 测量误差较小的特点 一般应以正接线测量结果作为分析判断绝缘状况的依据 56 二 角差测量法测量tg 由于介质损耗角很小 如果直接测量其角差很困难 因此 传统的测量方法均采用平衡测量法 随着技术的进步及元器件的发展 可以通过直接测量电压和电流的角差来测量tg 即角差法测量tg 这种方法免去了平衡测量法中需要调节平衡的繁琐 大大减少了试验的工作量 角差法测量方法很多 如图4 17所示为角差法典型的测量原理接线图 其工作原理如下 由图4 15所示 测量tg 实际上就是测量流过试品容性电流与全电流的相角差 在试验时同时测量流过标准电容器电流 其相角与流过试品的容性电流的相角一致 和流过试品的电流 全电流 这样可测得到二者之间的相角差 从而可以计算tg 的数值 采样电阻是无感精密电阻 测量回路将电流信号变为数字信号 通过傅立叶变换能精确稳定地测量畸变波形的相位差 但测量精度完全由高速高精度器件和计算处理的精度决定 考虑到正 反接线及高低压隔离问题 数据传输可以通过光纤传输或将数据转换为红外光并发送到接收器来进行隔离 57 58 二 测量中的抗干扰措施 在现场进行测量时 试品和桥体往往处于周围带电部分的电场作用范围之内 虽然电桥本体及联接线采用了屏蔽措施 但试品无法做到全屏蔽 这时干扰就会通过试品高压极的杂散电容产生干扰 影响测量结果 为了消除或减少由电场干扰引起的误差 采用平衡法测量时可以采用如下措施 1 加设屏蔽当试品体积不大时 可用金属屏蔽罩或网将试品与干扰源隔开 可以减少测量误差 2 采用移相电源由于干扰源的相位一般是无法改变的 因此 可以通过改变电源的相位 使得电源的相位和干扰的相位同相或反相 来达到消除或减少同频率干扰的目的 3 倒相法测量时将电源正接和倒相各测量一次 测得两组结果tg 1 C1和tg 2 C2 然后通过式4 19和式4 20计算求得tg 和C 4 19 4 20 59 采用非平衡法测量时 可采用如下措施 1 采用异频电源 由于干扰的频率一般为工频或工频的谐波 因此 可将输入电源整流成直流后通过开关逆变电路逆变为异于工频的正弦波 避开干扰的频率范围 这样可大大提高测量精度 这种方法在非平衡法测量中使用较多 而且抗干扰的效果较好 2 补偿法 通过计算机数据处理 将测量数据进行补偿 使得测量波形为不畸变的正弦波形后 计算得到tg 和C 三 影响测试的主要因素及分析判断 1 影响因素 1 温度的影响 值受温度影响而变化 为了比较