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絕緣電阻測量、體積表面電阻率測定測試的意義
閱讀：423發布時間：2024-5-11
電氣設備絕緣特性的優良與否直接影響到電氣設備的安全可靠運行。據統計，電力系統中60%以上的事故都是由絕緣故障所引發，即是由絕緣的老化及擊穿面引起的事故。由于設備運行中不可避免會出現絕緣缺陷或絕緣老化，因此人們通常需要通過各種形式的試驗來監測電氣設備的絕緣狀況，目前，電力系統中普遍推行的DL/T596-1996《電力設備絕緣預防性試驗規程》就是保證電氣設備安全可靠運行的重要技術措施之一。
絕緣預防性試驗分為兩大類。一類通過測試絕緣的某些特性參數來判斷絕緣的狀況，稱為檢查性試驗。這類試驗一般是在較低電壓下進行的，不會對絕緣造成損傷，因此亦稱為非破壞性試驗、另一類通過對絕緣施加各種較高的試驗電壓來考核其電氣強度，稱為耐壓試驗。由于這類試驗所加電壓一般都高于設備的實際工作電樂，試驗中可能會對絕緣造成某種程度的損傷，比如試驗導致絕緣發生某種電離或使局部放電進一步擴大，甚至造成絕緣的直接擊穿等，因此將這類試驗又稱為破壞性試驗、
絕緣缺陷往往是引發設備絕緣故降的主要原因。絕緣缺陷通常可以分為兩大類：一類是集中性的缺陷，如懸式絕緣子的瓷質開裂，發電機絕緣局部損、擠壓破裂等；另一類是分布性的缺陷，這是指電氣設備整體絕緣性能下降，如電機、變壓器、套管等絕緣中的有機材料的受潮、老化、變質，等等。絕緣內部有了上述這兩類缺陷后，它的特性往往會發生一定的變化，這樣就可以通過相應試驗將隱藏的缺陷檢查出來。
本章主要介紹幾種常用非破壞性試驗的基本原理和測試方法，在具體判斷某一電氣設備的絕緣狀況時，應注意對各項試驗結果進行綜合判斷，并采用將試驗數據與同一設備的歷次試驗數據相比較(縱向比較)及與同類設備試驗數據相比較(橫向比較)的分析方法。
5.1 絕緣電阻和吸收比測量
5.1.1 多層介質的吸收現象及吸收比測量
許多電氣設備的絕緣都是多層的，如電機絕緣中的云母帶就是用膠將紙或綢布和云母片黏合而制成的，變壓器絕緣中用的油和紙等。參考圖1-7(b)，用絕緣電阻R代替電導G后的等效電路如圖5-1所示，它可以描繪在測量多層介質絕緣電阻時遇到的吸收現象。
合上S將直流電壓U加到絕緣上后，電流表PA的讀數變化如圖5-2中曲線所示，開始電流很大，以后逐漸減小，最后趨向于穩定值Ig。圖中用斜線表示出的面積為介質在充電過程中逐漸“吸收"的電荷Qa，這種逐漸“吸收"電荷的現象稱為“吸收現象"。有關這一現象的物理解釋在1.2節中已有敘述，這里濟聯系吸收曲線作進一步的分析。
由電路可知，當S合上時各介質上有一個很大的電壓變化，在極短的時間內(t≈0)將介質1和介質2分別允電到
當達到穩態以后，回路電流將只通過電阻；此時回路電流為
而
所以，t＞0后一般有一個過渡過程，例如，當式(5-4)中的U1比式(5-1)中的U1小時，在過渡過程中C1就要放電，同C2要進一步充電。
在過度過程中，電壓U起始電壓U0逐漸過度到穩態電壓U∞，即
即
如果電源內阻可以不計，故回路過渡過程的時間常數τ為
τ越大，表示上述過渡過程進行得越慢。
過渡過程中流過C2的充電流iC2為
同時，流過R2的電流iR2為
流過外電路的電流，即流過電流表PA的電流i為
令
故
ia為吸收電流，其大小與試品絕緣的均勻程度密切相關。如果絕緣比較均勻，或R1C1≈ R2C2，則吸收電流小，吸收現象看不出來。如果試品絕緣很不均勻，或R1C1與R2C2相差較大，則吸收現象將十分明顯。
圖5-3所示為某30MVA、10.5kV同步電機定子繞組的充電電流隨時間的變化曲線。
此外，從式(5-9)和式（5-12）還可知，如果被試絕緣受潮嚴重，或是絕緣內部有集中性導電通道，由于絕緣電阻值顯著降低，Ig將大大增加，ia將迅速衰減。
當試驗電壓U一定時，試品的絕緣電阻R即與i成反比。因此，由式（5-12)即可得到此情況下被試品的絕緣電阻R隨時間的變化規律。當式(5-12)中的t以不同的加壓時間代入，例如以t為15、60s代入，即可分別得到加電壓后15s時的絕緣電阻值R15??和60s時的絕緣電阻值R60??，將R60??和R15??之比定義為吸收比K，通常用于反映絕緣的吸收現象。其表達式為
對于大型電機或大型電力變壓器以及電容器等設備，由于吸收現象特別嚴重，時間常數較大，應采用10min和1min時的絕緣電阻值之比(極化系數)來判斷絕緣的狀況。
對于多層絕緣結構，如果絕緣狀況良好，吸收現象將很明顯，K值便遠大于1。如果絕緣受潮嚴重或是內部有集中性的導電通道，由于Ig大增，ia迅速衰減，當t=15??和60??時，使
或K值接近于1。所以，利用絕緣的吸收曲線的變化或K值的變化，有助于判斷設備整體受潮或有集中貫穿性絕緣缺陷的狀況。
顯然，只是當被試品電容比較大時，吸收現象才明顯，才能用來判斷絕緣狀況。
通常在絕緣預防性試驗中，為方便起見，不是直接測量電流，而是用兆歐表測量被試品絕緣電阻的變化，即R15??和R60??的值，并由式(5-15)計算出K值的大小。
5.1.2 兆歐表工作原理
兆歐表又稱絕緣電阻表，它是測量絕緣電阻的專用儀器設備。由于絕緣電阻數值較大，所以兆歐表的指示刻度都是以(MΩ)兆歐為單位.故此而得名。圖5-4所示為兆歐表的原理結構圖。
兆歐表利用流比計原理構成，它有兩個相互垂直并固定在一起的線圈，即電壓線圈LV和電流線圈LⅠ，它們處在同一個磁場中。由于兩個線圈都沒有彈簧游絲，當沒有電流通過時，指針可停在任意偏轉角位置。測量時端子E接被試品的接地端、外殼或法蘭等處，端子L接被試品的另一極（繞組、芯柱或其他）。搖動發電機手柄，產生一定的直流電壓。于是在電壓線圈LV中將流過正比于直流電壓的電流(電壓線圈LV的內阻恒定)，而由接線端E經被測絕緣流到接線端L的電流將流過電流線圈LⅠ，這個電流反映了被測絕緣中的泄漏電流，它與設備的絕緣電阻和直流電壓有關。這兩個電流流經各自的線圈時所產生的轉矩的方向是相反的，在兩轉矩差值的作用下，線圈帶動指針旋轉，直到兩個轉矩平衡為止。此時，指針偏轉角度只與兩電流的比值有關，因外施電壓U為同一直流電壓，所以偏轉角就反映了被測絕緣電阻的大小，設MV、MⅠ分別代表電流流過線圈LV、線圈LⅠ時產生的力矩MV=ILVFV (α)，MⅠ=ILⅠFⅠ(α)，其中Fv，FⅠ隨指針轉動角度α而變，與氣隙中磁通密度的分布有關。 (其中R1和R2分別為電壓線圈和電流線圈的電阻，一般為定值；RX為試品絕緣電阻)可得
即指針讀數反映Rx的大小。
接線端子G稱為屏蔽端。當希望單獨測量體積絕緣電阻時，可以在需屏蔽的位置設置一個金屬屏蔽環極，并將此環極接到兆歐表的端子G。這樣使沿絕緣表面的漏導電流到了屏蔽環極后就經由端子G直接流回發電機負極，從而只有通過體積絕緣電阻的漏導電流才流經電流測量線圈而反映到指針的偏轉中去。圖5-5為測量套管的絕緣電阻時使用屏蔽端G的接線圖。
5.1.3 絕緣電阻測量的工程意義
兆歐表的額定直流輸出電壓有500、1000、2500、5000V等不同規格，對于額定電壓為1kV及以上的電氣設備一般選用2500V的兆歐表，1kV及以下設備常用1000V或500V的兆歐表。用兆歐表進行絕緣電阻測量時，規定以加電壓60s時測得的數值為該試品的絕緣電阻。這是因為一般認為加壓60s時，通過絕緣的吸收電流已衰減至接近于零。
(1)當被試品絕緣中存在貫通的集中性缺陷時，反映Ig的絕緣電阻往往明顯下降，用兆歐表檢查時使可以發現。例如，變電站常用的針式支柱絕緣子，最常見缺陷為瓷質開裂，開裂后絕緣電阻值明顯下降，用兆歐表可以直接檢測出來。
但對于許多電氣設備(如電機)，反映的絕緣電阻往往變動大，這與被試品的形狀及尺寸都有關系，往往難以給出一定的絕緣電阻判斷標準。通常是將處于同樣運行條件下的不同相的絕緣電阻進行比較，或是將這一次測得的絕緣電阻和過去對它測出的絕緣電阻進行比較來發現問題，但要注意到絕緣電阻還隨溫度上升而有所下降。
(2)對于電容量較大的設備，如電機、變壓器、電容器等，利用上述吸收現象來測量這些設備的絕緣電阻隨時間的變化，即吸收比K值的大小，可以更有利于判斷絕緣的狀態。
以發電機為例，其定子絕緣的吸收現象是十分明顯的。而且由于吸收比K值是兩個絕緣電阻的比值，它和電氣絕緣的尺寸沒有關系，只取決于絕緣本身的特性，所以可以更有利于反映絕緣的狀態。例如，對于B級絕緣的發電機定子繞組，如果絕緣干燥，則在10～30℃時測出的吸收比K均遠大于1.3；如果K＜1.3，則可判斷為絕緣可能受潮；如果絕緣受潮嚴重，則60s時的電流基本等于15s時的電流，或R60??≈R15??，因此K值將大大下降，K≈1。
有時當絕緣有嚴重集中性缺陷時，K值也可以反映出來。例如，當發電機定子絕緣局部發生裂紋，變壓器絕緣紙板、支架、線圈上沉積有油泥時，形成了局部性傳導電流較大的通道，于是K值便大為降低而近于1。
使用兆歐表測量絕緣電阻判斷絕緣狀態是一種簡單而有一定效果的方法，故使用十分普遍。需要注意的是，當某些集中性缺陷雖已發展得很嚴重，以致在耐壓試驗中被擊穿，但耐壓試驗前測出的絕緣電阻值和吸收比仍可能很高。這是因為這些缺陷雖然嚴重，但還沒有貫通，而兆歐表的額定電壓較低又不足以使其擊穿的緣故。因此，只憑絕緣電阻的測量來判斷絕緣是不可靠的。
5.2直流泄漏電流的測量
在直流電壓作用下測量通過被試品的泄漏電流，實際上也是測量其絕緣電阻。不同的是加在被試品上的電壓較高，并可測出泄漏電流隨試驗電壓的變化出線：經驗表明：當所加的直流電壓不高時，由泄漏電流換算得到的絕緣電阻值與兆歐表所測值極為接近，此時測泄漏電流并不比兆歐表測絕緣電阻能獲得更多的信息；但當用較高的電壓來測泄漏電流時，就有可能發現兆歐表所不能發現的絕緣損壞或弱點。如圖5-6所示，當u＜Ucr時，泄漏電流i1k與所加電壓u接近成正比；當u＞Ucr時，泄漏電流增長較快，這就表示該絕緣不宜長時間承受高于Ucr的電壓。當然在較高的試驗電壓作用下，能發現被試品中一些尚未貫通的集中性缺陷，因此比兆歐表更有效。
在標準規定的試驗電壓作用下，一般要求讀取泄漏電流值的時間為到達試驗電壓后1nin，測量泄漏電流時，除了和測量絕緣電阻時一樣需要注意溫度、時間和表面泄漏的影響外，
還應注意下列問題：
(1)電壓的穩定性。一般都用從交流電壓通過整流來獲得直流電壓，直流電壓的脈動系數不大于3%。
(2)測量儀表的保護。可采用圖5-7所示電路。電阻R的取值是考慮電流表PA所允許的最大電流在電阻R上的壓降應稍大于放電管(可以是試電筆中用的氖管)的起始放電電壓。并聯電容C的作用不僅使電流表的讀數穩定，更重要的是使作用在放電管P上的電壓陡波前能有足夠的平緩，使P來得及動作、故其電容量應較大(＞1μF)。在加壓過程中電流表被旁路開關K短接，只在需要讀數時才將K打開。
(3)電暈造成的誤差。為了觀察的方便，通常將測量儀表接在低電位側，如果高壓連線上或被試品高壓極 (H)上發生電暈，將會形成電暈電流，將使儀表指示的電流值比實際流經被試絕緣的泄漏電流大很多，所以要求直流高壓部分不發生電暈。如果做不到這一點，則應將被試品的低壓極(L)和測量機構用法拉第籠S屏蔽起來，并將法拉第籠接地，如圖5-7所示。
(4)被試品的接地。在圖5-7中，被試品兩端均不允許接地。但有時，特別是已經安裝在現場的設備，或是埋入地中的電纜，常常是無法做到對地絕緣，此時應將測量系統串接在高壓側電路中。由于測量系統包含有儀表及其他輔助元件，不易做到防電暈，故應將測量系統放在金屬屏蔽盒中，并盡可能將被試品的高壓極和引線也屏蔽起來。這時屏敲層應與直流高壓電源的高壓引線相連，從而使屏蔽盒及引線屏蔽對地的電暈電流和泄漏電流不通過測量儀表，因此也就不會造成誤差了，由于此時測量儀表接在高壓側，觀察時應特別注意試驗安全。
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