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絕緣電阻測(cè)量、體積表面電阻率測(cè)定測(cè)試的意義
閱讀：421發(fā)布時(shí)間：2024-5-11
電氣設(shè)備絕緣特性的優(yōu)良與否直接影響到電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)中60%以上的事故都是由絕緣故障所引發(fā)，即是由絕緣的老化及擊穿面引起的事故。由于設(shè)備運(yùn)行中不可避免會(huì)出現(xiàn)絕緣缺陷或絕緣老化，因此人們通常需要通過(guò)各種形式的試驗(yàn)來(lái)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的絕緣狀況，目前，電力系統(tǒng)中普遍推行的DL/T596-1996《電力設(shè)備絕緣預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》就是保證電氣設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要技術(shù)措施之一。
絕緣預(yù)防性試驗(yàn)分為兩大類。一類通過(guò)測(cè)試絕緣的某些特性參數(shù)來(lái)判斷絕緣的狀況，稱為檢查性試驗(yàn)。這類試驗(yàn)一般是在較低電壓下進(jìn)行的，不會(huì)對(duì)絕緣造成損傷，因此亦稱為非破壞性試驗(yàn)、另一類通過(guò)對(duì)絕緣施加各種較高的試驗(yàn)電壓來(lái)考核其電氣強(qiáng)度，稱為耐壓試驗(yàn)。由于這類試驗(yàn)所加電壓一般都高于設(shè)備的實(shí)際工作電樂(lè)，試驗(yàn)中可能會(huì)對(duì)絕緣造成某種程度的損傷，比如試驗(yàn)導(dǎo)致絕緣發(fā)生某種電離或使局部放電進(jìn)一步擴(kuò)大，甚至造成絕緣的直接擊穿等，因此將這類試驗(yàn)又稱為破壞性試驗(yàn)、
絕緣缺陷往往是引發(fā)設(shè)備絕緣故降的主要原因。絕緣缺陷通?？梢苑譃閮纱箢悾阂活愂羌行缘娜毕?，如懸式絕緣子的瓷質(zhì)開裂，發(fā)電機(jī)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(shè)備整體絕緣性能下降，如電機(jī)、變壓器、套管等絕緣中的有機(jī)材料的受潮、老化、變質(zhì)，等等。絕緣內(nèi)部有了上述這兩類缺陷后，它的特性往往會(huì)發(fā)生一定的變化，這樣就可以通過(guò)相應(yīng)試驗(yàn)將隱藏的缺陷檢查出來(lái)。
本章主要介紹幾種常用非破壞性試驗(yàn)的基本原理和測(cè)試方法，在具體判斷某一電氣設(shè)備的絕緣狀況時(shí)，應(yīng)注意對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，并采用將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與同一設(shè)備的歷次試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較(縱向比較)及與同類設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較(橫向比較)的分析方法。
5.1 絕緣電阻和吸收比測(cè)量
5.1.1 多層介質(zhì)的吸收現(xiàn)象及吸收比測(cè)量
許多電氣設(shè)備的絕緣都是多層的，如電機(jī)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(dǎo)G后的等效電路如圖5-1所示，它可以描繪在測(cè)量多層介質(zhì)絕緣電阻時(shí)遇到的吸收現(xiàn)象。
合上S將直流電壓U加到絕緣上后，電流表PA的讀數(shù)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(wěn)定值Ig。圖中用斜線表示出的面積為介質(zhì)在充電過(guò)程中逐漸“吸收"的電荷Qa，這種逐漸“吸收"電荷的現(xiàn)象稱為“吸收現(xiàn)象"。有關(guān)這一現(xiàn)象的物理解釋在1.2節(jié)中已有敘述，這里濟(jì)聯(lián)系吸收曲線作進(jìn)一步的分析。
由電路可知，當(dāng)S合上時(shí)各介質(zhì)上有一個(gè)很大的電壓變化，在極短的時(shí)間內(nèi)(t≈0)將介質(zhì)1和介質(zhì)2分別允電到
當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)以后，回路電流將只通過(guò)電阻；此時(shí)回路電流為
而
所以，t＞0后一般有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，例如，當(dāng)式(5-4)中的U1比式(5-1)中的U1小時(shí)，在過(guò)渡過(guò)程中C1就要放電，同C2要進(jìn)一步充電。
在過(guò)度過(guò)程中，電壓U起始電壓U0逐漸過(guò)度到穩(wěn)態(tài)電壓U∞，即
即
如果電源內(nèi)阻可以不計(jì)，故回路過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間常數(shù)τ為
τ越大，表示上述過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得越慢。
過(guò)渡過(guò)程中流過(guò)C2的充電流iC2為
同時(shí)，流過(guò)R2的電流iR2為
流過(guò)外電路的電流，即流過(guò)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(guān)。如果絕緣比較均勻，或R1C1≈ R2C2，則吸收電流小，吸收現(xiàn)象看不出來(lái)。如果試品絕緣很不均勻，或R1C1與R2C2相差較大，則吸收現(xiàn)象將十分明顯。
圖5-3所示為某30MVA、10.5kV同步電機(jī)定子繞組的充電電流隨時(shí)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(yán)重，或是絕緣內(nèi)部有集中性導(dǎo)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(dāng)試驗(yàn)電壓U一定時(shí)，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(shí)間的變化規(guī)律。當(dāng)式(5-12)中的t以不同的加壓時(shí)間代入，例如以t為15、60s代入，即可分別得到加電壓后15s時(shí)的絕緣電阻值R15??和60s時(shí)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(xiàn)象。其表達(dá)式為
對(duì)于大型電機(jī)或大型電力變壓器以及電容器等設(shè)備，由于吸收現(xiàn)象特別嚴(yán)重，時(shí)間常數(shù)較大，應(yīng)采用10min和1min時(shí)的絕緣電阻值之比(極化系數(shù))來(lái)判斷絕緣的狀況。
對(duì)于多層絕緣結(jié)構(gòu)，如果絕緣狀況良好，吸收現(xiàn)象將很明顯，K值便遠(yuǎn)大于1。如果絕緣受潮嚴(yán)重或是內(nèi)部有集中性的導(dǎo)電通道，由于Ig大增，ia迅速衰減，當(dāng)t=15??和60??時(shí)，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(shè)備整體受潮或有集中貫穿性絕緣缺陷的狀況。
顯然，只是當(dāng)被試品電容比較大時(shí)，吸收現(xiàn)象才明顯，才能用來(lái)判斷絕緣狀況。
通常在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，為方便起見，不是直接測(cè)量電流，而是用兆歐表測(cè)量被試品絕緣電阻的變化，即R15??和R60??的值，并由式(5-15)計(jì)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(cè)量絕緣電阻的專用儀器設(shè)備。由于絕緣電阻數(shù)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(jié)構(gòu)圖。
兆歐表利用流比計(jì)原理構(gòu)成，它有兩個(gè)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(gè)磁場(chǎng)中。由于兩個(gè)線圈都沒(méi)有彈簧游絲，當(dāng)沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)，指針可停在任意偏轉(zhuǎn)角位置。測(cè)量時(shí)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(dòng)發(fā)電機(jī)手柄，產(chǎn)生一定的直流電壓。于是在電壓線圈LV中將流過(guò)正比于直流電壓的電流(電壓線圈LV的內(nèi)阻恒定)，而由接線端E經(jīng)被測(cè)絕緣流到接線端L的電流將流過(guò)電流線圈LⅠ，這個(gè)電流反映了被測(cè)絕緣中的泄漏電流，它與設(shè)備的絕緣電阻和直流電壓有關(guān)。這兩個(gè)電流流經(jīng)各自的線圈時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向是相反的，在兩轉(zhuǎn)矩差值的作用下，線圈帶動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)，直到兩個(gè)轉(zhuǎn)矩平衡為止。此時(shí)，指針偏轉(zhuǎn)角度只與兩電流的比值有關(guān)，因外施電壓U為同一直流電壓，所以偏轉(zhuǎn)角就反映了被測(cè)絕緣電阻的大小，設(shè)MV、MⅠ分別代表電流流過(guò)線圈LV、線圈LⅠ時(shí)產(chǎn)生的力矩MV=ILVFV (α)，MⅠ=ILⅠFⅠ(α)，其中Fv，FⅠ隨指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度α而變，與氣隙中磁通密度的分布有關(guān)。 (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(shù)反映Rx的大小。
接線端子G稱為屏蔽端。當(dāng)希望單獨(dú)測(cè)量體積絕緣電阻時(shí)，可以在需屏蔽的位置設(shè)置一個(gè)金屬屏蔽環(huán)極，并將此環(huán)極接到兆歐表的端子G。這樣使沿絕緣表面的漏導(dǎo)電流到了屏蔽環(huán)極后就經(jīng)由端子G直接流回發(fā)電機(jī)負(fù)極，從而只有通過(guò)體積絕緣電阻的漏導(dǎo)電流才流經(jīng)電流測(cè)量線圈而反映到指針的偏轉(zhuǎn)中去。圖5-5為測(cè)量套管的絕緣電阻時(shí)使用屏蔽端G的接線圖。
5.1.3 絕緣電阻測(cè)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(guī)格，對(duì)于額定電壓為1kV及以上的電氣設(shè)備一般選用2500V的兆歐表，1kV及以下設(shè)備常用1000V或500V的兆歐表。用兆歐表進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量時(shí)，規(guī)定以加電壓60s時(shí)測(cè)得的數(shù)值為該試品的絕緣電阻。這是因?yàn)橐话阏J(rèn)為加壓60s時(shí)，通過(guò)絕緣的吸收電流已衰減至接近于零。
(1)當(dāng)被試品絕緣中存在貫通的集中性缺陷時(shí)，反映Ig的絕緣電阻往往明顯下降，用兆歐表檢查時(shí)使可以發(fā)現(xiàn)。例如，變電站常用的針式支柱絕緣子，最常見缺陷為瓷質(zhì)開裂，開裂后絕緣電阻值明顯下降，用兆歐表可以直接檢測(cè)出來(lái)。
但對(duì)于許多電氣設(shè)備(如電機(jī))，反映的絕緣電阻往往變動(dòng)大，這與被試品的形狀及尺寸都有關(guān)系，往往難以給出一定的絕緣電阻判斷標(biāo)準(zhǔn)。通常是將處于同樣運(yùn)行條件下的不同相的絕緣電阻進(jìn)行比較，或是將這一次測(cè)得的絕緣電阻和過(guò)去對(duì)它測(cè)出的絕緣電阻進(jìn)行比較來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，但要注意到絕緣電阻還隨溫度上升而有所下降。
(2)對(duì)于電容量較大的設(shè)備，如電機(jī)、變壓器、電容器等，利用上述吸收現(xiàn)象來(lái)測(cè)量這些設(shè)備的絕緣電阻隨時(shí)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(tài)。
以發(fā)電機(jī)為例，其定子絕緣的吸收現(xiàn)象是十分明顯的。而且由于吸收比K值是兩個(gè)絕緣電阻的比值，它和電氣絕緣的尺寸沒(méi)有關(guān)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(tài)。例如，對(duì)于B級(jí)絕緣的發(fā)電機(jī)定子繞組，如果絕緣干燥，則在10～30℃時(shí)測(cè)出的吸收比K均遠(yuǎn)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(yán)重，則60s時(shí)的電流基本等于15s時(shí)的電流，或R60??≈R15??，因此K值將大大下降，K≈1。
有時(shí)當(dāng)絕緣有嚴(yán)重集中性缺陷時(shí)，K值也可以反映出來(lái)。例如，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子絕緣局部發(fā)生裂紋，變壓器絕緣紙板、支架、線圈上沉積有油泥時(shí)，形成了局部性傳導(dǎo)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(cè)量絕緣電阻判斷絕緣狀態(tài)是一種簡(jiǎn)單而有一定效果的方法，故使用十分普遍。需要注意的是，當(dāng)某些集中性缺陷雖已發(fā)展得很嚴(yán)重，以致在耐壓試驗(yàn)中被擊穿，但耐壓試驗(yàn)前測(cè)出的絕緣電阻值和吸收比仍可能很高。這是因?yàn)檫@些缺陷雖然嚴(yán)重，但還沒(méi)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(cè)量來(lái)判斷絕緣是不可靠的。
5.2直流泄漏電流的測(cè)量
在直流電壓作用下測(cè)量通過(guò)被試品的泄漏電流，實(shí)際上也是測(cè)量其絕緣電阻。不同的是加在被試品上的電壓較高，并可測(cè)出泄漏電流隨試驗(yàn)電壓的變化出線：經(jīng)驗(yàn)表明：當(dāng)所加的直流電壓不高時(shí)，由泄漏電流換算得到的絕緣電阻值與兆歐表所測(cè)值極為接近，此時(shí)測(cè)泄漏電流并不比兆歐表測(cè)絕緣電阻能獲得更多的信息；但當(dāng)用較高的電壓來(lái)測(cè)泄漏電流時(shí)，就有可能發(fā)現(xiàn)兆歐表所不能發(fā)現(xiàn)的絕緣損壞或弱點(diǎn)。如圖5-6所示，當(dāng)u＜Ucr時(shí)，泄漏電流i1k與所加電壓u接近成正比；當(dāng)u＞Ucr時(shí)，泄漏電流增長(zhǎng)較快，這就表示該絕緣不宜長(zhǎng)時(shí)間承受高于Ucr的電壓。當(dāng)然在較高的試驗(yàn)電壓作用下，能發(fā)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)電壓作用下，一般要求讀取泄漏電流值的時(shí)間為到達(dá)試驗(yàn)電壓后1nin，測(cè)量泄漏電流時(shí)，除了和測(cè)量絕緣電阻時(shí)一樣需要注意溫度、時(shí)間和表面泄漏的影響外，
還應(yīng)注意下列問(wèn)題：
(1)電壓的穩(wěn)定性。一般都用從交流電壓通過(guò)整流來(lái)獲得直流電壓，直流電壓的脈動(dòng)系數(shù)不大于3%。
(2)測(cè)量?jī)x表的保護(hù)。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(yīng)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(lián)電容C的作用不僅使電流表的讀數(shù)穩(wěn)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(lái)得及動(dòng)作、故其電容量應(yīng)較大(＞1μF)。在加壓過(guò)程中電流表被旁路開關(guān)K短接，只在需要讀數(shù)時(shí)才將K打開。
(3)電暈造成的誤差。為了觀察的方便，通常將測(cè)量儀表接在低電位側(cè)，如果高壓連線上或被試品高壓極 (H)上發(fā)生電暈，將會(huì)形成電暈電流，將使儀表指示的電流值比實(shí)際流經(jīng)被試絕緣的泄漏電流大很多，所以要求直流高壓部分不發(fā)生電暈。如果做不到這一點(diǎn)，則應(yīng)將被試品的低壓極(L)和測(cè)量機(jī)構(gòu)用法拉第籠S屏蔽起來(lái)，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(shí)，特別是已經(jīng)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，或是埋入地中的電纜，常常是無(wú)法做到對(duì)地絕緣，此時(shí)應(yīng)將測(cè)量系統(tǒng)串接在高壓側(cè)電路中。由于測(cè)量系統(tǒng)包含有儀表及其他輔助元件，不易做到防電暈，故應(yīng)將測(cè)量系統(tǒng)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(lái)。這時(shí)屏敲層應(yīng)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(duì)地的電暈電流和泄漏電流不通過(guò)測(cè)量?jī)x表，因此也就不會(huì)造成誤差了，由于此時(shí)測(cè)量?jī)x表接在高壓側(cè)，觀察時(shí)應(yīng)特別注意試驗(yàn)安全。
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