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)行中不可避免會出現(xiàn)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(yàn)來監(jiān)測電氣設(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。一類通過測試絕緣的某些特性參數(shù)來判斷絕緣的狀況，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，不會對絕緣造成損傷，因此亦稱為非破壞性試驗(yàn)、另一類通過對絕緣施加各種較高的試驗(yàn)電壓來考核其電氣強(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，試驗(yàn)中可能會對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，它的特性往往會發(fā)生一定的變化，這樣就可以通過相應(yīng)試驗(yàn)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(yàn)的基本原理和測試方法，在具體判斷某一電氣設(shè)備的絕緣狀況時，應(yīng)注意對各項(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量

5.1.1 多層介質(zhì)的吸收現(xiàn)象及吸收比測量

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，它可以描繪在測量多層介質(zhì)絕緣電阻時遇到的吸收現(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I_g。圖中用斜線表示出的面積為介質(zhì)在充電過程中逐漸“吸收"的電荷Q_a，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合上時各介質(zhì)上有一個很大的電壓變化，在極短的時間內(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(dāng)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(jìn)一步充電。

在過度過程中，電壓U起始電壓U₀逐漸過度到穩(wěn)態(tài)電壓U_∞，即

即

如果電源內(nèi)阻可以不計(jì)，故回路過渡過程的時間常數(shù)τ為

τ越大，表示上述過渡過程進(jìn)行得越慢。

過渡過程中流過C₂的充電流i_C2為

同時，流過R₂的電流i_R2為

流過外電路的電流，即流過電流表PA的電流i為

令

故

i_a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。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，I_g將大大增加，i_a將迅速衰減。

當(dāng)試驗(yàn)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(guī)律。當(dāng)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R_15??和60s時的絕緣電阻值R_60??，將R_60??和R_15??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，時間常數(shù)較大，應(yīng)采用10min和1min時的絕緣電阻值之比(極化系數(shù))來判斷絕緣的狀況。

對于多層絕緣結(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I_g大增，i_a迅速衰減，當(dāng)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(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，吸收現(xiàn)象才明顯，才能用來判斷絕緣狀況。

通常在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，為方便起見，不是直接測量電流，而是用兆歐表測量被試品絕緣電阻的變化，即R_15??和R_60??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(dāng)沒有電流通過時，指針可停在任意偏轉(zhuǎn)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(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(shè)備的絕緣電阻和直流電壓有關(guān)。這兩個電流流經(jīng)各自的線圈時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向是相反的，在兩轉(zhuǎn)矩差值的作用下，線圈帶動指針旋轉(zhuǎn)，直到兩個轉(zhuǎn)矩平衡為止。此時，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)角就反映了被測絕緣電阻的大小，設(shè)M_V、M_Ⅰ分別代表電流流過線圈LV、線圈LⅠ時產(chǎn)生的力矩M_V=I_LVF_V (α)，M_Ⅰ=I_LⅠF_Ⅰ(α)，其中Fv，F_Ⅰ隨指針轉(zhuǎn)動角度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；R_X為試品絕緣電阻)可得

即指針讀數(shù)反映R_x的大小。

接線端子G稱為屏蔽端。當(dāng)希望單獨(dú)測量體積絕緣電阻時，可以在需屏蔽的位置設(shè)置一個金屬屏蔽環(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，從而只有通過體積絕緣電阻的漏導(dǎo)電流才流經(jīng)電流測量線圈而反映到指針的偏轉(zhuǎn)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(guī)格，對于額定電壓為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)行絕緣電阻測量時，規(guī)定以加電壓60s時測得的數(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，通過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，反映I_g的絕緣電阻往往明顯下降，用兆歐表檢查時使可以發(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出來。

但對于許多電氣設(shè)備(如電機(jī))，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(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，或是將這一次測得的絕緣電阻和過去對它測出的絕緣電阻進(jìn)行比較來發(fā)現(xiàn)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(shè)備，如電機(jī)、變壓器、電容器等，利用上述吸收現(xiàn)象來測量這些設(shè)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(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值是兩個絕緣電阻的比值，它和電氣絕緣的尺寸沒有關(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，對于B級絕緣的發(fā)電機(jī)定子繞組，如果絕緣干燥，則在10～30℃時測出的吸收比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時的電流基本等于15s時的電流，或R_60??≈R_15??，因此K值將大大下降，K≈1。

有時當(dāng)絕緣有嚴(yán)重集中性缺陷時，K值也可以反映出來。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，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。

使用兆歐表測量絕緣電阻判斷絕緣狀態(tài)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(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(shí)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(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，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(dāng)用較高的電壓來測泄漏電流時，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＜U_cr時，泄漏電流i_1k與所加電壓u接近成正比；當(dāng)u＞U_cr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U_cr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間為到達(dá)試驗(yàn)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(yīng)注意下列問題：

(1)電壓的穩(wěn)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(shù)不大于3%。

(2)測量儀表的保護(hù)?？刹捎脠D5-7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來得及動作、故其電容量應(yīng)較大(＞1μF)。在加壓過程中電流表被旁路開關(guān)K短接，只在需要讀數(shù)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(cè)，如果高壓連線上或被試品高壓極 (H)上發(fā)生電暈，將會形成電暈電流，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)和測量機(jī)構(gòu)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(jīng)安裝在現(xiàn)場的設(shè)備，或是埋入地中的電纜，常常是無法做到對地絕緣，此時應(yīng)將測量系統(tǒng)串接在高壓側(cè)電路中。由于測量系統(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。這時屏敲層應(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(cè)，觀察時應(yīng)特別注意試驗(yàn)安全。