高压试验的基本知识

第一章测量绝缘电阻第一节测量绝缘电阻能发现的缺陷测量绝缘电阻是一项最简便又最常用的试验方法，通常用兆欧表（也称绝缘电阻表，俗称摇表）进行测量。根据测量的试品在1min时的绝缘电阻的大小，可以检测出绝缘是否有贯通的集中性缺陷、整体受潮或贯通性受潮。例如，电力变压器的绝缘整体受潮后其绝缘电阻明显下降，可以用兆欧表检测出来。应当指出，只有当绝缘缺陷贯通于两极之间时，测量其绝缘电阻时才会有明显的变化，即通过测量才能灵敏地检出缺陷。若绝缘只有局部缺陷，而两极间仍保持有部分良好绝缘时，绝缘电阻低很少，甚至不发生变化，因此不能检出这种局部缺陷。第二节测量绝缘电阻的原理通过测量绝缘电阻为什么能发现上述缺陷？在测量中为什么又读取1min的绝缘电阻值？为回答这些问题，首先来分析电力设施绝缘在直流电压作用下所流过的电流。图1.1（a）所示为电力设备绝缘在直流电压作用下的电路图。当合上S时，记录微安表在不同时刻的读数，据此绘成的曲线如图1-1（b）所示。图1.1电力设备绝缘在直流电压作用下的电路图和电流变化曲线（a）电路图；（b）电流随时间的变化；（c）充电电流及吸收电流随时间的变化1—充电电流；2—吸收电流由图1.1（b）可见，电流逐渐下降，趋于一恒定值，这个值显然是漏导电流IL。可是随时间减小的那一部分电流不完全是充电电流，因为理想的电介质（即绝缘材料）所组成的设备（如真空或空气电容器），其充电电流随时间衰减极快（微秒级），如图1.1（c）中的曲线1所示，而曲线2则是一种缓慢衰减的电流，它实际存在于电介质之中。这样，在实际的电介质上施加直流电压后，随时间衰减的电流可以看成是由三种电流组成的，它们分别是：（1）漏导电流。因为世界上没有绝对“隔电”的物质，在绝缘介质中总有一些联系弱的带电质点存在，例如大气中约存在1000对/cm3的正、负离子，所以任何绝缘材料在外加电压作用下都会有极微弱的电流流过，而且此电流经过一定的加压时间后即趋于稳定。漏导电流是由离子移动产生的，其大小决定于电介质在直流电场中的导电率，所以可以认为它是纯电阻性电流。漏导电流随时间变化的曲线如图1-2所示。显然，它的数值大小反映了绝缘内部是否受潮，或者是否有局部缺陷，或者表面是否脏污。因为在这些情况下，或者是绝缘介质内部导电粒子增加，或者是表面漏电增加，都会引起漏导电流增加，因而其绝缘电阻就减小。（2）几何电流。它是在加压时电源对电介质的几何电容充电时的电流，所以称之为几何电流或电容电流。究其实质，它是由快速极化（如电子极化、离子极化）过程形成的位移电流，所以有时称之为位移电流。由于快速极化是瞬时完成的，因而这种电流瞬间即逝，它随时间变化的曲线如图1-3所示。（3）吸收电流。吸收电流也是一个随加压时间的增长而减少的电流，不过它比几何电流衰减慢得多，可能延续数分钟，甚至数小时，这是因为吸收电流是由缓慢极化产生的。其值取决于电介质的性质、不均匀程度和结构。在不均匀介质中，这部分电流是比较明显的。由于吸收电流的概念较难理解，下面以不均匀电介质为例，讨论缓慢极化和伴随产生的吸收电流。为了突出物理概念，讨论时选用由两种截然不同的电介质所构成的双层介质，并且每层电介质用并联的电容Cl、C2和电导g1、g2来代替，如图1-4所示。图1.4双层电介质的等值电路图图1.2在直流电压作用下电介质内漏导电流随时间变化曲线图1.3在直流电压作用下电介质的电容电流随时间变化曲线（a）示意图；（b）等值电路图在直流电压刚刚加上的瞬间，犹如加上一个频率很高的电压，各层介质上的电压是按电容分配的，由图1-4(b)可得UCCCU21210UCCCCUCQ212110110UCCCU21220UCCCCUCQ212120120由此可见，电荷Q10＝Q20，所以在两种电介质的交界面上没有过剩的电荷。当电源容量很大时，这个过程很快就完成。在稳定的直流电压下，当充电完毕后，电容就不再起作用了，相当于开路，最后只剩下流经电导g1和g2的电流。于是电压在各层介质上按电导分配，由图1-4(b)可得UgggU2121UgggCUCQ2121111UgggU2122UgggCUCQ2122222由此可见、仅当C1g2＝C2g1时，21QQ，即交界面上也无过剩电荷。但是一般情况下1221gCgC，则21QQ，即交界面上将有过剩的电荷出现。为了弄清物理概念，假定C2＞C1,g1＞g2，则2Q＞1Q；一这样交界面上积累的过剩电荷为12QQQj这些电荷是怎么积累的呢？显然，在Cl放电的同时，C2要被补充充电。由谁来充呢？当然是电源。这时充电的路径又是什么样的呢？由图1-4可知，充电是沿着电源的一极→g1→C2→电源另一极的路径进行的。观察此充电过程会发现：①对C2充电时，开始电流较大，随时间增长，电流逐渐减小，直至到零；②由于g1很小（或说成R1很大），故充电时间很长，换言之，这种过程需要很长时间才能完成。我们把这个过程中以自由离子移动而形成的充电电流称为吸收电流，把这种现象称为吸收现象。吸收电流随时间变化的曲线如图1-5所示。由于这一过程还要消耗能量，所以这部分电流可以看成是电源经过一个电阻向电容器充电的电流。显然，吸收电流也与被试设备受潮情况有关。若将三个电流曲线加起来，即可得到在兆欧表等直流电压作用下，流过绝缘介质的总电流随时间变化的曲线，通常称之为吸收曲线，如图1-6所示。分析吸收曲线可知：（1）吸收曲线经过一段时间后趋于漏导电流曲线，因此在用兆欧表进行测量时，必须等到兆欧表指示稳定时才能读数。通常认为经lmin后，漏导电流趋于稳定。所谓测量绝缘电阻就是用兆欧表等测量这个与时间无关的漏导电流（即后面所说的泄漏电流）。而在兆欧表上直接读出的是绝缘电阻数值。由于流过绝缘介质的电流有表面电流和体积电流之分，所以绝缘电阻也有体积绝缘电阻和表面绝缘电阻之分，如图1-7所示。由于表面电流只反映表面状态，而且可被屏蔽掉，所以实际测得的绝缘电阻是体积绝缘电阻。因此，绝缘电阻的定义应为作用于绝缘上的电压与稳态体积泄漏电流之比，即WjIUR（1-1）式中IW——稳态时的体积泄漏电流；U——作用于绝缘上的电压；Rj——绝缘的体积电阻。当绝缘受潮或有其他贯通性缺陷时，绝缘介质内离子增加，因而体积漏导电流剧增，体积绝缘电阻当然也就变小了。因此，体积绝缘电阻的大小在某种程度上标志着绝缘介质内部是否受潮或品质上的优劣。可按图1-8测量体积绝缘电阻和表面绝缘电阻。由图1-8(a)所测得电阻为体积绝缘电阻Rt，有图1.5在直流电压下电介质内吸收电流随时间变化图1.6在直流电压下电介质内所产生的三种电流总和随时间变化的曲线图1.7电介质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻SdRtt（1-2）式中S——介质上的电极面积（cm2）；d——极间距离（cm）；t——绝缘的体积电阻率（cm）。图1.8测量固体绝缘介质体积和表面电阻的原理图（a）测量体积电阻；（b）测量表面电阻1—电极；2—辅助电极；3—试样由于表征绝缘电阻大小的物理量是绝缘的电阻率，或绝缘的电导率，而1。所以式（1-2）常写成cmdSRtt（1-3）由图1-8(b)所测得的电阻为固体介质表面电阻Rb，同理，可写出b的表达式为LbRbb（1-4）式中b——介质上的电极宽度（cm）；L——极间沿面距离（cm）；b——绝缘的表面电阻率（cm）。由上述可见，体积绝缘电阻与表面绝缘电阻都与绝缘的尺寸有关。对同一材料、同一直径的绝缘子而言，绝缘子串愈长，其绝缘电阻愈高；而对电缆却是长度愈长，其体积绝缘电阻愈小。（2）不同绝缘的吸收曲线不同。对同一绝缘而言，受潮或有缺陷时吸收曲线也会发生变化，据此可以用吸收曲线来判断绝缘的好坏。一般用初始电流与稳定电流之比wii/0来表示绝缘的吸收特性，若以绝缘电阻来表示时则为RW/R0。由于在进行绝缘电阻测量时，要真正测出Rw与R0是困难的，所以通常分别用从兆欧表达稳定转速并接人被试物开始算起第15s和第60s的绝缘电阻数值60R和15R来代替，并求出比值60R/15R，这个比值称为吸收比，用K表示。测量这一比值的试验称为吸收比试验。吸收比在一定程度上反映了绝缘是否受潮。为了帮助读者理解，下面来分析极端情况。如图1-6所示，当时间t＝和t＝0时，绝缘电阻的比值为LxsdrLxsdrLxsdrLLIIIIIIIIIIUIURR10(1-5)因为绝缘受潮程度增加时，漏导电流的增加比吸收电流起始值的增加多得多，所以在式（1-5）中，R与R0的比值就接近于1;当绝缘干燥时，由于漏导电流很小，吸收电流相对较大，所以R与R0的比值就大于1。根据试验经验，一般认为当1560RR≥1.3时绝缘为干燥的。例如某台受潮变压器的K=1.09，接近于1，而经过干燥处理之后，K＝1.7，增加了很多。应用这一原理，通过测量绝缘的吸收比，就可以很好地判断绝缘是否受潮。另外，由于K是一个比值，它与绝缘结构的几何尺寸无关，而且它们都是在同一温度下测量的数值，无须进行温度换算，这对比较测量结果是很方便的。图1-9示出了绝缘良好和绝缘受潮时的绝缘电阻随时间的变化曲线。由图可见，当绝缘受潮时，绝缘电阻剧烈下降，而且曲线饱和甚快、原因是因绝缘电阻剧烈下降导致了回路时间常数大大减小，此时1560RR→1。当绝缘干燥时，绝缘电阻较高；回路时间常数也较大，曲线经过较长时间才慢慢饱和。此时1560RR比1大。应指出，绝缘的吸收比试验仅适用于电容量较大的电力设备，如大型发电机、变压器及电缆等，对其他电容量小的设备，吸收现象不明显，故无实用价值。由上述可知，绝缘在直流电压作用下的等值电路如图1-10所示，此图将给定量分析带来方便。随着变压器、发电机等电力设备的大容量化，其吸收电流衰减得很慢，在60s时测得的图1.9某设备绝缘的吸收曲线1—良好；2—受潮绝缘电阻仍会受吸收电流的影响，这时若用吸收比1560/RR来判断绝缘是否受潮会产生困难。例如图1-11示出了两台变压器的吸收曲线，若用吸收比作衡量指标就很难判断哪一台变压器受潮了。为了更好地判断绝缘是否受潮，国外以及国内变压器等已引用极化指数作为衡量指标，它被定义为加压l0min时的绝缘电阻与加压lmin时的绝缘电阻之比，即110/RRPI（1-6）当绝缘处于受潮和污染状态时，不随时间变化的泄漏电流所占比例较大，所以PI接近于1；当绝缘处子干燥状态时，PI较大。根据《规程》规定，PI值一般不小于1.5。表1-1列出了几台不同电压等级、不同容量变压器的绝缘电阻、吸收比和极化指数的测试结果。表1-1几台变压器的绝缘电阻、吸收比和极化指数的测试结果序号电压（kV）容量（MVA）R（M）K151/RRPI110/RR温度（℃）15R1R10R15252401300170038001.312.242523303601200160047001.332.932032203602000280073001.42.613142201203200395087501.232.221852201201850250044501.351.783462203601200170053001.423.1231735201000110012231.11.1225由表1-1中数据可见，10R均大于1R，说明这些变压器的吸收电流确实衰减很慢，若用吸收比来衡量变压器是否受潮，可能产生误判断。例如4号变压器，按吸收比应判断为受潮，但极化指数较高，说明为干燥。由此得到启发，对吸收比小于1.3，一时又难以下结论的变压器，可以补充测量极化指数作为综合判断依据。图1.10绝缘在直流电压作用下的等值电路图图1.11两台变压器的吸收曲线在《规程》中，已将极化指数列为发电机、变压器和电抗器的预防性试验项目。对进口设备，若出厂试验为PI者，应以PI的测试值来验收，在预防性试验中宜测试PI，以便分析比较。在国外，有些国家对大型电机或电力电缆