绝缘、绝缘电阻、绝缘电阻表及其使用和检定

1武汉市康达电气有限公司绝缘、绝缘电阻、绝缘电阻表及其使用与检定—胡学军—导言（4）一概述（5~6）二绝缘电阻（7~11）1绝缘电阻的定义（7）2绝缘测试的物理模型（8~10）3绝缘测量的其它参数（10）4绝缘测试中不同设备的泄漏及影响（11）三绝缘电阻表（12~24）1绝缘电阻表原理（12）2绝缘表的高压源及其短路输出电流对绝缘测试准确性的影响（13~20）3几种电流测量技术（20）3.1流比计原理（21）3.2双支路电压取样原理（22）3.3基于运放的双支路取样（23）3.4屏蔽的原理及分类（高电位屏蔽与低电位屏蔽）（24）武汉市康达电气有限公司4电流—电阻值转换显示方式及特点（24）四现场绝缘电阻的测量（25~43）1影响绝缘测量的因素及现场干扰分析（25~28）2现场绝缘测试的偏差分析（29~34）3使用中的常见问题及分析（35~43）五绝缘电阻表选用指导（44~48）1试验电压的选择2高压绝缘电阻表主要性能及指标的判别3绝缘电阻表的选用六水内冷发电机组专用绝缘测试仪表种类、使用方法、注意事项和常见问题（49~58）七绝缘电阻表的检定（59~61）1相关国家计量检定规程的介绍与比较2检定注意事项武汉市康达电气有限公司4武汉市康达电气有限公司导言：绝缘电阻表被广泛用于电力电工行业，主要用来测量试品的绝缘电阻，吸收比和极化指数等电气参数，是保障电气设备运行安全和操作人员人身安全的重要试验检定仪器，被列入国家强制检定项目目录。全面准确地依照试品物理性能和实际应用条件，设计制造、正确使用和检验检定绝缘电阻表，是保障绝缘试验数据的真实完善、提供的绝缘状况分析结论科学可靠的前提，也是一项要不断完善、提高的工作。值得科研制造检定人员不停地探讨，这些探讨包括各种分析认识的深化，标准规程方法等完善，修定、执行和及时补充等。下面的讨论将引入绝缘电阻表的各测试项目，各功能性能描述，绝缘电阻表通用原理，现场测试问题的探讨，绝缘电阻表的正确选用，绝缘电阻表的检定（方法）规程及正确操作方法和高值高压电阻标准器。一、概述我们周围的物质材料按其导电性能分类，可大体分为导体材料（如：金、银、铜、铁、铝等）半导体材料（硅）和绝缘物质材料（如：空气、纯水、油、陶瓷、云母片等）。为了改善电气设备的性能，减小体积和所占用空间，必须用绝缘材料（电介质）将电气设备中电位不相等的导体隔离开来或是用作导体的支撑固定散热等，如：主变压器内铁芯绕组、油；铁塔的绝缘子、空气（足够的距离）。所以，高压设备的事故也往往源于绝缘材料的老化、受潮、被污、击穿等，且高压设备的使用寿命也主要取决于其内部绝缘材料的性能。关注电气设备的绝缘状况，经常用测试试验来了解分析绝缘性能的下降或劣化，是电力行业设备维护的最基本工作。5武汉市康达电气有限公司为全面掌握设备的绝缘状况，我们对高压设备要进行各种绝缘试验、包括：局部放电测试、介质损耗测试、直流耐压测试、交流耐压测试、变压器油试验等等。绝缘电阻测试是众多试验测试中的一种，且属于直流非破坏性试验，即在被测试品上施加一个直流电压，该电压值与试品的额定工作电压值有关，但又大大低于工作电压。在E的作用下，试品内会流过I，测试品的绝缘电阻为E/I，即I越大绝缘电阻越小，I越小绝缘电阻越大，这样就可以试探性地在全额加压前发现试品的绝缘隐患，以避免后续绝缘试验中造成设备的人为损坏。所以各试验规程中要求在做完绝缘电阻试验，且确认绝缘电阻正常后，才能进行后续试验。6武汉市康达电气有限公司7武汉市康达电气有限公司2.绝缘测试的物理模型：绝缘电阻与电阻器（线性，时不变）的区别很大，仅电气单位Ω相同。绝缘电阻值与温度、湿度、受潮、污秽、腐蚀老化有关，与绝缘介质的电性能有关，下面我们分析绝缘相关的电性能，如下图。I=Ic+Ix+Ia图中：C表示设备绝缘结构的几何电容RX表示绝缘材料（介质）的实际直流电阻（真泄漏）Ra·Ca表示松弛极化（与吸收比、极化、和介质损耗有关）Q表示局部放电（油中的油隙或气隙电晕放电）总电流由3个电流分量组成，表示为：i=ic+ia+ix式中，8武汉市康达电气有限公司ic（t）为随时间很快衰减到零的几何电容和介质弹性极化所形成的电流，也称电容充电电流。电容电流大小与试品的材质、形状、几何尺寸、结构、外加电压大小等有关，与介质的绝缘能力无关。ia（t）是衰减效慢的松弛极化电流，或称吸收电流。该电流由偶极子极化和介质不均匀、多层介质界面间的电荷移动和积累引起，它表征了绝缘介质的松弛极化，反映了材料的不均匀程度、分层、受潮、老化和脏污等，与绝缘结构、绝缘材质性能、外加电压大小、工作温度等有关，且随时间延续而缓慢衰减至零。同类产品介质的绝缘性能越好，则吸收电流的量值越大，衰减越慢。故可用吸收电流的大小和衰减速度等参数来判定试品绝缘性能的优劣。吸收电流的衰减——即极化过程有时长达数小时才能完成。ix（t）是绝缘泄漏电流，由绝缘介质的体电导电流和表面漏电流组成，是不随时间而改变的恒定量。该电流的大小与外加电压高低、试品的几何尺寸、材质优劣、设备整体受潮、表面脏污、表面留有放电或击穿痕迹的贯通性缺陷有关，也与工作温度和制造工艺有关，但与时间无关。9武汉市康达电气有限公司介质绝缘性能越好，则泄漏电流越小，对应的绝缘电阻值越高。这是判断绝缘性能优劣的重要参数之一。对存在极化过程的常规试品而言，只有在充电和极化过程完成之后，电容充电电流和吸收电流分量衰减为零，此时，过渡过程结束。才能测量出仅由试品泄漏电流分量决定的真实绝缘电阻值。3、绝缘测量的其它参数为在较短时间内判断绝缘性能的好坏，大型设备常用吸收比K=R60s/R15s或极化指数PI=R10min/R1min来判断绝缘电阻的缓急变化势态，从而估计设备绝缘性能的好坏。吸收比和极化指数为同一次实验中两个不同特定时间下绝缘电阻的比值，故与电气设备绝缘尺寸无关，消除了电气设备绝缘的结构、形状和尺寸因素等因素的影响，并与工作温度基本无关，还能反应设备的整体和局部缺陷。10武汉市康达电气有限公司4绝缘测试中不同设备的泄漏及影响传输线路的泄漏：绝缘子的表面泄漏可计入线路绝缘主变输入输出：绝缘子的表面泄漏主变内（变压器本身的）绝缘性能绝缘支撑的各种表面泄漏，如各母线，氧化锌避雷器等等电力电缆开口处测试点的表面泄漏电缆芯线之间及芯线与外包间的绝缘水内冷发电机定子内水电阻泄漏发电机定子对地的绝缘测量中测试线的泄漏检定中高阻箱的泄漏和测试线的泄漏泄漏电流与内绝缘电流的比例。11武汉市康达电气有限公司三、绝缘电阻表1、绝缘电阻表原理绝缘电阻表主要由以下主要部分组成：额定直流高压源、电流测量装置、泄漏屏蔽装置、绝缘电阻值显示装置。额定直流高压源为测试中为试品提供试验电压，其两端分别经L端加在试品待测端，E端接地（或试品的另一端）。加上额定压后,试品L流过一个电流，该电流双从E端子流回绝缘表，电流值与试品绝缘电阻值的大小有关。绝缘表对该电流的大小进行测量处置并转换成对应的绝缘电阻值，在显示装置中显示出来。另外，它还要提供另一个电流的入口，用于接收影响绝缘电阻测量的干扰泄漏电流，且不能影响欲测绝缘值的正确性。下面分别详细介绍这几个部分的重要性能要求，原理。12武汉市康达电气有限公司132绝缘表的高压源及其短路输出电流对绝缘测试准确性的影响中华人民共和国国家标准GB50150-2006“电气装置安装工程电气设备交接试验标准”的总则1.0.10项第6条规定“用于极化指数测量时,兆欧表短路电流不低于2mA”。中华人民共和国电力行业标准DL/T845.1－2004“电子式绝缘电阻表”，第5.7项“输出短路电流”要求：输出短路电流应不小于0.2、0.5、1、2、5、10mA；第6.5项“工作电压建立时间”要求：应对0.1μF容性负载上电压建立时间进行测量测定。以上标准都对电子式绝缘电阻表的输出短路电流和工作电压建立时间提出了严格要求。这是因为绝缘电阻表的这两项能力指标对于变压器、电缆、电机等大型设备绝缘电阻、吸收比、极化指数的准确测量具有极大的影响。武汉市康达电气有限公司14下面我们就这两项指标对绝缘测试的影响及检测方法作一些粗简的定量分析，给作绝缘检测的工程技术人员提供一个参考。绝缘电阻表输出短路电流的大小可反映出该表内部输出高压源内阻的大小。当被测试品存在分布电容量时，在测试过程的开始阶段，绝缘电阻表内的高压源要通过其内阻向该电容充电，并逐步将电压充到绝缘电阻表的输出额定高压值。这种状态如下图示:IR图中E0:表内高压源r:高压源内阻C:分布电容IC:电容充电电流R:试品绝缘电阻IR:绝缘泄漏电流IX=IR+IC:绝缘表测得的电流ABRE0EICIXLCr武汉市康达电气有限公司图（1）15武汉市康达电气有限公司16iCE00tuC,uR,iCuC式（3）表述的端电压UC随时间上升的曲线如右图示,由图可见:试品上的电压是随加上高压后时间的推移而逐步上升的，最终达到Ｅ０；给电容充电的电流是随时间的推移而逐步减小的，最终为零。武汉市康达电气有限公司图（2）前面，我们在图（1）中提到ＩＸ＝IR+IC即在绝缘电阻表测得的电流中，不仅有绝缘电阻上的分量，也加入了电容充电电流分量，这一充电电流使测得的绝缘电阻值在充电过程中显现得偏小。显然，如果试品的电容量值很大，或高压源内阻r很大，这一充电过程的耗时就会加长。如式（2）τ=r·c时间常数τ是由内阻r和分布电容C的乘积决定的（单位为秒）17下面我们给出一个实例，看一看绝缘表内阻的大小对绝缘值测试的影响到底有多大。例如：额定电压为5000V的绝缘电阻表，若其短路输出电流为80μA(3122型、3123型绝缘表)，其内阻为：r=5000V/80μA≈62MΩ(E0/I=r）如果试品的实际绝缘电阻值为1000MΩ，分布电容量为0.15μF，则时间常数τ=r.c=62MΩ×0.15μF≈9(秒)，在18秒时刻，我们按（1式）计算得到，电容上的电压（B、E间）仅为4323V,试品与高压源间的电压差（A、B点间）为：5000V－4323V=676V则电压差引起的充电电流应为：676V÷60MΩ=11.3μA。由此可见，由充电电流而形成的等效电阻为：5000V÷11.3μA＝442MΩ武汉市康达电气有限公司18已知绝缘值为1000MΩ，而显示的测得绝缘值仅为306MΩ。这一测量结果已不能反映绝缘值的真实状况了。太小短路电流的绝缘表其试值主要是随容性负载容量的变化而改变，即容量小，测试阻值大；容量大，测试阻值小。同时也会使吸收比值R60S/R15S严重偏大。对于同样的试品（r=1000MΩ、C=0.15μF),用一台短路电流为5mA的绝缘表测试，情况会根本不同，这是因为：该表内阻r=5000V/5mA=1MΩ，则τ=r·c=1MΩ·0.15μF=0.15（秒）在t=10（秒）时刻，试品与高压源间的电压差（A、B点间）为：5000V－4999.99V≈0V可见电容充电电流早已衰减为零，对绝缘测试的真实性不产生影响。所以，为保障准确测得R15S，R60S的试值，应选用输出短路电流大充电速度快的大容量绝缘电阻表。这正是GB50150-2006“电气装置安装工程电气设备交接试验标准”规定“用于极化指数测量时,兆欧表短路电流不低于2mA”的原因。武汉市康达电气有限公司19在测量时间的第15秒时刻，被检仪器显示应为R15S＞4750MΩ(因有电容C存在，所以被测阻值要比标称值小5%);当测量时间为60秒时，仪器显示应为R60S=5000MΩ，吸收比应为R60S/R15S≤1.05。说明：在第15秒时刻，仪器向电容C充电的电流越小，表示仪器的充电能力越强，吸收比就越趋于“1”。在现场测试的吸收比才越准确。综上所述，绝缘电阻表内的高压源必须具备以下几个基本要求：a高压发生器高压建立时间及准确度b高压源的带载能力c输出短路电流（容量）及影响鉴别绝缘电阻表的充电能力及其对吸收比R60S/R15S测量的影响量，可按如下图示的检定方法判定。图中：C可采用CBB型无极化无吸收的优质电容，容量为0.15μ/6.3kV；