高电压技术系列--电气设备绝缘试验

第五章 电气设备绝缘试验为了保证电气设备乃至整个电力系统的平安可靠运行，必须恰为了保证电气设备乃至整个电力系统的平安可靠运行，必须恰当的选择各种电气设备的绝缘当的选择各种电气设备的绝缘(包括绝缘材料和绝缘结构包括绝缘材料和绝缘结构)，使之，使之具有一定的电气强度，并且使绝缘在运行过程中保持良好的状态。具有一定的电气强度，并且使绝缘在运行过程中保持良好的状态。电气设备绝缘试验的意义时至今日，电介质理论仍远未完善，各种绝缘材料和绝缘结时至今日，电介质理论仍远未完善，各种绝缘材料和绝缘结构的电气性能还不能仅依靠理论分析计算来解决问题，而必构的电气性能还不能仅依靠理论分析计算来解决问题，而必须同时借助于各种绝缘试验来检验和掌握绝缘的状态和性能，须同时借助于各种绝缘试验来检验和掌握绝缘的状态和性能，各种试验结果也往往成为绝缘设计的依据和根底。各种试验结果也往往成为绝缘设计的依据和根底。但是由于种种原因，绝缘仍然是电力系统中的薄弱环节，绝缘故障通常是引发电力系统事故的首要原因。电气设备绝缘试验的分类耐压试验耐压试验:模仿设备绝缘在运行中可能受到的各种电压模仿设备绝缘在运行中可能受到的各种电压(包包括电压波形、幅值、持续时间等括电压波形、幅值、持续时间等)，对绝缘施加与之等价的，对绝缘施加与之等价的或更为严峻的电压，从而考验绝缘耐受这类电压的能力，称或更为严峻的电压，从而考验绝缘耐受这类电压的能力，称为耐压试验。这类试验显然是最有效和最可信的，但也有其为耐压试验。这类试验显然是最有效和最可信的，但也有其缺乏的一面：有可能导致绝缘的破坏。故也称破坏性试验。缺乏的一面：有可能导致绝缘的破坏。故也称破坏性试验。检查性试验检查性试验:测定绝缘某些方面的特性，并据此间接地判断绝缘的状况，称为检查性试验。这类试验一般是在较低电压下进行的，通常不会导致绝缘的击穿损坏，故也称非破坏性试验。为了准确全面的掌握电气设备绝缘的状态和性能，这两类试验都是不可缺少的，为了防止不必要的损失，一般将破坏性耐压试验放到非破坏性试验合格通过之后再进行。电气设备绝缘预防性试验主要是对各种电气设备的绝缘定期进行检查和监督，以便及早发现绝缘缺陷，及时更换或修复，防患于未然。绝缘故障大多因内部存在缺陷而引起，有些绝缘缺陷是在设备制造过程中产生潜存下来的，还有一些绝缘缺陷那么是在设备运行过程中在外界影响因素的作用下逐渐开展和形成的。绝缘缺陷 按绝缘缺陷存在的形态而言，绝缘缺陷可分为两大类：集中性缺陷集中性缺陷：如绝缘子瓷体内的裂缝，发电机定子绝缘因挤压磨损而出现的局部破损，电缆绝缘层内存在的气泡等;分散性缺陷：分散性缺陷：如电机变压器等设备的内绝缘受潮，老化，变质。当绝缘内部出现缺陷后，就会在设备的电气特性上反映出来，通过测量这些特性的变化发现隐藏的缺陷，然后采取措施消除隐患。绝缘预防性试验的目的5-1 测定绝缘电阻一、兆欧表工作原理手摇式兆欧表数字式兆欧表兆欧表指针偏转角 是被测绝缘电阻RX 的函数，因此就可以把偏转角的读书直接标定为被测绝缘电阻的值，且不受电源电压波动的影响。兆欧表的接线端子：线路端子端子：线路端子L接被试接被试品的高压导体；接地端子品的高压导体；接地端子E接被试品外壳或地；屏蔽端子接被试品外壳或地；屏蔽端子G接被试品的屏蔽环或别的接被试品的屏蔽环或别的屏蔽电极。屏蔽电极。屏蔽端子的作用：在被试品外屏蔽端子的作用：在被试品外表圈一金属屏蔽环极，并将此表圈一金属屏蔽环极，并将此环极接到兆欧表的端子环极接到兆欧表的端子G，使被，使被试品外表的漏导电流直接由端试品外表的漏导电流直接由端子子G流回发电机负极，从而排除流回发电机负极，从而排除外表漏导电流对被试品体积绝外表漏导电流对被试品体积绝缘电阻测量的影响。缘电阻测量的影响。兆欧表的使用方法根据被测物的电压等级，正确选用兆欧表，例如500V以下的电气设备，应选用500V兆欧表；1000V以上的电气设备，应分别选用1000V、2500V或5000V的兆欧表。测量前，首先对兆欧表进行一次开路和短路试验，检查兆测量前，首先对兆欧表进行一次开路和短路试验，检查兆欧表是否完好。开路试验是将两根测量导线分开，摇动手柄，欧表是否完好。开路试验是将两根测量导线分开，摇动手柄，正常情况下表针应该指到正常情况下表针应该指到“处。短路试验是将两根测量处。短路试验是将两根测量导线短接，缓慢摇动手柄，正常情况下表针应该指在导线短接，缓慢摇动手柄，正常情况下表针应该指在“0处。开路试验时指针如不指在处。开路试验时指针如不指在“处，短路试验时指针处，短路试验时指针如不指在如不指在“0处，那么该台兆欧表属于有故障，不能用于处，那么该台兆欧表属于有故障，不能用于测量。测量。兆欧表在使用时，应放置平稳，摇动手柄的速度应控制在120rmin，且要均匀。连接兆欧表的导线，要选用绝缘良好的单股线，不要选用绞线；测量时两根测量导线要分开，悬空。对于高压线路和高压电气设备，如电力变压器、高压电机等，测量前各相都要对地放电。测量时必须确认被测物已切断电源，也不可能受其它电源感应带电。禁止在雷电或邻近设备带有高压电的情况下测量。在测量电缆线路、电容器、电机和变压器等电气设备绝缘电阻时，由于兆欧表要向它们所存在的电容充电，所以测量结束后，应对被测物短路放电。为了平安起见，测量时两手不能同时接触兆欧表的两接线为了平安起见，测量时两手不能同时接触兆欧表的两接线柱或其测量导线的金属部位。柱或其测量导线的金属部位。测量中如指针已经指零，那么应立即停止摇动手柄，以免测量中如指针已经指零，那么应立即停止摇动手柄，以免烧坏表头。烧坏表头。数字式兆欧表数字式兆欧表与手摇式兆欧表的结构不同，其主要组成局数字式兆欧表与手摇式兆欧表的结构不同，其主要组成局部有部有500V或或1000V直流电压形成电路相当于手摇式兆欧表直流电压形成电路相当于手摇式兆欧表中直流发电机的作用，测试电路包括中直流发电机的作用，测试电路包括AD转换电路相转换电路相当于手摇式兆欧表中的测量线圈的作用以及当于手摇式兆欧表中的测量线圈的作用以及LCD显示器显示器(相同于手摇式兆欧表中的指针的作用相同于手摇式兆欧表中的指针的作用)。二、兆欧表的主要测量参数绝缘电阻：一切电介质和绝缘结构的绝缘状态最根本的综合性特性参数。吸收比K：通常用时间为60s与15s时测得的绝缘电阻之比表示。绝缘良好时，最后稳定的绝缘电阻值较高，而且要经过较绝缘良好时，最后稳定的绝缘电阻值较高，而且要经过较长的时间才能到达稳定值。长的时间才能到达稳定值。绝缘受潮或存在某些穿透性的导电通道，不仅最后稳定的绝缘受潮或存在某些穿透性的导电通道，不仅最后稳定的绝缘电阻值很低，而且还会很快到达稳定值。绝缘电阻值很低，而且还会很快到达稳定值。吸收比可反映绝缘电阻随时间而变化的关系。如绝缘良好，吸收比可反映绝缘电阻随时间而变化的关系。如绝缘良好，吸收比应大于某一定值。吸收比应大于某一定值。极化指数P：绝缘体在加压后10min和1min所测得的绝缘电阻值R10与R1之比值。极化指数主要针对大中型电气设备的绝缘；如绝缘良好，极化指数主要针对大中型电气设备的绝缘；如绝缘良好，那么此值应不小于某一定值。那么此值应不小于某一定值。对各类高压电气设备绝缘所要求的绝缘电阻值、吸收比和极化指数，在电力部颁发的DL/T596-1996?电力设备预防性试验规程?中有明确的规定。三、测试成效可有效发现的绝缘缺陷总体绝缘质量欠佳绝缘受潮两极间有贯穿性的导电通道通过比较有或无屏蔽极时所测得的值获得绝缘外表的情况通过比较有或无屏蔽极时所测得的值获得绝缘外表的情况不能发现的绝缘缺陷绝缘中的局部缺陷如非贯穿性的局部损伤、含气泡等绝缘中的局部缺陷如非贯穿性的局部损伤、含气泡等绝缘的老化即使绝缘老化，其绝缘电阻还可能相当高绝缘的老化即使绝缘老化，其绝缘电阻还可能相当高注意不管是绝缘电阻的绝对值或是吸收比和极化指数的值都只不管是绝缘电阻的绝对值或是吸收比和极化指数的值都只是参考性的。如不满足最低合格值，那么绝缘中肯定存在某是参考性的。如不满足最低合格值，那么绝缘中肯定存在某种缺陷；但是，如满足最低合格值，也还不能肯定绝缘是良种缺陷；但是，如满足最低合格值，也还不能肯定绝缘是良好的，其原因是由于兆欧表的电压较低的缘故，有些绝缘，好的，其原因是由于兆欧表的电压较低的缘故，有些绝缘，特别是油浸的或电压等级较高的绝缘，即使有严重缺陷，用特别是油浸的或电压等级较高的绝缘，即使有严重缺陷，用兆欧表测得的绝缘电阻值、吸收比或极化指数，仍可能满足兆欧表测得的绝缘电阻值、吸收比或极化指数，仍可能满足规定要求。规定要求。根据绝缘电阻或吸收比的值来判断绝缘状况时，不仅应与根据绝缘电阻或吸收比的值来判断绝缘状况时，不仅应与规定标准相比较，还应与本绝缘过去试验的历史资料相比较，规定标准相比较，还应与本绝缘过去试验的历史资料相比较，与同类设备的数据相比较，以及将同一设备的不同局部如与同类设备的数据相比较，以及将同一设备的不同局部如不同相的数据相比较。不同相的数据相比较。5-2 测定泄漏电流泄漏电流的测量原理和绝缘电阻的测量原理一致。但与绝缘电阻的测量相比较，泄漏电流的测量也有其独特的特点：所加直流电压较高，能揭示兆欧表不能发现的某些绝缘缺所加直流电压较高，能揭示兆欧表不能发现的某些绝缘缺陷。陷。发电机的泄漏电流变化曲线泄漏电流i（A)1234Ut1-良好绝缘 2-受潮绝缘 3-有集中性缺陷的绝缘 4-有危险的集中性缺陷的绝缘所加直流电压是逐渐升高的，那么在升压过程中，从所测所加直流电压是逐渐升高的，那么在升压过程中，从所测电流与电压关系的线性度，即可指示绝缘情况。电流与电压关系的线性度，即可指示绝缘情况。兆欧表刻度的非线性度很强，尤其在接近高量程段，刻度兆欧表刻度的非线性度很强，尤其在接近高量程段，刻度甚密，难以精确分辨。微安表的刻度那么根本上是线性的，甚密，难以精确分辨。微安表的刻度那么根本上是线性的，能精确读取。能精确读取。对直流电源的技术要求输出电压：为了弥补兆欧表电压太低的缺乏，本试验所需输出电压：为了弥补兆欧表电压太低的缺乏，本试验所需直流电压较高，但也不可能太高，因为直流电压与工频电压直流电压较高，但也不可能太高，因为直流电压与工频电压在绝缘结构内的分布是有很大不同的。表在绝缘结构内的分布是有很大不同的。表5-2-1所示。输出电所示。输出电压的极性应符合所需一般为负极性；输出电压值应为连压的极性应符合所需一般为负极性；输出电压值应为连续可调的；其脉动因数应符合国家标准规定，不大于续可调的；其脉动因数应符合国家标准规定，不大于3%；有相应的测压系统。有相应的测压系统。T V RVC PV2 PV1AaTOA b输出电流：输出电流：常温下，相应试验电压下的泄漏电流值很小，一般不超过100A，即使接近运行温度，泄漏电流值一般也不超过1mA。在测试时，被试品被击穿，电源应有自我保护，不受损坏。在测试时，被试品被击穿，电源应有自我保护，不受损坏。试验本卷须知假设被试品低压极不直接接地，测试系统可处在低电位，比假设被试品低压极不直接接地，测试系统可处在低电位，比较平安和方便。将测试系统和被试品低压极用屏蔽系统全部屏较平安和方便。将测试系统和被试品低压极用屏蔽系统全部屏蔽并接地。防止由于空气电离造成的测量误差。蔽并接地。防止由于空气电离造成的测量误差。假设被试品一极已固定接地，测试系统连同屏蔽系统改接到假设被试品一极已固定接地，测试系统连同屏蔽系统改接到高压电路中，并将屏蔽系统与高压引入线相接。由于测量仪表高压电路中，并将屏蔽系统与高压引入线相接。由于测量仪表处在高压侧，观察时应特别注意平安。处在高压侧，观察时应特别注意平安。5-3 测定介质损耗因数tan由公式 介质的功率损耗和介质损耗角正切tan成正比，tan是绝缘品质的重要指标，测量tan值是判断电气设备绝缘状态的一项灵敏有效的方法。tan能反映绝缘的整体性缺陷和小电容试品中的局部性缺陷。由tan随电压而变化的曲线，可判断绝缘是否受潮、含有气泡及老化的程度。但不能灵敏的反映大容量发电机、变压器和电力电缆绝缘中的局限性缺陷，这时应尽可能将这些设备分解，分别测量它们的tan。测量tan常用高压交流平衡电桥(西林电桥)，不平衡电桥(介质试验器)或低功率因数瓦特表来测量，主要介绍西林电桥。一、测试电路UI1 F I2V A P BCNCxGxVR3R4C4D被试品以并联等值电路表示，其等值电容和电导分别为Cx和Gx；R3为可调的无感电阻；CN为高压标准电容器的电容；C4为可调电容；R4为定值无感电阻；P为流检流计。调节R3和C4，使电桥到达平衡，即通过检流计P的电流为零，此时有UFA/UAD=UFB/UBDA、B两处接有放电管V，目的是防止R3、C4上出现高电压。为了计算方便，通常取 。电源工频时，。如C4以F计算，那么在数值上，影响电桥准确度的因素有：本试验高压电源对桥体杂散电容的影响。本试验高压电源对桥体杂散电容的影响。外界电场干扰。外界电场干扰。外界磁场干扰。外界磁场干扰。消除以上几种误差因素，最简单而有效的方法是将电桥的低消除以上几种误差因素，最简单而有效的方法是将电桥的低压局部最好能包括被试品和标准电容器的低压电极在内全压局部最好能包括被试品和标准电容器的低压电极在内全部用接地的金属网屏蔽起来，这样就能根本上消除上述三种误部用接地的金属网屏蔽起来，这样就能根本上消除上述三种误差。差。实际中，绝大多数电气设备的金属外壳是直接接在接地底座上的，即被试品的一极是固定接地的，这时得用反接线。在反接线的情况下，电桥调平衡的过程以及所得的tan和Cx的关系式均与正接线无异，不同的是接地点移到F点，原来的两个调节臂直接接到高电压下，此时R3，C4，检流计P和屏蔽网均处于高电位，故必须保证足够的绝缘水平和采取可靠的保护措施。A P BCNCxRxR3R4C4FDU西林电桥反接线原理图二、测试成效测tan能有效地发现绝缘的以下缺陷：受潮；受潮；穿透性导电通道；穿透性导电通道；绝缘内含气泡的电离，绝缘分层、脱壳；绝缘内含气泡的电离，绝缘分层、脱壳；绝缘老化劣化，绕组上的附积油泥；绝缘老化劣化，绕组上的附积油泥；绝缘油脏污，劣化等。绝缘油脏污，劣化等。测tan不能有效地发现绝缘的以下缺陷：非穿透性的局部损坏；非穿透性的局部损坏；很小局部绝缘的老化劣化；很小局部绝缘的老化劣化；个别的绝缘弱点。个别的绝缘弱点。三、测试本卷须知尽可能分部测试tan与温度的关系tan与试验电压的关系护环和屏蔽的影响测绕组时的本卷须知5-4 电压分布的测量 在工作电压作用下，沿着绝缘结构的外表会有一定的电压分布。一般在外表比较清洁时，其分布规律取决于绝缘结构本身的电容和杂散电容；而在外表污染受潮时，那么取决于外表电导。如果某一局部因损坏而导致该处的绝缘电阻急剧下降，那么其外表电压分布将有明显的改变。因此通过测量绝缘外表上的电压分布也能发现某些绝缘缺陷。作为绝缘预防性试验工程之一，测量电压分最适用于那些由一系列元件串联组成的绝缘结构。例如在电力系统中有大量的绝缘子在运行。输电线路上的绝缘子串由假设干片悬式绝缘子组成，支柱绝缘子一般也由多个元件串联构成，高压套管的瓷套也由许多个裙边构成。定期测量电压沿着绝缘子各组成元件的分布状况，是电力系统中常见的试验工程之一。外表清洁的悬式绝缘子串的电压分布不但取决于绝缘子本身的电容，而不但取决于绝缘子本身的电容，而且也受到各元件与地电位物体铁且也受到各元件与地电位物体铁塔、架空地线、大地等及高压导塔、架空地线、大地等及高压导线之间的杂散电容的影响。线之间的杂散电容的影响。C为每片绝缘子的本体电容，其值为每片绝缘子的本体电容，其值一般约为一般约为4055pF；C1为各元件对地为各元件对地电容，电容，C2为各元件与高压导线之间为各元件与高压导线之间的电容。实际上各个元件的电容。实际上各个元件C1值不是值不是相等的，相等的，C2值也一样；平均可取值也一样；平均可取C145pF，C2 0.51pFC1的影响是造成一定的分流，使的影响是造成一定的分流，使最靠近高压导线的那片绝缘子流过最靠近高压导线的那片绝缘子流过的电流最大，因而分到的电压也最的电流最大，因而分到的电压也最大，其余各片上的电压那么依次减大，其余各片上的电压那么依次减小；而小；而C2的影响那么正好相反，的影响那么正好相反，使最靠近接地端的那片绝缘子流过使最靠近接地端的那片绝缘子流过的电流最大，因而电压也最高，其的电流最大，因而电压也最高，其余各片上的电压依次减小。余各片上的电压依次减小。假设不存在杂散电容假设不存在杂散电容C1和和C2的影响的影响，沿串的电压分布应是均匀的，每，沿串的电压分布应是均匀的，每片绝缘子上的电压为片绝缘子上的电压为 。由于由于C1?C2，所以，所以C1的影响更大一些，最大电压还是出现的影响更大一些，最大电压还是出现在在1号绝缘子上，随着离开导线的距离增大，元件上承受的号绝缘子上，随着离开导线的距离增大，元件上承受的电压逐渐减小，但由于电压逐渐减小，但由于C2的影响，当接近接地横担时，最后的影响，当接近接地横担时，最后几个元件上的电压会略有上升。几个元件上的电压会略有上升。绝缘子串越长，杂散电容对沿串电压分布的影响也越显著。绝缘子串越长，杂散电容对沿串电压分布的影响也越显著。第第1片绝缘子上分到的电压：片绝缘子上分到的电压：为了使绝缘子串上的电压分布均匀一些，特别是降低最靠为了使绝缘子串上的电压分布均匀一些，特别是降低最靠近导线的那几片绝缘子上的电压，可以在绝缘子串与导线连近导线的那几片绝缘子上的电压，可以在绝缘子串与导线连接处装设均压金具，因为它能增大接处装设均压金具，因为它能增大C2值，有利于补偿值，有利于补偿C1的的影响，所以能有效地改善沿串电压分布，特别是大大降低最影响，所以能有效地改善沿串电压分布，特别是大大降低最靠近导线那几片绝缘子上的电压。额定电压大于靠近导线那几片绝缘子上的电压。额定电压大于220kV的超的超高压输电线路的绝缘子串应加装均压金具。高压输电线路的绝缘子串应加装均压金具。根据正常的电压分布曲根据正常的电压分布曲线和实测结果，就能判断线和实测结果，就能判断绝缘子是否劣化或损坏。绝缘子是否劣化或损坏。如果某一片绝缘子的实测如果某一片绝缘子的实测电压低于标准值的一半时，电压低于标准值的一半时，即可认定该片为劣化绝缘即可认定该片为劣化绝缘子称为低值或零值绝缘子称为低值或零值绝缘子子