绝缘及试验分析

第三章电气设备的绝缘试验2、绝缘缺陷：⑴产生的原因：外电场的作用制造缺陷安装过程受损环境侵蚀高压试验：1、目的：发现绝缘缺陷问题、及时处理；避免事故发生。3、缺陷的分类：

分布性或整体性的缺陷:整体绝缘老化、变质、受潮、绝缘性能下降。集中性或局部性缺陷4、缺陷危害：电力系统故障。分类定义特点包含试验项目说明检查性试验也称为非破坏性试验，是检测绝缘除电气强度以外的其他电气性能，是在较低的电压下或用其他不损伤绝缘的方法进行的．不能直接反映绝缘强度，但可以非破坏的形式揭示绝缘缺陷的不同性质和发展程度，使我们可防患于未然绝缘电阻、介质损耗角正切和泄漏电流、局部放电等总原则：应先作检查性试验，再做破坏性试验，以避免不应有的损伤耐压试验检测绝缘的电气强度，试验时在设备绝缘上加上规定的试验电压，考验绝缘对此电压的耐受能力。这种试验所加电压较高，有可能在试验中给绝缘造成一定的损伤，因此也称绝缘破坏性试验。表明了设备绝缘的耐电强度，是决定性的和不可替代的。但只能反映严重的缺陷，具有破坏性交流耐压试验、直流耐压试验和冲击耐压试验5、高压试验方法：了解绝缘试验的目的、种类及各自特点；掌握各种检查性试验的基本原理、试验方法以及不同试品试验结果的分析处理方法；掌握各种耐压试验中不同类型高压的产生原理、测量方法，各种耐压试验的注意事项。6、学习要求：绝缘试验一、高电压测量装置二、绝缘电阻、吸收比和泄漏电流的测量三、介质损耗角正切的测量四、工频高电压（交流耐压）实验五、直流耐压实验一、高电压测量装置国际国家标准规定高电压测量误差在±3％以内。㈠高压静电电压表（结构原理P65)在两个特定的电极间加电压u，电极间就会受到静电力f的作用，而且f的大小和u的数值有固定关系，因而测量f的大小或他引起的可动极板的位移或偏转就能确定所加电压u的大小。如果消除了边缘效应f∝u2如果u为正弦交流电压，则电极在一个周期内所受到作用力的平均值F与交流电压的有效值U的平方成正比U∝√F即静电电压表测交流时，测得的是它的有效值。如果测量的是带脉动的直流电压，则测得的电压近似等于整流电压的平均值Uav。㈡球隙测压器球隙测压器是唯一能直接测量高达数兆伏的各类高电压峰值的测量装置。它由一对直径相同的金属球构成，测量误差约为2％～3％。（结构原理P66)工作原理：是基于一定直径(D)的球隙在一定的极间距离(d)时的放电(击穿)电压为一定值。1、球隙的优点：球隙中的电场在极间距离不大(d/D≤0.75)时为稍不均匀电场，与其他不均匀电场相比有下列优点：①击穿时延小伏秒特性在1μs左右即已变平，放电电压的分散性小，具有稳定的放电电压值和较高的测量精度。②稍不均匀电场的冲击系数β＝U50/U0≈1，它的50％冲击放电电压与静态放电电压的幅值几乎相等，可以合用同一张放电电压表格或同样的放电电压特性曲线。③由于湿度对稍不均匀电场的放电电压影响较小，因而采用球隙来测量电压可以不必对湿度进行校正。用球隙进行测量工频电压的幅值2、球隙的放电电压

若已知球隙的直径D和极间距离d，球隙的放电电压一般从标准球间隙击穿电压表（P191附录）中查到。球隙在高压试验时的接入方式：R1为限流电阻，作用是当被试品或球隙被击穿时，限制流过试验装置的电流，也限制流过球隙的电流;R2为球隙测压器的专用保护电阻，主要防止球隙在持续作用电压下放电时球隙工作面被放电火花灼伤。用球隙测量工频电压时，应取连续三次放电电压的平均值，相邻两次放电的时间间隔一般不小于1min，以便在每次放电后让气隙充分电离，各次击穿电压与平均值之间的偏差不应大于3％。高压试验装置被试品R1R2F球隙测压器接入示意图㈢高压分压器当被测电压很高时，无法直接测量电压，此时要采用高压分压器来分出一小部分电压，然后利用静电电压表、峰值电压表、高压脉冲示波器等测量仪器进行测量。对分压器的技术要求：①分压比的准确度和稳定性(幅值误差要小)②分出的电压与被测高电压波形的相似性(波形畸变要小)分类：交流高压分压器电阻分压器按照用直流高压分压器按分压电容分压器途分冲击高压分压器元件阻容分压器每一分压器均由高压臂和低压臂组成，低压臂上的电压就是分给测量仪器的低电压u2，总电压u1与u2之比称为分压器的分压比(N)。1、电阻分压器它的高低压臂均为电阻，如右图理想情况下的分压比为：放电管F起保护作用，以免电压表超量程测量直流高电压时，只能用电阻分压器，它还可以用来测量交流高电压和1MV以下的冲击电压。一般选择工作电流在0.2-2.0mA，实际常选1mA。被测交流高压电压越高，分压器本身阻值越大，对地杂散电容越大，出现的误差就越大。通常在被测交流电压大于100kv时，大多采用电容分压器。u1u2R1R2FV电阻分压器用来测量雷电冲击电压的电阻分压器的阻值应比测量稳态电压的电阻分压器小的多。冲击电阻分压器的阻值往往只有10～20kΩ，即使屏蔽技术完善最大为40kΩ。在高压试验室中，分压器一般都放在冲击电压发生器的附近，而测量仪器放在控制测试室，二者相距数十米，其间连线常用高频同轴电缆，避免输出波形在这段距离受到周围电磁场的干扰。这段电缆可以起到时延的作用，使示波器录到完整的波形。在电缆终端出要并联一个阻值等于电缆波阻抗Z的匹配电阻R，以避免冲击波在终端处的反射。这时低压臂电阻R2与电缆的波阻抗Z并联存在低压臂的等值电阻变为测量回路R=ZZ，vl12u1R1R2去示波器2、电容分压器用于测量交流高电压和冲击高电压的电容分压器的原理接线如图，这时C1为高压臂C2为低压臂。在工频交流电压的作用下，流过两个电容的电流相等，则分压比N=u1/u2=(C1+C2)/C1

通常C1<<C2，所以u2<<u1，大部分电压降落在C1上，从而实现低压仪器测高压电容分压器高压臂的电容量较小，但要耐受绝大部分作用电压，它是电容分压器的主要部件。⑴集中式电容分压器，它的高压臂采用一只气体绝缘高压标准电容器，常用的气体介质有N2、CO2、SF6及其混合体⑵分布式电容分压器，其高压臂由多只电容器串联组成。u1u1u2u2C1C1C2C2电容分压器集中式分布式低压臂电容器C2的电容量较大，而耐受的电压不高，通常采用高稳定性、低损耗、寄生电感小的云母、空气或聚苯乙烯电容器。测量冲击高电压大多采用上面的分布式电容分压器，高压臂串联电容器组的总电容量为C1。一般测冲击电压测量回路如图。在电缆始端入口串接一个阻值等于Z的电阻R.此时U3=U2/2，而示波器处的电压U4=2U3=U2分压比仍为：电容分压器也存在对地杂散电容，但由于分压器本身也是电容，所以杂散电容只会引起幅值误差而不引起波形畸变。C1C2R=ZZvl4123u4u1测量回路㈢阻容分压器按阻尼电阻的接法不同，发展出两种阻容分压器，即串联阻容分压器和并联阻容分压器。前者的测量回路与电容分压器相同，而后者的测量回路与电阻分压器的相同。如果只需要测量电压的幅值，可以把峰值电压表接在分压器低压臂上进行测量。如果要求记录冲击电压波形的全貌，则唯一的方法是应用高压脉冲示波器配合分压器进行测量。u1u1u2u2R2R2C2C2R1R1C1C1串联阻容分压器并联阻容分压器阻容分压器二、绝缘电阻、吸收比和泄漏电流的测量二、绝缘电阻、吸收比和泄漏电流的测量吸收现象与绝缘特性P49图3——1吸收现象——当直流电压作用在电介质上，电流随时间的而逐渐减小，最后趋于一稳定值。（一）绝缘电阻的测量绝缘电阻：在绝缘上施加一直流电压U时，此电压与出现的电流I之比。绝缘电阻是一切电介质和绝缘结构的绝缘状态最基本的综合性特性参数。试验意义：能发现绝缘受潮或有集中性的导电通道。1、兆欧表的工作原理Rv-分压电阻；RA-限流保护电阻；兆欧表是利用电流比较法的原理进行绝缘电阻得测量的，电压线圈和电流线圈是相互垂直地固定在同一转轴上，并处在同一永磁场中，仪表指针固定在转轴上。。

兆欧表有三个端子：高压端子L，接地端子E，和屏蔽端子L。其中屏蔽电极的作用是吸收套管表面的漏电流，从而减小测量误差，屏蔽电极越靠近高压端对被试绝缘电场的畸变越小，测量效果越好。Rv-分压电阻；RA-限流保护电阻；根据转矩平衡原理，由此或表示为，。

可见，偏转角α只与两电流大小的比值有关。推导出3——1式表明，偏转角α只反映了绝缘电阻的大小。测量绝缘电阻可发现下列缺陷：A、总体绝缘质量不良；B、绝缘受潮；C、贯穿性的导电通道；D、绝缘表面情况不良。但不能发现绝缘中的局部缺陷和绝缘老化。2、试验的意义（作用）：能发现绝缘受潮或有集中性的导电通道。3、接线用兆欧表测量套管绝缘的接线图4、方法及注意事项规定以加电压后60秒测得的数值为该试品的绝缘电阻值。实验前后试品都应接地放电一定时间；高压引线应尽量架空，尽可能减少支撑物的影响；每次测量结束时，应在保持兆欧表电源电压的条件下，先断开高压引线以防止反击打坏仪表；对带有绕组的试品应将绕组首末端短接再接入到高压端；测量绝缘电阻时应记录温度，并进行温度校正。(二)吸收比的测量1、吸收比k令t=15s和t=60s瞬间的两个电流值I15和I60所对应的绝缘电阻分别为R15和R60则比值即为吸收比。吸收比恒大于1，且K值越大表示吸收现象越显著、绝缘的性能越好；一旦绝缘严重受潮或有大的缺陷时K1值接近于1，吸收现象不明显。

一般要求：K1>1.3测量方法按测绝缘电阻的方法测15秒和60秒时的电阻再按公式2.极化指数：按测绝缘电阻的方法测10分钟和1分钟时的电阻三、介质损耗的测量三、介质损耗的测量介质的功率损耗和介质损耗角正切tgδ成正比，tgδ是绝缘品质的重要指标，测量tgδ值是判断电气设备绝缘状态的一项灵敏有效的方法。tgδ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tgδ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tgδ。测量tgδ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，这里主要介绍西林电桥。㈠西林电桥基本原理西林电桥原理接线图○○UI1CI2VAP BCNCxRxVR3R4C4D○○UI1CI2VAPBCNCxRxVR3R4C4D被试品以并联等值电路表示，其等值电容和电阻分别为Cx和Rx；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为交流检流计。调节R3和C4，使电桥达到平衡，即通过检流计P的电流为零，此时有UCA/UAD=UCB/UBD由于通过桥臂CA和AD，CB和BD的电流分别均为I1和I2，所以各桥臂电压之比即相应的桥臂阻抗之比即Z1/Z3=Z2/Z4或Z1Z4=Z2Z3

○○UI1CI2VAPBCNCxRxVR3R4C4D式中可求得试品电容Cx和等值电阻Rx

介质并联等值电路的介质损耗角正切

因为ω=2πf=100π，若取R4=1000/π(Ω)

则tgδ=C4由于tgδ<<1，所以图中，A、B两处接有放电管V，目的是防止R3、C4上出现高电压实际中，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tgδ和Cx的关系式均与正接线无异，不同的是接地点移到C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。AP BCNCxRxR3R4C4CDU西林电桥反接线原理图㈡tgδ测量的影响因素⑴外界电磁场的干扰影响：一种是由于存在杂散电容，另一种是由于交变磁场感应出干扰磁场。消除方法：将电桥的低压臂和检流计用金属网和屏蔽电缆线加以屏蔽。⑵温度的影响：一般tgδ随温度的增高而增大⑶试验电压的影响：①良好绝缘在额定电压下，tgδ值几乎不变（曲线1）；tgδ321Utgδ与试验电压的典型关系曲线㈡tgδ测量的影响因素tgδ321Utgδ与试验电压的典型关系曲线②若绝缘存在空隙或气泡时，当所加电压尚不足以使气泡电离时，其tgδ与良好绝缘时无差别，但若所加电压能引起气泡电离或发生局部放电时，tgδ随U的升高而迅速增大，电压回落时电离要比电压上升时更强一些，因而会出现闭环曲线（曲线2）；⑶试验电压的影响：③如果绝缘受潮，则电压较低时tgδ就已经相当大，电压升高时，tgδ更将急剧增大；电压回落时，tgδ也要比电压上升时更大一些，因而形成了不闭合的分叉曲线，如图4-8中的曲线3所示，主要原因是介质的温度因发热而提高了右图中：1-良好的绝缘2-绝缘中存在气隙3-受潮绝缘tgδ321U

tgδ与试验电压的典型关系曲线㈣试品电容量的影响：

对于电容量较小的试品，测量tgδ能有效的发现局部集中性缺陷和整体分布性缺陷。但对电容量较大的试品，测量tgδ只能发现整体分布性缺陷，此时要把它分解成几个彼此绝缘部分的被试品，分别测量各部分的tgδ值，能有效的发现缺陷。㈤试品表面泄漏的影响：由于试品表面泄漏电阻总是与试品等值电阻Rx相并联，所以会影响tgδ值。为了排除或减小这种影响，在测试前应清除绝缘表面的积污和水分，必要时还可以在绝缘表面上装设屏蔽极。四、工频高电压（交流耐压）实验电气设备的绝缘在运行中除了长期受到工作电压（工频交流电压或直流电压）的作用外，还会受到电力系统中可能出现的各种过电压的作用，所以在高压试验室内应能产生出模拟这些作用电压的试验电压（工频交流高压、直流高压、雷电冲击高压、操作冲击高压等），用以考验各种绝缘耐受这些高电压作用的能力。与非破坏性试验相比，绝缘的高电压试验具有直观、可信度高、要求严格等特点，但因它具有破坏性的性质，所以一般都放在非破坏性试验项目合格通过之后进行。以避免或减少不必要的损失。

要求重点掌握工频交流耐压试验㈠工频交流耐压实验的意义：

1、是考察电气设备主绝缘裕度的主要方法。能对220kv及以下电压等级的电气设备绝缘承受过电压的能力综合判据。

2、能有效地发现绝缘中较危险的集中性缺陷。

3、是工程中最易实现和最常用的实验方法。

——能反应其他过电压的作用。

㈡工频交流耐压实验原理：

对电气设备施加高压，其值略高于运行中可能遇到的过电压。并经历一定的时间（通常为1分钟）。进行观察判定。

用毫安表观察泄漏情况，以及声音、气味等来判定试品能否通过实验。

工频交流耐压实验是破坏性实验，必须在非破坏性实验合格的情况下才能进行。

㈢工频交流耐压实验基本接线图：㈣工频交流耐压实验设备：

调压设备、试验变压器、测量装置、保护装置。1、调压设备：使实验电压能均匀的在0V至U0之间升降，不引起波性畸变和无很大的电压损耗。

调压设备通常用自偶变压器和移圈式调压器。单相接触式调压器各种接触式调压器移卷调压器调压原理㈣工频交流耐压实验设备：2、高压试验变压器：产生工频高电压大多为油浸式试验变压器试验变压器与电力变压器的比较试验变压器电力变压器电压等级更高、容量不大，仅单相电压等级高、容量大，分单相、三相工作在电容性负荷下工作在电感性负荷下允许发生短时短路不允许发生短路工作时间短工作时间长漏磁通较大漏磁通较小温度比较低、无散热要求温度比较高、有散热要求绝缘裕度小绝缘裕度大高压试验变压器的特点：⑴试验变压器的绝缘裕度不需要取很大，但要严格防止和限制过电压的出现。⑵试验变压器的容量一般不大

C—试品电容uf；U—实验电压kv

⑶由于试验变压器的额定电压很高而容量不大，因而的油箱本体不大，而其高压套管又长又大，这是它外观的一大特点。⑷试验变压器连续运行时间不长，发热较轻，因而不需要复杂的冷却系统，但由于试验变压器的绝缘裕度小、散热条件差，所以一般在额定电压或额定功率下只能做短时运行。⑸与电力变压器相比，试验变压器的漏抗较大，短路电流较小，因而可降低绕组机械强度方面的要求，节省费用。⑹试验变压器所输出的电压应尽可能是正、负半波对称的正弦波形，实际上很难作到，一般采取以下措施：①采用优质铁心材料②采用较小的设计磁通密度③选用适宜的调压供电装置④在试验变压器的低压侧跨接若干滤波器。⑺试验变压器串级装置当所需的工频试验电压很高时，由于变压器的体积和重量近似与其额定电压的三次方成正比，而其绝缘难度和制造价格甚至增加的更多，因此再采用单台变压器来产生就不恰当了。一般当U≥1000kv时，均采用若干台试验变压器组成串级装置来满足要求。数台试验变压器串级联接的办法是将它们的高压绕组串联起来，使它们的高压侧电压叠加后得到很高的输出电压，而每台变压器的绝缘要求和结构可大大简化，减轻绝缘难度，降低总价格。最常用的串级联接方式是自耦式联接，这时高一级变压器的激励电流由前一级变压器高压绕组的一部分（可称为累接绕组）来供给。串接式工频试验变压器n级串接装置容量的利用系数㈣工频交流耐压实验设备：3、R1——保护电阻保护试验变压器，在试品突然击穿时限制短路电流，同时也限制出现在变压器内部纵绝缘上的过电压。4、球隙：保护试品，实验电压过高时，球隙击穿放电，使试品免受过电压的损害。5、R2——保护电阻保护球隙，限制球隙的放电电流，以免球隙表面严重铄烧。㈤工频交流耐压实验结果分析：P68㈥实验注意事项:P68五、直流耐压实验泄漏电流的测量原理和绝缘电阻的测量原理一致。1、泄漏电流测量的特点：⑴、加在试品上的直流高压比兆欧表的工作电压高得多，能发现兆欧表所不能发现的某些缺陷。如：分别在20kv和40kv电压下测量额定电压为35kv及以上变压器的泄漏电流值，能相当灵敏的发现瓷套开裂、绝缘纸桶沿面炭化、变压器油劣化及内部受潮等缺陷。⑵、由于施加在试品上的直流高压是逐渐增大的，所以可以在升压过程中监视泄漏电流的增长动向。