高壓電氣設(shè)備絕緣性能的判定方法

蔡 琴*

(成都工業(yè)學(xué)院 電氣與電子工程系，成都 611730)

高壓電氣設(shè)備絕緣性能的判定方法

蔡 琴*

(成都工業(yè)學(xué)院 電氣與電子工程系，成都 611730)

通過試驗(yàn)掌握高壓設(shè)備的絕緣狀況，能及時發(fā)現(xiàn)絕緣內(nèi)部隱藏的缺陷，避免設(shè)備運(yùn)行中發(fā)生擊穿，造成停電或設(shè)備損壞等不可挽回的損失。結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)工作的需要對測量絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)試驗(yàn)、泄漏電流試驗(yàn)、介質(zhì)損失角正切tan＆的測量試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)、直流耐壓試驗(yàn)、交流耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)原理、測量方法及如何根據(jù)結(jié)果判定絕緣性能進(jìn)行了分析，結(jié)合試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷高壓電氣設(shè)備是否存在絕緣缺陷的目的。

高壓電氣設(shè)備;絕緣特性試驗(yàn);耐壓試驗(yàn);絕緣缺陷

為了保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，需對設(shè)備進(jìn)行各種試驗(yàn)，掌握電氣設(shè)備絕緣的情況、盡早地發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，從而進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)和檢修防患于未然。電氣設(shè)備的絕緣缺陷一般分2類:1)是集中性缺陷，如絕緣子瓷體內(nèi)裂縫，發(fā)電機(jī)定子絕緣介質(zhì)因擠壓磨損而出現(xiàn)的局部破損、電纜絕緣層內(nèi)存在氣泡等，這些集中性缺陷在一定條件下會發(fā)展擴(kuò)大，波及整體;2)是分布性缺陷，指高壓電氣設(shè)備整體全面受潮、老化、變質(zhì)等。

絕緣有了缺陷，其特性就會發(fā)生變化，判斷絕緣狀況的試驗(yàn)方法可分為2大類:1)非破壞性試驗(yàn)，指在較低的電壓下用不損壞絕緣的方法來測定電氣設(shè)備的某些特性及變化情況，并以此間接地判斷絕緣的狀況;2)破壞性試驗(yàn)或稱耐壓試驗(yàn)，其試驗(yàn)方法為模擬設(shè)備在運(yùn)行過程中實(shí)際可能碰到的過電壓狀況，對絕緣加上與之等價的或更為嚴(yán)峻的高電壓來考驗(yàn)絕緣耐受這類電壓的能力，這類試驗(yàn)最有效可信，但可能導(dǎo)致絕緣破壞。

電力設(shè)備絕緣試驗(yàn)的各種試驗(yàn)項(xiàng)目，對反映不同絕緣介質(zhì)各種缺陷的特點(diǎn)和靈敏度各不相同，很難根據(jù)某一項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果作出結(jié)論，而且高壓電氣設(shè)備運(yùn)行在不同條件時缺陷的發(fā)展趨勢也有差異，因此必須對各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較，并結(jié)合各種試驗(yàn)方法的有效性、設(shè)備運(yùn)行情況及設(shè)備的歷史情況，才能對被試設(shè)備的絕緣狀況和缺陷性質(zhì)作出科學(xué)的結(jié)論［1］。目前，高壓電氣設(shè)備都是按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)的要求進(jìn)行試驗(yàn)，對及時發(fā)現(xiàn)、診斷設(shè)備缺陷能起到重要作用。

1 非破壞性試驗(yàn)

非破壞性試驗(yàn)(或稱絕緣特性試驗(yàn))包括測量絕緣電阻、泄漏電流、介質(zhì)損耗、局部放電及色譜分析等，除了在新設(shè)備投入運(yùn)行前在交接、安裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)進(jìn)行，更多的是對運(yùn)行中的各種電氣設(shè)備的絕緣性能進(jìn)行檢查。

1.1 測量絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)

絕緣電阻是表征絕緣材料絕緣性能的重要參數(shù)。絕緣電阻是在絕緣結(jié)構(gòu)的2個電極之間施加的直流電壓與流經(jīng)該電極的泄露電流之比。由于絕緣材料中存在的吸收電流和電容電流，導(dǎo)致了外回路電流變化趨勢是由大到小，并最終等于泄漏電流(如圖1中的曲線i)，從而使絕緣電阻值的變化規(guī)律是由小到大(如圖1中的曲線R)，并最終趨于穩(wěn)定;當(dāng)絕緣嚴(yán)重受潮或內(nèi)部有集中性導(dǎo)電通道時，電荷吸收現(xiàn)象更為明顯，工程上用吸收比來反映這一特性，規(guī)定吸收比是60 s與15 s的絕緣電阻讀數(shù)的比值?！兑?guī)程》規(guī)定吸收比注意值為1.3，若吸收比大于1.3，則認(rèn)為絕緣良好，反之絕緣可能存在問題，如圖2所示。

圖1 吸收、泄漏電流及絕緣電阻的變化曲線

圖2 不同絕緣狀態(tài)絕緣電阻的變化曲線

但對于大容量電器設(shè)備(如發(fā)電機(jī)、變壓器等)，其絕緣的極化和吸收過程很長，吸收比不足以反映絕緣介質(zhì)吸收電流全過程，此時應(yīng)引入極化指數(shù)來判斷絕緣狀況。極化指數(shù)是10 min與1 min的絕緣電阻讀數(shù)的比值?！兑?guī)程》規(guī)定極化指數(shù)的注意值為1.5，若極化指數(shù)大于1.5，則認(rèn)為設(shè)備絕緣良好，反之設(shè)備絕緣可能存在問題。測量絕緣電阻可用數(shù)顯式兆歐表進(jìn)行測量，例如測量840 MVA，500 kV的變壓器，測得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量840 MVA，500 kV變壓器絕緣電阻、吸收比及極化指數(shù)

從吸收比看，高壓-低壓及地、高壓-低壓均小于1.3，這臺變壓器的絕緣可能不合格，但從極化指數(shù)看，3個位置的值都大于1.5，所以這臺大型變壓器的絕緣可能是合格的。

通過測量絕緣電阻能發(fā)現(xiàn)兩極間存在貫穿性的集中缺陷，如總體絕緣質(zhì)量欠佳，絕緣受潮、兩極間有貫穿性導(dǎo)電通道或絕緣表面不良等缺陷;但一些尚未貫穿的集中性缺陷就無法被發(fā)現(xiàn)，如含有氣泡、分層脫開、絕緣的老化等，還需用其他的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

不論絕緣電阻的絕對值或吸收比和極化指數(shù)的值都只是參考性的，如不滿足最低合格值則絕緣中肯定存在某種缺陷;但即使?jié)M足最低合格值，也不能肯定絕緣良好。所以，根據(jù)絕緣電阻或吸收比的值來判斷絕緣狀況時，不僅應(yīng)與規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)作比較，還應(yīng)與本絕緣過去實(shí)驗(yàn)的歷史資料作比較，與同類設(shè)備的數(shù)據(jù)作比較，與同一設(shè)備的不同部分的數(shù)據(jù)作比較，與本絕緣的其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比較。

1.2 泄漏電流試驗(yàn)

泄漏電流試驗(yàn)與絕緣電阻測量原理相同，只是在絕緣介質(zhì)的2個電極之間施加較高的直流電壓(高于10 kV)，并保持1 min再用微安表測出不同試驗(yàn)電壓下的泄漏電流，做出泄漏電流i與試驗(yàn)電壓U的關(guān)系曲線，能靈敏地發(fā)現(xiàn)瓷套開裂、電壓絕緣紙筒沿面炭化變壓器油劣化及內(nèi)部受潮等缺陷，根據(jù)曲線的形狀，還可以判定缺陷的性質(zhì)。

圖3 發(fā)電機(jī)的泄漏電流變化曲線

圖3為發(fā)電機(jī)定子絕緣的幾種不同泄漏電流變化曲線。絕緣良好的發(fā)電機(jī)，泄漏電流值較小，且隨電壓線性上升，如曲線1;如果絕緣介質(zhì)受潮，電流值變大，但基本上隨電壓線性上升，如曲線2;如果絕緣介質(zhì)中已有集中性缺陷，泄漏電流值在超過一定試驗(yàn)電壓時，泄漏電流將快速增加，如曲線3:設(shè)備絕緣缺陷越嚴(yán)重，泄漏值發(fā)生劇增的實(shí)驗(yàn)電壓越低，如曲線4所示。這臺發(fā)電機(jī)在運(yùn)行電壓下(不必出現(xiàn)過電壓)就可能會發(fā)生擊穿。

對測出的泄漏電流值可與《規(guī)程》比較并參照過去的記錄分析判斷。與用兆歐表測絕緣電阻相比，本試驗(yàn)具有以下特點(diǎn):1)所加直流電壓較高，能揭示兆歐表不能發(fā)現(xiàn)的某些絕緣缺陷;2)所加直流電壓是逐漸升高的，則在升壓過程中從所測電流與電壓關(guān)系的線性度，即可指示絕緣情況;3)兆歐表刻度的非線性度很強(qiáng)，尤其在接近高量程段時，刻度甚密，難以精確分辨，微安表的刻度則基本上是線性的，能精確讀取。盡管如此，兆歐表輕巧便捷，可隨身攜帶，本試驗(yàn)需要高壓電源、電壓和電流測量系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)等，相對麻煩，所以作為絕緣狀況初診工具的兆歐表應(yīng)用最為廣泛，且已開發(fā)出全自動功能的兆歐表［3］。

1.3 介質(zhì)損失角正切tan＆的測量

介質(zhì)損失角正切tan＆是反映絕緣介質(zhì)在交流電壓作用下，介質(zhì)中有功電流分量和無功電流分量的比值，是測量交流有功損耗大小的特征參數(shù)，其值越小意味著絕緣的介質(zhì)損耗越小。

tan＆能反映絕緣介質(zhì)的整體性缺陷，如整體老化和小電容被試品中的嚴(yán)重性缺陷，但對非穿透的局部損壞則不易發(fā)現(xiàn)，并且被試絕緣體積越大，反映局部缺陷越不容易，故對尺寸較大的設(shè)備，應(yīng)分解測試。如果集中缺陷部分的絕緣與良好部分絕緣為并聯(lián)關(guān)系，比如繞組和套管連在一起測量，則整體測量時tan＆主要由電容量大的絕緣體(繞組對鐵芯)決定，很難發(fā)現(xiàn)電容量很小的套管的絕緣缺陷。如果集中性缺陷部分與絕緣良好部分為串聯(lián)關(guān)系，如變壓器繞組和變壓器油，整體測量時tan＆的值主要由容量小的絕緣(如變壓器繞組)來決定，但很難發(fā)現(xiàn)容量很大的絕緣(變壓器汽油)的缺陷。

例如，在一臺110 kVA大型變壓器上，測得總的tan＆為0.4%，是合格的，但把套管分開單獨(dú)測得tan＆為3.4%，不合格，所以當(dāng)大型設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)由幾個部分組成時，最好能分別測量各部份的tan＆，以便發(fā)現(xiàn)缺陷。

tan＆測量工具常見的有西林電橋和數(shù)字式介損測試儀，西林電橋測試比較麻煩，現(xiàn)場工程中廣泛采用了數(shù)字式介質(zhì)損耗測試儀來進(jìn)行測量，使用起來非常方便，很多功能能夠自動完成?！兑?guī)程》中規(guī)定，繞組的tan＆在20℃時不大于下列數(shù)值:330～500 kV為0.6%，66～220 kV為0.8%，35 kV及以下為1.5%，要注意的是測量tan＆時要換算為同一溫度下才能互相比較。對tan＆進(jìn)行判定的基本方法除了與試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定值進(jìn)行比較外，還要進(jìn)行同一臺設(shè)備各相相互比較，與歷年試驗(yàn)結(jié)果比較，同型號的設(shè)備互相比較，視其變化來分析判斷。

1.4 局部放電試驗(yàn)

高壓電氣設(shè)備的內(nèi)部存在缺陷，如空泡、雜質(zhì)等。在強(qiáng)電場作用下，這些缺陷處有可能發(fā)生局部放電，同時有熱、聲、臭氧產(chǎn)生，腐蝕絕緣材料造成不可恢復(fù)的損傷，局部放電測量可查清局部放電的特征，定量測出其放電強(qiáng)度以便及早發(fā)現(xiàn)隱患。

近年來隨著電子計算機(jī)和電子技術(shù)的高速發(fā)展，超聲波檢測技術(shù)也取得了很大的成績，例如用脈沖電流法和超聲波檢測法定期地檢查變壓器有無異常。脈沖電流法的原理是:當(dāng)發(fā)生局部放電時，被試品兩端會出現(xiàn)一個幾乎是瞬時的電壓變化，在檢測回路中引起一高頻脈沖電流，將它變換成電壓脈沖后，就可以用示波器等測量其波形或幅值，由于其大小與視在放電量成正比，通過校準(zhǔn)就能得出視在放電量，此法靈敏度高、應(yīng)用廣泛。超聲波檢測法的原理是:當(dāng)絕緣介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電時，在放電處產(chǎn)生的超聲波向四周傳播，直達(dá)電氣設(shè)備外殼的表面，在設(shè)備外壁貼裝壓電元件，在超聲波的作用下，壓電元件的2個端面上會出現(xiàn)交變的束縛電荷，引起端部金屬電極上電荷的變化，或在外電路中引起交變電流，由此指示設(shè)備被內(nèi)部是否發(fā)生了局部放電。

絕緣中某些內(nèi)在的局部缺陷(特別是程度尚輕時)，用別的方法往往很難發(fā)現(xiàn)，而局部放電法卻能以非破壞的方式，很靈敏地指示出缺陷。經(jīng)多年的研究改進(jìn)，局部放電法已漸趨成熟，對某些高壓電氣設(shè)備(如變壓器、互感器、套管等)，國家標(biāo)準(zhǔn)已將其列入出廠試驗(yàn)和預(yù)防性試驗(yàn)項(xiàng)目，并取得顯著成效。

2 破壞性試驗(yàn)

破壞性試驗(yàn)(或稱耐壓試驗(yàn))是在非破壞性試驗(yàn)之后進(jìn)行。通過非破壞性試驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)絕緣有不正常的情況存在，需查明原因并消除后方可進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。常見的破壞性試驗(yàn)有交流耐壓試驗(yàn)和直流耐壓試驗(yàn)。

2.1 直流耐壓試驗(yàn)

直流高壓試驗(yàn)是考驗(yàn)電氣設(shè)備的電抗強(qiáng)度的，它能反映設(shè)備受潮、劣化和局部缺陷等多方面的問題，目前在發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、電纜、電容器的絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用。其測量方法是在升壓和耐壓過程中測量相應(yīng)的試驗(yàn)電壓下的泄漏電流，用于繪制電流-電壓曲線。一般均同時測量其泄漏電流，以便從泄漏電流隨所加電壓的變化規(guī)律中獲得對絕緣情況的某些預(yù)示。要求耐壓5 min時，泄漏電流值不應(yīng)大于1 min時的相應(yīng)值;同一試品三相泄漏電流的不平衡系數(shù)不應(yīng)大于2。

另外，直流耐壓試驗(yàn)電壓的選取也應(yīng)參照絕緣的工頻交流耐壓試驗(yàn)電壓和交直流擊穿強(qiáng)度之比，對發(fā)電機(jī)定子繞組，按2～2.5倍額定電壓，對于3、6、10 kV的電力電纜可取5～6倍額定電壓，對于20～35 kV的電纜取3倍的額定電壓，35 kV以上分別取2.6、2 倍的額定電壓［3］。

常見的測量方法有高電阻串聯(lián)微安表測量和電阻分壓器配和低壓儀表測量。直流耐壓試驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)設(shè)備輕小，對絕緣損傷較小的優(yōu)點(diǎn)，但由于交直流下絕緣內(nèi)部的電壓分布不同，不如交流耐壓試驗(yàn)接近實(shí)際。

2.2 交流耐壓試驗(yàn)

交流耐壓試驗(yàn)是考驗(yàn)被測試品承受各種過電壓能力的方法，能有效發(fā)現(xiàn)較危險的集中性缺陷，是鑒定電氣設(shè)備絕緣強(qiáng)度的最直接方法，對于判斷電氣設(shè)備能否投入運(yùn)行起到了決定性的作用［3］。交流耐壓試驗(yàn)應(yīng)該在被試品絕緣電阻及吸收比的測量、直流泄漏電流的測量，tan＆測量均符合要求后進(jìn)行，貿(mào)然試驗(yàn)可能造成設(shè)備擊穿。

交流耐壓試驗(yàn)電壓值的選擇也要合適，一般運(yùn)行中絕緣的變化耐壓試驗(yàn)電壓值比出廠電壓低，而且設(shè)備在不同的情況應(yīng)不同對待。例如在大修前發(fā)電機(jī)定子繞組的實(shí)驗(yàn)電壓常取1.3～1.5倍額定電壓，對于已經(jīng)運(yùn)行20年以上的發(fā)電機(jī)，由于絕絕緣較老，可取1.3倍額定電壓值，但對于與架空線路有直接連接的運(yùn)行20年以上的發(fā)電機(jī)，考慮到運(yùn)行中大氣過電壓侵襲的可能性較大，為了保證安全仍要求用1.5倍額定電壓來做耐壓試驗(yàn)［4］。

《規(guī)程》中規(guī)定被測試品施加工頻試驗(yàn)電壓交流持續(xù)時間為1 min，若試品不發(fā)生閃絡(luò)或擊穿現(xiàn)象，則認(rèn)為設(shè)備絕緣合格。一方面是為了便于全面觀察試品的情況，同時能使有缺陷的絕緣及時暴露出來;另一方面，時間不宜太長，以免引起絕緣損傷，使合格的絕緣造成熱擊穿。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明:凡能經(jīng)受住1 min工頻耐壓試驗(yàn)的電氣設(shè)備，一般都能保證安全運(yùn)行。

3 結(jié)語

各種絕緣特性試驗(yàn)的結(jié)果與絕緣的耐電強(qiáng)度之間尚未找到確切的函數(shù)關(guān)系，即不能直接得出設(shè)備絕緣的耐電強(qiáng)度，因而耐壓試驗(yàn)仍然是決定性和不可替代的，但耐壓試驗(yàn)只能在絕緣缺陷已發(fā)展到較嚴(yán)重的程度時，才能以擊穿破壞的形式揭示出來，且不能明顯地揭示絕緣缺陷的性質(zhì)和根源;而絕緣特性試驗(yàn)卻能在一定程度上，以非破壞的形式揭示絕緣缺陷的不同性質(zhì)及其發(fā)展程度，使工程人員能防患于未然。有些絕緣缺陷(如受潮、局部導(dǎo)電體或倒磁體過熱，某些零部件的絕緣損傷、絕緣油劣化)是可以通過非破壞性的絕緣特性試驗(yàn)檢查出來的，并可以通過適當(dāng)?shù)靥幚?如烘干、消除局部過熱因素、更換個別零部件、將絕緣油凈化或更新等)來改善，這樣就可以避免整體設(shè)備絕緣在工作中或耐壓試驗(yàn)時被擊穿。由此可見，上述2類試驗(yàn)互為補(bǔ)充，不能互相替代，應(yīng)先做絕緣特性試驗(yàn)，再確定耐壓試驗(yàn)的時間和條件。當(dāng)某一項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)異常時，一定要結(jié)合各種試驗(yàn)方法的有效性，以及設(shè)備運(yùn)行歷史情況，再將各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果聯(lián)系起來，才能做出比較準(zhǔn)確的判斷，合理地組織檢修，有效保證高壓電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］陳澤光.變壓器預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析判斷［J］.廣東輸電與變電技術(shù)，2004(1):33-36.

［2］周則存，沈其工.高電壓技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2011.

［3］余振杰.小議高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)與安全管理［J］.沿海企業(yè)與科技，2009(8):92-93.

［4］葉興珠.高壓電氣設(shè)備絕緣性能的判斷［J］.農(nóng)村電氣化，1999(8):32-33.

［5］田佳.試論高壓電氣設(shè)備絕緣性能的檢測技術(shù)［J］.機(jī)電信息，2013(3):79，81.

Determination of Insulation Performance for High Voltage Electrical Equipment

CAI Qin*
(Department of Electrical and Electronic Engineering，Chengdu Technological University，Chengdu 611730，China)

Through the test control of high voltage equipment insulation status，the internal insulation hidden defects can be discovered to avoid equipment breakdown in operation ，causing irreparable loss such as power outage or equipment damage.Combining the need of field test，the author analyzed the measurement of insulation resistance，absorption ratio，polarization index test and leakage current test，the dielectric loss angle tangent tan＆ measurement test，partial discharge test，dc withstand voltage test，the test principle of ac withstand voltage test，measurement method and how to determine the insulation performance，and associated test practice to accurately determine whether there is insulation defects of high voltage electrical equipment through a series of insulation tests.

high voltage electrical equipment;insulation characteristic test;pressure test;insulation defect

TM41

A

2095-5383(2014)02-0051-04

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.017

2013-12-06

蔡琴(1979-)，女(維吾爾族)，新疆石河子人，講師，碩士，研究方向:自動化、電氣工程，通信作者郵箱:746958942@qq.com。