电气设备绝缘综合实验

1. 电气设备绝缘综合实验 赵子玉 2012年12月

2. 电气设备绝缘综合实验 • §1 固体绝缘体积电阻测量实验 • §2 固体绝缘击穿电压测量实验 • §3 外绝缘泄漏电流测量实验

3. 电气设备绝缘综合实验 • 高压电气设备的绝缘有内绝缘与外绝缘之分。内绝缘包括固体绝缘(例如电缆的XLPE绝缘)、液体绝缘(例如变压器油绝缘)、气体绝缘(例如组合电器的SF6绝缘)、真空绝缘(例如真空断路器灭弧室内的绝缘)。外绝缘包括变电站支柱绝缘子外绝缘、变电站各种套管外绝缘、输电线路悬式绝缘子外绝缘等。

4. 电气设备绝缘综合实验 • 本次实验我们主要进行内绝缘中固体绝缘的绝缘电阻和击穿电压测量实验，外绝缘中悬式和支柱绝缘子的泄漏电流测量实验。 • 绝缘电阻测量采用兆欧表(手摇表)和电子式兆欧表，试品是电缆。击穿电压测量采用球电极，试品是绝缘薄膜。泄漏电流测量采用示波器和无线通信方式。试品是悬式和支柱绝缘子 • 下面分别对§1、§2、§3的理论和实验部分进行介绍：

5. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 1.1 绝缘电阻及吸收现象 绝缘电阻与电阻率定义: 绝缘电阻：施加于绝缘体上两导体之间的直流电压U与流过绝缘体的泄漏电流I（稳态）之比，即： R=U/I 式中：R——绝缘电阻（Ω） U——直流电压（V） I——泄漏电流（A）；

6. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 绝缘电阻R为体积电阻Rv和表面电阻Rs的并联

7. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 体积电阻Rv为施加于绝缘体上两导体之间的直流电压U与流过绝缘体内部的泄漏电流Iv之比，即

8. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 体积电阻率为施加于绝缘体上两导体之间的直流电场强度与流过绝缘体内部的泄漏电流密度之比，即 h ——绝缘体厚度(m) A ——电极面积(m2) Ev——绝缘体内电场强度(V/m) Jv——绝缘体内电流密度(A/m2) ——体积电阻率(Ω·m)

9. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 表面电阻Rs为施加于绝缘体上两导体之间的直流电压U与流过绝缘体表面的泄漏电流Is之比，即： 其中 d —— 导体间距离(m); l—— 导体的长度(m); Es —— 表面电场强度(V/m); a —— 电流线密度(A/m); —— 表面电阻率(Ω)

10. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 测量绝缘电阻可采用二电极和三电极两种电极系统。二电极：无法将体积电流和表面电流分开；三电极：可分别测量体积电阻和表面电阻。

11. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 表面电阻受环境影响很大，例如表面脏污、受潮等,体积电阻可表征固体绝缘的性能。我们测量绝缘电阻时使用三电极系统，或使用两测量电极外加一屏蔽电极，通过将屏蔽电极直接接地的方式可以将表面电流短路掉，这样就实现了只测量体积电阻。

12. R t R t §1 绝缘电阻测量理论部分 • 绝缘材料并不是完全不导电，只是导电性能很差而已。绝缘材料、半导体及导体的导电能力都可以用材料的电导率或者电阻率来衡量。表1-1列出了绝缘材料、半导体与金属导体电阻率的区别。 表1-1 材料

13. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 比较表1-1中的导体电阻与温度的关系及绝缘材料电阻与温度的关系可以看出，绝缘材料的电阻随温度升高而快速下降，但是导体的电阻随温度升高而线性增大。如果给绝缘材料加直流电压，试验接线如图1-1，从微安表的读数即可知道绝缘材料中流过的电流。

14. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 在刚加上直流电压的瞬间，泄漏电流 i比较大，随着加压时间的增长，泄漏电流 i迅速衰减。一般情况下，当加压时间达1min 以上时，电流 i不再随时间而变化，趋于一个稳定不变的数值。 硅堆 限流电阻 试品 图1-1 绝缘材料的吸收现象的试验接线

15. i 2 1 ig 0 15 60 t(s) §1 绝缘电阻测量理论部分 • 泄漏电流 i 随时间的变化如图1-2 所示，在直流电压下，绝缘中泄漏电流随时间而变化的这种现象，称为绝缘介质的吸收现象。因此这条电流曲线,即绝缘材料中的电流随时间变化的曲线就叫吸收曲线。 图1-2 电介质的吸收现象－吸收曲线 (1)干燥绝缘材料的吸收曲线 (2)受潮绝缘材料的吸收曲线

16. i ia ig ic §1 绝缘电阻测量理论部分 • 如果是给导体加上直流电压,那么导体中流过的是不随时间发生变化的电流，这和绝缘材料中的电流大不相同。这是因为绝缘材料中存在有有损极化和无损极化，而且绝缘材料还有一定的导电能力，直观反映出来，就是绝缘材料可以用图1-3所示的等值电路来表示。 图1-3 绝缘材料的等值电路

17. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 流过这三条支路的总电流就是流过绝缘材料的总电流。 i = ig+ ia+ ic 其中，ig：电导电流；ia：吸收电流；ic：电容电流 • 绝缘电阻Rf： 绝缘电阻是指对绝缘施加一定的直流电压时，绝缘中流过泄漏电流ig，应用欧姆定律确定的比值 Rf= U_ / ig 上式中，Rf——绝缘电阻，MΩ U_——直流电压，kV； ig——泄漏电流， μA

18. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 图1-2中，不再随时间而变化的稳定电流即电导电流ig称为泄漏电流，相应于这个电流下绝缘体的电阻称为绝缘电阻。当电气设备的绝缘为干燥状态时，泄漏电流很小，绝缘电阻很高。如果绝缘受潮或者脏污，由于潮气和污秽导电率较高，绝缘的泄漏电流增大，绝缘电阻减小，如图1-2 的曲线2 所示。测量泄漏电流所需要的时间很长，因此工程上定义以加压1分钟时流过介质的电流为泄漏电流，这样换算出的电阻值为绝缘电阻。

19. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 吸收比k： k =R60s / R15s = I60s /I15s 其中， k——吸收比，指在同一次试验中，1min 时的绝缘电阻值与15s 时的绝缘电阻值之比； I15s、R15s——分别为加压15s 时的电流和相应的绝缘电阻值； I60s、R60s ——分别为加压60s 的电流和相应的绝缘电阻值；

20. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 绝缘电阻常用兆欧表直接测量，即加压1min时的测得值定义为绝缘电阻。如果绝缘材料受潮，它的电阻就会减小，流过绝缘材料的电导电流就会增大，那么吸收比 k就会下降。k值愈大，电气设备绝缘的耐电性能愈好；k值减小表明设备的绝缘可能受潮或存在裂纹等缺陷；受潮很严重时，吸收比k可能接近1。一般地 k>1.3表明介质没有受潮；否则介质就受潮了。

21. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 如果介质的电容量很大，那么在15秒与60秒的时间内电流下降得还很少，要等更长的时间才能看出电流的衰减，所以对于介质电容量大的试品就要用极化指数PI来表示介质是否受潮， PI是指在同一次试验中，10min时的绝缘电阻值与1min时的绝缘电阻值之比。

22. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 如果介质的电容量很大，那么在15秒与60秒的时间内电流下降得还很少，要等更长的时间才能看出电流的衰减，所以对于介质电容量大的试品就要用极化指数PI来表示介质是否受潮， PI是指在同一次试验中，10min时的绝缘电阻值与1min时的绝缘电阻值之比。

23. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 极化指数PI： PI =R10min / R1min = I10min /I1min PI——极化指数，指在同一次试验中，10min时的绝缘电阻值与1min时的绝缘电阻值之比； I1min、R1min——分别为加压1min时的电流和相应的绝缘电阻值； I10min、R10min——分别为加压10min的电流和相应的绝缘电阻值；

24. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 1.2 测量绝缘电阻和吸收比的意义 • 在研究、设计、生产制造过程中，对高压电气设备 (如：电缆、电机、变压器、开关、互感器、避雷器、套管、绝缘子等) 的绝缘材料、半成品和成品的绝缘电阻进行测试，以判断产品是否合格。

25. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 在安装、调试、运行过程中，对高压电气设备的绝缘状态进行测试和在线监测，以判断设备的状态是否满足要求及其可靠性等。 • 测量绝缘材料的绝缘电阻还可以研究其与材料组份、微观结构的关系。

26. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 测量电气设备的绝缘电阻，是检查其绝缘状态最简便的辅助办法，在现场通常采用兆欧表或电子式兆欧表测量绝缘电阻和吸收比。由试验所测得的绝缘电阻，能判断电气设备中影响绝缘的异物、绝缘局部或整体受潮、绝缘脏污、绝缘油严重劣化、绝缘严重老化和绝缘击穿等缺陷。因此，测量绝缘电阻和吸收比，是电气检修、运行和试验人员都必须掌握的基本试验。

27. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 用手摇兆欧表测量试品绝缘电阻时，从摇动手柄即兆欧表直流电压加到绝缘上那一瞬间算起，记下第15s和第60s时的绝缘电阻值，就是R15s和R60s。实际上，电气设备的绝缘电阻不仅与绝缘材料的电阻率ρ有关，而且还与绝缘的几何尺寸有关。因此，对发电机、变压器等电气设备，一般不是以绝缘电阻的绝对值来判断绝缘状况，而是测量吸收比和极化指数，这样更能准确地判断绝缘是否存在整体受潮或贯穿性缺陷。

28. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 构成电气设备的电工材料有导电体、半导电体、绝缘体和磁性材料等几大类。绝缘体的作用是隔电，包括相线之间的绝缘(相间绝缘)和相对地之间的绝缘(对地绝缘)，在正常情况下，电气设备的绝缘是不导电的，也就是说，绝缘电阻很高。因此，对于任何一种电气设备，保证它的相间和对地绝缘具有足够高的绝缘电阻是电气设备安全运行的重要指标之一。

29. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 但是、电气设备在长期运行中，不但要受到内部电的、热的和机械力的作用，还要受到外部大气的(雨、雾、雷电等)环境的(污秽等)和外力的作用，从而可能造成电气设备绝缘的老化、内部产生缺陷，使绝缘的耐电强度降低，最终导致绝缘的完全破坏。因此，在电气设备的绝缘试验中，测量绝缘电阻是一个必不可少的试验项目。

30. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 通过对电气设备的绝缘电阻和吸收比测量，可以有效地反映出设备的整体绝缘缺陷。但是在某些情况下，绝缘虽然存在某种类型的局部缺陷，但相间绝缘和相对地绝缘仍保持良好，绝缘电阻下降很少、甚至没有变化，只通过测量绝缘电阻和吸收比已不能发现和诊断绝缘的局部缺陷，因而就需要采用其他的试验项目（如局部放电）来检测这种类型的局部绝缘缺陷。

31. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 1.3 测量绝缘电阻的仪表 • 兆欧表是用来测量绝缘电阻的专用仪表。兆欧表主要是测量被试绝缘体在直流高压下的泄漏电流值(微安级)，而在表盘上反映出来的却是兆欧值，所以也俗称兆欧表。

32. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 兆欧表按其产生的电压可分为100、250、500、1000、2500、5000V 六种规格，常用的兆欧表有测量电工产品绝缘电阻的1000V ZC36型高绝缘电阻测量仪、测量电气设备绝缘电阻的2500V手摇式兆欧表。这里以手摇兆欧表(俗称摇表)为例，介绍兆欧表的工作原理。

33. §1 绝缘电阻测量理论部分 • （1） 兆欧表工作原理 • 兆欧表的原理接线见图1-4。它由直流手摇发电机G和流比计C构成。流比计中有一个电压线圈LV和一个电流线圈LA，两个线圈都是可动的，它们互相垂直而绕向相反，并固定在一起，放在不均匀的磁场中(永久磁铁中有一个开口圆柱铁芯)。因此，线圈所受的力既与通过线圈的电流大小有关，还与线圈处在磁场中的位置有关。

34. §1 绝缘电阻测量理论部分 RV E G C + LA TE L _ LV RA 图1-4 兆欧表的原理接线

35. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 在图1-4中，电压线圈LV接在手摇发电机的两端，而电流线圈接到线端L 和地端E，当L、E两端接有被测量的绝缘体时，流过绝缘体电阻的电流也就是流过电流线圈的电流。此时， LV、LA两个线圈中通过电流，在不均匀磁场中，受到方向相反的两个力矩的作用，这个力矩差使线圈带着指针转动，转到力矩平衡为止。因此，指针的偏转角的大小，直接反映了被测绝缘体的绝缘电阻的大小。

36. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 当L端、E端两个接线柱之间开路时，如果摇动兆欧表的手柄，发电机虽然电压有输出，即电压线圈LV中有电流通过，但因电流回路在L、E端断开，所以电流线圈LA中是没有电流流过的。此时，力矩差作用的结果，使指针逆时针方向偏转到最大位置“∞”，表示L、E端之间的电阻为无穷大(∞)。

37. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 如果将L端和E端短接起来，LV和L A两个线圈中都会有电流通过，流过LA电流线圈中的电流达到最大值(因为外电路被短接，电流回路中总电阻最小，只有本身的电阻RA)，指针顺时针方向偏转到最大位置“0”，表示L、E端之间的电阻为零。

38. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 当L、E两端之间接上被测绝缘体时，电阻值RX可能为0～∞间任何数值。RX愈小，流经电流线圈LA的电流愈大，指针愈向顺时针方向偏转；反之，RX愈大，电流线圈LA中电流愈小，指针愈向逆时针方向偏转。因此，兆欧表指针偏转所指示的位置也就反映了被测绝缘电阻RX的大小，从刻度盘上能直接读出绝缘电阻值。兆欧表不用时，指针可能停留在任意位置上，但这并不是反映RX的大小。

39. §1 绝缘电阻测量理论部分 • （2） 兆欧表的正确使用 • 1) 兆欧表的测量方法。 使用兆欧表前，应先对兆欧表本身进行检查。首先，在L、E 两端开路状态下，摇动手柄，使手摇发电机达到额定转速(一般为120r/min 左右)，此时指针应指到“∞”处。然后，将L、E两端用导线短接，轻轻摇动手柄(注意转速应当很慢)，指针应迅速摆到“0”位置。这时，说明兆欧表本身正常，可以使用。

40. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 接着，检查兆欧表的接线端钮是否完好，测量用引线绝缘是否正常，特别是L端测量线(火线)一定要对大地有良好的绝缘。然后，将两根测量引线分别牢固地接到兆欧表的L端钮和E端钮的接线柱上，将E端引线的另一头接在被测绝缘体的接地端(地线、接地的外壳等)，L 端引线的另一头一般为带有绝缘的探头，将其悬空或握在手上(注意安全！)

41. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 准备好后，即可摇动手柄，迅速从静止状态加速到兆欧表的额定转速，立即将L端的测量引线探头碰接到检测绝缘体的非接地端，从兆欧表的指针偏转位置，读出所测绝缘电阻数值。在测量读数时间内，应不停地摇动手柄，且保持恒定的额定转速。读好数，应先将L的测试探头从被测绝缘体上挪开，方能停止摇动手柄，否则，可能由于检测物对兆欧表的反充电而损坏兆欧表。

42. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 2) 兆欧表的选用 • 兆欧表的电源是一个手摇发电机，它的容量不大，输出电压却很高。由于测量电气设备的绝缘电阻时，事前应根据被测设备的耐压标准，选择适当电压的兆欧表，不要过高，也不要过低。电压太高，容易击穿被试物；电压过低，会使测量结果不准确。

43. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 一般来说，测量1kV 以下电气设备或低压二次回路绝缘电阻时可用1000V及以下兆欧表；测量1kV 以上电气设备绝缘电阻时，常用2500V兆欧表，超高压输变电设备用5000V兆欧表。

44. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 3) 屏蔽的采用 • 图1-4中示出的兆欧表输入端有三个端钮，一般在测量绝缘电阻时，被测绝缘体接在线端L和地端E之间，屏蔽端钮TE是当被测绝缘物表面泄漏电流严重时使用，即将TE端与被测物上的保护环(屏蔽)或其他不需测量的部分相连接。尤其在测量电缆绝缘电阻时，如果不接入屏蔽端TE，则被测电缆芯线表面的泄漏电流将流过兆欧表的电流线圈，使测量结果有很大的误差。

45. 绝缘 电缆外皮 屏蔽 芯线 E TE L 兆 欧 表 §1 绝缘电阻测量理论部分 • 正确的测量电缆的绝缘电阻的测法如图1-5所示。 图1-5 兆欧表屏蔽端子的接法

46. §1 绝缘电阻测量理论部分 • 4) 尽量避免造成测量误差 • 除了合理选用兆欧表的电压、采用屏蔽端接线防止测量误差外，在测量之前，应将被试电气设备表面擦拭清理干净，防止因表面脏污而增大泄漏电流；线端L和地端E的测量连接引线不要采用双股线，以免影响测量结果。测试时，摇动手柄速度应均匀，每分钟120转。不要使发电机输出电压过低，否则导致所测绝缘电阻偏高。

47. 实验1 绝缘电阻、吸收比的测量 • 一、实验目的 • (1) 熟悉绝缘摇表的原理和使用方法。 • (2) 掌握绝缘电阻测量和吸收比测量的接线和试验中要注意的事项。

48. 实验1 绝缘电阻、吸收比的测量 • 二、基本原理 • 绝缘电阻和吸收比的测量是一项最常用、最简便的试验。测量绝缘电阻和吸收比通常使用手摇兆欧表（或电子式兆欧表）进行，1000伏以上的电气设备应用2500伏摇表。

49. 实验1 绝缘电阻、吸收比的测量 • 一般为了检查高压试验中暴露的绝缘缺陷，在耐压试验前后，都需测量绝缘电阻。为了避免损坏兆欧表，若被测试品的电容较大，在摇测时应注意电容电流对摇表的反充电，故摇表摇的转速应均匀。

50. 实验1 绝缘电阻、吸收比的测量 • 电气设备的绝缘电阻，一般规定以加压60秒钟后的数值作为被试验设备的绝缘电阻值。当被试绝缘中存在着贯穿的集中性缺陷时，反映电导电流的绝缘电阻往往明显下降，于是用兆欧表测量绝缘电阻时，便可以很好地发现这种贯穿性绝缘缺陷。