電機(jī)絕緣測試一原理及影響因素

絕緣測量的基本原理

2.1

概述

旋轉(zhuǎn)電機(jī)的絕緣電阻是與使用絕緣材料的條件與類型，以及如何使用這些材料的工藝技術(shù)相關(guān)的。一般來講，絕緣電阻與絕緣厚度成正比，與導(dǎo)體表面面積成反比。

一般我們通過在電機(jī)繞組與大地之間施加測試直流電壓，通過儀表測量之間流過的電流來測量繞組的絕緣電阻。如下圖所展示的通過集總參數(shù)所表達(dá)的絕緣電阻測量的基本原理圖。

圖2-1在絕緣測試過程中呈現(xiàn)4個監(jiān)控電流的等效電路圖^[1]^

[1]：引用IEEE Std 43-2013

總電流表達(dá)為：

在接下來我們將介紹這幾類電流是如何產(chǎn)生的。

2.2

基本原理介紹

**2.2.1 **絕緣測試的過程中所產(chǎn)生的4類電流

定子繞組的絕緣系統(tǒng)包括了由多種不同材料（云母，玻璃，環(huán)氧或聚酯的聚合物基體）之間形成的多個界面。根據(jù)圖2-1中所示的在施加直流測試電壓情況下電機(jī)繞組對大地出現(xiàn)了4類電流，其傳導(dǎo)過程原理上由所謂的界面極化機(jī)制所決定。我們將簡單描述下這個動態(tài)過程及各個電流的產(chǎn)生的基本原理。

首先，當(dāng)直流電場突然施加于定子繞組的絕緣系統(tǒng)，在界面處的相鄰的兩個介電常數(shù)不同的絕緣體上通過瞬態(tài)容性電流IC快速建立電壓，這個過程是非常短暫，其時間常數(shù)等于繞組電容與儀表電阻的乘積，以指數(shù)關(guān)系衰減，所以幾乎對總電流IT的形狀不會產(chǎn)生影響，因而也不會影響到一分鐘后的絕緣測量。

接下來，由于構(gòu)成界面的兩個絕緣材料的電導(dǎo)率的不同，在上面所建立的電壓作用下形成幅值不同的電流。這兩個大小不同的電流將在界面處形成電荷累積或電荷俘獲，這個電荷累積過程直到由所俘獲電荷建立的反向電場等于相鄰兩絕緣介質(zhì)層中的電流時方能完結(jié)。

此時所形成的電流稱為吸收電流I A 。吸收電流產(chǎn)生到消失過程的時間常數(shù)，是在相鄰兩個絕緣介質(zhì)中獲得相等電流幅值的過程時間，其長短決定于形成界面的相鄰絕緣層的幾何尺寸，介電常數(shù)及傳導(dǎo)率。

隨測量過程過渡過程完結(jié)，建立穩(wěn)定狀態(tài)，此時總電流主要決定于漏電流（I L ）和傳導(dǎo)電流（I G ），即

其中：表面漏電流（I L ）：隨時間不變化的一類電流，一般存在于定子繞組中各匝端表面，或裸露導(dǎo)體之間及轉(zhuǎn)子絕緣繞組中。表面漏電流的幅值決定于溫度，導(dǎo)電材料的數(shù)量，以及絕緣表面上的潮濕或污染程度。

傳導(dǎo)電流（I G ）：在一定時間內(nèi)是恒定，其流過的路徑是從接地表面到（承受）高壓的導(dǎo)體之間的整體絕緣，決定于絕緣系統(tǒng)的類型。

圖2-2一類聚酯-云母絕緣系統(tǒng)中相對較低的典型電流^[2]^

[2]：引用IEEE Std 43-2013

**2.2.2 **絕緣電阻測試的重要的兩個概念定義

絕緣電阻（IRt）：反映了繞組阻止直流電流的電氣絕緣能力?？杀磉_(dá)為取負(fù)極性的測試直流電壓，除以流過電機(jī)絕緣體的電流所得到的商，同時需要修正到40℃，并考慮測試電壓時刻為起點(diǎn)的時間間隔。

測試電壓作用時間一般為1min（IR 1 ）或10min（IR 10 ），但是也可采用其他的測量時間間隔。一般時間單位原則：下標(biāo)從1到10，單位為分鐘；下標(biāo)為15或更大，其單位為秒。

極化指數(shù)（P.I. t1/t2 ）：描述與時間相關(guān)的絕緣阻值變量。其定義為在t2時刻的絕緣阻值除以在t1時刻的絕緣阻值的商。若沒有指定t2與t1時刻，可認(rèn)為相應(yīng)為10min和1min。一般時間單位原則：從1到10，單位為分鐘；15或更大數(shù)值，單位為秒（比如，P.I.10/15 指 IR 60s /IR 15s ）。

2.3

影響絕緣電阻測量的因素

****2.3.1 表面條件的影響

進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)測量，構(gòu)成總電流IT的重要電流分量——表面漏電流IL將極大的影響絕緣電阻的測量。繞組表面漏電流IL主要受到以下幾個因素的影響：

• 槽外側(cè)的繞組表面出現(xiàn)的油及碳粉；
• 在大型機(jī)組或直流電機(jī)中具有相對較大裸露爬電表面積，造成表面漏電流會非常高；
• 在繞組端部中采用了應(yīng)力可控半導(dǎo)體材料涂層，其包含雜質(zhì)，將導(dǎo)致表面漏電流增加；
• 絕緣表面中的粉塵（或鹽），在干燥情況下是非導(dǎo)電狀態(tài)，但當(dāng)暴露于潮濕或油環(huán)境中，將會部分轉(zhuǎn)換為導(dǎo)電狀態(tài)，因而，降低絕緣阻值。

所以，由于上述因素所帶來的污染造成絕緣電阻或極化指數(shù)下降，可通過繞組清潔或干燥方式恢復(fù)電機(jī)絕緣。

****2.3.2 潮濕影響

絕緣表面形成潮氣的因素：

• 由于繞組溫度低于環(huán)境的凝露點(diǎn)，而形成一層潮氣，與繞組表面是否清潔無關(guān)；
• 某些類型的繞組絕緣系統(tǒng)所采用的材料與結(jié)構(gòu)本身具有很強(qiáng)的吸濕性；

對于熱態(tài)的電機(jī)，在進(jìn)行絕緣測試時，一般在繞組溫度下降到凝露點(diǎn)以下進(jìn)行測量。而對于長時間沒有運(yùn)行的設(shè)備（同時沒有投入空間加熱器等），需要對進(jìn)行干燥處理。當(dāng)前還沒有將在一定濕度環(huán)境下測量的絕緣阻值轉(zhuǎn)換到不同濕度環(huán)境下的絕緣阻值的有效方法。需要注意的是，若繞組表面受到污染，或出現(xiàn)絕緣破損情況，潮氣影響將會更加顯著。

****2.3.3 溫度的影響

對于給定的絕緣系統(tǒng)，溫度的增加，將為絕緣材料中更多載流子提供的移動能量，導(dǎo)致絕緣材料中釋放更多流子，使絕緣材料電阻率降低。在某時刻下進(jìn)行絕緣測試時，將影響到總電流IT的電流分量——傳導(dǎo)電流I G ，所以測量的絕緣阻值與電機(jī)繞組溫度的關(guān)系是成反比例的。

基于此，在進(jìn)行絕緣測量時，需要記錄當(dāng)前的環(huán)境溫度，并盡量保證與歷史測量記錄的環(huán)境條件一致，若無法保證，需要將對應(yīng)環(huán)境溫度所測量的絕緣阻值統(tǒng)一歸算到一個溫度下以利于進(jìn)行對比，西門子推薦基準(zhǔn)溫度為25℃。修正公式如下：

其中：

R C ：修正到25℃的絕緣阻值（單位M Ω）

K T ：在溫度T℃下絕緣電阻溫度修正系數(shù)（請參考圖1-3）

R T ：在溫度℃下測量絕緣電阻

圖2-3環(huán)境轉(zhuǎn)換系數(shù)關(guān)系曲線

****2.3.4 測試電壓幅值的影響

在表格2-1中列出了測試電壓的指導(dǎo)數(shù)值。

表格2-1

測試電壓幅值與絕緣電阻的關(guān)系：

• 理論上，在不超過額定電壓峰值的任意測試電壓作用下都應(yīng)獲得相同的絕緣阻值；
• 在實際情況中，隨著測試電壓等級的增加，絕緣阻值將略微下降；
• 在良好絕緣情況下，并完全干燥狀態(tài)時，在測試電壓逐漸升高而絕緣阻值顯著的下降，很可能表示絕緣存在問題。這些問題很有可能是由于絕緣系統(tǒng)存在瑕疵或破損，也有可能是污染或潮氣的引起，或其他情況所導(dǎo)致的；
• 當(dāng)采用超出電機(jī)額定電壓以上的測試電壓將給絕緣阻值帶來顯著的變化。

****2.3.5 剩余電荷對絕緣阻值測量的影響

若在絕緣中存在剩余或未釋放的極化電荷，將導(dǎo)致絕緣電阻測量出現(xiàn)誤差。因而，在測量絕緣電阻之前，繞組必須完全放電。

同樣，在通過較高直流測試電壓進(jìn)行絕緣繞組測量之后，必須將繞組接地，其持續(xù)時間不應(yīng)低于繞組充電時間的4倍，一方面有利于安全，另一方面有利于接下來絕緣測試精度。