絕緣測(cè)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(lái)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(guò)在電機(jī)繞組與大地之間施加測(cè)試直流電壓，通過(guò)儀表測(cè)量之間流過(guò)的電流來(lái)測(cè)量繞組的絕緣電阻。如下圖所展示的通過(guò)集總參數(shù)所表達(dá)的絕緣電阻測(cè)量的基本原理圖。

圖2-1在絕緣測(cè)試過(guò)程中呈現(xiàn)4個(gè)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(lái)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(cè)試的過(guò)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(gè)界面。根據(jù)圖2-1中所示的在施加直流測(cè)試電壓情況下電機(jī)繞組對(duì)大地出現(xiàn)了4類電流，其傳導(dǎo)過(guò)程原理上由所謂的界面極化機(jī)制所決定。我們將簡(jiǎn)單描述下這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程及各個(gè)電流的產(chǎn)生的基本原理。

首先，當(dāng)直流電場(chǎng)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(gè)介電常數(shù)不同的絕緣體上通過(guò)瞬態(tài)容性電流IC快速建立電壓，這個(gè)過(guò)程是非常短暫，其時(shí)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(duì)總電流IT的形狀不會(huì)產(chǎn)生影響，因而也不會(huì)影響到一分鐘后的絕緣測(cè)量。

接下來(lái)，由于構(gòu)成界面的兩個(gè)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(gè)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(gè)電荷累積過(guò)程直到由所俘獲電荷建立的反向電場(chǎng)等于相鄰兩絕緣介質(zhì)層中的電流時(shí)方能完結(jié)。

此時(shí)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(guò)程的時(shí)間常數(shù)，是在相鄰兩個(gè)絕緣介質(zhì)中獲得相等電流幅值的過(guò)程時(shí)間，其長(zhǎng)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(cè)量過(guò)程過(guò)渡過(guò)程完結(jié)，建立穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)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(shí)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(shí)間內(nèi)是恒定，其流過(guò)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(duì)較低的典型電流^[2]^

[2]：引用IEEE Std 43-2013

**2.2.2 **絕緣電阻測(cè)試的重要的兩個(gè)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(cè)試直流電壓，除以流過(guò)電機(jī)絕緣體的電流所得到的商，同時(shí)需要修正到40℃，并考慮測(cè)試電壓時(shí)刻為起點(diǎn)的時(shí)間間隔。

測(cè)試電壓作用時(shí)間一般為1min（IR 1 ）或10min（IR 10 ），但是也可采用其他的測(cè)量時(shí)間間隔。一般時(shí)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(shí)間相關(guān)的絕緣阻值變量。其定義為在t2時(shí)刻的絕緣阻值除以在t1時(shí)刻的絕緣阻值的商。若沒有指定t2與t1時(shí)刻，可認(rèn)為相應(yīng)為10min和1min。一般時(shí)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(cè)量的因素

****2.3.1 表面條件的影響

進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)測(cè)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(cè)量。繞組表面漏電流IL主要受到以下幾個(gè)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(duì)較大裸露爬電表面積，造成表面漏電流會(huì)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(huì)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(lái)的污染造成絕緣電阻或極化指數(shù)下降，可通過(guò)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(wú)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(duì)于熱態(tài)的電機(jī)，在進(jìn)行絕緣測(cè)試時(shí)，一般在繞組溫度下降到凝露點(diǎn)以下進(jìn)行測(cè)量。而對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間沒有運(yùn)行的設(shè)備（同時(shí)沒有投入空間加熱器等），需要對(duì)進(jìn)行干燥處理。當(dāng)前還沒有將在一定濕度環(huán)境下測(cè)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(huì)更加顯著。

****2.3.3 溫度的影響

對(duì)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(dòng)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(shí)刻下進(jìn)行絕緣測(cè)試時(shí)，將影響到總電流IT的電流分量——傳導(dǎo)電流I G ，所以測(cè)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(cè)量時(shí)，需要記錄當(dāng)前的環(huán)境溫度，并盡量保證與歷史測(cè)量記錄的環(huán)境條件一致，若無(wú)法保證，需要將對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度所測(cè)量的絕緣阻值統(tǒng)一歸算到一個(gè)溫度下以利于進(jìn)行對(duì)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(qǐng)參考圖1-3）

R T ：在溫度℃下測(cè)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(cè)試電壓幅值的影響

在表格2-1中列出了測(cè)試電壓的指導(dǎo)數(shù)值。

表格2-1

測(cè)試電壓幅值與絕緣電阻的關(guān)系：

• 理論上，在不超過(guò)額定電壓峰值的任意測(cè)試電壓作用下都應(yīng)獲得相同的絕緣阻值；
• 在實(shí)際情況中，隨著測(cè)試電壓等級(jí)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(shí)，在測(cè)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(wèn)題。這些問(wèn)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(cè)試電壓將給絕緣阻值帶來(lái)顯著的變化。

****2.3.5 剩余電荷對(duì)絕緣阻值測(cè)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(cè)量出現(xiàn)誤差。因而，在測(cè)量絕緣電阻之前，繞組必須完全放電。

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