电气设备绝缘预防性试验

电气设备在制造、运输和检修过程中,由于材料质量、制造和维修工艺问题或发生意外碰撞等原因,会造成绝缘缺陷。 正常运行的电气设备,受额定电压的长期作用和各种过电压(如工频过电压、雷电过电压、操作过电压)的作用,其绝缘材料会发生击穿或绝缘性能降低的现象。 另外,导体的发热、机械力损伤、化学腐蚀作用、受潮或在运输及检修中的意外碰撞等,也都有可能使绝缘性能劣化,造成电气设备故障。 因此,为了提高电气设备运行的可靠性,必须定期对设备绝缘进行预防性试验,以检测其电气性能、物理性能和化学性能,对其绝缘状况作出评价。

绝缘预防性试验指按规定的试验条件、试验项目和试验周期对电气设备进行的试验。 其目的是通过试验,掌握设备的绝缘强度情况,及早发现电气设备内部隐蔽的缺陷,以便采取措施加以处理,保证设备正常运行,避免造成停电或设备损坏事故。 电气设备的绝缘预防性试验包括以下内容:

(1）绝缘电阻和吸收比测量

电气设备的绝缘电阻反映了设备的绝缘情况,其值的大小是对试品施加一定数值的直流电压1 min 时测得的电阻值。

由于电气设备的绝缘常常是由多种材料组成,即使是同一介质制成的绝缘,也会在制造和运行中发生电性能的变化,因而介质均是不均匀的。 不均匀介质在直流电压的作用下,其中流过的电流会逐渐下降,经过1 min 左右才趋于稳定,电流的这种变化会使绝缘电阻值产生变化。 通常当绝缘受潮或有缺陷时,电流的变化会减小。 因此,采用测量第15 s 和第60 s 的绝缘电阻值R15和R60,求出比值。 R60/R15,反映绝缘是否受潮或有绝缘缺陷,这个比值称为吸收比。 一般绝缘干燥时,吸收比不小于1.3。

试验步骤如下:

1)放电

试验前,先断开试品的电源,拆除一切对外连线,将试品短接后接地放电1 min。 对于电容量较大的试品(如变压器、电容器、电缆等)至少放电2 min,以免触电。

放电时,应使用绝缘工具(如绝缘手套、棒、钳等),先将接地线的接地端接地,然后再将另一端挂到试品上,不得用手直接触及放电的导体。

2)清洁试品表面

用干燥清洁的软布或棉纱擦净试品表面,以消除表面杂质对试验结果的影响。

3)校验兆欧表

将兆欧表水平放置,摇动手柄至额定转速(120 r/min),指针应指“∞”;然后再用导线短接兆欧表“线路”(L)端和“接地”(E)端,并轻轻摇动手柄,指针应指“0”,这样则认为兆欧表正常。

4)正确接线

兆欧表的E 端接试品的接地端、外壳或法兰处,L 端接试品的被测部分(如绕组、铁芯柱等),注意E 端与L 端的两引线不得缠绕在一起。 如果试品表面潮湿或脏污,应装上屏蔽环,即用软裸线在试品表面缠绕几圈,再用绝缘导线引接于兆欧表的“屏蔽”(G)端。

5)测量

以恒定转速转动手柄,兆欧表指针逐渐上升,待1 min 后读取其绝缘电阻值。 如测量吸收比,则在兆欧表达到额定转速时(即在试品上加上全部试验电压),分别读取15 s 和60 s 的读数。 应将试品名称、规范、装设地点及气象条件等记录下来。 试验完毕或重复进行试验时,必须将试品对地充分放电。

6)实验结果判断

测得的绝缘电阻值大于电气设备的绝缘电阻允许值时,说明绝缘状况符合要求。 也可将测得结果与有关数据进行比较,如与同一设备的各相间数据、同类设备间的数据、出厂试验数据、耐压前后数据等比较。 如发现异常,应立即查明原因或辅以其他测试结果进行综合分析判断。

(2）电介质损失的测量

电介质损耗的大小是衡量绝缘性能的一项重要指标。 电场中电介质在单位时间消耗的电能称为介质损失。 电介质就是绝缘材料在电场作用下,电介质有一部分电能不可逆转地转变为热能,如果介质损耗过大,绝缘材料的温度会升高,促使材料发生老化、变脆和分解,甚至使绝缘材料熔化、烧焦、丧失绝缘能力,导致热击穿的后果。 介质损失的大小可以用功率因数角ψ 反映,为了使用方便,工程上常用ψ 的余角δ 的正切tan δ 来反映电介质的品质,即

式中　C——电容值,F;

R——电阻值,Ω。

当电介质、外加电压及频率一定时,介质损耗与tan δ 成正比。 通过测量tan δ 的大小,可以判断绝缘的优劣情况。 对于绝缘良好的电气设备,tan δ 值一般都很小;当绝缘受潮、劣化或含有杂质时,tan δ 值将显著增大。

图8.10　西林电桥原理图

tan δ 值测试可用高压西林电桥和2 500 V 介质损失角试验器等设备,测量的方法一般采用平衡电桥法、不平衡电桥法、低功率表法。 下面介绍平衡电桥法。

平衡电桥法又称西林电桥法,所用设备为高压西林电桥,它是一种平衡交流电桥,具有灵敏、准确等优点,应用较为普遍。 其接线原理如图8.10 所示,图中Cx、Rx 是试品并联等值电容及电阻,CN 是标准空气电容器,R3 是可调无感电阻箱,R4 是可调电容箱,也是无感电阻,G 是检流计。

根据交流电桥平衡原理,当检流计G 的指示数为零时,电桥平衡。

为了保证tan δ 测量结果的准确性,应尽量远离干扰源(如电场及磁场),或者加电场屏蔽。 测量结果可与被试设备历次测量结果相比较,也可与同类型设备测量结果相比较。 若比值悬殊,tan δ 值明显地升高,则说明绝缘可能有缺陷。

判断设备的绝缘情况,必须将各项试验结果结合起来,进行系统而全面的分析、比较,并结合设备的历史情况,对被试设备的绝缘状态和缺陷性质作出科学结论。 例如,当用兆欧表和西林电桥分别对变压器绝缘进行测量时,若绝缘电阻和吸收比较低,tan δ 值也可能不高,则往往表示绝缘中有局部缺陷;若tan δ 值很高,则往往说明绝缘整体受潮。

(3）直流耐压和泄漏电流的测量

直流耐压试验是耐压试验的一种,其试验电压往往高于设备正常工作电压的几倍,这种试验既能考验绝缘的耐压能力,又能揭露危险性较大的集中性缺陷。

进行直流耐压试验的时间一般大于1 min,所加试验电压值通常应参考该绝缘的交流耐压试验电压值,根据运行经验确定。 例如,对电动机,通常取2 ～2.5 Ue;对电力电缆,额定电压在10 kV 及以下时常取5 ～6 Ue,额定电压升高时,倍数逐渐下降。

直流耐压试验和泄漏电流试验的原理、接线及方法完全相同,只是直流耐压试验电压较高。 因此,在进行直流耐压试验时,一般都兼作泄漏电流测量。

泄漏电流试验与绝缘电阻试验的原理相同,当直流电压加于被试设备时,即在不均匀介质中出现可变电流,此电流随时间增长而逐渐减小,在加压一定时间后(1 min)趋于稳定,此电流即为泄漏电流,其大小与绝缘电阻成反比,兆欧表就是根据这个原理将泄漏电流换算为绝缘电阻反映在刻度盘上。

泄漏电流试验与绝缘电阻测量相比具有以下特点:

①试验电压比兆欧表的额定电压高很多,容易使绝缘本身的弱点暴露出来。(www.xing528.com)

②用微安表监视泄漏电流的大小,方法灵活、灵敏,测量重复性较好。 测量泄漏电流的接线多采用半波整流电路,其接线如图8.11 所示。

图8.11 中微安表有两个不同的位置,微安表Ⅰ处于高电位,微安表Ⅱ处于低电位。 微安表处于高电位的接法适用于试品的接地端不能对地隔离的情况,此时将微安表放在屏蔽架上,并通过屏蔽与试品的屏蔽环相连,故测出的泄漏电流值准确,不受杂散电流的影响。 这种方法存在的问题是试验中改变微安表的量程时,要使用绝缘棒,操作不便且微安表距人较远,读数不易看清。 微安表处于低电位的接线,可以克服处于高电位时的缺点,在现场试验时采用较多,但此接线法不能消除试品绝缘表面的泄漏电源和高压导线对地的电晕电流对测量结果的影响。

图8.11　泄漏电流实验原理接线图

TA—自耦变压器;TU—升压变压器;VD—高压硅堆;R—保护电阻;C—稳压电容器;Cx—被试品

直流耐压试验所必需的直流高压,是由自耦变压器及升压变压器产生的交流高压经整流装置整流获得的。 整流装置包括高压整流硅堆和稳压电容器,高压硅堆具有良好的单向导电性,可将交流变为直流。 稳压电容器的作用是使整流电压波形平稳,减小电压脉冲。 其电容值越大,加在试品上的直流电压就越平稳,因此,稳压电容应有足够大的数值。 一般在现场常取的电容最小值为:当试验电压为3 ～10 kV 时,取0.06 pF;当试验电压为15 ～20 kV 时,取0.015 pF;当试验电压为30 kV 时,取0.01 μF。 对于大型发电机、变压器及电力电缆等大容量试品,因其本身电容较大,可省去稳压电容。

该试验过程要注意以下三点:

①按接线图接好线后,应由专人认真检查,确认无误后方可通电及升压。 在升压过程中,应密切监视试品、试验回路及有关计量仪,分阶段读取泄漏电流值。

②在试验过程中,若出现闪络、击穿等异常现象,应马上降压,断开电源后查明原因。

③在试验完毕、降压以及断开电源后,均应将试品对地充分放电。

对实验所得测量结果要进行分析,可以换算到同一温度下与历次试验结果,与规定值相比较,也可在同一设备各相之间相互比较。 例如,对某台220 kV 少油断路器,用兆欧表测得各相的绝缘电阻均在10 000 MΩ 以上,当进行40 kV 直流泄漏电流测量时,其中A、B 两相为5 μA,C 相为70 μA,三相电流显著不对称,检查C 相,发现该相支持瓷套管有裂纹。

(4）交流工频耐压试验

交流工频耐压试验与直流耐压试验一样,均在设备上施加比正常工作电压高得多的电压,它是考验设备绝缘水平和确定设备能否继续参加运行的可靠手段。 GB 311.1—1997《高压输变电设备的绝缘配合》规定了各种电压等级设备的试验电压值,在现场可根据试验规程的要求选用。 通常考虑到运行中绝缘的变化,试验电压值应取得比出厂试验电压低一些。 常见的试验接线方法如图8.12 所示。

图8.12　交流工频耐压试验原理接线图

交流高压电源由交流电源调压器及高压试验变压器组成。 试验时,应根据被试设备的电容量和最高电压选择试验变压器。 具体步骤如下:

1)电压

试验变压器的高压侧额定电压Ue 应大于试品的试验电压Us,而低压侧额定电压应能与现场的电源电压及调压器相匹配。

2)电流

试验变压器的额定输出电流Ie 应大于试品所需的电流Is,且Is 可按试品电容估算,即

3)容量

根据试验变压器输出的试验电流及额定电压,即可确定变压器的容量。 例如,对10 kV高压套管进行交流耐压试验,根据试验电压标准,试验电压为46 kV,因此,可选用额定电压为50 kV 的试验变压器。 用西林电桥测得套管对地电容值为0.04 μF,则试验变压器的容量为

根据JB 3570—1984 规定,可选取YD5/50 型高压试验变压器。 若在试验中试品突然发生击穿或沿面击穿,回路中的电流会在瞬间剧增,其产生的过电压将威胁变压器的绝缘,因此,在变压器高压侧出线端串联的限流电阻用于限制过电流和过电压。 一般限流电阻选择0.1 Ω/V,试验中常用玻璃管装水做成水电阻,水电阻最好采用碳酸钠加水配成,而不宜用食盐,因为食盐的化学成分是氯化钠,导电时会分解出一部分氯气,对人体有害,而且设备也容易被腐蚀。

常用的调压器有自耦变压器和移卷变压器。 调压器的作用是将电压从零到最大值进行平滑的调节,保证电压波形不发生畸变,以满足试验所需的任意电压。

对于大电容量的电气设备(如发电机、电容器、电力电缆等),当试验电压很高时,所需高压试验变压器的容量很大,给试验造成困难,故一般不进行交流工频耐压试验,而进行直流耐压试验。

试验中要注意以下六点:

①试验前应将试品的绝缘表面擦拭干净。

②要合理布置试验器具,接线高压部分对地应有足够的安全距离,非被试部分一律可靠接地。

③试验时,调压器应置零位,然后迅速均匀地升高电压至额定试验电压,时间为10 ～15 s。当耐压时间一到,应速将电压降至输出电压的1/4 以下,然后切断电源,切勿在试验电压下切断电源,否则可能产生使试品放电或击穿的操作过电压。

④试验过程中,若发现电压表摆动,毫安表指示急剧增加、绝缘烧焦或冒烟等异常现象,应立即降下电压、断开电源、挂接地线,查明原因。

⑤试验前后,应用兆欧表测量试品的绝缘电阻和吸收比,检查试品的绝缘情况,前后两次测量结果不应有明显的差别。

⑥试验过程中,若由于空气的湿度、设备表面脏污等引起试品表面滑闪放电或空气击穿,不应认为不合格,应经处理后再试验。

4)交流耐压试验结果的判断

①在交流耐压持续时间内,试品不发生击穿为合格;反之,为不合格。 试品是否击穿,可按下述情况分析:

a.根据仪表的指示分析。 若电流表指示突然上升,则表明试品击穿;当采用高压侧直接测量时,若电压表指示突然下降,也说明试品已被击穿。

b.根据试品状况进行分析。 在试验中,试品出现冒烟、闪络、燃烧等现象,或发出断续的放电声,可认为试品绝缘有问题或已被击穿。

②交流耐压试验结果必须与其他试验项目所得的结果进行综合分析判断,以确定设备的绝缘情况。