絕緣測量的基本原理

2.1

概述

旋轉電機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相關的。一般來講，絕緣電阻與絕緣厚度成正比，與導體表面面積成反比。

一般我們通過在電機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所表達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4個監控電流的等效電路圖^[1]^

[1]：引用IEEE Std 43-2013

總電流表達為：

在接下來我們將介紹這幾類電流是如何產生的。

2.2

基本原理介紹

**2.2.1 **絕緣測試的過程中所產生的4類電流

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

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

接下來，由于構成界面的兩個絕緣材料的電導率的不同，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層中的電流時方能完結。

此時所形成的電流稱為吸收電流I A 。吸收電流產生到消失過程的時間常數，是在相鄰兩個絕緣介質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，介電常數及傳導率。

隨測量過程過渡過程完結，建立穩定狀態，此時總電流主要決定于漏電流（I L ）和傳導電流（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，或裸露導體之間及轉子絕緣繞組中。表面漏電流的幅值決定于溫度，導電材料的數量，以及絕緣表面上的潮濕或污染程度。

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

圖2-2一類聚酯-云母絕緣系統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。可表達為取負極性的測試直流電壓，除以流過電機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：下標從1到10，單位為分鐘；下標為15或更大，其單位為秒。

極化指數（P.I. t1/t2 ）：描述與時間相關的絕緣阻值變量。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，可認為相應為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

進入到穩態測量，構成總電流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：

• 槽外側的繞組表面出現的油及碳粉；
• 在大型機組或直流電機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力可控半導體材料涂層，其包含雜質，將導致表面漏電流增加；
• 絕緣表面中的粉塵（或鹽），在干燥情況下是非導電狀態，但當暴露于潮濕或油環境中，將會部分轉換為導電狀態，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下降，可通過繞組清潔或干燥方式恢復電機絕緣。

****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境的凝露點，而形成一層潮氣，與繞組表面是否清潔無關；
• 某些類型的繞組絕緣系統所采用的材料與結構本身具有很強的吸濕性；

對于熱態的電機，在進行絕緣測試時，一般在繞組溫度下降到凝露點以下進行測量。而對于長時間沒有運行的設備（同時沒有投入空間加熱器等），需要對進行干燥處理。當前還沒有將在一定濕度環境下測量的絕緣阻值轉換到不同濕度環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，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。在某時刻下進行絕緣測試時，將影響到總電流IT的電流分量——傳導電流I G ，所以測量的絕緣阻值與電機繞組溫度的關系是成反比例的。

基于此，在進行絕緣測量時，需要記錄當前的環境溫度，并盡量保證與歷史測量記錄的環境條件一致，若無法保證，需要將對應環境溫度所測量的絕緣阻值統一歸算到一個溫度下以利于進行對比，西門子推薦基準溫度為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（請參考圖1-3）

R T ：在溫度℃下測量絕緣電阻

圖2-3環境轉換系數關系曲線

****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數值。

表格2-1

測試電壓幅值與絕緣電阻的關系：

• 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，或其他情況所導致的；
• 當采用超出電機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，將導致絕緣電阻測量出現誤差。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行絕緣繞組測量之后，必須將繞組接地，其持續時間不應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。