电气设备的绝缘设计

目录
一、电气设备的绝缘设计 (2)
二、绝缘电阻测量 (3)
三、介质损失角（tanδ）的测量 (4)
四、局部放电试验 (5)
五、耐压试验 (6)
1、工频交流耐压试验 (6)
2、直流耐压试验 (7)
3、雷电冲击电压试验 (8)
4、操作冲击电压试验 (8)
六、绝缘在线检测 (9)
一、电气设备的绝缘设计
电气设备（Electrical Equipment）是在电力系统中对发电机、变压器、电力线路、断路器等设备的统称。

这些电器设备有的是常年运行，有的是短时运行。

无论是那种工作制的电器设备，一旦发生事故都会造成很大损失。

然而，电气事故按发生灾害的形式，可以分为人身事故、设备事故、电气火灾和爆炸事故等；按发生事故时的电路状况，可以分为短路事故、断线事故、接地事故、漏电事故等；按事故的严重性，可以分为特大性事故、重大事故、一般事故等；按伤害的程度，可以分为死亡、重伤、轻伤三种。

如果按事故的基本原因，电气事故可分为以下几类：
（1）触电事故。

人身触及带电体（或过分接近高压带电体）时，由于电流流过人体而造成的人身伤害事故。

触电事故是由于电流能量施于人体而造成的。

触电又可分为单相触电、两相触电和跨步电压触电三种。

（2）雷电和静电事故。

局部范围内暂时失去平衡的正、负电荷，在一定条件下将电荷的能量释放出来，对人体造成的伤害或引发的其他事故。

雷击常可摧毁建筑物，伤及人、畜，还可能引起火灾；静电放电的最大威胁是引起火灾或爆炸事故，也可能造成对人体的伤害。

（3）射频伤害。

电磁场的能量对人体造成的伤害，亦即电磁场伤害。

在高频电磁场的作用下，人体因吸收辐射能量，各器官会受到不同程度的伤害，从而引起各种疾病。

除高频电磁场外，超高压的高强度工频电磁场也会对人体造成一定的伤害。

（4）电路故障。

电能在传递、分配、转换过程中，由于失去控制而造成的事故。

线路和设备故障不但威胁人身安全，而且也会严重损坏电气设备。

以上四种电气事故，以触电事故最为常见。

但无论哪种事故，都是由于各种类型的电流、电荷、电磁场的能量不适当释放或转移而造成的。

电气设备必须在长年使用中保持高度的可靠什，为此必须对设备按设计的规格进行各种试验。

在制造厂有：对所用的原材料的试验，制造过程的中间试验，产品的定型及出厂试验；在使用场合有：安装后的交接试验，使用中为维护运行安全而进行的绝缘预防性试验等。

通过试验，掌握电气设备绝缘的情况，可保证产品质量或及早发现其缺陷，从而进行相应的维护与检修，以保证设备的正常运行。

电气设备的绝缘缺陷有一些是制造时潜伏下的，另一些则是运行中在外界作用的影响下发展起来的。

外界作用有工作电压、过电压、大气影响(如潮湿等)、机械力、热、化学等，当然这些外界作用的影响程度还和制造质量有关。

目前，还不能做到使电气设备的绝缘在运行中不发生明显的劣化，所以在电力系统中经常进行预防性试验，及时发现缺陷，进行维修．可减少许多事故的发生。

然而，绝缘的缺陷通常可以分成两大类：第一类是集中性的缺陷，例如悬式绝缘子的瓷质开裂；发电机绝缘局部磨损；电缆由于局部有气隙在工作电压作用下发生局部放电而损坏；以及其他的机械损伤、开裂等等。

第二类是分布性的缺陷，指电气设备整体绝缘性能下降，例如电机、变压器、套管等绝缘中的有机材料的受潮、劣化、变质等等：绝缘内部有了上述这两类缺陷后，它的特性就往往安发生一定的变化，这样，就可以通过一些试验把隐蔽的缺陷检查出来。

绝缘试验可分为如下表所示的绝缘特性试验和绝缘耐压试验两大类；第一类绝缘特性
试验也称非破坏性试验，是指在较低的电压下或是用其他不会损伤绝缘的办法来测量绝缘的各种特性，从而判断绝缘内部有无缺陷。

第二类是绝缘耐耐压验也称破坏性试验，这类试映对绝缘的考验是严格的，特别是能揭露那些危险件较大的集中性缺陷。

它能保证绝缘有一定的水平或裕度，缺点是可能会在耐压试验时给绝缘造成一定的损伤。

耐压试验是在非破坏性试验之后才进行，如果非破坏性试验己表明绝缘存在不正常情况，则必须在查明原因并加以消除后再进行耐压试验，以避免不应有的击穿。

二、绝缘电阻测量
通常均用兆欧表进行测量。

规定以加电压60s 后测得的数值为该试品的绝缘电阻。

当被试品绝缘中存在贯通的集中性缺陷时，反映g I 的绝缘电阻往往明显下降，于是用兆欧表检查时便可以发现。

但对于许多电气设备，反映
g I 的绝缘电阻往往变动甚大，因为它总和被试品的体积尺寸有关系，往往难以给出一定的绝缘电阻判断标准。

通常把处于同样运行条件下的不同相的绝缘电阻进行比较，或是把这一次测得的绝缘电阻和过去对它测出的绝缘电阻进行比较来发现问题。

需要注意的是，有时，虽然某些集中性缺陷已发展得很严重，以致在耐压试验中被击穿，但耐压试验前测出的绝缘电阻值和吸收比却都很高，这是因为这些缺陷虽然严亏，但还没有贯通的缘故。

因此，只凭绝缘电阻的测量来判断绝缘是不可靠的，但它毕竟是一种简单而有一定效果的方法，故使用十分普遍。

兆欧去有手动的及电动的。

手动兆欧表内装有直流电源与流比计，直流电源一般为手摇发电机。

直流电压为2500v 的兆欧表，用于对额定屯压为1000v 以上的电气设备进行试验；对1000V 及以下设备常用1000v 兆欧表。

兆欧表有二个接线端子：线路端子（L ），接地端于(E)和保护端于(G)，被试绝缘接在L 和E 之间,如下图所示。

图一 兆姆表的原理结构图
流比计的电流线圈I 和电流线圈2绕向相反，固定在同一转子上，并可带功指针旋转。

由于没有弹簧游，所以实际上没有反作用力矩，当线圈中没有电流时，指针可停在任一偏转角α位置。

当电流I 1沉过电流线圈1时，使有力距M l 作用在线圈1上。

同样，I 2流过电流线圈2时便有力矩M 2作用在线圈2上，M l 、M 2，分别为
M l ＝I 1F 1(α)， M 2＝I 2F 2(α)
其中F l (α)、F 2(α)随指针转动角度α而变，与气隙中磁通密度的分布有关。

平衡时）（）或（）
（）（211221f I I F F F I I ===αααα。

由x 2211,R R U I R U I +==
（Rx 为试品绝缘电阻），可得 ）（）（）（x 1
x 221f f f R R R R I I
'=+==α 即指针读数反映R x 的大小。

三、介质损失角（tan δ）的测量
通过测量tan δ，可以反映出绝缘的一系列缺陷：如绝缘受潮，油或浸渍剂脏污或劣化变质，绝缘中有气隙发生放电等。

这时，流过绝缘的电流中有功电流分量I R 增大了，tan δ也加大。

绝缘中存在气隙这种缺陷，最好通过作tan δ与外加电压的关系曲线tan δ＝f(u)来发现。

Tan δ是反映绝缘功率损耗大小的特性参数，与绝缘的体积大小无关。

如果绝缘内的缺陷不是分布性而是集中性的，则tan δ有时反映就不灵敏。

被试绝缘的体积越大，或集中性缺陷所占的体积越小，那么集中性缺陷处的介质损耗占被试绝缘全部介质中的比重就越小，而I c 一般几乎是不变的，总体的tan δ增加得也越少，这样，测tan δ法就越不灵敏。

对于像电机、电缆这类电气设备，出于运行小故障多数为集中性缺陷发展所致，而且被试绝缘的体积较大，tan δ法效果就差，而套管的体积小，tan δ法不仅可以反映套管绝缘的全面情况，而且有时可以检查出其中的集中性缺陷。

图二中被试品用C x 、R x 表示．C N 为标准电容器(tan δ≈0)，G 为检流计,R 3和C 4、R 4为电桥的低压臂。

当被试品两端均不接地时，用图二(a)所示的正接法。

在正接法中电桥D 点直接接地，操作时比较安全。

由于通常运行中的设备一端都是接地的，因而不得不用图二(b)所示的反接法，这时电桥调节部分是处于高电位之下，应放入法拉第笼内并对地绝缘。

如电桥上作电压仅为10kv ，可不用法拉第笼，为了保证人身安全，R 3、C 4的调节手柄用的是绝缘柄，耐压15KV 以上，同时，电桥的带高电位部分都放在接地的屏蔽箱内。

需注意的是这时从电桥接到被试品和标准电容器的引线都是带高压的，这是因为电桥调节部分两端的电压通常只有几伏，电源高压实际上加在C X 、C N 上面，上述引线的对地电传与电源电压基本相同。

下图二是测量tan δ用的西林电桥：
图二西林电桥的基本线路
四、局部放电试验
由于绝缘的击穿常由局部缺陷处的放电开始，而有机绝缘材料在长期局部放电作用下又很容易劣化。

因此，对绝缘中的局部放电强度进行测量成了检测绝缘内部缺陷的重要方法之一。

可测量的与局部放电有关的有：局部放电起始电压和熄灭电压，每个放电脉冲的放电电荷量，所定时间内的最大放电电荷量，每秒钟内放电脉冲的发生频率，无线电干扰电压等。

代表性的测量回路如图三所示。

图(a)、(b)分别为被试品接地和不接地时采用的回路。

图(c)为利用两个被试品构成的平衡检出回路，这样可有效抑制外部干扰。

检出阻抗Z d可采用单独的电阻、电容、电感或它们的组合回路(如电阻与电容并联，电感与电容并联)Z cb是电感电阻构成的阻抗以阻隔从电源来的干扰信号。

被试品一发生局部放电，因被试品C h、耦合电容C K和检出阻抗的闭合回路内有脉冲电流流过，就可由检出阻抗Z d上把与脉冲电流成比例的脉冲电压检出。

由检出阻抗得到的电压波形增幅后，由指示装置指示，作为增幅电路，可以是上限为几兆赫兹的宽频带增幅器或上限为150~200KHZ的低频带增幅器，另外．亦可采用调谐增幅器。

指示器可用示波器、电压表、脉冲计数器等。

图三局部放电测量的基本回路
广泛采用把由低频增幅回路得出的放电脉冲输入示波器，让它任椭圆形的时间轴上表示的方式。

采用这种方式，可在示波屏上同时示出校正用的输出脉冲以作比较，就可求出最大放电电荷量。

又由狭频带调谐增幅器增幅后的电压值mμV，可用分贝值n dB来表示。

为使测量结果能真正反映绝缘内部的放电，还需要对高压试验回路中的放电以及外界空间的电磁干扰等采取一系列的抗干扰措施，除硬件的各种防干扰措施外，亦采用信号处理的方法(如小波变换)来消除干扰的影响。

近年来，超声波探测器在检测固体、液体及其组合绝缘内部局部放电上的应用增多。

其特点是抗干扰能力相对比较强，使用方便，可以在运行中和耐压试验时检测绝缘内部的局部放电，适合预防性试验的要求。

它的工作原理是：当电气设备内部发生局部放电时，在放电处产生了超声波，并向四周传播开来，一直达到电气设备容器的表面。

在设备外壁(例如套
管、互感器的瓷套外表面)放上压电元件，在超声波作用下，压电元件的两个端面上会产生交变的束缚电荷，引起端部金属电极上电荷的变化或在外回路中引起交变电流。

因此，可由检测此电信号来判断设备内部是否发生局部放电。

图四为超声波探测器的原理方框图。

声电换能器从前置放大器装在一起，称为探头。

声电换能器电元件后面粘薄钢片作电极并接往前置放大器。

对前置放大器的要求是低噪声、宽频带，能将微伏级输人信号放大、前置放大器的输出端经双芯屏蔽电缆与探测器的其他部分连接以防止干扰。

衰减器系用来适应不同强度的信号测量。

调谐放大器的频率范围为
图四超声波探测器的原理方框图
40~90kHz，它可提高仪器的选择性和抗干扰能力。

超声波在固体与液体小易于传播，当碰到空气时，内于空气的波阻抗甚大，因此超声波将反射回去，穿入空气的甚少，因此在使用中为使探头与被测设备接触紧密，可在探头前部抹一些黄油再贴紧设备。

应设法避免探头与被测设备及支持物间有振动或位移。

此外，为了区别探测器检测的是被试绝缘内部放电还是外界干扰，可以用空心铁盒放在探头与被测物之间，以隔开被试物内部局部放电处传来的超声波，如果此时仪器指示较小，为一艇噪声值，则说明除去空心盒时的指示反映了绝缘内部的放电：但对于被试设备的机械振动，则仍不易与绝缘中局部放电相区别。

有时也可以观察超声波的波形来作进—步的分析。

目前超声波法由于采用光纤传输信号而提高了抗干扰的能力，取得了较好的效果。

如采用多个声发射接收通道。

则可有助于确定故障位置。

五、耐压试验
绝缘介质强度试验是确认电气设备的绝缘的可靠性的试验，通常加上比额定电压高的电压来进行试验。

介电强度试验分为耐压试验和击穿电压试验两类；按电压种类又可分为交流、直流、雷电冲击和操作冲击介电强度试验。

1、工频交流耐压试验
工频交流耐压试验能有效地发现危险的集中性缺陷。

但交流耐压试验时也可能使固体有机绝缘中的一些弱点更加发展。

因此，恰当地选择合适的试验电压值是一个重要的问题。

一般考虑到运行中绝缘的变化，预防性试验的工频交流耐压试验电压值均取得比出厂试验电压低些，而且对不同情况的设备区别对待，主要由运行经验来决定。

例如在大修以前发电机定了绕组的工颇试验电压取1．5倍额定电压；对于运行20年以上的发电机，由于绝缘较老、可取1.3~1.5倍额定电压或者更低些来做耐压试验；但对与架空线路直接连接的运行20年以上的发电机，考虑到运行中雷电过电压侵袭的可能性较大，为了安全，仍要求用1.5倍额定电压来做耐压试验。

电力变压器全部更换绕组后，按出厂试验电压进行试验。

在其他情况下，它们的耐压试验电压值取出厂试验电压的85％。

其他高压电器按出厂试验电压的90％做耐压试验，只有对纯瓷及充油的套管和支柱绝缘子，因为几乎没有累积效应，所以直接用出厂试验电压进行
耐压试验。

交流耐压试验中，加至试验标准的电压后．要求持续1min的耐压时间：规定1min 是为了便于观察被试品的情况，同时也是为了使已经开始击穿的缺陷来得及暴露出来。

耐压时间不应过长，以免引起不应有的绝缘损伤，甚至使水来合格的绝缘可能发生热击穿。

试验电压的波形应接近正弦。

一般用高压试验变压器及调压器产生可调电压。

调压器应尽量采用自耦式，它不仅体积小，漏抗也小，因而试验变压器激磁电流中的谐波分量在调压器上产生的压降也小，故试验变压器的原边电压波形畸变较小，副边电压的波形也就接近正弦，如果自耦调压器的容量不够，则可以采用移圈式调压器，不过后者的漏抗较大，会使电压波形发生畸变，为改善波形可在试验变压器原边并联以由电感、电容并联组成的滤波器把谐波滤掉。

图五中设被试相为A相。

而当试验时非被试验的绕组均应短接接地。

球隙7的放电电压调整到耐压试验电压的1.1倍，这是为了防止因误操作或谐振过电压而损坏试品。

为了比较准确地测量高压侧电压，通常用电压互感器8或高压静电电压表v2进行测量，原边电压
图五发电机交流耐压试验
表v1的读数只起参考作用。

为了限制击穿或放电时的短路电流以及为了防止在高压侧出现屯压振荡，回路中串有足够热容量的保护屯阻R1。

电流表A2起着监视被试绝缘状况的作用，短路刀闸6足用来保护电流表的。

如果试验中被试品击穿，电流表读数一般会急剧地变化。

电源电压最好用线电压，因为线电压的波形较好。

调压器3应从零升压，在0.5倍试验电压以下可以迅速升压，这以后要徐徐地均匀升压，一般在20s内升到试验电压值，这样才便于准确地读数。

经验表明，在停机后电机仍处于热状态下进行试验，比较容易发现缺陷。

2、直流耐压试验
在被试品的电容量很大的场合，用工频交流高电压进行绝缘试验时会出现很大的电容电流，这就要求工频高压试验装置具有很大的容量，这时常用直流高电压试验来代替工频高电压试验。

它和交流耐压试验相比主要有以下一些特点。

①试验设备轻便
直流耐压试验设备比较轻便，如对于电缆线路，做真流耐压试验时只需供给绝缘泄漏电流(最高只达毫安级)，设备容量小；而如果做交流耐压试验，每公里的电容电流将达数安培，需要容量很大的设备。

②同时测量泄漏电流
可以在进行直流耐压试验的同时，通过测量泄漏电流，更有效地反映绝缘内部的集中性缺陷。

直流耐压试验比之交流耐压试验更能发现电机端部的绝缘缺陷。

其原因是直流下没有电容电流从线棒流出，因而没有电密电流在半导体防晕层上造成的压降，故端部绝缘上的电压较高，有利于发现绝缘缺陷
③对绝缘损伤较小
当直流电压较高以至于在气隙中发生局部放电后，放电所产生的电荷使在气隙里的场强减弱，从而抑制了气隙内的局部放电过程。

如果是交流耐压试验，由于电压不断改变方向，因而每个半波都可能发生放电，甚至发生多次放电。

这种放电往往促使有机绝缘材料分解、劣化、变质，降低其绝缘性能，使局部缺陷逐渐扩大。

因此，直流耐压试验在一定程度上还带有非破坏性试验的性质。

和交流耐压试验相比，直流耐压试验的主要缺点是：由于交、直流下绝缘内部的电压分布不同，直流耐压试验对绝缘的考验不如交流下接近运行实际。

直流耐压试验电压值的选样也是一个重要的问题，现在系参考绝缘的工频交流耐压试验电压和交、直流下击穿强度之比，并主要根据运行经验来确走。

例如对发电机定子绕组，现在取2~2.5倍额定电压；对于电力电缆，3、6、10kv 的电缆，以5~6倍额定电压；20、35kv 的电缆取4~5倍额定电压；35kV 以上的电缆取3倍额定电压。

直流耐压试验的时间可以比交流耐压试验长一些，所以发电机试验时是以每级0.5倍额定电压分阶段地升高，每阶段停留1min ，以观察并读取泄漏电流值。

电缆试验时，在试验电压下持续5min ，以观察并读取泄漏电流值。

但对于已运行的交链聚乙烯(XLPE)绝缘电缆，现不主张采用直流耐压试验的方法，因为如进行直流耐压，沿着XLPE 电缆中的树枝放电的管壁将有离子注入，而试验后的短路放电又难以将它全部散速，以致在再投入运行时，此空间电荷引起的电场使电场严重畸变，可能造成不必要事故。

3、雷电冲击电压试验
雷电冲击耐压是用截波做试验，截波前沿很陡，虽然有效值不一定非常高，但是波形的峰值很高，所以是一个由多次谐波组成的尖峰冲击波，它模仿了雷电波进入后对电气绝缘的冲击。

雷电冲击试验的测试环境使用带有外部SMPS 适配器的LCD TV 作为EUT ，雷电冲击发生器是一个能产生特定波形的理想电压源，它有一个固定的输出阻抗。

图六 标准波形
雷电冲击耐压考验电力设备承受雷电过电压的能力。

只在制造厂进行本项试验，因为试验会造成绝缘的积累效应，所以在规定的试验电压下只施加3次冲击。

国家标准规定额定电压≥220kV ，容量≥120MVA 的变压器出厂时应进行本项试验。

如图六是雷电冲击电压波。

国标规定：%30s 2.1f ±=μT %20s 50t ±=μT
4、操作冲击电压试验
≥330kV 电力设备的出厂试验应进行本项试验。

在电力系统现场进行各个电压等级变压器的耐压试验时，可采用操作冲击感应耐压方式来取代工频耐压试验。

由于利用被试变压器
自身的电磁感应作用来升高电压，所以冲击电源装置电压较低，装备比较简单。

而且试验本身不会在绝缘中产生残留性损伤 .
六、绝缘在线检测
定期地进行绝缘预防性试验固然可以发现一些缺陷，但由于要停电后才能试验，就难以根据设备绝缘状况灵活地选择试验周期，更谈不上连续进行地测了；另外，电力设备的运行电压已达110~50ukv，而现行的预防性试验其施加的试验电压仍很低，例如测量在10kv下的tanδ位、就难以反映真实运行电压下的绝缘性能。

随着传感器、光纤、计算机技术等的发展，利用运行电压本身来对设备绝缘进行不停电的在线监测及诊断已逐渐成为可能。

这样不仅有可能将原来停电试验下进行的试验项目改变为在线检测，而且还可以根据带电检测的特点测量其他新的参数，更加合利于综合判断。

如果引人了微机系统还可自动分析判断、去伪存真、确定监测周期、打印或显示诊断结论，甚至自动报警，有助于实现各高压电气设备的状态检测、状态维修，并可与整个变电所或电网的监控系统联网，形成运行和安全的全面监控。

采用专家系统后既可实现在线自动监测，又可实现正确的综合分析等工作。

针对试验项目多、数据更多，且不少规律性也还未掌握，又要进行综合诊断分析的情况，引入人工智能(人工神经网络、模糊数学、遗传算法等)，利用计算机系统进行协助分析更效。

这样既缩短了分析比较的时间，又提高了诊断的正确性。

目前比较成熟的绝缘在线监测方法主要有以下几方面。

1）电流的在线检测
2）Tanδ的在线检测
3）局部放电的在线检测
4）油中气体含量的在线检测
5）红外技术用于在线检测。