高压绝缘试验

电气设备绝缘预防性试验已成为保证现代电力系统安全可靠运行的重要措施之一。这种试验除了在新设备投入运行前在交接、安装、调试等环节中进行外，更多的是对运行中的各种电气设备的绝缘定期进行检查，以便及早发现绝缘缺陷，及时更换或修复，防患于未然。

绝缘缺陷可分为两大类：第一类是集中性缺陷，如绝缘子瓷体内的裂缝、发电机定子绝缘因挤压磨损而出现的局部破损、电缆绝缘层内存在的气泡等；第二类是分散性缺陷，指电气设备整体绝缘性能下降，如电机、变压器、套管等设备的有机绝缘材料受潮、老化、变质等。当绝缘内部出现缺陷后，就会在它们的电气特性上反映出来，通过测量这些特性的变化来发现潜在的缺陷，然后采取措施消除隐患。这就是进行绝缘预防性试验的主要目的。

由于缺陷种类很多、影响各异，所以，绝缘预防性试验的项目也就多种多样。绝缘预防性试验可以分为非破坏性试验和破坏性试验两大类。非破坏性试验是在较低的电压下或用其他不会损伤绝缘的办法来测量绝缘的各种特性，从而判断绝缘的内部缺陷。破坏性试验又称为耐压试验，这类试验对绝缘的考验是严格的，特别能发现那些危险性较大的集中性缺陷，缺点是，可能因耐压试验对绝缘造成一定的损伤。

8.2.1 电气设备的预防性试验

1.绝缘电阻与吸收比的测试

绝缘电阻与吸收比是反映绝缘性能的最基本的指标之一，通常用兆欧表（俗称摇表）来测量。在设备维护检修时，广泛地用作常规绝缘试验。通常以加压后60s时测得的电阻值作为该试品的绝缘电阻。以测定的加压后15s及60s时的绝缘电阻值R15及R60的比值作为绝缘的吸收比K，即K＝R60／R15。

常用兆欧表的电压有500V、1 000V、2 500V、5 000V等几种。对于额定电压为1 000 V及以上的设备，应使用2 500V或5 000V的兆欧表进行测试。

兆欧表有三个接线端子，即线路端子L，接地端子E和屏蔽端子G，被试品接在L和E端子之间，屏蔽线接在屏蔽端子G上，用以消除被试物表面泄漏电流的影响。

测量绝缘电阻与吸收比的步骤及注意事项如下。

（1）试验前（后）应将试品接地放电一定时间。尤其对电容量较大的试品，一般要求放电时间为5～10min。这是为了避免被试品上可能存留残余电荷而造成测量误差，以及危及安全。

（2）正确接线，高压测试连接线应尽量保持架空，确需使用支撑时，要确认支撑物的绝缘对被试品绝缘测量结果的影响极小。

（3）对带有绕组的被试品，应先将被测绕组首尾短接，再接到L端子；其他非被测绕组也应先首尾短接后再接到应接端子。

（4）测量吸收比时，应待电源电压达稳定后再接入试品，并开始计时。

（5）绝缘电阻与试品温度有十分显著的关系。绝缘温度升高时，绝缘电阻大致按指数率降低，吸收比的值也会有所改变。所以，测量绝缘电阻时，应准确记录当时绝缘的温度，而在比较时，也应按相应温度时的值来比较。

（6）每次测试结束时，应在保持兆欧表电源电压的条件下，先断开L端子与被试品的连线，以免试品对兆欧表反向放电，损坏仪表。

一般吸收比K＜1.3，就可判断为绝缘可能受潮。显然，只有试品电容比较大时，吸收现象才明显，才能用来判断绝缘状况。对大型发电机还可以采用10min与1min的绝缘电阻比值作为极化指数。除受潮外，当绝缘有严重集中性缺陷时，K值也可以反映出来。例如，当发电机定子绝缘局部发生裂纹，形成了贯通性导电通道时，K值便大大降低而接近于1。

根据绝缘电阻或吸收比的值来判断绝缘状况时，不仅应与规定标准相比较，更应与过去的历史数据相比较，与同类设备的数据相比较，还应将同一设备的不同相的数据相比较。测量绝缘电阻或吸收比能有效地发现下列缺陷：总体绝缘质量欠佳；绝缘受潮；两极间有贯穿性的导电通道；绝缘表面情况不良。测量绝缘电阻或吸收比不能发现下列缺陷：绝缘中的一般局部缺陷，如非贯穿性的局部损伤、含有气泡、分层脱开等；绝缘的老化，因为已经老化的绝缘，其绝缘电阻还可能是相当高的。

目前，数字兆欧表已经基本上取代了手摇式的兆欧表。数字兆欧表由高压发生器、测量桥路和自动量程切换显示电路等三大部分组成。BY2671数字兆欧表是近来比较常用的一种测量绝缘电阻的仪器，能输出500V、1 000V、2 000V和2 500V四个等级电压，量程可自动转换，相当于四块手摇指针式兆欧表。具有输出功率大、带载能力强、抗干扰性能好、不需人力作功；一目了然的面板轻触键操作使测量更加方便、迅捷，可以使用交流或直流电源；测量结果由LCD数字显示，读数直观，消除了指针式仪表的视觉误差；仪表开启高压键后1min时，自动报警，锁定示值5s，以便计算吸收比。

2.泄漏电流的测试

泄漏电流的测试是利用高压直流装置和微安表测量流过被试绝缘的泄漏电流，与用兆欧表测量绝缘电阻的原理和适用范围一样，不同的是测量泄漏电流使用的电压较高（10kV及以上），因此，能更有效地发现一些尚未完全贯通的集中性缺陷。例如，分别在20kV和40kV电压下测量额定电压为35kV及以上变压器的泄漏电流值，能较灵敏地发现瓷套开裂、绝缘纸筒沿面炭化、变压器油劣化及内部受潮等缺陷。另一方面，这时施加在试品上的直流电压是逐渐增大的，这样就可以在升压过程中监视泄漏电流的增长动向。此外，在电压升到规定的试验电压值后，要保持1min再读出最后的泄漏电流值。在这段时间内，还可观察泄漏电流是否随时间的延续而变大。当绝缘良好时，泄漏电流应保持稳定，且其值很小。

图8.2.1 泄漏电流试验接线图

本试验项目所需的设备仪器和接线方式都与后面要介绍的直流高电压试验相似，如图8.2.1所示为试验简单接线。其中，交流电源经调压器接到试验变压器T的初级绕组上，其电压用电压表PV1测量。试验变压器输出的交流高压经高压整流元件VD（一般采用高压硅堆）接在稳压电容C上，为了使直流电压的脉动系数不大于3％，C值一般需0.1μF左右。R为保护电阻，通常采用水电阻，以限制初始充电电流和故障短路电流不超过整流元件和变压器的允许值。整流所得的直流高压可用高压静电电压表PV2测得，而泄漏电流则以接在被试品TO高压侧或接地侧的微安表来测量。如果被试品的一极固定接地，且接地线不易解开时，微安表可接在a处，微安表及其接往TO的高压连线均应加等电位屏蔽（如图中虚线所示），以减小测量误差。当被试品TO的两极都可以做到不直接接地时，微安表就可以接在b处，这时不必设屏蔽。

在进行泄漏电流试验时，主要测量随时间变化的电流曲线。根据泄漏电流曲线，可以判断绝缘是否受潮、未贯通的集中缺陷等，如图8.2.2所示。良好的绝缘，泄漏电流值较小，且随电压呈线性上升，如曲线1所示；如果绝缘受潮，电流值变大，但基本上仍随电压线性上升，如曲线2所示；曲线3表示绝缘中已有集中性缺陷存在，应尽可能找出原因加以消除；如果在电压尚未到直流耐压试验电压Ut的1／2时，泄漏电流就已急剧上升，如曲线4所示，则该设备在运行电压下（不必出现过电压）就有发生击穿的危险。

图8.2.2 某设备绝缘的泄漏电流变化曲线

1—良好绝缘；2—受潮绝缘；3—有集中性缺陷的绝缘；4—有危险的集中性缺陷的绝缘

图8.2.3 西林电桥原理接线图

3.介质损耗角正切的测量

介质损耗角正切tanδ是交流电压作用下电介质中电流的有功分量和无功分量的比值，是一个无量纲的数，反映的是电介质内单位体积中功率损耗的大小，是绝缘品质的重要指标。测量tanδ值是判断电气设备绝缘状态的一种灵敏有效的方法。因为在一定的电压和频率下，介质损失角正切值tanδ与绝缘介质的形状、大小无关，只与介质的固有特性有关。测量tanδ可以有效地发现绝缘受潮、穿透性导电通道、绝缘内所含气泡的游离、绝缘分层和脱壳，以及绝缘有脏污或劣化等缺陷。但是，测量tanδ不能灵敏地反映大容量发电机、变压器和电力电缆（它们的电容量都很大）绝缘中的局部性缺陷，这时应尽可能将这些设备分解成几个部分，然后分别测量它们的tanδ。

测量tanδ值最常用的仪器是西林电桥，其原理接线如图8.2.3所示。图中，Cx、Rx为被测试样的等效并联电容与电阻，R3R4表示电阻比例臂，CN为平衡试样电容Cx的标准，C4为平衡损耗角正切的可变电容。根据电容平衡原理，当ZxZ4＝ZNZ3电桥达到平衡。测试时通过反复调节R3和C4来改变桥臂电压的大小和相位以使电桥达到平衡，此时电桥中C4的μF值就是被试品的tanδ值。

上面介绍的是西林电桥的正接线，可以看出，这时接地点放在D点，被试品Cx的两端均对地绝缘。实际上，绝大多数电气设备的金属外壳是直接放置在接地底座上的，换言之，被试品的一极往往是固定接地的。这时就不能用上述正接线来测量它们的tanδ，而应改用反接线法进行测量。

利用西林电桥测量tanδ时，应将套管等试品表面擦干净，还可加屏蔽，以消除电磁场的干扰；测定tanδ时所加的电压，最好接近于被试品的正常工作电压；最后应将不同温度下测得的tanδ值换算至20℃时的tanδ值。

数字化测量tanδ，不仅可以很容易地调节电桥平衡，而且可以防止外界干扰。其工作原理是利用传感器从试品上取得所需的电压信号U和电流信号I，经前置A／D转换电路数字化后，送至数据处理计算机或单片机，经数据处理后算出电流电压之间的相位差φ，最后得到tanδ的测量值。其原理如图8.2.4所示。

图8.2.4 tanδ数字化测量原理

4.局部放电的测试

当电气设备内部绝缘发生局部放电时，将伴随着出现许多现象，如电脉冲、介质损耗的增大和电磁波辐射，以及光、热、噪音、气体压力的变化和化学变化。局部放电的测试就是根据这些现象来判断是否存在局部放电，局部放电的测试已成为确定产品质量和进行绝缘预防性试验的重要项目之一。

局部放电的测试方法可以分为非电的和电的两类。非电的方法有使用超声波探测仪的噪声检测法，光检测法和用气相色谱仪的化学分析法。在多数情况下，非电的方法都不够灵敏，属于定性测量，即只能判断是否存在局部放电，而不能借以进行定量的分析，而且有些非电测量必须打开设备才能进行，很不方便。电的方法有：脉冲电流法和介质损耗法，目前，该方法得到广泛应用，比较成功的方法是脉冲电流法。

脉冲电流法测的是视在放电量，有三种基本测试回路，即并联、串联、桥式，如图8.2.5所示。检测原理是：耦合电容器为被试品和测量阻抗之间提供一个低阻抗的通道。被试品一发生局部放电，因被试品Cx、耦合电容Ck和检测阻抗Zm构成的回路内有电流流过，就可由检出阻抗把与脉冲电流成比例的脉冲电压检测出来，检测到的信号通过放大器送到测量仪器上，通过校准就能得出视在放电量。它不仅可以判断局部放电的有无，还可以判定放电的强弱，且灵敏度高。

三种测试回路的基本测试目的都是使在一定电压作用下的被试品Cx中产生的局部放电电流脉冲流过检测阻抗Zm，然后把Zm上的电压或Zm及Z′m上的电压差加以放大后送到检测仪器P，所测得的脉冲电压峰值与被试品的视在放电量成正比，经过校准就能直接读出视在放电量的值，如果P为脉冲计数器，则测得的是放电重复率。

图8.2.5 用脉冲电流法检测局部放电的测试回路

（a）并联测试回路；（b）串联测试回路；（c）桥式测试回路

Cx—被试品的电容；Ck—耦合电容；Zm，Z′m—测量阻抗；Z—低通滤波器；U—电压源；P—测量仪器；A—放大器

5.绝缘油性能检测

运行过程中，绝缘油的闪点下降和酸值增加，常由于设备局部过热导致油分解所致。绝缘油受潮、脏污（如纤维尘埃、碳化等）会使其击穿电压下降，同时油受潮或者变质时，tanδ增加，因此，需要定期对绝缘油进行检测。

变压器油的检测内容很多，除电气性能外，还有许多物理、化学性能的检测。电气性能的检测有：电阻率的测量；介质损耗因数（tanδ）的测量；介电常数的测量；电气强度的检测。物理、化学性能的检测有：酸值检测；凝固点检测；闪火点检测；黏度检测；变压器油的气相色谱分析和液相色谱分析。

（1）电气强度检测。将变压器油倒入标准油杯中，以一定速率上升的交流电压加在油杯上，直至变压器油击穿，变压器油击穿时的电压，即为此次变压器油的击穿电压。通过油的击穿试验，以及在专用的试验电极中测油的tanδ，可以检查油的电气性能。

（2）气相色谱检测。当电器中存在局部过热、电弧放电或某些内部故障时，绝缘油或固体绝缘材料会发生裂解，就会产生较大量的各种烃类气体和H2、CO、CO2等气体，因而把这类气体称为故障特征气体。分析油中溶解气体的成分、含量及其随时间而增长的规律，就可以鉴别故障的性质、程度及其发展情况。这对于测定缓慢发展的潜伏性故障是很有效的，而且这项检测可以不停电进行。相应的国家标准《变压器油中溶解气体分析和判断导则》（GB／T 7252－2001），适用于变压器、电抗器、电流互感器、电压互感器、充油套管、充油电缆等。

8.2.2 绝缘状态的在线检测

以上所述的电气绝缘预防性检测都是在电气设备处于离线的情况下进行的，这些检测存在几个缺点：一是需要停电进行，而不少重要的电力设备不能轻易地停止运行；二是检测间隔周期较长，不能及时发现绝缘故障；三是停电后的设备状态与运行时的设备状态不相符，影响诊断的正确性。在线检测是在电力设备运行的状态下连续或周期性检测绝缘的状况，因而可以避免以上缺点，另外建立一套电气绝缘在线检测系统也是实施电力设备状态维修和建设无人值守变电站的基础。

电气绝缘在线检测是一门多学科交叉融合的综合技术，自20世纪70年代以来，随着传感、信息处理及电子计算机技术的快速发展，电气绝缘在线检测与故障诊断的技术水平不断提高，在线检测产品大量投入市场。例如，据美国某发电厂统计，运用在线检测和状态维修体系后，每年可获利125万美元。英国中央发电局（CEGB）的统计表明，对充油电力设备采用气相色谱在线检测及诊断技术后，使变压器的年维修费用从1 000英镑减少为200英镑。日本资料表明，在线检测技术的应用使每年维修费用减少25％～50％，故障停机时间则可减少75％。可见，在线检测和状态维修带来的经济效益是十分显著的。

电气绝缘在线检测项目有：变压器油中溶解气体的现场检测、局部放电检测及介质损耗角正切检测，这些检测方法的基本原理在前面已经阐述，需要加上传感、信息处理及电子计算机技术做到在线工作。

8.2.3 电气设备的耐压试验

1.工频高电压试验

工频交流高电压试验是检验电气设备绝缘强度最直接和最有效的方法。它可以反映电气设备绝缘耐受电压的水平，有效地发现导致绝缘抗电强度降低的各种缺陷，判断电气设备能否继续运行，是避免电气设备在运行中发生绝缘事故的重要手段。工频高电压试验时，对电气设备绝缘施加比工作电压高得多的试验电压，为避免试验时损坏设备，工频高电压试验必须在一系列非破坏性试验合格后，才允许进行工频高电压试验。对于220kV及以下的电气设备，一般用工频高电压试验来考验其耐受工作电压和操作过电压的能力。运行经验表明，凡经受住1min工频高电压试验的电气设备，一般都能保证安全运行。

图8.2.6 工频高电压试验的基本接线图

AV—调压器；Lf，Cf—谐波滤波器；PV1—低压侧电压表；T—工频高压装置；R1—变压器保护电阻；R2—测量球隙保护电阻；F—测量球隙；PV2—高压静电电压表；TO—被试品

以试验变压器或其串级装置作为主设备的工频高电压试验（包括耐压试验）的基本接线如图8.2.6所示。调压器AV应能按规定的升压速度连续、平稳地调节电压，使高压侧电压在0～U的范围内，均匀地加以调节以满足试验的需求。Lf和Cf构成谐波滤波器，是为了改善工频试验变压器输出波形，若主要需减弱三次谐波，则LfCf回路可按3ωLf＝1／（3ωCf）来选择其参数，ω为基波角频率，滤波电容一般可选取6～10μF。若还需减弱五次谐波，则可再并联另一个L′C′串联谐振回路。保护电阻R1用来限制短路电流和阻尼放电回路的振荡过程，其阻值一般可按0.1Ω／V选取。保护电阻R2用于保护球电极，电压表PV1、PV2和测量球隙F用以测量电压，被试品接在高压引线和接地线之间。

工频高电压试验的实施方法如下：按规定的升压速度提升作用在被测试品TO上的电压，直到等于所需的试验电压U为止，这时开始计算时间。为了让有缺陷的试品绝缘来得及发展局部放电或完全击穿，达到U后还要保持一段时间，一般取1min就足够。如果在此期间没有发现绝缘击穿或局部损伤（可通过声响、分解出的气体、冒烟、电压表指针剧烈摆动、电流表指示急剧增大等异常现象作出判断）的情况，即可认为该试品的工频耐压试验合格通过。

2.直流高电压试验

在被试品的电容量很大的场合，如电力电缆，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，但一般很难做到，这时常用直流高电压试验来代替工频高电压试验。随着高压直流输电技术的发展，出现了越来越多的直流输电工程，因而必然需要进行多种内容的直流高电压试验，如测量电气设备泄漏电流需进行高压直流电压下的试验。因此，直流高压试验有重要的实际意义，能考验电器设备的抗电强度，它能反映设备受潮、劣化和局部缺陷等多方面的问题，目前在发电机、电动机、电缆、电容器的绝缘试验中广泛地应用。

高压试验室中通常采用将工频高电压经高压整流器而变换成直流高电压的方法。直流电压的特性由极性、平均值、脉动等来表示。高压试验的直流电源在提供负载电流时，脉动电压要非常小，即直流电源必须具有一定的负载能力。直流高电压的产生有半波整流、倍压整流和直流高压串级装置（或称串级直流高压发生器），利用倍压原理能产生出更高的直流试验电压。常用的半波整流电路如图8.2.7所示，输出的额定直流电压（算术平均值）Ud＝（Umax＋Umin）／2，脉动系数S＝1／（2f CRX）。测量直流高电压，IEC推荐使用标准棒—棒间隙，其测量不确定度在±3％以内，也可以用静电电压表、旋转电位计或高压高阻分压器等进行测量。

图8.2.7 半波整流电路及输出电压波形图

（a）半波整流电路；（b）输出电压波形图

T—高压试验变压器；VD—整流元件（高压硅堆）；C—滤波电容器；R—保护电阻；RX—试品电阻；UT—试验变压器T的输出电压；Umax、Umin—输出直流电压的最大值、最小值

3.冲击电压试验

电力系统中的高压电气设备除了承受长期的工作电压作用外，在运行过程中还可能承受短时的雷电过电压和操作过电压的作用。为了研究电气设备在遭受雷电过电压和操作过电压时的绝缘性能，许多电气设备在型式试验、出厂试验或大修后需进行冲击电压试验。

冲击电压试验接线图如图8.2.8所示。冲击电压发生器是产生冲击电压波的装置，它也是高压试验室的基本设备之一。其冲击电压产生的基本原理如下。

（1）充电过程。由试验变压器T和高压硅堆VD构成的整流电源，以峰值电压U经保护电阻r及充电电阻R向主电容C1～C4充电。在充电过程中火花球隙均不击穿，各球隙支路呈开路，若充电过程足够长，所有电容器都可充到U。因而点2、4、6、8的对地电位均为－U，而点1、3、5、7均为地电位。

（2）放电过程。当需要启动冲击电压发生器时，可向点火球隙G1的针极送去一脉冲电压，针极和球表面之间产生火花放电，引起点火球隙放电，G2～G4各球隙相继放电，将主电容C1～C4串联起来，最后隔离球隙G0也放电，此时输出电压为C1～C4上的电压总和，即为－4U，向试品放电。合理选择波头电阻Rt和波尾电阻Rf就可以得到所需要的冲击电压波形。

图8.2.8 冲击电压试验接线图

冲击电压的测定包括峰值测量和波形记录两个方面。目前最常用的测量冲击电压的方法有：分压器－示波器；测量球隙；分压器－峰值电压表。球隙和峰值电压表只能测量电压峰值，示波器则能记录波序，即不仅指示峰值而且能显示电压随时间的变化过程。

电气设备内绝缘的雷电冲击耐压试验采用三次冲击法，即对被试品施加三次正极性和三次负极性雷电冲击试验电压（1.2／50μs全波）。对变压器、电抗器类设备的内绝缘，还要进行雷电冲击截波（1.2／2～5μs）耐压试验。

进行内绝缘冲击全波耐压试验时，应在被试品上并联一球隙，并将它的放电电压整定得比试验电压高15％～20％（变压器电抗器类）或5％～10％（其他类试品），目的是为了防止意外出现过高冲击电压而损坏试品。

电力系统外绝缘的冲击高压试验通常采用15次冲击法，即对试品施加正、负极性冲击全波试验电压各15次，相邻两次冲击的时间间隔应不小于1min，在每组15次冲击的试验中，如果击穿或闪落不超过2次，则认为外绝缘合格。

内、外绝缘的操作冲击高电压试验方法与雷电冲击全波试验完全相同。