關于高壓電氣設備的絕緣預防性試驗研究

林灝凡

（南方電網科學研究院高電壓技術研究所，廣東廣州，510063）

1 絕緣預防性試驗

1.1 絕緣預防性試驗

一般來說，高壓電氣試驗主要分為預防性試驗及交接性試驗。依據設備劃分主要包括：對變壓器試驗、對電壓互感器試驗、對電流互感器試驗、對避雷器試驗、對斷路器試驗、對電力電纜試驗、對高壓母排試驗、多高壓電機試驗。對于不同的設備應嚴格按照嚴格規程規定試驗項目和內容進行試驗。其中絕緣耐壓試驗是最基本和重要的電氣試驗。電氣設備絕緣預防性試驗是保證設備安全運行的重要措施，通過試驗，掌握設備絕緣狀況，及時發現絕緣內部隱藏的缺陷，并通過檢修加以消除，嚴重者必須予以更換，以免設備在運行中發生絕緣擊穿，造成停電或設備損壞等不可挽回的損失。絕緣預防性試驗可分為兩大類：一類是非破壞性試驗或稱絕緣特性試驗，是在較低的電壓下或用其他不會損壞絕緣的辦法來測量的各種特性參數，主要包括測量絕緣電阻、泄漏電流、介質損耗角正切值等，從而判斷絕緣內部有無缺陷。實驗證明，這類方法是行之有效的，但目前還不能只靠它來可靠的判斷絕緣的耐電強度。另一類是破壞性試驗或稱耐壓試驗，試驗所加電壓高于設備的工作電壓，對絕緣考驗非常嚴格，特別是揭露那些危險性較大的集中性缺陷，并能保證絕緣有一定的耐電強度，主要包括直流耐壓、交流耐壓等。耐壓試驗的缺點是會給絕緣造成一定的損傷。電氣設備交接試驗為適應電氣裝置安裝工程和電氣設備交接試驗的需要，促進電氣設備交接試驗新技術的推廣和應用，國家標準GB 50150-91《電氣設備交接試驗標準》詳細地介紹了各項試驗的內容和標準。電氣設備交接試驗除了部分絕緣預防性試驗還有其它一些特性試驗，例如變壓器直流電阻和變比測試、斷路器回路電阻測試等。不同類型的電氣設備雖然試驗標準不同，但是都要根據相關的試驗規程對每個試驗項目進行嚴格操作。我們經常進行的絕緣耐壓試驗就是最重要與最基本的高壓試驗之一[2]。

1.2 絕緣的缺陷及試驗種類

絕緣的缺陷通常可分為兩大類，一類為懸式絕緣子的瓷質開裂；發電機絕緣局部磨損、擠壓破裂；電纜由于局部有氣隙在工作電壓作用下發生局部放電而損壞，以及其他的機械損傷、受潮等集中性缺陷。另一類為電機、變壓器、套管等絕緣中的有機材料受潮、老化、變質等電氣設備整體絕緣性能下降的分布性缺陷。絕緣內部有上述兩種類型缺陷后，它的特性就會發生一定的變化。電氣設備的絕緣缺陷，有些是制造時潛伏下的，另一些則是運行中在外界作用影響下發展起來的，即累積效應。外界作用有：工作電壓、過電壓、大氣影響（如潮濕等）、機械力、熱、化學等，當然這些外界作用的影響程度亦和制造質量有關。目前，還不能做到使電氣設備的絕緣在運行中不發生明顯的劣化，所以，在電力系統中經常進行預防性試驗，及時發現缺陷，可減少許多事故的發生。絕緣特性試驗亦稱非破壞性試驗，是指在較低的電壓下或使用其他不會損傷絕緣的辦法來測量絕緣的各種特性，從而判斷絕緣內部有無缺陷。實踐證明，這類方法是有效的，但目前還不能只靠它來可靠地判斷絕緣的耐壓水平。

絕緣耐壓試驗亦稱破壞性試驗，這類試驗對絕緣的考驗是嚴格的，特別是能揭露那些危險性較大的集中性缺陷，它能保證絕緣有一定的水平或裕度，缺點是可能會在耐壓試驗時給絕緣造成一定的損傷。耐壓試驗是在絕緣特性試驗之后才進行，如果非破壞性試驗已表明絕緣存在不正常情況，則必須在查明原因并加以消除后再進行耐壓試驗，以避免不應有的擊穿。例如套管大修時，當用非破壞性試驗判斷出絕緣受潮后，首先是進行干燥，待受潮現象消除后才做耐壓試驗。

電氣設備必須在常年使用中保持高度的可靠性，為此，必須對設備按設計的規格進行各種試驗。在制造廠有：對所有原材料的試驗，制造過程的中間試驗，產品定型及出廠試驗；在使用場合有：安裝后的交接試驗，使用中為維護運行安全而進行的絕緣預防性試驗等。通過試驗，掌握電氣設備絕緣情況，可保證產品質量或及早發現其缺陷，從而進行相應的維護與檢修，以保證設備的正常運行[3]。

2 絕緣預防性試驗的基本原理

2.1 絕緣電阻的測試

絕緣電阻的測試是電氣設備絕緣測試中應用最廣泛，試驗最方便的項目。絕緣電阻值的大小，能有效地反映絕緣的整體受潮、污穢以及嚴重過熱老化等缺陷。絕緣電阻的測試最常用的儀表是絕緣電阻測試儀（兆歐表）。絕緣電阻測試儀（兆歐表）通常有100V、250V、500V、1000V、2500V和5000V等類型。使用兆歐表應按照DL/T596《電力設備預防性試驗規程》的有關規定。

2.2 泄漏電流的測試

一般直流兆歐表的電壓在2.5KV以下，比某些電氣設備的工作電壓要低得多。如果認為兆歐表的測量電壓太低，還可以采用加直流高壓來測量電氣設備的泄漏電流。當設備存在某些缺陷時，高壓下的泄漏電流要比低壓下的大得多，亦即高壓下的絕緣電阻要比低壓下的電阻小得多。測量設備的泄漏電流和絕緣電阻本質上沒有多大區別，但是泄漏電流的測量有如下特點：（1）試驗電壓比兆歐表高得多，絕緣本身的缺陷容易暴露，能發現一些尚未貫通的集中性缺陷。（2）通過測量泄漏電流和外加電壓的關系有助于分析絕緣的缺陷類型。（3）泄漏電流測量用的微安表要比兆歐表精度高。

2.3 直流耐壓試驗

直流耐壓試驗電壓較高，對發現絕緣某些局部缺陷具有特殊的作用，可與泄漏電流試驗同時進行。直流耐壓試驗與交流耐壓試驗相比，具有試驗設備輕便、對絕緣損傷小和易于發現設備的局部缺陷等優點。與交流耐壓試驗相比，直流耐壓試驗的主要缺點是由于交、直流下絕緣內部的電壓分布不同，直流耐壓試驗對絕緣的考驗不如交流更接近實際。直流耐壓試驗是鑒定電力設備絕緣強度的方法，直流耐壓試驗具有試驗設備輕便，容量小；可同時測量泄漏電流；局放小，對絕緣的損傷小等特點。直流耐壓試驗基本接線原理圖如圖1所示。

圖1 直流耐壓試驗接線原理圖

圖1中微安表：泄漏電流的測量；TO：被試品；V：直流高壓測量裝置。直流耐壓試驗中測得電壓紋波系數如圖2所示。

圖2 電壓紋波系數（≤3%）

圖2所示，左邊為兩倍電壓，右邊為三倍電壓，帶上負載后，倍壓裝置的輸出電壓會降低，并出現脈動。圖3為串級直流高壓發生器原理圖，高壓設備中，采用高電壓、大電容量的電容器和高頻整流形成的串級直流高壓裝置，可減少減少高電壓的脈動。

圖3 串級直流高壓發生器圖

圖3中，串級直流高壓裝置為5級，U=1000kV，I為mA量級。當兩級直流高壓裝置空載時，各點電位圖如圖4所示。

圖4 兩級直流高壓裝置空載時各點電位圖

電壓脈動：C2在放電期間放掉電荷Q2引起；

電壓降落：C1在充電期間放掉電荷Q1引起。

同時，當t1：t2 時，Q1=Q2+Q,在t2瞬間。

由此可得：紋波和電壓降落與電源頻率、級數、電容量、負載電流有關。

2.4 交流耐壓試驗

交流耐壓試驗對絕緣的考驗非常嚴格,能有效地發現較危險的集中性缺陷。它是鑒定電氣設備絕緣強度最直接的方法，對于判斷電氣設備能否投入運行具有決定性的意義,也是保證設備絕緣水平、避免發生絕緣事故的重要手段。交流耐壓試驗有時可能使絕緣中的一些弱點更加發展，因此在試驗前必須對試品先進行絕緣電阻、吸收比、泄漏電流和介質損耗等項目的試驗，若試驗結果合格方能進行交流耐壓試驗。否則,應及時處理，待各項指標合格后再進行交流耐壓試驗,以免造成不應有的絕緣損傷。

2.5 介質損耗因數tgδ測試

介質損耗因數tgδ是反映絕緣性能的基本指標之一。介質損耗因數tgδ反映絕緣損耗的特征參數，它可以很靈敏地發現電氣設備絕緣整體受潮、劣化變質以及小體積設備貫通和未貫通的局部缺陷。介質損耗因數tgδ與絕緣電阻和泄漏電流的測試相比具有明顯的優點，它與試驗電壓、試品尺寸等因素無關，更便于判斷電氣設備絕緣變化情況。因此介質損耗因數tgδ為高壓電氣設備絕緣測試的最基本的試驗之一。介質損耗因數tgδ可以有效的發現絕緣的下列缺陷：（1）受潮；（2）穿透性導電通道；（3）絕緣內含氣泡的游離，絕緣分層、脫殼；（4）絕緣有臟污、劣化老化等[4]。

3 高壓設備的絕緣水平及試驗方法

高壓設備絕緣能否安全可靠地運行，起主要作用的是其耐受電壓的能力。各種額定電壓等級的設備，絕緣都需要具有相應的耐受電壓的能力。設備絕緣耐受電壓能力的大小稱為絕緣水平。電氣身背的絕緣水平應保證絕緣在最大工作電壓的持續作用下和過電壓的短時作用下都能安全運行。

影響絕緣水平的因素主要有：工作電壓的持續作用下的老化是決定絕緣使用壽命的主要條件；雷電過電壓下的沖擊，時間短但數值高；暫時過電壓下的沖擊，如諧振，持續時間較長；操作過電壓下的沖擊。對絕緣水平考核的試驗方法有：雷電過電壓試驗--雷電沖擊電壓模擬裝置；操作沖擊試驗—操作沖擊試驗模擬裝置；工頻電壓等效試驗 為了檢驗絕緣在暫時過電壓作用下運行的可靠性，通常用短時工頻電壓等效地來進行試驗，判斷其絕緣水平的高低。各種設備的一分鐘耐壓就是根據電力系統中內過電壓的大小制定的。其最大的優點就是適合于在現場進行設備的試驗[5]。

我國現行的絕緣預防性試驗項目：測定絕緣電阻；測量泄露電流；直流耐壓試驗；測量介損（介質損耗角正切值δ）；絕緣油介電強度試驗；微量水分測定；油中溶解氣體色譜分析；局部放電試驗；交直流耐壓試驗。以上試驗均是在停電（離線）狀態下進行，通過試驗預判電氣設備的絕緣性能。

4 結論

預防性試驗的方法及經驗是前人多年工作的總結，已經發揮過不少積極作用；但近年來愈來愈多的電力工作者從實踐中意識至，過去的試驗方法已不能滿足現在的技術需求。盡管絕緣預防試驗在保障是電氣設備安全運行方面發揮著重要作用，但在實踐中也逐漸暴露出一些不足，產生了一些問題。由于至今尚未充分掌握絕緣結構的電氣強度與絕緣電阻、泄漏電流及介質損耗因數tgδ等非破壞性試驗參數之間的直接函數關系，故障診斷的依據主要靠經驗積累和實驗室數據，診斷的準確性難以保證。而利用運行電壓來對高壓設備絕緣狀況進行試驗，則可大大提高試驗的真實性與靈敏度。