第9讲：绝缘性能测试
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20
4.2 介质损耗角正切的测量
Pr UI r 1 tg Pc UI c C x Rx
电容电流I C
4.2.1 可检测的缺陷种类
I
U
与绝缘电阻的测量相比，介质损耗因数是表征 绝缘功率损耗大小的特征参数，与绝缘的体积 大小无关。 tgδ在反映集中缺陷时不灵敏，测tgδ法适合检 测分布性的绝缘缺陷。 大型设备应按分解部分测量tgδ
U C C x,Rx A
△u
CN B G R4 R3 C4 D
还有外界高压电源的干扰 （ 2 ）电场干扰：杂散电容导致的干 扰电流 （ 3 ）磁场干扰：电桥接线内感应干 扰电势，影响平衡
外界电场 干扰源
27
U
抗干扰措施
C Cx ,Rx A G R4 R3 C4 D CN B
CS
（1）屏蔽
28
（2)倒相法
17
微安表实物
18
微安表的保护
R L
C'
S
A
P
放电管P与微安表支路并联，当泄漏电流超过一定值时 ，电阻R上的压降使放电管放电。并联电容C’的作用是 使指针指向更稳定。微安表平时被闭合的开关S短路， S只在需要读数时打开。
19
绝缘电阻试验的用途
可发现普遍性缺陷 两极间有穿透性的导电通道 受潮 表面污垢（比较有无屏蔽极时的值即可） 因施加电压低，不可发现， 绝缘中的局部缺陷（裂缝、气泡、开裂等） 绝缘的老化（仍保持高阻值）
2
C1 C 2 C 2
西林电桥的基本回路
29
倒相法原理
（干扰电流） I i
I1c Cx1U
I c CxU
I 2 c C x 2U
损耗电流矢量分别在x轴 和y轴进行投影：
I x1
I c CxU I r I c tan CxU tan
2
I x I x2
升压变压器 输入 220 V / 50Hz 标准电容器 CN
Cx ( 试品)
电阻取样 测量单元 测量试品电流 标准电容 器电流
外壳接地
公共接地端
接收器 通讯电缆
32
角差法介损测量仪（无需调节平衡）
33
8
S N
f ( Rx )
+
Rx——绝缘电阻
1
14
摇表（兆欧表）实物
15
L/E/G三端子
线路端子L 接地端子E
采用兆欧表
表面泄漏电流
E
M
保护端子G
G
L
1
2
3
消除表面泄漏电流的影响
16
泄漏电流测量——微安表
T D R a
μA
C
PV2
μA
TO b
~
PV1
V
交流电源经整流输出直流高压，PV2用于测量被试品上所加的直流高 压，泄漏电流用设置于被试品TO高压端（图中a处）或低压端（图中 b处）的微安表进行测量。 对被试品一端接地，且接地线不易解开的情况（如变压器），微安表 接在a处；此时需要将微安表及其与被试品相连的高压引线加以等电 位屏蔽
11
绝缘状态的判定 1，若绝缘内部有集中性导电通道，或绝缘严重受潮，则电阻R1
、R2会 显著降低，泄漏电流大大增加，时间常数τ大为减小，吸收电流迅速 衰减。 2，即使绝缘部分受潮，只要R1与R2中的一个数值降低，τ值也会大为减 小，吸收电流仍会迅速衰减， 3, 绝缘不良会造成吸收比K（及极化指数P，下同）的下降。当K＝1或接 近于1，则设备基本丧失绝缘能力。 K<1.3时，就可判断绝缘可能受潮
I1c I 2 c ，即 2 CxＵ＝(Cx1U Cx 2U ) / 2 又由I c 故 Cx = (C x1 + C x 2 ) / 2
31
三、角差测量法
原理：通过直接测量电压和电流的相位角差来测量tanδ 方法：同时测量流过标准电容器电流（其相角与流过试 品的容性电流的相角一致）和流过试品的电流（全电 流），得到二者之间的相角差，从而可以计算tgδ的数 值。通过数字处理实现。 有逐步取代平衡法测量的趋势。
大量试验以了解设备绝缘状况，确保安全运行
非破坏性试验：绝缘性能测试 破坏性试验：耐压测试
4
4.1 绝缘电阻试验
电气设备的绝缘，绝大多数是——组合绝缘。 双层介质的吸收现象：
i
S
i, R
C1 C2
R1 R2
o
i
吸收电流
R
泄漏电流
U
ia Ig t
吸收电流：由空间电荷极化造成
5
介质受电过程：
t
(C1 C2 ) 2 ( R1 R2 ) R1 R2 (C1 C2 ) 2 R1 R2 ( R2C2 R1C1 ) 2 e
所测绝缘电阻是随测量时间变化而变化的，只有当t ＝∞时，其测量值为R=R∞，但在绝缘电阻试验中， 特别是电容量较大时，很难测量R∞的值，因此，在 实际试验中，规程规定，只需测量60s时的绝缘电阻 值，即R60S的值，当电容量特别大时，吸收现象特 别明显，如大型发电机，可以采用10min时的绝缘 电阻值。
不同绝缘状态下的绝缘电阻的变化曲线
12
绝缘电阻的工程测量
兆欧表（摇表）
微安表
13
兆欧表原理（ 手摇式俗称摇表）
I1流过R1，产生力矩M1， I2流过R2＋Rx，产生力矩M2，角度α反映力矩差
I1 f I2
E R1 G L R2
2
0
R2 Rx f R1
21
4.2.2测量原理
一、西林电桥
U C Cx ,Rx A G R4 R3 C4 D CN B
高压臂：代表试品的 Zx ；无 损耗的标准电容CN
低压臂：处在桥箱体内的可 调无感电阻 R3 （ Z3 ）；无感 电阻 R4 和可调电容 C4 的并联 （Z4）
电桥平衡：检流计G检零
保护：放电管 西林电桥的基本回路
现场的试品：难以实现屏蔽，故 干扰较严重 两次测量法（倒相法）：第一次 测得 tg1 和 Cx ，然后倒换试验变 tg 压器原边电源线的两头 ( 试验电 ＝ 压 U 的相位转 180 ) ，测得第二次 的数值tg2和Cx，可用下式计算 得准确的tg和Cx值：
tg
C1tg1 C 2 tg C1 C2
i, R i
泄漏电流Ig
吸收电流ia
o
吸收电流
R
泄漏电流
ia Ig t
当绝缘严重受潮或出现导电性 缺陷时，R1、R2或两者之和 显著减小，Ig大大增加，而Ia 迅速衰减
9
绝缘电阻
U R(t ) i U t U U ( R2C2 R1C1 ) 2 e R1 R2 (C1 C2 ) 2 ( R1 R2 ) R1 R2
R1 R2 (C1 C2 ) R1 R2
8
由KCL
u1 du1 i C1 R1 dt U U ( R2C2 R1C1 ) e 2 R1 R2 (C1 C2 ) ( R1 R2 ) R1 R2
2 t
R1 R2 (C1 C2 ) R1 R2
U
1 δ
I 2 r Cx 2U tan 1
30
倒相法原理
Ir Ic
tgδ是很小的值，因此近似有： 代入相关值：
tg Ir Ic
I1r I 2 r 2 I I 2c 1c 2
[(Cx1Utg1 Cx 2Utg 2 ) / 2] / [(Cx1U Cx 2U ) / 2] (Cx1tg1 Cx 2 tg 2 ) / (Cx1 C x 2 )
R4 1 R4 Cx CN CN 2 R3 1 tg R3
24
工频下，角频率固定，R4固定
ω=2πf=100π tgδ=ωR4C4=KC4×106
式中C4的单位是F，若C4以μF计则可得到 tgδ=KC4 式中 K的单位为F-1。
R4取
104
25
现场的变通措施：反接法
适用情况：现场大型设备 固定接地时 问题：桥本体处于高电位 ，操作困难 对策：当电桥电压不高时 （如≤10kV），可用绝缘 材料做操作把手；当电桥 电压较高时，操作者与桥 本体在法拉第笼内
22
西林电桥实物
Байду номын сангаас
23
电桥的平衡条件：导纳平衡
YX Y4 Y3YN
1 jC x Rx 1 1 R jC4 R jC N 3 4
Cx ,Rx A
U C CN B G R4 R3 C4 D
1 tg C4 R4 C x Rx
高电压技术
高电压工程系 李黎 leeli@mail.hust.edu.cn
回顾
组合绝缘 绝缘子的绝缘 高压套管的绝缘
2
本次课程
第二篇：绝缘实验 绝缘电阻测试
绝缘电阻 吸收比 摇表的使用 泄漏电流测量——微安表 设备：西林电桥 倒相法原理
3
介损正切的测量
第二篇：电气设备绝缘试验
10
定义吸收比K：
加压60秒时的绝缘电阻与15秒时电阻之比值
K R60 s / R15 s
对大电容量试品（也称极化指数P）：
为加压10分钟时的绝缘电阻与1分钟时电阻之比值
K2 R10 min / R1min
电力设备预防性试验规程等规定：
电力变压器及大型发电机凡采用沥青浸胶及烘卷云母绝缘 者：K值应不小于1.3，P值应不小于1.5；大型发电机采用环 氧粉云母者：K值应不小于1.6，P应不小于2.0；发电机容量 在200MW及以上，推荐测量K2值。
26
二、影响测量准确度的因素
1、外界电磁场的干扰 （ 1）杂散电容：高压引线与低压臂 之间有电场的影响，可以看作其间 有杂散电容Cs。由于低压臂的电位很 低， Cx 和 CN 的电容量很小，如 CN 一 般只有 50100pF ，杂散电容 Cs 的引 入，会产生测量误差。若附近另有 高压源，其间的杂散电容Cs会引入干 扰电流iS，也会造成测量误差。
合上S，C1和C2被充电，起始时刻
i
S U
C1 C2
R1 R2
C2 U10 U C1 C2 U 20 C1 U C1 C2
6
稳态后，绝缘电压按电阻分配
i
S U
C1 C2
R1 R2
U1 U 2
R1 U R1 R2 R2 U R1 R2
7
由电路理论的三要素法：
t R1 C2 R1 u1 U e R1 R2 C1 C2 R1 R2 t R2 C1 R2 u2 U e R1 R2 C1 C2 R1 R2
4.2 介质损耗角正切的测量
Pr UI r 1 tg Pc UI c C x Rx
电容电流I C
4.2.1 可检测的缺陷种类
I
U
与绝缘电阻的测量相比，介质损耗因数是表征 绝缘功率损耗大小的特征参数，与绝缘的体积 大小无关。 tgδ在反映集中缺陷时不灵敏，测tgδ法适合检 测分布性的绝缘缺陷。 大型设备应按分解部分测量tgδ
U C C x,Rx A
△u
CN B G R4 R3 C4 D
还有外界高压电源的干扰 （ 2 ）电场干扰：杂散电容导致的干 扰电流 （ 3 ）磁场干扰：电桥接线内感应干 扰电势，影响平衡
外界电场 干扰源
27
U
抗干扰措施
C Cx ,Rx A G R4 R3 C4 D CN B
CS
（1）屏蔽
28
（2)倒相法
17
微安表实物
18
微安表的保护
R L
C'
S
A
P
放电管P与微安表支路并联，当泄漏电流超过一定值时 ，电阻R上的压降使放电管放电。并联电容C’的作用是 使指针指向更稳定。微安表平时被闭合的开关S短路， S只在需要读数时打开。
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绝缘电阻试验的用途
可发现普遍性缺陷 两极间有穿透性的导电通道 受潮 表面污垢（比较有无屏蔽极时的值即可） 因施加电压低，不可发现， 绝缘中的局部缺陷（裂缝、气泡、开裂等） 绝缘的老化（仍保持高阻值）
2
C1 C 2 C 2
西林电桥的基本回路
29
倒相法原理
（干扰电流） I i
I1c Cx1U
I c CxU
I 2 c C x 2U
损耗电流矢量分别在x轴 和y轴进行投影：
I x1
I c CxU I r I c tan CxU tan
2
I x I x2
升压变压器 输入 220 V / 50Hz 标准电容器 CN
Cx ( 试品)
电阻取样 测量单元 测量试品电流 标准电容 器电流
外壳接地
公共接地端
接收器 通讯电缆
32
角差法介损测量仪（无需调节平衡）
33
8
S N
f ( Rx )
+
Rx——绝缘电阻
1
14
摇表（兆欧表）实物
15
L/E/G三端子
线路端子L 接地端子E
采用兆欧表
表面泄漏电流
E
M
保护端子G
G
L
1
2
3
消除表面泄漏电流的影响
16
泄漏电流测量——微安表
T D R a
μA
C
PV2
μA
TO b
~
PV1
V
交流电源经整流输出直流高压，PV2用于测量被试品上所加的直流高 压，泄漏电流用设置于被试品TO高压端（图中a处）或低压端（图中 b处）的微安表进行测量。 对被试品一端接地，且接地线不易解开的情况（如变压器），微安表 接在a处；此时需要将微安表及其与被试品相连的高压引线加以等电 位屏蔽
11
绝缘状态的判定 1，若绝缘内部有集中性导电通道，或绝缘严重受潮，则电阻R1
、R2会 显著降低，泄漏电流大大增加，时间常数τ大为减小，吸收电流迅速 衰减。 2，即使绝缘部分受潮，只要R1与R2中的一个数值降低，τ值也会大为减 小，吸收电流仍会迅速衰减， 3, 绝缘不良会造成吸收比K（及极化指数P，下同）的下降。当K＝1或接 近于1，则设备基本丧失绝缘能力。 K<1.3时，就可判断绝缘可能受潮
I1c I 2 c ，即 2 CxＵ＝(Cx1U Cx 2U ) / 2 又由I c 故 Cx = (C x1 + C x 2 ) / 2
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三、角差测量法
原理：通过直接测量电压和电流的相位角差来测量tanδ 方法：同时测量流过标准电容器电流（其相角与流过试 品的容性电流的相角一致）和流过试品的电流（全电 流），得到二者之间的相角差，从而可以计算tgδ的数 值。通过数字处理实现。 有逐步取代平衡法测量的趋势。
大量试验以了解设备绝缘状况，确保安全运行
非破坏性试验：绝缘性能测试 破坏性试验：耐压测试
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4.1 绝缘电阻试验
电气设备的绝缘，绝大多数是——组合绝缘。 双层介质的吸收现象：
i
S
i, R
C1 C2
R1 R2
o
i
吸收电流
R
泄漏电流
U
ia Ig t
吸收电流：由空间电荷极化造成
5
介质受电过程：
t
(C1 C2 ) 2 ( R1 R2 ) R1 R2 (C1 C2 ) 2 R1 R2 ( R2C2 R1C1 ) 2 e
所测绝缘电阻是随测量时间变化而变化的，只有当t ＝∞时，其测量值为R=R∞，但在绝缘电阻试验中， 特别是电容量较大时，很难测量R∞的值，因此，在 实际试验中，规程规定，只需测量60s时的绝缘电阻 值，即R60S的值，当电容量特别大时，吸收现象特 别明显，如大型发电机，可以采用10min时的绝缘 电阻值。
不同绝缘状态下的绝缘电阻的变化曲线
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绝缘电阻的工程测量
兆欧表（摇表）
微安表
13
兆欧表原理（ 手摇式俗称摇表）
I1流过R1，产生力矩M1， I2流过R2＋Rx，产生力矩M2，角度α反映力矩差
I1 f I2
E R1 G L R2
2
0
R2 Rx f R1
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4.2.2测量原理
一、西林电桥
U C Cx ,Rx A G R4 R3 C4 D CN B
高压臂：代表试品的 Zx ；无 损耗的标准电容CN
低压臂：处在桥箱体内的可 调无感电阻 R3 （ Z3 ）；无感 电阻 R4 和可调电容 C4 的并联 （Z4）
电桥平衡：检流计G检零
保护：放电管 西林电桥的基本回路
现场的试品：难以实现屏蔽，故 干扰较严重 两次测量法（倒相法）：第一次 测得 tg1 和 Cx ，然后倒换试验变 tg 压器原边电源线的两头 ( 试验电 ＝ 压 U 的相位转 180 ) ，测得第二次 的数值tg2和Cx，可用下式计算 得准确的tg和Cx值：
tg
C1tg1 C 2 tg C1 C2
i, R i
泄漏电流Ig
吸收电流ia
o
吸收电流
R
泄漏电流
ia Ig t
当绝缘严重受潮或出现导电性 缺陷时，R1、R2或两者之和 显著减小，Ig大大增加，而Ia 迅速衰减
9
绝缘电阻
U R(t ) i U t U U ( R2C2 R1C1 ) 2 e R1 R2 (C1 C2 ) 2 ( R1 R2 ) R1 R2
R1 R2 (C1 C2 ) R1 R2
8
由KCL
u1 du1 i C1 R1 dt U U ( R2C2 R1C1 ) e 2 R1 R2 (C1 C2 ) ( R1 R2 ) R1 R2
2 t
R1 R2 (C1 C2 ) R1 R2
U
1 δ
I 2 r Cx 2U tan 1
30
倒相法原理
Ir Ic
tgδ是很小的值，因此近似有： 代入相关值：
tg Ir Ic
I1r I 2 r 2 I I 2c 1c 2
[(Cx1Utg1 Cx 2Utg 2 ) / 2] / [(Cx1U Cx 2U ) / 2] (Cx1tg1 Cx 2 tg 2 ) / (Cx1 C x 2 )
R4 1 R4 Cx CN CN 2 R3 1 tg R3
24
工频下，角频率固定，R4固定
ω=2πf=100π tgδ=ωR4C4=KC4×106
式中C4的单位是F，若C4以μF计则可得到 tgδ=KC4 式中 K的单位为F-1。
R4取
104
25
现场的变通措施：反接法
适用情况：现场大型设备 固定接地时 问题：桥本体处于高电位 ，操作困难 对策：当电桥电压不高时 （如≤10kV），可用绝缘 材料做操作把手；当电桥 电压较高时，操作者与桥 本体在法拉第笼内
22
西林电桥实物
Байду номын сангаас
23
电桥的平衡条件：导纳平衡
YX Y4 Y3YN
1 jC x Rx 1 1 R jC4 R jC N 3 4
Cx ,Rx A
U C CN B G R4 R3 C4 D
1 tg C4 R4 C x Rx
高电压技术
高电压工程系 李黎 leeli@mail.hust.edu.cn
回顾
组合绝缘 绝缘子的绝缘 高压套管的绝缘
2
本次课程
第二篇：绝缘实验 绝缘电阻测试
绝缘电阻 吸收比 摇表的使用 泄漏电流测量——微安表 设备：西林电桥 倒相法原理
3
介损正切的测量
第二篇：电气设备绝缘试验
10
定义吸收比K：
加压60秒时的绝缘电阻与15秒时电阻之比值
K R60 s / R15 s
对大电容量试品（也称极化指数P）：
为加压10分钟时的绝缘电阻与1分钟时电阻之比值
K2 R10 min / R1min
电力设备预防性试验规程等规定：
电力变压器及大型发电机凡采用沥青浸胶及烘卷云母绝缘 者：K值应不小于1.3，P值应不小于1.5；大型发电机采用环 氧粉云母者：K值应不小于1.6，P应不小于2.0；发电机容量 在200MW及以上，推荐测量K2值。
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二、影响测量准确度的因素
1、外界电磁场的干扰 （ 1）杂散电容：高压引线与低压臂 之间有电场的影响，可以看作其间 有杂散电容Cs。由于低压臂的电位很 低， Cx 和 CN 的电容量很小，如 CN 一 般只有 50100pF ，杂散电容 Cs 的引 入，会产生测量误差。若附近另有 高压源，其间的杂散电容Cs会引入干 扰电流iS，也会造成测量误差。
合上S，C1和C2被充电，起始时刻
i
S U
C1 C2
R1 R2
C2 U10 U C1 C2 U 20 C1 U C1 C2
6
稳态后，绝缘电压按电阻分配
i
S U
C1 C2
R1 R2
U1 U 2
R1 U R1 R2 R2 U R1 R2
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由电路理论的三要素法：
t R1 C2 R1 u1 U e R1 R2 C1 C2 R1 R2 t R2 C1 R2 u2 U e R1 R2 C1 C2 R1 R2