第五章 电气测量技术（课件）- 《电气与电子测量技术（第3版）》同步教学（电子工业出版社）

3:1 第五章 电气测量技术 1 Page . 电气测量技术 1 高电压的测量：电压互感器 2 大电流的测量：电流互感器 3 频率、周期、相位的测量 4 指针式电工仪表 5 电力设备绝缘性能的测试 7 局部放电的测试 6 接地电阻的测量 绝缘电阻和吸收比的测量 绝缘电阻的测试是电气设备绝缘测试中应用最广泛，试验最方便的项目。 绝缘电阻值的大小，能有效地反映绝缘的整体受潮、污秽以及严重过热老化等缺陷。 绝缘电阻的测试最常用的仪表是绝缘电阻表（俗称兆欧表），绝缘电阻最大可达10^5～10^6M左右。 绝缘电阻表的输出电压通常有100V、250V、500V、1000V、2500V、5000V、10000V等规格，输出电流随输出电压的升高而减少，5kV高压时一般输出电流只有几个mA， 对于一般的绝缘材料是足够的，但对于大电容量的试品，如电力电缆、大型发电机定子绕组、电力电容器，则需要大功率的测量仪表。 1 Page . 测量原理 图1 直流电压下流过不均匀介质的电流构成 电气设备中的绝缘介质并非绝对不导电。 图1中左侧方框代表一绝缘试品，合上开关K，在绝缘介质的两端施加一定的直流电压V，微安表指针首先会发生较大偏转，随后指针偏转角度逐步减小并会稳定在一定的角度。 总电流i 可以分解成三个分量： i1：由绝缘电阻R决定的漏电流 i2：按指数规律衰减的吸收电流，是介质内部RC串联分压的电压重新分配过程中产生的 i3 ：由快速极化产生的电容电流，按指数规律衰减的纯容性电流，衰减速度较快，衰减时间常数比i2 时间常数小。 1 Page . 绝缘介质的吸收电流 吸收电流 吸收电流与绝缘介质内部绝缘老化程度有关，如受潮、局部绝缘缺陷等会使吸收变快。 不同绝缘介质的吸收曲线不同，对同一绝缘介质而言，绝缘状况不同，吸收曲线也不相同。 吸收比K 规程规定加压后60s和15s时测得的绝缘电阻之比为吸收比。即 K＝R60／R15 当K≥1.3时，认为绝缘干燥，而以60s时的电阻为该设备的绝缘电阻。 1 Page . 下面以双层介质为例定性分析吸收现象，如图2，在双层介质上施加直流电压，。 1、当K刚合上瞬间，电压突变，这时层间电压分配取决于电容．即： 2、而在稳态(t→∞)时，层间电压取决于电阻，即： 绝缘介质的吸收现象 图2 1 Page . 3、若被测介质均匀，C1＝C2，r1＝r2，则 在介质分界面上不会出现电荷重新分配的过程。 4、若被测介质均匀C1≠C2，r1≠r2。这表明K合闸后，两层介质上的电压要重新分配。若C1> C2，r1>r2，则合闸瞬间U2>U1；稳态时，U1> U2，即U2逐渐下降，U1逐渐增大。C2已充上的一部分电荷要通过r2放掉，而C1则要经R和r2从电源再吸收一部分电荷。这一过程称为吸收过程。因此，直流电压加在介质上，回路中电流随时间的变化，如图3所示。 绝缘介质的吸收现象 图3 1 Page . 1、初始瞬间由于各种极化过程的存在，介质中流过的电流很大。 2、随时间增加，电流逐渐减小，最后趋于一稳定值Ig，Ig就是由介质电导决定的泄漏电流。与之相应的电阻就是介质的绝缘电阻。 3、图3中阴影部分面积就表示了吸收过程中的吸收电荷，相应的电流称为吸收电流。它随时间增长而衰减，其衰减速度取决于介质的电容和电阻(时间常数为 )。干燥绝缘体，r很大，故  很大，吸收过程明显，吸收电流衰减缓慢，吸收比K大；而绝缘受潮后，电导增大，r减小，Ig也增大，吸收过程不明显 。因此，可根据绝缘电阻和吸收比K来判断绝缘是否受潮。 绝缘介质的吸收现象解释 绝缘电阻测量仪表 三个电流回路： 电源+  R1  线圈1  电源- 电源+  试品外壳  绝缘电阻高压端子A  R2  线圈2  电源- 电源+  试品外壳  绝缘体表面高压屏蔽环  电源- 测量绝缘电阻的仪表常称作摇表，由于绝缘电阻数值至少在兆欧级以上，所以又称为兆欧表。 兆欧表三个接线端子：L、E、G Line端子L：接于被试设备的高压导体上； Earth端子E：接于被试设备的外壳或地上； Guard端子G：接于被试设备的高压屏蔽环/罩上，以消除表面泄漏电流的影响。 由电源和两个线圈回路组成。电源是手摇发电机，处于磁场中的两个线圈（电流线圈和电压线圈）相互垂直，组成磁电式流比计机构。当摇动兆欧表时，发电机产生的直流电压施加试品上，这时在电压线圈和电流线圈中就分别有电流I1和Ix流过，将会产生两个不同方向的转矩T1和T2： T1 = k1 I1 B1 () ， T2 = k2 Ix B2 () 当转矩T1 = T2 时: k1 I1 B1 () = k2 Ix B2 () 手摇式兆欧表的内部结构和原理 手摇直流 发电机 ∞ Ω 500 200 100 30 10 0 Fx N S U Ix Rx R I1 + - M Fx I F1 F1 R：标准电阻 R1、R2：电压、电流线圈的电阻 因为： 结论 偏转角与被测电阻Rx有一定的函数关系，通过标定，角就能反映被测电阻的大小。 偏转角与电源电压U无关，所以手摇发电机转动的快慢不影响读数。 兆欧表在工作时,自身产生高电压,而测量对象又是电气设备,所以必须正确使用,否则就会造成人身或设备事故。 （1）测量前必须将被测设备电源切断,并对地短路放电,决不允许设备带电进行测量,以保证人身和设备的安全。 （2）对可能感应出高压电的设备,必须消除这种可能性后,才能进行测量。 （3）被测物表面要清洁,减少接触电阻,确保测量结果的正确性。 （4）测量前要检查兆欧表是否处于正常工作状态,主要检查其“0”和“∞”两点。即摇动手柄,使电机达到额定转速,兆欧表在短路时应指在“0”位置,开路时应指在“∞”位置。 （5）兆欧表使用时应放在平稳、牢固的地方,且远离大的外电流导体和外磁场。 做好上述准备工作后就可以进行测量了,在测量时,还要注意兆欧表的正确接线,否则将引起不必要的误差甚至错误。 绝缘电阻表的使用 1 Page . 绝缘电阻值的大小，能有效地反映绝缘的整体受潮、污秽以及严重过热老化等缺陷，并且用兆欧表测量绝缘电阻操作简单、安全、概念清晰以及兆欧表价格便宜等，所以在高压电气设备的绝缘测试中兆欧表的使用最广泛。但是用兆欧表测试绝缘时，存在下列明显缺点： （1）一般直流兆欧表的电压2.5KV以下，比某些电气设备的工作电压要低得多，当设备存在某些缺陷时，高压下的泄漏电流要比低压下的大得多，亦即高压下的绝缘电阻要比低压下的电阻小得多。 （2）一般直流兆欧表的输出电流在2mA以下，当被测试设备的等效电容较大（例如电力变压器、发电机定子绕组）时，充电速度慢，难以测得准确数据。 绝缘电阻表的局限 1 Page . 介质损耗因数 是反映绝缘性能的基本指标之一。它可以很灵敏地发现电气设备绝缘整体受潮、劣化变质以及小体积设备贯通和未贯通的局部缺陷。介质损耗因数 与绝缘电阻和泄漏电流的测试相比具有明显的优点，它与试验电压、试品尺寸等因素无关，更便于判断电气设备绝缘变化情况。 介质损耗因数的测量 1 Page . 1、介质损耗：是指绝缘材料在一定强度的交变电场的作用下，由于介质电导、介质极化效应和局部放电，在其内部引起的有功损耗，常简称介损。如图6(a)所示，电介质可以近视等效为电阻R和电容C的并联，对电介质施加交流电压 ，流过电介质的电流就包含阻性分量 和容性分量 ，它们与参考相量 的相位关系如图6(b)所示。 2、介质损耗角：在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量 和电压相量 之间的夹角φ为该绝缘试品的功率因数角，而φ的余角δ就是介质损耗角，也简称介损角。 3、介质损耗因数 介质损耗及介质损耗角δ (a)电介质的RC并联等效电路 (b)相量图 图6 电介质RC并联等效电路和相量图 1 Page . 4、介质损耗因数和介质损耗角正切 电介质的介质损耗因数是一个与无量常数。 5. 介质的有功损耗 所以介质损耗角正切 可以用来衡量电介质损耗大小。电介质损耗发热并可能引起电介质的热击穿,因此在电绝缘技术中, 特别是当绝缘材料用于高电场强度或高频的场合, 应尽可能采tgδ 较低的材料。但也有利用高频电流（一般为0.3～300兆赫）使介质发热以达到干燥材料(木材、纸、陶瓷等)的目的。 介质损耗及介质损耗角δ 1 Page . 传统测量方法是采用QS1型电桥，也称高压西林电桥，同时也能得到试品的电容量。 当电桥平衡时，IG=0，应满足： 整理得： 左边实部等于零，整理可得： 故有： 取 欧姆，f =50Hz，R43184（）， 得到： 同理可得： QS1电桥测量介质损耗角正切原理 Zx：被试品的等效阻抗 Cn ：标准电容器 R3 ：可调无感电阻 C4 ：可调无感电容器 QS1电桥原理图 1 高电压的测量：电压互感器 2 大电流的测量：电流互感器 3 频率、周期、相位的测量 4 指针式电工仪表 5 电力设备绝缘性能的测试 7 局部放电的测试 6 接地电阻的测量 1、电力设备的接地: 将设备的某一部位通过接地线与接地网进行可靠的金属连接。为保证接地阻抗在一定范围内（不同接地类型有不同的要求），一般需要埋设接地网。接地网由角钢、圆钢等构成一定的几何形状，设备、接地线和接地网要可靠连接。 2、电力设备的接地种类：按照接地目的的不同，可以分为 工作接地：指电力系统利用大地作为地线回路的接地，正确的工作接地是电力设备正常工作的基本条件，如三相四线制中变压器中性点的接地。 保护接地：指为防止电力设备的外壳和不带电的金属部分因绝缘泄漏或感应带电所进行的接地。正确的保护接地是防止触电、保护人身安全的重要措施。 防雷接地：指过电压保护装置或户外设备的金属结构的接地，如避雷器的接地、光伏电池组串的金属框架的接地等。 接地阻抗的测量 1 Page . 接地阻抗 1 Page . 接地阻抗： 指电力设备的接地极与电位为零的远处间的阻抗，可以用两点间的电压与通过接地装置流向大地的电流的比值来测量。它反映的是接地装置对入地电流的阻碍作用的大小。由于接地阻抗的大小对电力系统的正常运行和人身安全有重大影响，所以接地阻抗的测量属于国家标准强制要求测量项目。 影响接地阻抗大小的因数： 接地体附近土壤电阻率的大小 接地网的几何参数和埋入深度 接地线与接地网的金属连接 在接地极E和电流极C之间施加工频交流电压U,就会有电流通过接地极、大地和辅助电流电极构成的回路。电流通过接地极向大地四周扩散，在接地极附近形成电压降。 由于电流从接地体向四周发散，所以距离接地极越近，电流密度越大，电压降落也最显著，形成图8（b）所示的电位分布。如果辅助电流极离接地极的距离足够远，就会在它们的中间出现电压降近视为零的区域，该区域的电位分布对应图8（b）中电位分布曲线中间平坦的部分。假设辅助电压极P正好位于该区域，电压表和电流的读数分别为V、I，则接地体E的工频接地阻抗Z为： 伏安法测量接地阻抗的基本原理 图8 (a)接线原理图 (b)接地体附近电位分布图 Page . 辅助电压电极P必须准确找到电位为零的区域。 具体方法是： 在E、C足够远（通常大于接地网对角线长度的4-5倍）的情况下，将辅助电压极逐步远离E极向C极方向移动，当电压表读数基本不变时，该位置就是近视的零电位点。有时为了测准，则采用变电所的出线，达到E、C两极距离足够大。 伏安法准确测量接地阻抗的关键 1 Page . 1、试验接线图：见图9 由于一般低压220V由一条相线和一条中性线（一火一地）构成，若没有升压变压器隔离，则相线端直接接到被测接地装置上，可能造成电源短路。 2、接地阻抗计算 Z——接地阻抗，单位; V——电压表测得被测接地电极与电压辅助电极间电压，单位V; I——流过被测接地电极的电流，单位A。 接地阻抗的测量方法 图9 电压-电流表法接地阻抗测量试验接线图 Page . 电极直线布置：一般选电流线dGC等于(4～5)D，D为接地网最大对角线长度，电压线dGP为0.618dGC左右。测量时还应将电压极沿接地网与电流极连线方向前后移动dGC的5%，各测一次。若3次测得的阻抗值接近，可以认为电压极位置选择合适。若3次测量值不接近，应查明原因（如电流极、电压极引线是否太短等）。当远距离放线有困难时，在土壤电阻率均匀地区，dGC可取2D;当土壤电阻率不均匀时，dGP可取3D左右。 电极三角形布置，一般选dGP=dGC=(4～5)D，夹角≈30。测量时也应将电压极前后移动再测2次，共测3次。 接地阻抗测量试验的电极布置 Page . 接地阻抗测量注意事项 1 Page . (1)测量应选择在干燥季节和土壤未冻结进行。 (2)采用电极直线布置测量时，电流线与电压线应尽可能分开，不应缠绕交错。 (3)在变电站进行现场测量时，由于引线较长，应多人进行，转移地点时，不得甩扔引线。 (4)测量时接地阻抗表无指示，可能是电流线断；指示很大，可能是电压线断或接地体与接地线未连接；接地阻抗表指示摆动严重，可能是电流线、电压线与电极或接地阻抗表端子接触不良，也可能是电极与土壤接触不良造成的。 (5)对于运行10年以上接地网，应部分开挖检查，看是否有接地体焊点断开、松脱、严重锈蚀现象。曾发生过变电站接地电阻测量合格而开挖检查时发现接地体严重锈蚀的情况。 1 高电压的测量：电压互感器 2 大电流的测量：电流互感器 3 频率、周期、相位的测量 4 指针式电工仪表 5 电力设备绝缘性能的测试 7 局部放电的测试 6 接地电阻的测量 电力设备局部放电的测量 1 Page . 1、定义： 按照GB/T7354-2003(等同IEC60270-2000)《 局部放电测量》中的定义,局部放电是指导体间绝缘仅被部分桥接的电气放电，这种放电可以在导体附近发生，也可以不在导体附件发生。 2、局放产生的原因： 主要是由于绝缘体内部或绝缘表面局部电场特别集中而引起的，例如固体绝缘体中的小气泡或其它杂质、导体和绝缘体界面上的小金属毛刺等都会导致局部的电场集中。 3、危害： 早期局放放电水平低，对整体绝缘尚不构成严重影响。但长期在工作电压下的局部放电会伴随着热、光和化学反应，逐步侵蚀周围的绝缘,最终产生严重的绝缘缺陷。局部放电量是评估电力设备绝缘性能的重要质量指标，局部放电测量试验是电力设备绝缘的非常重要的预防性试验项目。国标GB/T7354-2003及部标DL/T 417-2006均对局部放电测量试验的试验对象、测量参数、测量回路等给出具体说明。 局部放电的基本模型：见图11 绝缘体内含一小空气泡δ，气泡δ与固体介质的上下S区形成串联，再与左右P区并联，等效电路如图11(b)所示。 定性分析：设A为S区截面积，、为固体介质和气泡的介电常数 局部放电的机理分析 图11 含气泡的绝缘试品及其等效电路 (a) 含一个气泡的固体绝缘试品 (b)等效电路。 气泡δ的等效电容 S区固体介质的等效电容 Page . 在绝缘试品两端施加一交流电压UAC,电容Cs和Cδ串联分压，两个电容上的电压比为： 气泡内的电场强度Eδ与S区的电场强度ES之比为： 结论：气泡内的电场强度就是周围固体介质中的电场强度的 倍，由于常用固体绝缘材料的介电常数是空气的介电常数δ的2-20倍，小气泡很可能在工作电压下就会出现局部放电。 局部放电的机理分析 1 Page . 给试品施加工频交流电压，气泡两端的电压如图12所示： 虚线正弦电压曲线 表示不出现局部放电气泡δ两端的电压变化 曲线 表示出现稳定的周期性局部放电时气泡δ两端的电压变化情况 Uδ 随外电压UAC上升并达到气泡的击穿电压UδB时，气泡内发生放电，UδB迅速下降到Uδm，气泡放电停止，气泡电压的下降幅度为△Uδ。 随后再重复上升、击穿后快速下降的循环，半周期局放循环次数取决于气泡的击穿电压UδB和外加试验电压UAC的大小。气泡电压下降幅度△Uδ反应了局部气体放电电离过程的剧烈程度。因为气体放电的电离过程会产生正负离子，这些带电离子在外电场的作用下分别定向移动到气泡的上下壁从而形成了一个内部反向电场。气泡内的电场是外加电场和这个反向电场叠加的结果。在半个周波内的每一次新的放电，都会在气泡壁上积累更多的电荷，反向电场也不断加强，所以就需要更高的外部电压才能产生新的放电。 气泡内发生局部放电的过程分析 图12 气泡内发生局部放电的过程 Page . 局部放电的复杂性 1 Page . 上述对局部放电发生过程的分析只是基于单气泡一个定性的分析，而实际的局部放电过程要复杂得多。 绝缘材料中的气泡可能会有多个，局部放电点可能会有多个 每个气泡的起始放电电压也不一样，所以放电脉冲不会如图12那样整齐。但局部放电基本都发生在工频电压上升途中，并靠近正负峰值附近。 剧烈的局部放电也可能在2、4象限出现，这主要是由于剧烈放电产生大量正负离子，这些带点离子在两气泡壁间形成过高的内部反向电压足以在外部电压下降到一定程度后就将气泡击穿。 局部放电的主要参数 1 Page . 放电起始电压Ui 指局放脉冲参量幅值等于或超过某一规定的最低值时的施加在绝缘试品上的最低电压。从以上定义不难看出，绝缘材料内微弱的局放是允许的，但为了保证电力设备安全运行，必须对局部放电水平进行定期检查。 放电熄灭电压Ue 当所选的局放脉冲参量幅值等于或小于某一规定的最低值时的最低施加电压。 视在放电量q： 在试品两端瞬时注入一定电荷量，使试品端电压的变化和由局部放电本身引起的端电压的变化相同，此注入量即为局部放电的视在电荷量,单位为皮库（pC）。 由于局部放电发生在绝缘试品的内部，其实际放电量无法测量，但视在放电电荷量q可以证明与实际放电量之间基本成正比的关系,并且视在放电电荷量总是小于实际放电量。 DL/T417-2006 《电力设备局部放电现场测试导则》对脉冲电流法推荐了针对不同类型试品的三种检测回路，如下图6.13中（a）、（b）、（c）所示. 脉冲电流法局部放电测量的基本回路 1 Page . 三种标准测量回路 1 Page . （1）检测阻抗Zm与耦合电容CK串联检测回路 在试验电压下，流经试品的电容电流超过检测阻抗的允许电流，或试品的接地部位固定接地，可采用图13（a）所示检测回路。回路中的Zf用以衰减来自高压电源的干扰，并阻止试品局部放电脉冲经电源阻抗旁路，从而增加灵敏度。 （2）检测阻抗Zm与试品CK串联检测回路 在试验电压下，流经试品的电容电流符合检测阻抗的允许电流，试品的接地部位允许不接地，可采用图13（b）所示检测回路。 在此回路中检测阻抗接在试品的低压侧，试品低压侧必须与地隔开。有时，试验变压器入口电容和高压引线的杂散电容可起耦合电容CK的作用，而不需再接专门的耦合电容器。此种接线特别适用于试品电容小于试验变压器入口电容和杂散电容的情况。 （3）平衡检测回路 当采用图13（a）、（b）测量回路受到较强外部干扰时，应考虑采用图13（c）所示的平衡回路。 感谢聆听 � � � Z� � C R δ j 0 � � V A 接地体 电流极 电压极 电流表 电压表 交流试验 电源 E C P U UE -UC (a) (b) � � � � � � 接地体 电流极 电压极 E C P V A 升压 变压器 自耦 调压器 � D 电压极 P 电流极 C dGP dGC G 接地网 (a) D 电压极P 电流极C dGP dGC G 接地网 q � � � � � � δ P P S S CP� Cδ� CS� RP Rδ RS UAC UAC d D t Uδ Uδm +UδB -UδB Uδ $$