电机绝缘测试一原理及影响因素
绝缘测量的基本原理
2.1
概述
旋转电机的绝缘电阻是与使用绝缘材料的条件与类型，以及如何使用这些材料的工艺技术相关的。一般来讲，绝缘电阻与绝缘厚度成正比，与导体表面面积成反比。
一般我们通过在电机绕组与大地之间施加测试直流电压，通过仪表测量之间流过的电流来测量绕组的绝缘电阻。如下图所展示的通过集总参数所表达的绝缘电阻测量的基本原理图。
图2-1在绝缘测试过程中呈现4个监控电流的等效电路图^[1]^
[1]：引用ieee std 43-2013
总电流表达为：
在接下来我们将介绍这几类电流是如何产生的。
2.2
基本原理介绍
**2.2.1 **绝缘测试的过程中所产生的4类电流
定子绕组的绝缘系统包括了由多种不同材料（云母，玻璃，环氧或聚酯的聚合物基体）之间形成的多个界面。根据图2-1中所示的在施加直流测试电压情况下电机绕组对大地出现了4类电流，其传导过程原理上由所谓的界面极化机制所决定。我们将简单描述下这个动态过程及各个电流的产生的基本原理。
首先，当直流电场突然施加于定子绕组的绝缘系统，在界面处的相邻的两个介电常数不同的绝缘体上通过瞬态容性电流ic快速建立电压，这个过程是非常短暂，其时间常数等于绕组电容与仪表电阻的乘积，以指数关系衰减，所以几乎对总电流it的形状不会产生影响，因而也不会影响到一分钟后的绝缘测量。
接下来，由于构成界面的两个绝缘材料的电导率的不同，在上面所建立的电压作用下形成幅值不同的电流。这两个大小不同的电流将在界面处形成电荷累积或电荷俘获，这个电荷累积过程直到由所俘获电荷建立的反向电场等于相邻两绝缘介质层中的电流时方能完结。
此时所形成的电流称为吸收电流i a 。吸收电流产生到消失过程的时间常数，是在相邻两个绝缘介质中获得相等电流幅值的过程时间，其长短决定于形成界面的相邻绝缘层的几何尺寸，介电常数及传导率。
随测量过程过渡过程完结，建立稳定状态，此时总电流主要决定于漏电流（i l ）和传导电流（i g ），即
其中：表面漏电流（i l ）：随时间不变化的一类电流，一般存在于定子绕组中各匝端表面，或裸露导体之间及转子绝缘绕组中。表面漏电流的幅值决定于温度，导电材料的数量，以及绝缘表面上的潮湿或污染程度。
传导电流（i g ）：在一定时间内是恒定，其流过的路径是从接地表面到（承受）高压的导体之间的整体绝缘，决定于绝缘系统的类型。
图2-2一类聚酯-云母绝缘系统中相对较低的典型电流^[2]^
[2]：引用ieee std 43-2013
**2.2.2 **绝缘电阻测试的重要的两个概念定义
绝缘电阻（irt）：反映了绕组阻止直流电流的电气绝缘能力。可表达为取负极性的测试直流电压，除以流过电机绝缘体的电流所得到的商，同时需要修正到40℃，并考虑测试电压时刻为起点的时间间隔。
测试电压作用时间一般为1min（ir 1 ）或10min（ir 10 ），但是也可采用其他的测量时间间隔。一般时间单位原则：下标从1到10，单位为分钟；下标为15或更大，其单位为秒。
极化指数（p.i. t1/t2 ）：描述与时间相关的绝缘阻值变量。其定义为在t2时刻的绝缘阻值除以在t1时刻的绝缘阻值的商。若没有指定t2与t1时刻，可认为相应为10min和1min。一般时间单位原则：从1到10，单位为分钟；15或更大数值，单位为秒（比如，p.i.10/15 指 ir 60s /ir 15s ）。
2.3
影响绝缘电阻测量的因素
****2.3.1 表面条件的影响
进入到稳态测量，构成总电流it的重要电流分量——表面漏电流il将极大的影响绝缘电阻的测量。绕组表面漏电流il主要受到以下几个因素的影响：
槽外侧的绕组表面出现的油及碳粉；在大型机组或直流电机中具有相对较大裸露爬电表面积，造成表面漏电流会非常高；在绕组端部中采用了应力可控半导体材料涂层，其包含杂质，将导致表面漏电流增加；绝缘表面中的粉尘（或盐），在干燥情况下是非导电状态，但当暴露于潮湿或油环境中，将会部分转换为导电状态，因而，降低绝缘阻值。所以，由于上述因素所带来的污染造成绝缘电阻或极化指数下降，可通过绕组清洁或干燥方式恢复电机绝缘。
****2.3.2 潮湿影响
绝缘表面形成潮气的因素：
由于绕组温度低于环境的凝露点，而形成一层潮气，与绕组表面是否清洁无关；某些类型的绕组绝缘系统所采用的材料与结构本身具有很强的吸湿性；对于热态的电机，在进行绝缘测试时，一般在绕组温度下降到凝露点以下进行测量。而对于长时间没有运行的设备（同时没有投入空间加热器等），需要对进行干燥处理。当前还没有将在一定湿度环境下测量的绝缘阻值转换到不同湿度环境下的绝缘阻值的有效方法。需要注意的是，若绕组表面受到污染，或出现绝缘破损情况，潮气影响将会更加显著。
****2.3.3 温度的影响
对于给定的绝缘系统，温度的增加，将为绝缘材料中更多载流子提供的移动能量，导致绝缘材料中释放更多流子，使绝缘材料电阻率降低。在某时刻下进行绝缘测试时，将影响到总电流it的电流分量——传导电流i g ，所以测量的绝缘阻值与电机绕组温度的关系是成反比例的。
基于此，在进行绝缘测量时，需要记录当前的环境温度，并尽量保证与历史测量记录的环境条件一致，若无法保证，需要将对应环境温度所测量的绝缘阻值统一归算到一个温度下以利于进行对比，西门子推荐基准温度为25℃。修正公式如下：
其中：
r c ：修正到25℃的绝缘阻值（单位m ω）
k t ：在温度t℃下绝缘电阻温度修正系数（请参考图1-3）
r t ：在温度℃下测量绝缘电阻
图2-3环境转换系数关系曲线
****2.3.4 测试电压幅值的影响
在表格2-1中列出了测试电压的指导数值。
表格2-1
测试电压幅值与绝缘电阻的关系：
理论上，在不超过额定电压峰值的任意测试电压作用下都应获得相同的绝缘阻值；在实际情况中，随着测试电压等级的增加，绝缘阻值将略微下降；在良好绝缘情况下，并完全干燥状态时，在测试电压逐渐升高而绝缘阻值显著的下降，很可能表示绝缘存在问题。这些问题很有可能是由于绝缘系统存在瑕疵或破损，也有可能是污染或潮气的引起，或其他情况所导致的；当采用超出电机额定电压以上的测试电压将给绝缘阻值带来显著的变化。****2.3.5 剩余电荷对绝缘阻值测量的影响
若在绝缘中存在剩余或未释放的极化电荷，将导致绝缘电阻测量出现误差。因而，在测量绝缘电阻之前，绕组必须完全放电。
同样，在通过较高直流测试电压进行绝缘绕组测量之后，必须将绕组接地，其持续时间不应低于绕组充电时间的4倍，一方面有利于安全，另一方面有利于接下来绝缘测试精度。
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一般我们通过在电机绕组与大地之间施加测试直流电压，通过仪表测量之间流过的电流来测量绕组的绝缘电阻。如下图所展示的通过集总参数所表达的绝缘电阻测量的基本原理图。
图2-1在绝缘测试过程中呈现4个监控电流的等效电路图^[1]^
[1]：引用ieee std 43-2013
总电流表达为：
在接下来我们将介绍这几类电流是如何产生的。
2.2
基本原理介绍
**2.2.1 **绝缘测试的过程中所产生的4类电流
定子绕组的绝缘系统包括了由多种不同材料（云母，玻璃，环氧或聚酯的聚合物基体）之间形成的多个界面。根据图2-1中所示的在施加直流测试电压情况下电机绕组对大地出现了4类电流，其传导过程原理上由所谓的界面极化机制所决定。我们将简单描述下这个动态过程及各个电流的产生的基本原理。
首先，当直流电场突然施加于定子绕组的绝缘系统，在界面处的相邻的两个介电常数不同的绝缘体上通过瞬态容性电流ic快速建立电压，这个过程是非常短暂，其时间常数等于绕组电容与仪表电阻的乘积，以指数关系衰减，所以几乎对总电流it的形状不会产生影响，因而也不会影响到一分钟后的绝缘测量。
接下来，由于构成界面的两个绝缘材料的电导率的不同，在上面所建立的电压作用下形成幅值不同的电流。这两个大小不同的电流将在界面处形成电荷累积或电荷俘获，这个电荷累积过程直到由所俘获电荷建立的反向电场等于相邻两绝缘介质层中的电流时方能完结。
此时所形成的电流称为吸收电流i a 。吸收电流产生到消失过程的时间常数，是在相邻两个绝缘介质中获得相等电流幅值的过程时间，其长短决定于形成界面的相邻绝缘层的几何尺寸，介电常数及传导率。
随测量过程过渡过程完结，建立稳定状态，此时总电流主要决定于漏电流（i l ）和传导电流（i g ），即
其中：表面漏电流（i l ）：随时间不变化的一类电流，一般存在于定子绕组中各匝端表面，或裸露导体之间及转子绝缘绕组中。表面漏电流的幅值决定于温度，导电材料的数量，以及绝缘表面上的潮湿或污染程度。
传导电流（i g ）：在一定时间内是恒定，其流过的路径是从接地表面到（承受）高压的导体之间的整体绝缘，决定于绝缘系统的类型。
图2-2一类聚酯-云母绝缘系统中相对较低的典型电流^[2]^
[2]：引用ieee std 43-2013
**2.2.2 **绝缘电阻测试的重要的两个概念定义
绝缘电阻（irt）：反映了绕组阻止直流电流的电气绝缘能力。可表达为取负极性的测试直流电压，除以流过电机绝缘体的电流所得到的商，同时需要修正到40℃，并考虑测试电压时刻为起点的时间间隔。
测试电压作用时间一般为1min（ir 1 ）或10min（ir 10 ），但是也可采用其他的测量时间间隔。一般时间单位原则：下标从1到10，单位为分钟；下标为15或更大，其单位为秒。
极化指数（p.i. t1/t2 ）：描述与时间相关的绝缘阻值变量。其定义为在t2时刻的绝缘阻值除以在t1时刻的绝缘阻值的商。若没有指定t2与t1时刻，可认为相应为10min和1min。一般时间单位原则：从1到10，单位为分钟；15或更大数值，单位为秒（比如，p.i.10/15 指 ir 60s /ir 15s ）。
2.3
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****2.3.1 表面条件的影响
进入到稳态测量，构成总电流it的重要电流分量——表面漏电流il将极大的影响绝缘电阻的测量。绕组表面漏电流il主要受到以下几个因素的影响：
槽外侧的绕组表面出现的油及碳粉；在大型机组或直流电机中具有相对较大裸露爬电表面积，造成表面漏电流会非常高；在绕组端部中采用了应力可控半导体材料涂层，其包含杂质，将导致表面漏电流增加；绝缘表面中的粉尘（或盐），在干燥情况下是非导电状态，但当暴露于潮湿或油环境中，将会部分转换为导电状态，因而，降低绝缘阻值。所以，由于上述因素所带来的污染造成绝缘电阻或极化指数下降，可通过绕组清洁或干燥方式恢复电机绝缘。
****2.3.2 潮湿影响
绝缘表面形成潮气的因素：
由于绕组温度低于环境的凝露点，而形成一层潮气，与绕组表面是否清洁无关；某些类型的绕组绝缘系统所采用的材料与结构本身具有很强的吸湿性；对于热态的电机，在进行绝缘测试时，一般在绕组温度下降到凝露点以下进行测量。而对于长时间没有运行的设备（同时没有投入空间加热器等），需要对进行干燥处理。当前还没有将在一定湿度环境下测量的绝缘阻值转换到不同湿度环境下的绝缘阻值的有效方法。需要注意的是，若绕组表面受到污染，或出现绝缘破损情况，潮气影响将会更加显著。
****2.3.3 温度的影响
对于给定的绝缘系统，温度的增加，将为绝缘材料中更多载流子提供的移动能量，导致绝缘材料中释放更多流子，使绝缘材料电阻率降低。在某时刻下进行绝缘测试时，将影响到总电流it的电流分量——传导电流i g ，所以测量的绝缘阻值与电机绕组温度的关系是成反比例的。
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其中：
r c ：修正到25℃的绝缘阻值（单位m ω）
k t ：在温度t℃下绝缘电阻温度修正系数（请参考图1-3）
r t ：在温度℃下测量绝缘电阻
图2-3环境转换系数关系曲线
****2.3.4 测试电压幅值的影响
在表格2-1中列出了测试电压的指导数值。
表格2-1
测试电压幅值与绝缘电阻的关系：
理论上，在不超过额定电压峰值的任意测试电压作用下都应获得相同的绝缘阻值；在实际情况中，随着测试电压等级的增加，绝缘阻值将略微下降；在良好绝缘情况下，并完全干燥状态时，在测试电压逐渐升高而绝缘阻值显著的下降，很可能表示绝缘存在问题。这些问题很有可能是由于绝缘系统存在瑕疵或破损，也有可能是污染或潮气的引起，或其他情况所导致的；当采用超出电机额定电压以上的测试电压将给绝缘阻值带来显著的变化。****2.3.5 剩余电荷对绝缘阻值测量的影响
若在绝缘中存在剩余或未释放的极化电荷，将导致绝缘电阻测量出现误差。因而，在测量绝缘电阻之前，绕组必须完全放电。
同样，在通过较高直流测试电压进行绝缘绕组测量之后，必须将绕组接地，其持续时间不应低于绕组充电时间的4倍，一方面有利于安全，另一方面有利于接下来绝缘测试精度。
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