如何检测电气设备中的绝缘故障——第1部分

绝缘老化是造成电机、高压变压器和发电机发生电气设备故障的主要原因之一。绝缘故障会导致危险电压、火灾、高故障电流和爆炸，损坏设备和财产，造成人身伤害和死亡事故。绝缘故障的主要原因包括电介质的污染、温度循环、过载、因过电压造成的过大电压应力，以及老化。

让我们来看看绝缘故障的两种不同示例。图1所示为有缺陷的电焊用交流电机的定子绕组，及绕组连接侧烧坏的线圈。图2所示为因缺乏及时预防性维护造成绝缘纸受损，从而造成灾难性故障的变压器。

图1：有缺陷的电焊用交流电机的定子绕组（图片来源：WindingPhotos）

图2：变压器的灾难性故障（图片来源：OilRegeneraTIon.com）

绝缘测试可以在任何故障发生之前找出绝缘老化。

用于测试旋转机械绝缘电阻（IEEE 43-2000）的电气和电子工程师协会（IEEE）推荐规程中描述了测量绝缘电阻的程序，包括旋转机械绕组的典型绝缘电阻特性，以及这些特性如何指示绕组状态。该标准中介绍了用于交流（AC）和直流（DC）旋转机械绕组绝缘电阻的最低可接受值。根据IEEE 43-2000的规定，表明可接受状态的典型绝缘电阻为100MΩ及以上。以该测定为基础，IEEE标准设定的范围如表1中所示。

绝缘电阻

 

判定

 

100 MΩ或更高

 

可接受。

 

10 – 100 MΩ

 

绕组已经开始老化。性能目前没有问题。一定要定期进行检查。

 

1 – 10 MΩ

 

绕组老化问题很严重。要特别小心。一定要定期进行检查。

 

低于1 MΩ

 

不可接受。

 

表1：根据IEEE 43-2000规定的绝缘电阻范围

应用和使用案例

绝缘测量对诸如变压器、太阳能逆变器和工业电机驱动（变速AC / DC驱动器和伺服驱动器）等的终端设备来说很重要；参见图3和图4。

图3：测量高压变压器的绝缘电阻

图4：测量电机的绝缘电阻

使用一个电阻分压器是测量绝缘电阻的一种简易方法。图5所示为使用这一方法的TINA-TI™模拟电路，在该电路中，两个串联电阻（R12和R2）与绝缘电阻（Riso）并联。流经并联组合的总电流受到R1、R4和直流输入值（按照IEEE 43-2000，通常为500V）的限制。如图6所示，测量 R2两端的电压（这是电流的结果）（VM1）。

图5：使用电阻分压器法的TINA-TI软件模拟

图6所示为TINA-TI模拟的测量曲线图。由于电阻的比率，R2两端的电压并不随绝缘电阻（Riso）呈线性变化。电压VM1的测定值几近饱和，同时绝缘电阻值大于15MΩ。

Riso（单位：ohms）

图6：显示电阻分压器法中饱和现象的图例

图7所示为电阻分压器法的精度曲线图。在0Ω-22.49MΩ这一范围内，百分比精度小于1%。

精度（已校准）

 

 
 

绝缘电阻（W）

图7：电阻分压器法精度图

 

表2列出了这种方法的实验结果。正如您所看到的，测得的输出值与先前值相差几乎3mV到4mV。该值的差异说明使用电阻分压器法时，需要一个高分辨率的模数转换器（ADC），这样提高了系统的成本。

表2：电阻分压器法的实验结果

在下一篇博文中，我会介绍另一种可在整个0MΩ-100MΩ绝缘电阻范围内提供良好精度的方法。

其他信息

?   查看TI Design参考设计技术文件：用于确定绝缘电阻的漏电流测量。

?   查看IEEE标准。

?   熟悉TINA-TI™模拟仿真程序