在電氣設(shè)備運維、交接試驗與預(yù)防性試驗現(xiàn)場,兆歐表與絕緣電阻測試儀兩個詞常被混用。采購環(huán)節(jié)把兩者當(dāng)作同一類儀器,技術(shù)交底時卻對電壓輸出、讀數(shù)方式與判讀方法產(chǎn)生分歧;現(xiàn)場作業(yè)拿到手才發(fā)現(xiàn),一臺只能讀瞬時阻值,另一臺能自動給出吸收比與極化指數(shù)。厘清兩者的概念邊界與能力差異,是選對儀器、測準數(shù)據(jù)、讀懂規(guī)程的前提。
絕緣電阻是電氣設(shè)備基礎(chǔ)的一項健康指標。繞組、電纜、套管、避雷器、開關(guān)柜母線,凡是存在帶電導(dǎo)體與接地體之間固體或液體絕緣的地方,都要用絕緣電阻測量來排查受潮、臟污、老化與貫穿性缺陷。僅看某一個時刻的阻值,往往只能作粗略初判,難以區(qū)分絕緣是真正健康還是處于受潮早期;引入吸收比與極化指數(shù),才把判斷推進到極化過程層面。兆歐表是這類儀表的通稱,名稱源自兆歐這一電阻單位;絕緣電阻測試儀是它在電子時代的現(xiàn)代表述,兩者測量的物理量相同,能力邊界卻差別明顯。隨著配電網(wǎng)改造與新能源接入規(guī)模擴大,絕緣測試在現(xiàn)場作業(yè)中的頻次持續(xù)上升,儀器能力差異帶來的溝通與返工負擔(dān)也隨之凸顯。圍繞電壓檔選擇、吸收比與極化指數(shù)測量兩條主線,下面把概念、原理、操作與判讀一次講清。
還要說明絕緣電阻測量的定位:它屬于非破壞性篩查,用較低直流電壓判斷絕緣整體是否受潮、臟污或存在貫穿性缺陷,不能直接給出絕緣的擊穿強度;考核絕緣耐受能力要靠交流耐壓或直流耐壓試驗。二者互補,前者頻繁、經(jīng)濟、可作趨勢,后者嚴格、風(fēng)險高、只在特定節(jié)點做。理解這一點,才不會把一次絕緣電阻讀數(shù)當(dāng)成設(shè)備能否投運的全部憑據(jù)。
兆歐表用于測量高值絕緣電阻,單位通常為兆歐乃至吉歐,因此得名。早期產(chǎn)品由手搖發(fā)電機提供直流高壓,配合磁電系比率表直讀,現(xiàn)場俗稱搖表。按 JJG 622-1997《絕緣電阻表(兆歐表)》的界定,該規(guī)程適用于直接作用模擬指示的絕緣電阻表,即靠指針在標度尺上直接讀數(shù)的類型。
這類儀表的直流高壓來自內(nèi)置電源:可以是手搖發(fā)電機、干電池經(jīng)逆變升壓,或交流電網(wǎng)整流后升壓。測量機構(gòu)多為磁電系比率表,流過電流線圈與電壓線圈的電流比值決定指針位置,從而直接指示絕緣電阻。端子通常有三個:L 接被試導(dǎo)體、E 接設(shè)備外殼或地、G 接保護環(huán)以排除表面泄漏。
JJG 622-1997 規(guī)定,模擬指示兆歐表按額定電壓分為 9 種:50V、100V、250V、500V、1000V、2000V、2500V、5000V、10000V;按準確度等級分為 1.0、2.0、5.0、10.0、20.0 級。它的典型特征是測試電壓固定或僅有少數(shù)幾檔,讀數(shù)依賴人工在某一時刻讀取標度尺數(shù)值,不記錄隨時間變化的吸收過程。選表時還應(yīng)關(guān)注中值電阻:中值電阻是兆歐表標度尺幾何中點對應(yīng)的阻值,反映儀表適合的阻值區(qū)間;被試絕緣的阻值落在中值附近時讀數(shù)準確度相對高,偏離過遠則誤差放大,這一點在模擬表上尤為明顯。手搖式兆歐表需保持額定轉(zhuǎn)速(通常為每分鐘約 120 轉(zhuǎn))才能使輸出端達到額定電壓,轉(zhuǎn)速不足則電壓偏低、讀數(shù)偏高,這是模擬表現(xiàn)場常見的操作誤差來源,也是它與電子式儀表在穩(wěn)定性上的差距之一。
現(xiàn)代絕緣電阻測試儀以電子電路產(chǎn)生穩(wěn)定直流高壓,符合 DL/T 845.1-2019《電子式絕緣電阻表》對電子式絕緣電阻表的技術(shù)要求。它與傳統(tǒng)兆歐表的本質(zhì)區(qū)別在于:高壓由開關(guān)電源與倍壓電路生成,電壓檔可程控切換;測量由微處理器管理,能按設(shè)定時刻自動采樣并記錄。
一臺典型電子式絕緣電阻表具備以下能力:電壓檔覆蓋 250V、500V、1000V、2500V,部分型號擴展到 5000V 乃至 10000V;在加壓后自動于 15秒、60秒、600秒取數(shù),計算吸收比與極化指數(shù);測試結(jié)束或中斷后對被試設(shè)備自動放電;測量結(jié)果可本地存儲并導(dǎo)出;具備絕緣告警、短路電流指示與過載保護。JJG 1005-2019《電子式絕緣電阻表》專門針對這類儀表的檢定作出規(guī)定。
理解測試儀為何要記錄時序阻值,要先看絕緣在直流電壓下的電流構(gòu)成。加壓瞬間,絕緣中存在電容充電電流、吸收電流與泄漏電流三種分量:充電電流在加壓后十余秒已基本衰減,吸收電流在數(shù)十秒到數(shù)百秒逐步衰減,只有泄漏電流長期保持恒定,它的大小直接反映絕緣的真實阻值。如果只讀取某一時刻的阻值,早期讀數(shù)是三種電流疊加的結(jié)果,往往偏低且受極化過程干擾;記錄 15秒、60秒、600秒三個時刻的阻值并作比,恰恰是把衰減中的吸收過程與恒定的泄漏分量區(qū)分開,這正是吸收比與極化指數(shù)測量意義的物理基礎(chǔ)。
絕緣介質(zhì)的極化可分為電子極化、離子極化、偶極子極化與夾層極化(界面極化)幾類。電子極化與離子極化在施加電壓的瞬間即告完成,不貢獻隨時間變化的過程;偶極子極化與夾層極化建立緩慢,是吸收電流的主要來源。吸收比與極化指數(shù)捕捉的正是后兩類極化隨時間的建立過程。溫度偏低時極化更慢,大容量設(shè)備常在油溫較低時比值偏小,這也是規(guī)程規(guī)定吸收比與極化指數(shù)不做溫度換算、并盡量在相近溫度下測量的原因。
名稱上,兆歐表是通稱,絕緣電阻測試儀多指電子式儀表的現(xiàn)代表述,二者測量的都是絕緣電阻。能力上,差別集中在三點:一是電壓輸出,兆歐表多為固定單檔或少數(shù)幾檔,測試儀可程控選擇多檔電壓;二是讀數(shù)方式,兆歐表靠人工讀瞬時值,測試儀自動記錄時序值并算比值;三是安全與數(shù)據(jù),測試儀普遍帶自動放電、存儲與導(dǎo)出,兆歐表通常不具備。適用上,兆歐表適合粗略巡檢與通斷判斷,測試儀適合需要吸收比、極化指數(shù)等時序判據(jù)的交接試驗與預(yù)防性試驗。數(shù)據(jù)可追溯性上,測試儀的存儲與導(dǎo)出讓歷次試驗數(shù)據(jù)可直接比對、生成趨勢,兆歐表多依賴現(xiàn)場手抄,既易丟失也不利于縱向分析。
測試電壓應(yīng)與被試設(shè)備的額定電壓、絕緣結(jié)構(gòu)相匹配,電壓過低會漏檢缺陷,過高可能損傷薄弱絕緣。DL/T 474.1-2018《現(xiàn)場絕緣試驗實施導(dǎo)則》對儀表選擇與試驗方法給出通用要求;GB/T 18216.2-2021《交流1000V和直流1500V及以下低壓配電系統(tǒng)電氣安全 防護措施的試驗、測量或監(jiān)控設(shè)備 第2部分:絕緣電阻》則覆蓋低壓配電系統(tǒng)的絕緣電阻測量設(shè)備。
現(xiàn)場常用的電壓檔對應(yīng)關(guān)系如下:低壓電器、二次回路與控制電纜,多取 250V 或 500V;交流電動機、配電變壓器、電力電纜,多取 1000V 或 2500V;高壓電氣設(shè)備與大容量變壓器,取 2500V 或 5000V,必要時用到 10000V。GB/T 43343-2023《高壓絕緣電阻表》對額定電壓更高的儀表作出規(guī)范,適用于對高壓設(shè)備進行絕緣電阻測量。
電壓檔并非越高越穩(wěn)妥。超過絕緣耐受水平的直流高壓可能在薄弱處留下不可逆損傷;同時高壓下表面泄漏電流更明顯,信噪比反而下降,讀數(shù)受環(huán)境濕度影響更大。選檔的原則是貼合設(shè)備額定絕緣水平,而非一味取高。
吸收比定義為加壓 60秒時的絕緣電阻與 15秒時的絕緣電阻之比,即 R60 除以 R15。極化指數(shù)定義為加壓 600秒時的絕緣電阻與 60秒時的絕緣電阻之比,即 R600 除以 R60。二者反映絕緣介質(zhì)在直流電壓下的極化過程:受潮或臟污的絕緣,吸收電流衰減快,比值偏低;干燥清潔的絕緣,吸收過程長,比值偏高。
DL/T 596-2021《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》對電力變壓器繞組絕緣電阻、吸收比或極化指數(shù)的要求明確:采用 2500V 或 5000V 絕緣電阻表;電壓等級為 35kV 及以上且容量在 4000kVA 及以上時,應(yīng)測量吸收比,常溫下的吸收比不應(yīng)小于 1.3;電壓等級為 220kV 及以上或容量為 120MVA 及以上時,宜用 5000V 兆歐表測量極化指數(shù),常溫下的極化指數(shù)不應(yīng)小于 1.5。規(guī)程同時給出放寬條件:當(dāng) R60 大于 3000MΩ(20℃)時,吸收比可不作要求;當(dāng) R60 大于 10000MΩ(20℃)時,極化指數(shù)可不作要求。
測量時應(yīng)注意:被試繞組在測量前須充分放電;測量溫度以頂層油溫為準,各次測量溫度盡量接近;吸收比與極化指數(shù)不進行溫度換算;對 220kV 及以上變壓器,兆歐表容量一般要求輸出電流不小于 3mA,以保證在容性負載上建立穩(wěn)定電壓。這里的輸出電流指短路電流,即儀表在輸出端近似短路時的額定輸出電流。大容量變壓器繞組等效電容很大,若短路電流過小,電容充電緩慢,端電壓久久達不到設(shè)定檔位,不僅讀數(shù)不穩(wěn),還可能讓早期時刻的阻值嚴重偏低、拖累吸收比與極化指數(shù)判讀。因此選表時不能只看額定電壓,還要核對短路電流是否滿足被試設(shè)備容量。極化指數(shù)須連續(xù)測到 600秒,全程約十分鐘,期間不可中斷、改檔或觸碰接線,否則比值作廢、須重測。測量時機也有講究:應(yīng)在設(shè)備退出運行、三相充分放電、且表面基本干燥后進行;雨雪、凝露或相對濕度很高的天氣,表面泄漏顯著,即便用了 G 端,讀數(shù)仍易受擾,宜擇干燥時段測量。記錄當(dāng)時環(huán)境溫度、濕度與頂層油溫,是后續(xù)換算與比對的前提。
潮濕、臟污環(huán)境下的設(shè)備外絕緣表面會形成泄漏通道,這部分電流不經(jīng)過內(nèi)部絕緣,卻會疊加進讀數(shù),使阻值虛低。遇到套管表面受潮、瓷裙積污或電纜外皮潮濕時,應(yīng)使用 G 屏蔽端子:把 G 端接到被試導(dǎo)體與接地外殼之間的保護環(huán)或屏蔽層,讓表面泄漏電流繞過測量回路直接回流,從而只測內(nèi)部體積絕緣電阻。兆歐表與電子式絕緣電阻表都配有 G 端,現(xiàn)場能否正確運用,往往比選用哪一檔電壓更影響測量可信度。接線次序也有講究:加壓前先接 E 端再接 L 端,拆線時先拆 L 端再拆 E 端,避免殘余電荷經(jīng)人體泄放造成觸電。
僅需粗略判斷絕緣是否通路、是否存在明顯低阻,兆歐表或具備基礎(chǔ)讀數(shù)的測試儀便可滿足。若要做交接試驗、預(yù)防性試驗,并需出具吸收比與極化指數(shù),必須選用電子式絕緣電阻表,且確認其支持定時采樣與比值自動計算。電壓檔應(yīng)覆蓋被試設(shè)備所需范圍,并關(guān)注短路電流與容量是否滿足大容量設(shè)備的要求。北京康高特(KGT)代理的 MEGGER、SONEL 等品牌的電子式絕緣電阻表,覆蓋多檔測試電壓并支持吸收比與極化指數(shù)自動測量,可供選型時參考。采購到貨后宜按 JJG 1005-2019 做入庫檢定,確認電壓輸出、短路電流與讀數(shù)準確再投入現(xiàn)場,避免帶病儀表給出誤導(dǎo)結(jié)論。
除電壓檔與短路電流,選表還要看幾項計量特性。其一是中值電阻,被試絕緣阻值靠近中值時讀數(shù)較為可信,偏離中值越遠誤差越大,選表應(yīng)使預(yù)期阻值落在量程中后段。其二是電壓準確度,儀表輸出端帶載后實際電壓相對額定值的跌落應(yīng)在允差內(nèi),否則讀數(shù)與真實阻值的對應(yīng)關(guān)系失真。其三是量程上限,能否覆蓋吉歐級高阻,決定它在干燥大設(shè)備上的可用性。上述項目在 JJG 622-1997 與 JJG 1005-2019 的檢定項目中均有對應(yīng)要求,采購與驗收時可據(jù)此核對儀表的計量證書。
下面以一臺油浸式電力變壓器的交接試驗為例,演示吸收比與極化指數(shù)的計算過程。示例數(shù)值用于說明方法,具體測量應(yīng)以現(xiàn)場實測為準。
某 110kV 變電站主變壓器,高壓側(cè)額定電壓 110kV,額定容量 50MVA。交接時采用 5000V 電子式絕緣電阻表,測量高壓繞組對地絕緣電阻。加壓后取數(shù):15秒讀數(shù)為 850MΩ,60秒讀數(shù)為 2200MΩ,600秒讀數(shù)為 5600MΩ。
吸收比等于 R60 除以 R15,即 2200 除以 850,約為 2.59。極化指數(shù)等于 R600 除以 R60,即 5600 除以 2200,約為 2.55。按 DL/T 596-2021 判據(jù),常溫下的吸收比不應(yīng)小于 1.3、極化指數(shù)不應(yīng)小于 1.5,該例兩項均高于限值,絕緣狀況良好。將本次測量值與出廠試驗值比較,無明顯差別,交接試驗通過。
這個示例說明:單看某一時刻的絕緣電阻,難以判斷絕緣是否受潮;引入吸收比與極化指數(shù),把 15秒、60秒、600秒三個時刻的阻值串聯(lián)起來,才能分辨吸收過程的快慢。之所以取這三個時刻,是因為充電電流在加壓后十余秒已基本衰減,60秒前后吸收電流進入中段、泄漏分量占比上升,到 600秒吸收過程大多趨近尾聲,三段比值恰好刻畫了極化衰減的全貌。現(xiàn)場遇到 R60 超過 10000MΩ(20℃)的干燥大設(shè)備時,極化指數(shù)可不作要求,此時重點核對絕緣電阻的數(shù)值與歷次數(shù)據(jù)的相對變化。需要補充的是,絕緣電阻的數(shù)值本身隨溫度顯著變化,不同溫度下的測量值須按規(guī)程換算系數(shù)折算到同一基準溫度后再與歷次數(shù)據(jù)比較;但吸收比與極化指數(shù)是比值,規(guī)程明確不做溫度換算,二者處理口徑不同,不可混用。
判讀時還應(yīng)橫向比對同臺設(shè)備各相繞組。三相繞組結(jié)構(gòu)對稱,吸收比與極化指數(shù)應(yīng)彼此接近;若某一相明顯偏低而其余兩相正常,往往指向該相局部受潮或缺陷,而非整體絕緣普遍劣化。把縱向(與歷次數(shù)據(jù)比)與橫向(相間比)結(jié)合,結(jié)論才穩(wěn)。同時要注意,絕緣電阻的數(shù)值隨溫度、濕度變化明顯,單點數(shù)值不足以定性,趨勢變化才是預(yù)警信號。交接試驗與預(yù)防性試驗雖然都測絕緣電阻,側(cè)重點不同:交接側(cè)重與出廠值比對,確認運輸與安裝未損傷絕緣;預(yù)防性側(cè)重與歷次數(shù)據(jù)比對,捕捉緩慢劣化趨勢。同一臺設(shè)備兩次測量的條件越接近,結(jié)論越可比,這也正是規(guī)程反復(fù)強調(diào)溫度相近、充分放電、完整時序的原因。
一是把測試電壓選錯。低壓回路誤用 2500V,可能擊穿薄弱絕緣;高壓設(shè)備只用 500V,則難以激發(fā)缺陷。電壓檔須按設(shè)備電壓等級與絕緣結(jié)構(gòu)確定,并非越高越穩(wěn)妥。
二是只讀瞬時值、忽略吸收過程。對大容量設(shè)備,僅記一個讀數(shù)無法給出吸收比與極化指數(shù),等于放棄了判斷受潮與老化的關(guān)鍵判據(jù)。
三是測量前未充分放電。容性設(shè)備斷電后仍存電荷,未放電即接表,既危及人身安全,也會讓首測讀數(shù)失真。每次測量前后都應(yīng)放電,放電時間不少于充電時間。
四是把吸收比、極化指數(shù)做溫度換算。規(guī)程明確二者不進行溫度換算,因極化過程本身受溫度影響且難以用單一系數(shù)修正;絕緣電阻本身可做溫度換算,但比值判據(jù)直接以常溫限值衡量。
五是混淆兩類儀表的檢定規(guī)程。模擬兆歐表按 JJG 622-1997 檢定,電子式絕緣電阻表按 JJG 1005-2019 檢定,二者適用對象不同,送檢與驗收時應(yīng)對應(yīng)正確規(guī)程。
六是忽視屏蔽端子的使用。表面受潮或積污時不用 G 端,測得的是體積絕緣與表面泄漏的并聯(lián)阻值,往往虛低且隨天氣波動,據(jù)此判據(jù)會誤傷健康設(shè)備。
七是把單次測量當(dāng)作結(jié)論。絕緣狀態(tài)要看趨勢,單點阻值只能作初判;與出廠值、歷次數(shù)據(jù)對比出現(xiàn)明顯變化,才提示需要深入診斷,孤立的一個讀數(shù)不足以定性。
八是量程與中值電阻不匹配。被試阻值遠低于或遠高于儀表中值電阻,讀數(shù)誤差會顯著放大;選表時應(yīng)使預(yù)期阻值落在量程中后段,而非只看額定電壓是否夠高。
九是用普通萬用表代替絕緣測量。萬用表的高壓檔輸出電壓低,內(nèi)阻與量程都不適合兆歐級阻值,測得的數(shù)值既不可比也無判據(jù)意義,必須用專用絕緣電阻測量儀表。
二者測量同一物理量,即絕緣電阻,但能力不同。兆歐表多為模擬直讀、固定電壓檔;絕緣電阻測試儀(電子式絕緣電阻表)可程控多檔電壓、自動記錄時序阻值并算吸收比與極化指數(shù)。日常交流中常混用,選型與試驗時應(yīng)按能力區(qū)分。
二者互補。吸收比看加壓初期 15秒至 60秒的吸收快慢,極化指數(shù)看 60秒至 600秒的長期極化趨勢。對 35kV 及以上、容量較大的變壓器,規(guī)程要求測吸收比;對 220kV 及以上或容量更大的設(shè)備,進一步要求測極化指數(shù)。判讀時兩項結(jié)合,比單看瞬時阻值可靠。
當(dāng) R60 大于 3000MΩ(20℃)時,絕緣已足夠干燥,吸收過程對判據(jù)貢獻有限,規(guī)程允許吸收比不作要求;當(dāng) R60 大于 10000MΩ(20℃)時,極化指數(shù)亦可不作要求。此時以絕緣電阻的數(shù)值與歷次數(shù)據(jù)的相對變化為主。
按設(shè)備類型與絕緣水平選取。低壓電器、二次回路、控制電纜多取 250V 或 500V;具體參照 DL/T 474.1-2018 與 GB/T 18216.2-2021 的要求,避免高電壓損傷低壓絕緣。
需要。電子式絕緣電阻表按 JJG 1005-2019 檢定,傳統(tǒng)模擬兆歐表按 JJG 622-1997 檢定。定期檢定保證電壓輸出、讀數(shù)準確與絕緣強度符合技術(shù)要求,是試驗數(shù)據(jù)可信的前提。
當(dāng)被試設(shè)備外絕緣表面可能受潮、積污,或電纜外皮潮濕時,表面泄漏會嚴重拉低讀數(shù),應(yīng)使用 G 端接保護環(huán)或屏蔽層,排除表面泄漏、只測體積絕緣電阻,否則容易把健康設(shè)備誤判為絕緣不良。
仍可用于粗略巡檢、通斷判斷與教學(xué)演示,其優(yōu)點是不依賴電源、結(jié)構(gòu)簡單。但凡涉及交接試驗、預(yù)防性試驗與吸收比極化指數(shù)判讀,應(yīng)改用電子式絕緣電阻表,以保證定時采樣、自動比值與數(shù)據(jù)可追溯。
二者都是同一物理量在不同時刻的比值,屬于無量綱量,沒有單位。也正因如此,它們不受絕緣電阻數(shù)值的量級影響,便于在不同容量、不同電壓等級的設(shè)備間作同類判讀,但仍須與規(guī)程給出的常溫限值一起使用。
不能。絕緣電阻測量是非破壞性篩查,反映絕緣整體受潮與臟污趨勢;耐壓試驗考核絕緣耐受擊穿的能力,屬嚴格考核。二者目的不同、不可相互替代,現(xiàn)場通常先測絕緣電阻作初判,再決定是否進行耐壓。
兆歐表與絕緣電阻測試儀并非兩個互不相關(guān)的品類,而是同一測量目標在不同技術(shù)階段的產(chǎn)物。理解電壓檔的對應(yīng)關(guān)系、掌握吸收比與極化指數(shù)的測量與判讀,才能在采購、試驗與數(shù)據(jù)分析各環(huán)節(jié)不出偏差。電壓檔須匹配設(shè)備電壓等級,吸收比與極化指數(shù)須按 DL/T 596-2021 等規(guī)程的限值判讀,測量前充分放電、讀數(shù)時關(guān)注時序過程、表面受潮時善用屏蔽端子,才能把絕緣電阻這一基礎(chǔ)指標用足用好。對需要做交接與預(yù)防性試驗的場景,優(yōu)先選用支持多檔電壓與自動比值計算的電子式絕緣電阻表,并按 JJG 1005-2019 定期檢定,讓每一次測量都經(jīng)得起復(fù)核。儀器只是手段,判讀能力才是關(guān)鍵:規(guī)范的接線、充分的放電、完整的時序記錄,往往比換用電壓更高的表更能決定結(jié)論可信。把方法、儀器與判讀三者串起來,絕緣電阻測量才從一次讀數(shù)變成一套可復(fù)核的絕緣健康證據(jù)鏈。