直流绝缘子体积电阻的测试

摘 要：随着我国直流输电技术的日益完善，输电设备价格的下降和可靠性的提高，以及运行管理经验的不断积累，直流输电必将得到更快的发展和大量的应用，我国的直流输电将进入一个新的发展时期。

在直流绝缘子的各项性能指标中，体积电阻的测量是直流高压绝缘子性能测试中的一个重要部分。体积电阻是在试样上相对两表面上放置的两电极之间施加的电压除以该两电极间形成的稳态体电流所得的商，两个电极之间可能出现的极化现象忽略不计。实际测量的是经过一定的电化时间（待高压控温箱内的温度升至设定温度值，保温2h后，然后慢慢升压至20KV,本课题选定加压时间为15min）后的体积电流。

直流绝缘子体积电阻的大小，除取决于材料本身组成的结构外，还与测试时的温度 、湿度、电压和处理条件有关。体积电阻愈大，绝缘性能愈好。随着高压直流输变电系统的快速发展，直流绝缘子的性能测试越来越发显出其重要性。因此，设计和总结一套完成的直流高压绝缘子体积电阻的测试方法，有着非常重要的理论和实际意义。本文通过高电压理论和技术的研究，进行方案设计，仪器选择，开展直流高压试验，得出直流绝缘子不同温度下的泄漏电流以及体积电阻的数据，然后进行数据分析，总结出经验公式，指导实际工作。

关键词：直流高压 泄漏电流 电流检测 体积电阻

直流输变电系统的发展:直流高压电源，广泛应用于多个领域，在直流高压试验中重要的作用，是高压试验仪器中的主要测试设备之一。如在电力系统发电机、避雷器、开关、电力电缆试验中，需要进行直流高压下的耐压与泄漏电流试验，以实验结果来判断实验对象的绝缘特性，借助了直流高压电源可以很方便的实现。本课题中主要应用直流高压电源做直流绝缘子的泄漏以及直流绝缘子体积电阻的测试实验。

本课题的背景：众所周知，电的发展首先是从直流开始的，但很快就被交流电所取代，并且在相当长的一段时间内，在发电、输电和用电各个领域，都是交流电一统天下的格局。

一、方案设计

1.方案框图

图1中，A表示高压电源控制箱，它有两个量程0~30KV和0~60KV，其功能是调节输出直流高压的大小。B表示直流高压电源，其功能是输出直流高压。C表示球形微安表，其功能是检测绝缘子泄漏电流的大小。D表示瓷瓶，其功能是引入高压。E是被试品绝缘子。F表示高压控温箱，其功能是保持高压试验温度。G表示检流计或指针式微安表，其功能是检测体积电流的大小。

2.方案预期

根据整体设计思路，按照方案整体设计思路，构思试验原理，选择合适的试验装置。通过直流绝缘子的高压试验，测试出直流绝缘子的绝缘电阻以及体积电阻，整理分析数据，绘制曲线，分析其变化趋势并求出绝缘子的重要系数―温度系数A。

二、试验原理

1.直流绝缘子体积电阻试验

体积电阻是在试样上相对两表面上放置的两电极之间施加的电压除以该两电极间形成的稳态体电流所得的商，两个电极之间可能出现的极化现象忽略不计。实际测量的是经过一定的电化时间（即通电时间，本课题选定通电15分钟）后的体积电流。本实验选用检流计直接检测法。

本方法用检流计测量通过试品的电流。分流器N用来调整绝缘电阻的量程。保护电阻R是用来保护检流计的，万一试品被击穿，施加试验电压时，检流计不致损坏。本方法测量精度高，它由伏特计与检流计的准确度据顶。但是，当检流计具有10-10A/div灵敏度时，本方法只能用来测量1011 数量级的体积电阻。

三、试验装置

1.直流高压电源

1.1直流高压电源原理

直流高压电源的主要设计原理，就是将220V工频输入电压经过升压、整流，达到最终所要求的输出电流以及电压值。

所以，有关直流高压电源的设计工作主要分为倍压电路、升压变压器两部分。

1.2 直流高压电源设计

高压直流电源部分设计指标：

1.2.1高压集装化部分：所有高、低压元器件集中在同一铁盒内，适合在比较复杂的环境中使用。

1.2.2高压引出部分：埋入式电极和拖地电缆（接至恒温室）。

1.2.3电源输出参数：电压：DC0~60KV,电流：0.01uA ~2mA。

2.高压控温箱

本课题选用高压控温箱作为试验容器。其具体性能指标如下：

2.1试验装置的绝缘系统需承受20kV直流高压。

2.2试验箱体内温度0-200℃连续可调，要求30min内能升温至设定值，保温2小时 精度控制在±2%。加热功率1200W。

2.3箱体的试验台及高压引入端绝缘屏蔽，接地屏蔽。

由此可见，本课题所选择的高压控温箱完全能达到试验要求。

3.电流检测装置

试验过程中，由于电流范围大小变化，会超出检流计的量程，因此要结合微安表仪器使用。0~1uA使用检流计,1uA 以上使用微安表。

3.1检流计

检测微弱电量用的高灵敏度的机械式指示电表，用于电桥、电位差计中作为指零仪表，也可用于测微弱电流、电压以及电荷等。主要有磁电系检流计、光电放大式检流计、冲击检流计、振动检流计和振子等。

检流计刻度盘上的刻度分格是均匀的，零点标在度盘中心。动圈左右偏转，都可读数。刻度上虽然标有数值，只是表示分格数；用于测电流、电压时，要另行标定刻度分格所代表的准确数值。

每次试验之前，都要将检流计进行调零。本课题所选用的检流计都是上海电表厂生产的直流复射式检流计，分度值分别为 7.4×10-10A/div 和5.5×10-10A/div。

3.2微安表

数字微安表，又称直流微安表,如图3.6（a）。 详细说明： 用于测量直流泄漏电流或电导电流值，可与直流高压发生器和各种试验变压器配套使用.

3.3信号线

试验过程中使用的信号线应使用屏蔽线，以尽量减小外界对于测量过程的干扰。体积电流引出线需要用绝缘套管包裹，然后套上石英管。

四、方案实施

1.试验线路连接

图1试验接线图

2.高压试验

直流绝缘子体积电阻的测量用检流计（0~1uA ）和微安表（1uA以上）测量体积电流。

3.数据记录

绝缘子加直流高压20KV时，测量单个绝缘子体积电流随温度变化的数据如表4-1。

表4-1 体积电流与温度

试品1加20KV直流高压时，总电流（泄漏电流）、体积电流随温度变化的数据如表4-2

表4-2 试品1的泄漏电流与体积电流

为了验证单个绝缘子体积电流测试的正确性，引入两绝缘子串接进行高压试验，由于放电现象严重，只选取了几个温度点进行测量。试验数据记录入表4-3。

五、数据的处理与分析

1.数据分析

表4-3 两绝缘子串联条件下体积电流的测量

1.1体积电阻测量试验分析

表5-2 体积电阻与温度的关系

图5.1 四组数据得到的体积电阻的拟合曲线

其中，fit 1―试品1第一组试验得到的温度与体积电阻的变化曲线，

fit 2―试品1第二组试验得到的温度与体积电阻的变化曲线，

fit 3―试品2第一组试验得到的温度与体积电阻的变化曲线，

fit 4―试品2第二组试验得到的温度与体积电阻的变化曲线。

图5.2 四组数据采用加权平均法得到的拟合曲线

由MATLAB得到的拟合方程：

f(x) = p1*x^5 + p2*x^4 + p3*x^3 + p4*x^2 + p5*x + p6（5.5）

其中， p1 = -3.72e+004

p2 = 1.59e+007

p3 = -2.695e+009

p4 = 2.285e+011

p5 = -9.842e+012

p6 = 1.761e+014

图5.3 加权平均得到的曲线与四组实测数据曲线的比较

计算温度系数A：

按下列公式计算90℃~120℃的A值：

令℃，℃，且 =3.975×1010Ω，

0.35×1010Ω，则可以求得A=11554.65。这样，就可以由公式（5.1）得出该型号绝缘子在90℃-120℃之间任一温度下的体积电阻。

表5-3 两绝缘子串联得到的体积电阻与温度的对应关系

图5.4 两绝缘子串联得到的体积电阻随温度的变化曲线

由图5.4可以看出，两个绝缘子串联在一起进行40KV高压试验，体积电阻的变化趋势与单个绝缘子进行20KV试验相同。

图5.5 绝缘子串联体积电阻与体积电阻加权平均值的2倍比较

在图5.5中，fit1表示加权平均值的2倍，fit2表示绝缘子串联试验得到的体积电阻。可以看出，两条曲线拟合性较好，这也证明了单个绝缘子体积电阻的正确性。

五、结论

本课题研究了高压直流绝缘子性能测试的试验方法，经过三个多月的理论学习、研究探讨以及试验，成功设计出了一套完整的实验方案，应用于测试直流绝缘子的绝缘电阻以及体积电阻。

本课题首先通过方案设计，构架出整个系统的框架图，根据高压试验原理以及现有条件进行装置的选择，主要包括三部分：

1.系统的直流高压电源：

选择大连理工大学特种电源厂生产的ZGF-60型便携式直流高压发生器。其输出电压最高达60KV，达到了系统参数要求。

2.高压控温箱

选择的高压控温箱耐压20KV，0~200℃连续可调。

3.电流检测装置

球形微安表测量泄漏电流，检流计或指针式微安表测量体积电流。

然后搭建试验线路，进行高压试验。

通过高压直流试验，测量了大连电瓷有限公司的新产品XXP-240型盘式直流绝缘子（添加稀土元素）有关绝缘电阻和体积电阻的数据，利用工程软件MATLAB进行数据分析，得出绝缘电阻和体积电阻随温度的变化曲线以及拟合方程。并且计算出了该产品90℃~120℃之间的温度系数A=11554.65，这样就可以公式（5.1）得出此温度区间内的任意体积电阻。

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