⚡️【50 – 5,000Vdc高阻計應用】絶緣電阻測試指引！

【50 – 5,000Vdc高阻計應用】絶緣電阻測試指引

※本文圖文取材編譯自法國原廠CHAUVIN ARNOUX®授權翻譯的技術應用文章"50 to 5000Vdc Megohmmeters-Insulation Resistance Testing Guide"。

電氣絶緣測試

所有電氣裝置和設備均符合絶緣電阻規範，因此，它們才得以安全的操作。無論是關係到連接電纜、分段與保護設備，或是馬達與發電機，電導體皆採用高電阻材料作為絶緣，以儘可能限制導體外的電流流動。

然而，由於影響設備的應力，這些絶緣材料的品質會隨著時間而變化。這些變化會降低絶緣材料的電阻率，因而增加導致事件發生的洩漏電流，這對人身財產的安全與產線停工的成本而言，可能相當嚴重。

除了調試期間在新的及翻新的設備進行測量以外，對裝置和設備執行定期的絶緣測試，可透過預防維護而幫助避免此種事件發生。這些測試，可以在絶緣材料達到可能造成上述事件的程度之前預先偵測絶緣屬性的老化與過早劣化。

在此階段，釐清兩類經常混淆的測量之間的差異，會是個好主意：介電測試與絶緣電阻測量。

介電強度測試，也稱為“擊穿測試”，是測量絶緣材料承受中等持續時間電壓突波而無火花發生的能耐。實際上，電壓突波可能藉由閃電或輸電線路上的故障引起的電感所導致。此測試的主要目的，是要確保已遵循與洩漏途徑和間隙有關的施工規則。此測試往往是透過施加交流電壓進行，但也可以使用直流電壓。此類型的測量需要絶緣“耐壓測試器”。所得到的結果往往是一個以kV為單位表示的電壓值。介電測試在遇到絶緣故障時，可能具有破壞性 - 依測試位準及儀器可用的能量而定，基於此理由，是專用於新的或翻新設備的類型測試中。

然而，在正常測試條件下，絶緣電阻測量是非破壞性的。透過施加振幅比介電測試小的直流電壓而執行測試，會產生一個以kΩ、MΩ、GΩ或TΩ為單位的結果。該電阻即表示介於兩個導體之間的絶緣的品質。由於它是非破壞性的，對於監測電氣設備或裝置在操作生命期間的絶緣老化，特別有用！此測量是採用絶緣測試器 - 也稱為“高阻計”進行。

絶緣故障的原因

使用高阻計監測絶緣是更廣泛維護政策的一部份，重點是須要瞭解絶緣性能劣化的可能的不同成因，以便採取步驟補救。

這些絶緣故障的因素可以概分成五組，同時，請記住，假如不實施任何補救措施，這些不同的原因可能疊加，進而導致絶緣擊穿與設備故障。

電氣應力：

主要與過電壓及欠電壓有關。

機械應力：

頻繁的啟動及關機順序會導致機械應力，還有，旋轉機械上的平衡問題及一般在電纜和裝置上的任何直接應力。

化學應力：

一般而言，接近化學、油、腐蝕性蒸汽和灰塵，會影響絶緣材料的絶緣性能。

與溫度變化有關的應力：

當結合因啟動及關機順序造成的機械應力時，膨脹和收縮應力會影響絶緣材料的屬性。

在極端溫度的操作也會導致絶緣材料老化。

環境汙染：

在溫暖潮濕環境中堆積的黴菌和微粒沉積物，也會導致設備絶緣性能的劣化。

以下圓餅圖說明了電動馬達各種故障原因的相對頻率：

故障原因	頻率佔比
外部汙染物	43%
過載	25%
機械故障	12%
相對相故障	10%
絶緣劣化	5%
其它因素	5%
小計	100%

除了由於異常事件例如淹水造成的絶緣故障外，當設備啟動時，容易降低絶緣性能的因素，是相互摻雜在一起的，有時也會彼此加乘放大。長期而言，若不進行監測，此種情形最終將導致對人身安全及運轉構成疑慮的重大事件。因此，對設備或機械絶緣採取定期測試，是監控此種絶緣劣化的有用方式，以便能及時在完全的故障發生前採取行動。

絶緣測試原理與影響因素

絶緣電阻測量係依據歐姆定律（Ohm’s Law）。藉由注入一低於介電測試電壓的已知直流電壓，然後測量流過的電流，便能簡單的判定電阻數值。原則上，絶緣電阻值是很高，但不是無限大，因此，藉由測量流過的電流，高阻計會指示絶緣電阻值，並提供以kΩ、MΩ、GΩ及*TΩ為單位的結果（*限某些機型）。此電阻值顯示出介於2個導體之間的絶緣品質特性，並理想的指出洩漏電流流過的風險程度。

有些因素會影響絶緣電阻值及因此影響施加恆定電壓到被測電路時的電流流動數值。這些因素，例如，溫度或濕度，可能明顯影響測量結果。

首先，讓我們先假設這些因素並不影響測量，以便分析在絶緣測量中流動的電流的性質。

在絶緣材料中流動的總電流，是以下三個分量的總和：

電容充電電流：對被測絶緣的電容充電所需的電容充電電流。
這是暫態電流，啟動時相當高，一旦被測電路充電了，便呈指數下降到幾近於零。在幾秒或零點幾秒後，相較於被測電流，此電流即變得可以忽略不計。
吸收電流：吸收電流，相當於絶緣材料分子在施加的電場影響下自我重新導向所需的額外能量。此電流下降得遠比電容充電電流緩慢，有時需要幾分鐘才能下降到幾近於零。
洩漏電流：洩漏電流或傳導電流。此電流可表現絶緣品質的特性，並且是隨時間而穩定。

下圖說明以上三種電流與時間的關係 - 已標示時間刻度，並且是依被測絶緣而異。
極大型馬達或極長電纜，可能需要30至40分鐘時間才能使電容及吸收電流下降到足以提供正確的測試結果。

在對電路供給恆定電壓的情形下，在被測絶緣中流動的總電流會隨時間而改變，這意味著絶緣電阻的明顯變化結果。在詳細檢查不同的測量方式之前，再次審視影響絶緣電阻測量的因素會有幫助。

溫度的影響：

溫度會使絶緣電阻值呈“類指數”形式的變化。在預防維護計劃的背景下，測量應該在相似的溫度條件下執行，或者，假如不可能，也應該修正，以將其表示為與參考溫度的關係。例如 - 作為概略的準則 - 溫升10 °C使絶緣電阻值減半，溫降10 °C則使絶緣電阻值加倍。

濕度程度是依絶緣表面的汚染程度而影響絶緣。一直都須注意不在溫度低於露點時測量絶緣電阻。

測試方法與結果的解讀

短時間或單點讀取測量

這是最簡單的方法 - 短時間施加測試電壓30或60秒及注意在當時的絶緣電阻讀值。

如前所示，此直接的絶緣電阻測量是明顯受溫度和濕度影響，因此，測量應該在某個參考溫度標準化，並注意濕度位準，以與前面的測量相比較。

使用此方法，可以透過將測量的電流值與前面幾個測試結果相比較，以分析絶緣品質。而隨時間變化的趨勢，則比單一測試更能代表裝置或設備絶緣特性的演變。

假如測量條件保持一致（相同的測試電壓、相同的測量時間…等），可以透過監測及解讀在這些定期測量中的任何變化，獲得清楚的絶緣評估。在記下絶對值後，應可分析隨時間的變化。

因此，一個顯示相對較低的絶緣值但隨時間穩定的測量結果，理論上，比絶緣數值隨時間明顯下降的測量結果較不需要關注，即使其絶緣值仍高於建議的最小值。一般而言，絶緣電阻值的任何急遽下降，是有問題需要調查的證據。

下圖顯示在一個電動馬達上的絶緣電阻讀值範例：

在A點，絶緣電阻因老化及灰塵堆積而下降。
在B點，急遽下降，表示有絶緣故障。
在C點，故障已被修復（馬達重新繞組），因此，絶緣電阻已恢復到一個較高的數值，而且隨時間維持穩定，表示有理想的狀態。

考量測試電壓施加時間影響的測試方法（PI & DAR）

這些方法需要測量特定時間的連續絶緣電阻值。它們具有的優點是不特別受到溫度影響，因此，只要在測試期間測試設備不受明顯的溫度變化影響，便可應用，而不必修正結果。它們是旋轉機械預防維護應用及絶緣監測的理想選擇！

假如絶緣材料狀態理想，其洩漏及傳導電流很小，而初始測量強烈受到電容充電及介質吸收電流影響。那麼，在施加測試電壓期間，絶緣電阻測量值將因這些干擾電流下降而上升。對於在理想狀態的絶緣體測量所需的穩定時間，則取決於絶緣材料的類型。

假如絶緣材料狀態不良（受損、髒污及潮濕），其洩漏電流既穩定且強大，常常超出電容充電和介質吸收電流，在此種情況下，絶緣電阻測量值在高電壓下將很快變得固定與穩定。

透過檢查絶緣電阻值依測試電壓施加時間的變化，可以評估絶緣品質。此方法即使在沒有絶緣測量記錄時，也可以得到結論，但對於在預防維護計劃背景下執行的定期測量結果，我們仍然建議進行記錄。

極化指數(PI)

這個方法會有2個讀值分別在測試一分鐘及十分鐘時擷取。10分鐘絶緣電阻值對1分鐘絶緣電阻值的比，稱為極化指數（PI），可用於評估絶緣品質。採用極化指數的測量方法，適用於測試老舊的絶緣電路。基於此原因，並不建議運用在例如油浸式變壓器的設備，因為即使絶緣處於理想狀態，也會提供較低的測量結果。

IEEE 43-2000標準在“測試旋轉機械絶緣電阻的推薦作法”中的建議，定義了溫度等級B、F及H交流與直流旋轉機械的極化指數最小值為2.0。更普遍的說，大於4的極化指數是絶緣品質絶佳的象徵，低於2則表示有潛在的問題。

PI = 10分鐘絶緣電阻值 / 1分鐘絶緣電阻值

測量結果解讀如下：

PI數值	絶緣狀態
＜2	有問題
2 – 4	良好
＞4	絶佳

介質吸收比（DAR）

設備/裝置若包含吸收電流快速下降的絶緣材料，則在30秒及60秒後的絶緣測量，可能已足以鑑定絶緣品質。

DAR的定義如下：

DAR = 60秒絶緣電阻值 / 30秒絶緣電阻值

測量結果解讀如下：

DAR數值	絶緣狀態
＜1.25	不足
＜1.6	OK
＞1.6	絶佳

考量測試電壓變動影響的測量方法（步進電壓測試）

絶緣表面存在著汙染（灰塵汚垢等）或水份問題，往往可以清楚的藉由與時間相關的電阻測量揭露出來。然而，絶緣老化或機械損壞問題，在這類型採用與被測絶緣材料介電電壓相比的低電壓執行的測試，有時可能遺漏掉，相反的，施加顯著增加的測試電壓，可能使這些弱點故障，導致測量的絶緣電阻值明顯下降。

為獲得有效的結果，在電壓步階之間的比值，應為1至5，每一步應持續相同的時間（典型為1至10分鐘），同時維持低於典型的介電測試電壓（2Un+1000V）。使用此方法得到的測量結果，完全與絶緣類型及溫度無關，因為此種方法並非以被測絶緣體的固有值為基礎，而是以2個不同測試電壓在一段相同時間後讀值的有效減少為依據。在第一步與第二步之間絶緣電阻值減少25%或以上，通常是與存在著汚染有關的絶緣劣化跡象。

介質放電指數（DD）

介質放電（DD）測試，也稱為“再吸收電流”測試，執行方法是測量被測設備在介質放電期間的電流。

由於在標準的絶緣測試期間，存在著所有三個分量的電流（電容充電電流、極化電流與洩漏電流），極化電流或吸收電流的判定，可能受洩漏電流存在的影響。介質放電測試並不是測量在絶緣測試期間的極化電流，而是測量絶緣測試後的去極化電流與電容充電電流。

測量原理如下：

先將被測設備充電到足以達到穩態的一段長時間（電容充電與極化完成，唯一流動的電流是洩漏電流），然後，再將設備透過高阻計內部的電阻器放電，並測量流過的電流。此電流是由電容充電電流與再吸收電流組成 - 兩者組合以提供總介質放電電流。此電流是在標準一分鐘時間後測得，並取決於總電容及最終的測試電壓。

介質放電（DD）數值採用以下公式計算而得：

DD = 1分鐘後測得的電流 / 測試電壓 x 電容

DD測試可用於發現當多層絶緣中的某一層絶緣受損或汚染時發生的過多放電電流 - 此缺陷在單點測試或PI及DAR測試中可能被遺漏掉。假如某絶緣層損壞，在既定的電壓與電容時，其放電電流會比較高。此個別絶緣層的時間常數，將不再匹配其它絶緣層的時間常數，導致比未受損絶緣還高的電流值。均勻絶緣將有接近於零的DD數值，而可接受的多層絶緣會有最高達到2的DD數值。

下表指出依得到的DD數值進行的判斷：

DD值	絶緣狀態
＞7	不良
4 – 7	較差
2 – 7	可疑
＜2	OK

注意：

此種測量方法與溫度有關，因此，應儘量在一個標準溫度下執行測試，或者，至少在測試結果旁註記溫度。

高阻絶緣測試：使用保護終端

當測量高絶緣電阻值（大於1GΩ）時，測量精度可能受到緣於濕氣與表面汚染物而流在絶緣材料表面的洩漏電流影響，其電阻值不再非常高，因此，相較於您想評估的絶緣電阻而言，已微不足道。

為了排除會降低絶緣測量精度的表面洩漏電流，有些高阻計包括第三個終端，稱為“保護終端”。此保護終端將測量電路分流，並在其中一個測試點重新注入表面電流，繞過測量電路（請參考下圖）。

下圖一：第一個電路不連接保護終端，將同步測量洩漏電流i與不需要的表面電流i1，因此，絶緣電阻測量結果不正確！
下圖二：第二個電路，只測量洩漏電流i，其與保護終端的連接，釋出了表面電流i1，因此，絶緣電阻測量結果正確！

保護終端必須連接到容許表面電流流過的表面，那並非像是電纜或變壓器絶緣材料等絶緣體的情況。全面了解測試電流流過被測元件時可能行經的路徑，對於選擇要連接到保護終端的連接端位置十分重要。

選擇測試電壓

電纜/設備操作電壓	DC測試電壓
24 – 50V	50 – 100Vdc
50 – 100V	100 – 250Vdc
100 – 240V	250 – 500Vdc
440 – 550V	500 – 1,000Vdc
2,400V	1,000 – 2,500Vdc
4,100V	1,000 – 5,000Vdc
5000 – 12,000V	2,500 – 5,000Vdc
＞12,000V	5,000 – 10,000Vdc

上表提供了依裝置與設備操作電壓所建議的測試電壓（摘錄自IEEE 43-2000指引）。

此外，這些數值在廣泛的各個國際標準中已定義適用於電氣器具（IEC 60204、IEC 60439、IEC 60598等）。例如，在法國，NFC15-100標準規範了適用於電氣裝置的測試電壓數值與最小絶緣電阻值（500Vdc及0.5MΩ適用於額定電壓50 - 500V）。然而，我們強烈建議您洽詢電纜/設備製造廠關於建議應用的測試電壓。

測試安全性

測試前