通过绝缘电阻的漏电流,检测电气设备中的绝缘故障

在这篇文章中，我将介绍一种测量通过绝缘电阻的漏电流的方法。

绝缘劣化是电机、高压变压器和发电机电气设备故障的主要原因之一。绝缘故障可能导致危险电压、火灾、高故障电流和爆炸、设备和财产损坏、人身伤害和致命事故。绝缘失效的主要原因是介电污染、温度循环、过度过载、过电压引起的电压应力过大和老化。

电气和电子工程师协会 (IEEE) 旋转机械绝缘电阻测试推荐规程 (IEEE 43-2000) 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况。该标准推荐了交流 (AC) 和直流 (DC) 旋转电机绕组的最小可接受绝缘电阻值。根据 IEEE 43-2000，表示可接受条件的典型绝缘电阻为 100MΩ 及以上。

图 1 是该方法的高级框图，它需要施加一个固定电压（500V，使用子板上的高压 DC/DC 转换器产生）并测量由泄漏电流引起的分流器两端的电压. 多个可切换的分流电阻依次打开以测量绝缘电阻。

当发生完全短路时，绝缘电阻为0Ω，一个满电流或最大电流（等于500V/R LIMIT）可以通过绝缘电阻。在测量的这一点上，具有较小的分流值（通过打开所有开关）是强制性的。这种方法称为“单分流”方法。更高的绝缘要求更高的分流值，通过打开和关闭 MOSFET 开关来实现。这种方法称为“多分流”方法。分流监测器 (CSM) 测量流经分流器的漏电流。如果需要，您可以使用 CSM 的增益设置引脚以增益放大泄漏电流。如果不需要增益，请使用多路复用器 (MUX) 直接将电压路由到分流器上。

由于测量电路连接到高压，隔离放大器（ISO AMP）隔离测量的输出电压；您可以将 ISO AMP 输出连接到 MCU（微控制器）。MCU 还生成信号来控制可切换分流器、CSM 和 MUX 通道的增益设置；数字隔离器隔离这些信号。

图 2 显示了一种单分流方法，其中 MOSFET 开关关闭，CSM 的 GS0 和 GS1 引脚获得测量电流，并且 MUX 被编程以选择 CSM 输出。

图 3 显示了一种多分流方法，其中 MOSFET 开关根据测量信号打开和关闭，不使用 CSM，并且 MUX 被编程为直接选择分流上的电压。

我使用图 2 和图 3 所示的两种方法测试了这种方法的测量精度。

图 4 显示了单分流方法的测量精度。分流电阻值固定为 22Ω，但您可以动态改变 CSM（本例中为 INA225）的增益。两种颜色指定增益设置（黄色部分的增益 = 25 V/V，棕色部分的增益 = 200 V/V）。

图 5 显示了多分流方法的测量精度。MOSFET 的开启和关闭动态地改变分流电阻值，而 ISO AMP 的输出在任何时候都不得低于 200mV。对于0Ω和3MΩ之间的绝缘电阻，分流电阻的值为220kΩ || 2.7kΩ || 261Ω（绿色区域）。对于 3.1MΩ 和 39.6MΩ 之间的绝缘电阻，分流电阻的值为 220 kΩ || 2.7kΩ（粉红色区域）。对于 39.7MΩ 和 98.4MΩ 之间的绝缘电阻，分流电阻的值为 220kΩ（蓝色区域）。

我用电机测试了建议的方法，如图 6 所示。我测量了一个电机端子（黄线）和电机框架（黑线）之间的绝缘电阻。图 7 显示了电机部分的放大版本。在这个实验中，我使用了一个 2HP 三相交流感应电机。

电机的绝缘电阻（用 Keithley 的高电阻测量设备测量）为 547MΩ。为了测量，我故意将一个 100MΩ 电阻与电机绝缘并联，造成绝缘故障。绝缘电阻547MΩ || 100MΩ = 84.54MΩ（理论上）。我用这种方法测量了并行组合。

表 1 显示了采用单分流方法和多分流方法的绝缘电阻测量值。

绝缘测量是任何电气设备诊断和测试的重要组成部分。在工厂中，此类测量可帮助客户减少或防止此类故障导致的停机时间。绝缘测量测试的准确性可能不是强制性的，因为绝缘电阻的范围足以猜测故障情况。但是我在这里描述的方法的测量误差小于 5%。