电动机的极化指数测试现已被现代方法所超越

关于电机测试，极化指数 (PI) 是衡量绝缘系统电阻随时间推移而提高（或降低）的程度。

虽然PI测试一直被认为是评估电机绝缘状况的主要测试方法，但与新的测试方法相比，它的过程已经过时了，新的测试方法可以对电机的整体健康状况进行更全面的诊断评估。

本文提供了对电机绝缘系统的实际理解，对极化指数测试的基本理解，以及现代电机测试方法如何在更短的时间内提供更全面的结果。

偏振指数

极化指数 (PI) 测试是 19 世纪开发的一种标准电机测试方法，用于确定电机绕组绝缘的健康状况。

虽然 PI 测试可提供 20 世纪 70 年代以前安装的典型地墙绝缘 (GWI) 系统的信息，但它无法提供现代电机绕组绝缘的准确状况。

PI 测试包括向电机绕组施加直流电压（通常为 500V – 1000V），以测量 GWI 系统存储电荷的有效性。

由于GWI系统在电机绕组和电机框架之间形成了一个自然电容，所施加的直流电压将被储存为电荷，与任何电容器相同。

随着电容器充满电，电流将减少，直到剩下的只是最后的泄漏电流，这决定了绝缘体提供给地面的电阻大小。

在新的、清洁的绝缘系统中，随着电子的储存，极化电流随时间的推移呈对数下降。 极化指数（PI）是在1分钟和10分钟的间隔内采取的对地绝缘电阻（IRG）值的比率。

PI = 10分钟IRG/1分钟IRG

在 1970 年代以前安装的绝缘系统中，PI 测试是在对绝缘材料进行极化时进行的。

如果地墙绝缘（GWI）开始退化，它就会发生化学变化，导致电介质材料变得更有电阻性，更没有电容性，降低了介电常数，减少了绝缘系统储存电荷的能力。 这导致极化电流在接近泄漏电流占主导地位的范围时变得更加线性。

然而，在20世纪70年代后的新的绝缘系统上，由于各种原因，电介质材料的整个极化发生在不到一分钟的时间内，IRG读数在5000兆欧以上。 计算出的PI可能没有意义，不能作为地墙指示的条件指示。

此外，由于该测试在绕组和电机框架之间产生了静电场，它对绕组绝缘系统的状况提供的指示非常少，如果有的话。 通过使用MCA测量相位角和电流频率响应，是对这些类型故障的最佳指示。

绝缘材料

在电动机中，绝缘是抵抗电子自由流动的材料，引导电流通过所需的路径，并防止其在其他地方逃逸。

从理论上讲，绝缘体应该阻断所有的电流，但即使是最好的绝缘材料也允许少量的电流通过。 这种过剩电流通常称为漏电流。

虽然人们普遍认为电机的寿命为20年，但绝缘系统的故障是电机过早失效的主要原因。

当绝缘材料由于其化学成分的变化而变得更有导电性时，绝缘系统就会开始退化。 由于逐渐使用和/或其他损坏，绝缘材料的化学成分会随着时间的推移而发生变化。 泄漏的电流是电阻性的，会产生热量，从而导致绝缘的额外和更快的退化。

注：大多数漆包线在额定温度（105 至 240°C）下的使用寿命为 20,000 小时。

绝缘系统

电机和其他带线圈的电气设备有2个独立的绝缘系统。

接地墙绝缘系统将线圈与电机的框架分开，防止提供给绕组的电压泄漏到定子铁芯或电机框架的任何部分。 接地墙绝缘系统的断裂被称为接地故障，会产生安全隐患。

绕组绝缘系统是环绕导电线的搪瓷层，导电线为整个线圈提供电流以产生定子磁场。 绕组绝缘系统的断裂被称为绕组短路，会削弱线圈的磁场。

对地绝缘电阻（IRG）

对电机进行的最常见的电气测试是对地绝缘电阻（IRG）测试或 “点测试”。

通过对电机绕组施加直流电压，该测试确定了地墙绝缘对电机框架的最小电阻点。

电容

电容（C），以法拉为单位，被定义为一个系统存储电荷的能力。 建立一个电机的电容是通过使用公式找到的。1法拉=以库仑为单位的存储电荷量（Q）除以电源电压。

举例说明：如果外加电压为 12V 电池，电容器存储 0.04 库仑的电荷，其电容值为 0.0033 法拉或 3.33 mF。 一库仑电荷约等于 6.24 x 1018 个电子或质子。 一个 3.33 mF 的电容器充满电后可存储约 2.08 X 1016 个电子。

电容是通过在导电板之间放置一种电介质材料而产生的。 在电机中，地墙绝缘系统在电机绕组和电机框架之间形成一个自然电容。 绕组导体形成一块板，电机框架形成另一块板，使地壁绝缘成为电介质材料。

电容的大小取决于。

测量板的表面积 – 电容与板的面积成正比。

板间距离 – 电容与板间距离成反比。

介电常数 – 电容与介电常数成正比

对地电容 (CTG)

电容对地（CTG）测量可显示电机绕组和电缆的清洁度。

由于地壁绝缘 (GWI) 和绕组绝缘系统对地形成了天然电容，因此每台电机在全新清洁时都会有一个独特的 CTG。

如果电机绕组或GWI被污染，或电机有湿气侵入，CTG将增加。 然而，如果GWI或绕组绝缘发生了热降解，绝缘将变得更多的电阻和更少的电容，导致CTG下降。

介电材料

介质材料是一种不良的电导体，但支持静电场。 在静电场中，电子不会渗透到电介质材料中，正负分子配对形成偶极子（一对被距离隔开的带相反电荷的分子），并进行极化（偶极子的正面会向负电位对齐，负电荷会向负电位对齐）。

介电常数 (k)

介电常数（K）是衡量介电材料通过形成偶极子储存电荷的能力，相对于K为1的真空而言。

绝缘材料的介电常数取决于形成该材料的分子的化学构成。

介质材料的K值受材料的密度、温度、水分含量和静电场的频率影响。

介电损耗

介电材料的一个重要特性是能够支持静电场，同时以热量形式耗散最小的能量，这就是所谓的介电损耗。

介电击穿

当电介质材料上的电压变得过高，导致静电场变得过强，电介质材料就会导电，被称为电介质击穿。 在固体电介质材料中，这种击穿可能是永久性的。

当电介质击穿发生时，电介质材料的化学成分发生了变化，并导致介电常数的变化。

充电电容器的电流

几十年前，极化指数测试（PI）被引入，以评估绝缘系统存储电荷的能力。 由于如上所述，在给电容器充电时，基本上有三种不同的电流。

充电电流– 平板上累积的电流，取决于平板的面积和平板之间的距离。 充电电流通常在1分钟内结束，< 。 无论绝缘材料的状况如何，充电量都将是相同的。

极化电流– 使介质材料极化或将介质材料置于静电场中使其对齐所需的电流。 通常情况下，在开发极化指数测试时，电机中安装的绝缘系统（20 世纪 70 年代以前）的新清洁绝缘系统的标称值在 100 兆欧（106）范围内，通常需要 30 分钟以上，有时甚至需要几个小时才能完成。 然而，对于较新的绝缘系统（1970 年代后），新的清洁绝缘系统的标称值将在千兆欧姆到太兆欧姆（109，1012）之间，通常在充电电流完全结束之前就会完全极化。

泄漏电流– 流过绝缘材料并散热的电流。

充电电流

一个不带电的电容器，其板块共享相同数量的正负电荷。

在未充电的电容器板上施加直流电源，将导致电子从电池的负极流出来，并在连接到电池负极的板上积聚。

这将在该板上产生过量的电子。

电子将从连接到电池正极的板块中流出，并流入电池，以取代积聚在负极板上的电子。 电流将继续流动，直到正极板上的电压与电池的正极相同，负极板上的电压将达到电池负极的电位。

从电池转移到电池板的电子数量取决于电池板的面积和它们之间的距离。

该电流称为充电电流，不消耗能量，储存在电容器中。 这些储存的电子在板块之间形成一个静电场。

极化电流

在电容器的板块之间放置一种介电材料，相对于真空中的板块间距而言，会增加电容器的电容值。

当电介质材料被置于静电场中时，新形成的偶极子将被极化，偶极子的负端将对准正极板，偶极子的正端将对准负极板。 这被称为极化。

介质材料的介电常数越高，需要的电子数量就越多，从而增加电路的电容。

泄漏电流

流过电介质材料的少量电流，同时仍然保持其绝缘性能，被称为有效电阻。 这与介电强度不同，后者被定义为一种材料能够承受的最大电压而不失效。

随着绝缘材料的退化，它变得更有电阻性，更没有电容性，增加了泄漏电流，降低了介电常数。 泄漏电流会产生热量，被视为介质损耗。

耗散系数

是一种替代测试技术，使用交流信号来锻炼地墙绝缘（GWI）系统。 如上文所述，使用直流信号测试 GWI 时会遇到 3 种不同的电流，但仪器除时间外无法区分电流。 然而，通过应用交流信号测试GWI，有可能将存储的电流（充电电流、极化电流）与电阻性电流（泄漏电流）分开。

由于充电和极化电流都是储存的电流，并在对立的1/2周期内返回，因此电流领先电压90°，而泄漏电流是一种散热的电阻性电流，电流与外加电压同相。 耗散因数 (DF) 简单来说就是电容电流 (IC) 与电阻电流 (IR) 之比。

DF = IC / IR

在干净的新绝缘材料上，IR通常是 5%的IC，如果绝缘材料被污染或热降解，要么IC减少，要么IR增加。 在这两种情况下，DF都会增加。

电机电路分析 (MCA™)

电机电路分析 (MCA™)，也称为电机电路评估 (MCE)，是一种用于评估电机健康状况的去电非破坏性测试方法。 从电机控制中心（MCC）或直接在电机本身启动，这个过程评估了电机系统的整个电气部分，包括测试点和电机之间的连接和电缆。

在电机关闭且无电源的情况下，ALL-TEST Pro 的 AT7 和 AT34 等工具使用 MCA 进行评估：

• 接地故障
• 内部绕组故障
• 开放式连接
• 转子故障
• 污染

使用 MCA™ 工具进行电机测试非常简单，测试时间不到三分钟，而极化指数测试通常需要 10 分钟以上才能完成。

电机电路分析是如何工作的？

三相电机系统的电气部分由电阻电路、电容电路和电感电路组成。 当施加低电压时，健康的电路应该以特定的方式做出反应。

ALL-TEST Pro 电机电路分析工具通过电机施加一系列低压、非破坏性的正弦交流信号，以测量这些信号的响应。 这种断电测试只需要几分钟，甚至可以由初级技术人员进行。

MCA措施：

• 抵抗力
• 阻抗
• 电感
• Fi（相位角）
• 耗散系数
• 对地绝缘
• I/F (当前频率响应)
• 静态测试值（TVS）
• 动态定子和转子签名

并继续适用：

• 交流/直流电机
• 交流/直流牵引电机
• 发电机/换流器
• 机床电机
• 伺服电机
• 控制变压器
• 输电和配电变压器

摘要

在 19 世纪，极化指数测试是确定电机整体状况的有效方法。 然而，随着现代保温系统的发展，它的效果已经大不如前。

PI 测试耗时较长（15 分钟以上），且无法确定故障是发生在绕组还是接地绝缘，而现代技术（如电机电路分析 (MCATM)）可在早期阶段识别连接问题、匝间、线圈间和相间绕组故障，并在 3 分钟内完成测试。

其他技术，如 DF、CTG 和 IRG，也能在最短时间内完成测试，提供地墙隔热系统的状况。

通过将 MCA、DF、CTG 和 IRG 等新技术相结合，现代电机测试方法可对整个电机的绝缘系统进行更全面、更彻底的评估，比以往任何时候都更快、更简单。