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，但与可对电机整体健康状况进行更全面诊断评估的最新测试方法相比，其流程已经过时。

本文提供了对电机绝缘系统的实际了解、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 系统会在电机绕组和电机机架之间形成一个天然电容，因此外加直流电压会像任何电容器一样以电荷形式储存起来。

随着电容器充满电，电流会逐渐减小，直到只剩下最后的泄漏电流，这决定了绝缘层对地的电阻大小。

在新的清洁绝缘系统中，极化电流会随着电子储存时间的延长而对数递减。 极化指数 (PI) 是以 1 分钟和 10 分钟为间隔测量的对地绝缘电阻 (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）开始老化，它就会发生化学变化，导致介电材料电阻变大、电容变小、介电常数降低，从而降低绝缘系统存储电荷的能力。 这导致极化电流在接近漏电流占主导地位的范围时变得更加线性。

然而，在 1970 年代以后的新型绝缘系统中，由于各种原因，介电材料的整个极化过程不到一分钟就会发生，IRG 读数超过 5000 兆欧。 计算得出的 PI 值可能并不能说明地墙指示的状况。

此外，由于该测试会在绕组和电机机架之间产生静电场，因此对绕组绝缘系统的状况几乎没有任何指示作用。 使用 MCA 测量相位角和电流频率响应，是显示这类故障的最佳方法。

绝缘材料

在电机中，绝缘材料能阻止电子自由流动，引导电流通过所需的路径，并防止其从其他地方流出。

理论上，绝缘材料应能阻断所有电流，但即使是最好的绝缘材料也会允许少量电流通过。 这种过剩电流通常称为漏电流。

虽然人们普遍认为电机的使用寿命为 20 年，但绝缘系统失效是电机过早失效的主要原因。

当绝缘材料的化学成分发生变化导致导电性增强时，绝缘系统就会开始退化。 随着时间的推移，隔热材料的化学成分会因逐渐使用和/或其他损坏而发生变化。 泄漏电流是电阻性的，会产生热量，导致绝缘材料更快、更多地老化。

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两个独立的绝缘系统。

接地壁绝缘系统将线圈与电机机架分开，防止提供给绕组的电压泄漏到定子铁芯或电机机架的任何部分。 接地墙绝缘系统的损坏称为接地故障，会造成安全隐患。

绕组绝缘系统是一层漆包线，环绕着为整个线圈提供电流以产生定子磁场的导电线。 绕组绝缘系统的损坏称为绕组短路，会削弱线圈的磁场。

对地绝缘电阻（IRG）

对电机进行的最常见电气测试是接地绝缘电阻 (IRG) 测试或 “点测”。

通过向电机绕组施加直流电压，该测试可确定接地壁绝缘与电机机架之间的最小电阻点。

电容

电容 (C) 以法拉为单位，定义为系统存储电荷的能力。 电机电容的计算公式为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电介质材料而产生的。 在电机中，地壁绝缘系统会在电机绕组和电机机架之间形成天然电容。 绕组导体构成一块板，电机机架构成另一块板，使接地壁绝缘材料成为介电材料。

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 受到污染，或电机受潮，CTG 将增加。 但是，如果 GWI 或绕组绝缘发生热降解，绝缘将变得电阻更大、电容更小，从而导致 CTG 下降。

介电材料

介电材料是一种不良导体，但能支持静电场。 在静电场中，电子不会渗透到电介质材料中，正分子和负分子会配对形成偶极子（一对带相反电荷的分子被距离隔开）并产生极化（偶极子的正极会向负电位方向排列，负电荷会向负电位方向排列）。

介电常数 (k)

介电常数 (K) 是介电材料通过形成偶极子来储存电荷的能力的量度，相对于真空而言，真空的介电常数为 1。

绝缘材料的介电常数取决于构成材料的分子的化学组成。

介电材料的 K 值受材料密度、温度、含水量和静电场频率的影响。

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过高，导致静电场过强时，电介质材料就会导电，这就是电介质击穿。 在固体介电材料中，这种击穿可能是永久性的。

发生介电击穿时，介电材料的化学成分会发生变化，导致介电常数发生变化。

充电电容器的电流

几十年前，人们引入了极化指数测试（PI）来评估绝缘系统存储电荷的能力。 如上所述，给电容器充电主要涉及三种不同的电流。

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，充电量都是一样的。

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

不带电的电容器的极板带有相同数量的正负电荷。

向未充电电容器的极板施加直流电源会导致电子从电池的负极流出，并聚集在与电池负极相连的极板上。

这将在该平板上产生过量电子。

电子将从与电池正极相连的极板流出，并流入电池，以取代负极板上积聚的电子。 电流将继续流动，直到正极板上的电压与电池正极相同，负极板上的电压达到电池负极的电位。

从电池流向极板的电子数取决于极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。 这些储存的电子会在极板之间产生静电场。

极化电流

在电容器的极板之间放置介电材料，相对于真空中极板之间的间距，可增加电容器的电容。

当将介电材料置于静电场中时，新形成的偶极子将发生极化，偶极子的负极将对准正极板，而偶极子的正极将对准负极板。 这被称为极化。

介电材料的介电常数越高，需要的电子数量就越多，从而增加了电路的电容。

泄漏电流

在保持绝缘性能的同时，流过介电材料的少量电流称为有效电阻。 这与介电强度不同，后者的定义是材料在不发生故障的情况下所能承受的最大电压。

随着绝缘材料的老化，其电阻会增大，电容会减小，从而增加漏电流，降低介电常数。 泄漏电流会产生热量，被视为介质损耗。

耗散系数

这是一种替代测试技术，使用交流信号来测试地墙绝缘 (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。 不过，通过使用交流信号测试 GWI，可以将存储电流（充电电流、极化电流）与电阻电流（泄漏电流）分开。

由于充电电流和极化电流都是存储电流，并在相反的 ½ 周期返回，因此电流与电压成 90°，而泄漏电流是一种电阻电流，用于散热，电流与施加的电压同相。 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 通常为 IC 的< 5%，如果绝缘材料受到污染或热降解，则 IC 会降低或 IR 会升高。 无论哪种情况，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。 该过程由电机控制中心 (MCC) 或直接在电机本身启动，对电机系统的整个电气部分进行评估，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。 这种断电测试只需几分钟，甚至可以由初级技术人员完成。

MCA 措施：

• 阻力
• 阻抗
• 电感
• Fi（相位角）
• 耗散系数
• 对地绝缘
• I/F（电流频率响应）
• 静态测试值 (TVS)
• 定子和转子动态信号

并继续适用：

• 交流/直流电机
• 交流/直流牵引电机
• 发电机/备用发电机
• 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。 不过，随着现代隔热系统的发展，这种方法的效果已大打折扣。

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。