Pomiar wyładowań niezupełnych podczas testu surge w uzwojeniach silników elektrycznych

CZYM CHARAKTERYZUJE SIĘ POMIAR WYŁADOWAŃ NIEZUPEŁNYCH?

Rys. 1.

Z klasycznego testu wysokiego napięcia AC wiemy, jak wygląda "wyładowanie zupełne". Wysoka różnica potencjałów oddziałuje na izolację elektryczną, co prowadzi do jej osłabienia, degradacji i w konsekwencji wystąpienia zwarcia (wyładowania zupełnego) pomiędzy uszkodzoną częścią cewki a obudową silnika (parz rys. 1).

Ale co się stanie, jeśli przewód nie jest uszkodzony? Na początku nic się nie stanie. Obecnie miedziane druty nawojowe mają tak wysoką jakość, że ich izolacja jest w stanie wytrzymać duże różnice potencjałów, aczkolwiek przez pewien czas. Dlatego klasyczne testy wysokonapięciowe lub testy surge nie są w stanie wykryć ich postępującej degradacji.

W takich przypadkach wyładowania zupełne nie występują, jednak zmiany w wewnętrznej strukturze materiału izolacyjnego postępują. Analizując termin "wyładowanie niezupełne", należy sobie uświadomić, że ten rodzaj wyładowania ograniczony jest jedynie do części powierzchni lub objętości dielektryka.

Rys. 2.

Silniki elektryczne są zazwyczaj oceniane w następujący sposób: "Silnik nie może wykazywać zwarć w izolacji oraz nadmiernego prądu upływu". Odpowiedź na pytanie: jaka wartość prądu upływu stanowi limit? - nie jest prosta. Normy krajowe i międzynarodowe nie dostarczają żadnych informacji na ten temat.

Co więcej, w dokumentach normatywnych nie jest ujęty nawet zakres, w jakim prądy upływu są kwalifikowane jako dostatecznie niskie, poniżej limitu. Jest to wynikiem tego, że prąd upływu głównie zależy od typu i rozmiaru badanej maszyny i nie może być określony odgórnie dla całej grupy urządzeń. Tak więc wysoki prąd upływu na masywnej maszynie (np. generator w elektrowni) może być całkowicie dopuszczalny, a ten sam prąd na mniejszej maszynie jest niedopuszczalny.

Rys. 3.

Maksymalny dopuszczalny prąd upływu podczas testu HV może być określony za pomocą pomiarów porównawczych w fazie produkcyjnej. Jednak w większości przypadków trudno jest określić limit prądu upływu dla napędów podczas pomiarów serwisowych i konserwacyjnych. Często zdarza się, że doświadczony pomiarowiec potrafi zauważyć zbyt wysoki prąd upływu, nasłuchując trzasków podczas testu wysokonapięciowego. Jednak nie jest w stanie podać szczegółowych informacji na jego temat. W takich przypadkach tylko pomiar wyładowań niezupełnych jest w stanie pomóc!

Rejestrując wyładowania niezupełne, operator jest w stanie wykryć uszkodzenia w wewnętrznej strukturze izolacji, nie narażając jej na zupełne zniszczenie (jak to się dzieje podczas klasycznego testu wysokim napięciem przemiennym).

JAK I GDZIE WYSTĘPUJĄ WYŁADOWANIA NIEZUPEŁNE?

Rys. 4.

Wyładowania niezupełne występują wszędzie, gdzie izolacja narażona jest na wysoki stres elektryczny, zwłaszcza pomiędzy zwojami oraz zwojami i obudową. W nowych silnikach tego rodzaju osłabienia izolacji występują z powodu zastosowania niskiej jakości materiału izolacyjnego. Częstym błędem produkcyjnym jest niewłaściwe ułożenie separatora międzyfazowego lub jego brak.

W starszych silnikach uszkodzenia wynikają z powodu degradacji wewnętrznej struktury izolacji wskutek aktywności wyładowań niezupełnych, jak np. wykruszona żywica izolacyjna. Poniższa ilustracja przedstawia typową strukturę wewnętrzną materiału izolacyjnego. Napięcie probiercze surge zostało podane na uzwojenia. Wyładowania niezupełne zostały przedstawione za pomocą schematu zastępczego.

Rys. 5.

Przewody elektryczne są oddzielone od siebie materiałem izolacyjnym. W przy padku idealnej izolacji jej struktura miałaby charakter jednorodny, bez wewnętrznych defektów, uszkodzeń i braków. W tym przypadku izolację można porównać do jednej dużej pojemności (Cir). Jednakże ze względu na defekty wewnątrz izolacji pojemność (Cir) należy rozumieć jako sumę mniejszych pojemności (Cair) skupionych w mikroskopijnych szczelinach wewnątrz dielektryka, gdzie wysokie pole elektryczne prowadzi do powstania lokalnych wyładowań elektrycznych o małej mocy (Cair).

Na schemacie przykładowa pojemność szczeliny została umieszczona w różowym kwadracie. Konsekwencją pojawienia się wyładowań, jest powolna i postępująca degradacja funkcjonalnych części izolacji. W myśl powiedzenia "kropla drąży skałę" wyładowania będą systematycznie pogarszać stan izolacji i powiększać swój zakres występowania. Ten postępujący proces nieuchronnie wpłynie na jakość izolacji, pogarszając jej parametry. Gdy wyładowania niezupełne osiągną zbyt wysoki poziom, uszkodzona część izolacji będzie tak duża, że doprowadzi to do zwarcia i awarii całego silnika.

Rys. 6.

Tak więc wyznacznikiem dobrej jakości izolacji jest jak najniższy poziom wyładowań niezupełnych. Zwykle jest to tylko kwestią czasu, gdy nawet relatywnie niski poziom wyładowań niezupełnych doprowadzi do zniszczenia silnika / generatora.

Wyładowania niezupełne są dynamicznym, nieliniowym zjawiskiem fizycznym. Przy podwyższonym napięciu ich pojawienie się jest pewne. Pytanie, jakie trzeba sobie zadać, to przy jakim napięciu należy je mierzyć. Odpowiedź na to pytanie jest powiązana z napięciem zasilania przy jakim pracuje testowany silnik, oraz z jego zastosowaniem. Należy mieć to na uwadze, dobierając napięcie probiercze.

POMIAR WYŁADOWAŃ NIEZUPEŁNYCH

Rys. 7.

Silniki elektryczne zasilane z przetwornicy częstotliwości muszą być testowane z podwyższonym napięciem. Dlaczego? Nie jest to oczywiste, ale pytanie brzmi: Jak wysokie napięcia mogą pojawić się na wyjściu falownika? Aby odpowiedzieć na to pytanie należy przyjrzeć się bliżej zasadzie funkcjonowania przetwornicy częstotliwości.

W przetwornicy zasilanej jedno- lub trójfazowo napięcie przemienne jest najpierw prostowane, a następnie wygładzane i magazynowane w odpowiednio dużych pojemnościach. Naładowana pojemność wewnątrz przetwornicy częstotliwości jest zwykle oznaczana jako układ pośredni prądu ciągłego. Teoretycznie maksymalny poziom prądu ciągłego w obwodzie pośrednim jest obliczany z wartości skutecznej napięcia wejściowego przemnożonej przez √2. Tak więc wartość napięcia stałego to wartość szczytowa wartości skutecznej napięcia wejściowego.

Napięcie stałe jest następnie przetwarzane do napięcia przemiennego za pomocą 6 półprzewodnikowych przełączników. Układ zasadą działania można porównać do impulsatora.

Szczerze mówiąc, przetwornice częstotliwości są urządzeniami niemal idealnymi, jednak ich użycie pociąga za sobą ogromną wadę, mianowicie duże odkształcenie napięcia na wyjściu. Kształt napięcia jest daleki od sinusoidy, bardziej przypomina prostokąt niż sinusoidę. Za pomocą odpowiednich algorytmów przełączania falownik jest w stanie odtworzyć sinusoidę do pewnego stopnia. Dokonuje się tego za pomocą tak zwanej modulacji szerokości impulsów (PWM).

Rys. 8.

Przez zmianę cykli pracy przełączników półprzewodnikowych sinus fali jest praktycznie odtworzony. Jednak w praktyce może to wpływać negatywnie na izolację silnika. Powodem tego jest to, że przełączniki półprzewodnikowe przełączają tak szybko, że prowadzi to do wysokich skoków napięcia na wyjściu falownika.

Te chwilowe skoki napięcia są często większe niż minimalna wartość napięcia zasilania silnika. Prowadzi to ostatecznie do zwiększenia stresu elektrycznego na izolacji uzwojeń. Chociaż skoki napięcia mogą być zmniejszone przez odpowiednie filtry sinusoidalne na wyjściu przetwornicy częstotliwości, nie są one powszechnie stosowane ze względu na duże koszty zakupu.

Napięcie o wysokiej częstotliwości ma wysoki spadek na pierwszych zwojach uzwojenia. Wynikiem jest nieliniowy rozkład napięcia wzdłuż testowanego uzwojenia. Pomijając początkowy wzrost napięcie na dalszych zwojach, wykazuje charakter liniowy. Przedstawione zjawisko należy rozważać głównie w odniesieniu do pracy z falownikiem.

W silnikach indukcyjnych zasilanych przez falownik występuje identyczne zjawisko, również pierwsze zwoje cewki są narażone na wysoki skok napięcia. Właśnie z tego powodu test surge jest wysoce rekomendowany jako obecnie najlepsze narzędzie diagnostyczne dla silników indukcyjnych zasilanych przez przetwornicę częstotliwości.

Na wykresie przedstawiono zależność pomiędzy czasem narastania a wartością napięcia. Pojawiające się napięcie szczytowe należy rozpatrywać jako współczynnik. Mnożąc ten współczynnik przez napięcie obwodu pośredniego DC, otrzymujemy wartość bezwzględną przepięcia. W zależności od czasu narastania zdefiniowano cztery zakresy przepięciowe.

Chociaż test napięciem udarowym surge jest wysoce skuteczną metodą badania izolacji uzwojeń, jej możliwości nie są nieograniczone. Metoda jest szczególnie przydatna, jeśli izolacja miedzianych przewodów jest już uszkodzona. Ale jeśli izolacja międzyzwojowa lub międzyfazowa nie jest zupełnie przerwana a jedynie uszkodzona, stosując wyłącznie test surge, nie jesteśmy w stanie wykryć uszkodzenia.

W celu kompleksowej diagnozy stanu izolacji zaleca się pomiar wyładowań niezupełnych jako dodatkowe badanie do testu surge. Pomiar wyładowań niezupełnych dostarcza uzupełniających informacji na temat badanej izolacji. Obydwa testy są ze sobą związane, ponieważ bez napięcia stosowanego podczas testu surge pomiar wyładowań niezupełnych nie byłby możliwy.

Wyładowania niezupełne zawsze występują, gdy napięcie osiągnie najwyższy poziom. Są to wartości maksymalne napięcia probierczego surge.

Jako że pierwszy okres sinusoidy jest najwyższy (to maksymalny poziom napięcia) podczas testu surge, należy zwrócić szczególną uwagę w tej części pomiaru.

Alternatywnie pomiar wyładowań niezupełnych można wykonać podczas testu wysokonapięciowego AC. Obydwa testy stanowią wymaganą podstawę do pomiaru wyładowań niezupełnych. Test surge przede wszystkim "sprawdza" izolację międzyzwojową (od zwoju do zwoju) w celu wykrycia słabych punktów.

To jest jego założenie. Pomiar wyładowań niezupełnych to badanie dodatkowe. Jednakże posługując się wyłącznie testem surge, nie zapewniamy rzetelnej oceny izolacji w 100%. Aby zwiększyć dokładność pomiaru, zaleca się przeprowadzanie tych testów (surge oraz wyładowań niezupełnych) symultanicznie.

Poniżej przedstawiamy widok okna testera serii MTC2 podczas pomiaru wyładowań niezupełnych i testu surge z automatyczną detekcją napięcia inicjacji i wygasania wyładowań niezupełnych.

Astat
www.astat.com.pl