اختبار مؤشر الاستقطاب على المحركات الكهربائية تم تجاوزه الآن بالطرق الحديثة

فيما يتعلق باختبار المحرك الكهربائي ، فإن مؤشر الاستقطاب (PI) هو مقياس لمدى تحسن (أو تدهور) مقاومة نظام العزل بمرور الوقت.

بينما يعتبر اختبار PI الاختبار الأساسي عند تقييم حالة عزل المحرك ، فقد أصبحت عمليته قديمة مقارنة بأساليب الاختبار الأحدث التي توفر تقييمًا تشخيصيًا أكثر شمولاً للصحة العامة للمحرك.

تقدم هذه المقالة فهمًا عمليًا لنظام عزل المحرك ، وفهمًا أساسيًا لاختبار مؤشر الاستقطاب ، وكيف توفر طرق اختبار المحرك الحديثة نتائج أكثر شمولاً في وقت أقل.

مؤشر الاستقطاب (PI)

اختبار مؤشر الاستقطاب (PI) هو طريقة اختبار قياسية للمحرك الكهربائي تم تطويرها في القرن التاسع عشر والتي تحاول تحديد صحة عزل ملفات المحرك.

في حين أن اختبار PI يوفر معلومات عن أنظمة عزل الجدار الأرضي (GWI) التي تم تركيبها عادةً قبل السبعينيات، إلا أنه يفشل في توفير حالة دقيقة لعزل الملفات في المحركات الحديثة.

يتضمن اختبار PI تطبيق جهد التيار المستمر (عادةً 500 فولت – 1000 فولت) على ملف المحرك لقياس فعالية نظام GWI لتخزين شحنة كهربائية.

نظرًا لأن نظام GWI يشكل سعة طبيعية بين لفات المحرك وإطار المحرك ، فسيتم تخزين جهد التيار المستمر المطبق كشحنة كهربائية مثل أي مكثف.

عندما يصبح المكثف مشحونًا بالكامل ، سينخفض ​​التيار حتى يصبح كل ما تبقى هو تيار التسرب النهائي ، والذي يحدد مقدار المقاومة التي يوفرها العزل للأرض.

في أنظمة العزل الجديدة النظيفة ، يتناقص تيار الاستقطاب لوغاريتميًا مع مرور الوقت أثناء تخزين الإلكترونات. مؤشر الاستقطاب (PI) هو نسبة مقاومة العزل للأرض (IRG) المأخوذة على فترات 1 و 10 دقائق.

PI = 10 Minute IRG / 1 Minute IRG

في أنظمة العزل التي تم تركيبها قبل السبعينيات، يتم إجراء اختبار PI أثناء استقطاب المادة العازلة.

إذا بدأ عزل الجدار الأرضي (GWI) في التدهور ، فإنه يخضع لتغير كيميائي يتسبب في أن تصبح المادة العازلة أكثر مقاومة وأقل سعة ، مما يقلل من ثابت العزل ويقلل من قدرة نظام العزل على تخزين شحنة كهربائية. هذا يتسبب في أن يصبح تيار الاستقطاب أكثر خطية حيث يقترب من النطاق الذي يسود فيه تيار التسرب.

ومع ذلك ، في نظام العزل الأحدث بعد السبعينيات ، ولأسباب مختلفة ، يحدث الاستقطاب الكامل للمادة العازلة في أقل من دقيقة واحدة ، وتكون قراءات IRG أعلى من 5000 ميج أوم. قد لا يكون PI المحسوب ذا معنى كمؤشر لحالة مؤشر الجدار الأرضي.

بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن هذا الاختبار يخلق مجالًا إلكتروستاتيكيًا بين اللفات وإطار المحرك ، فإنه لا يوفر سوى القليل جدًا من المؤشرات ، إن وجدت ، على حالة نظام العزل المتعرج. أفضل إشارة إلى هذه الأنواع من الأخطاء من خلال استخدام قياسات MCA لزاوية الطور واستجابة التردد الحالية.

المواد العازلة

في المحركات الكهربائية ، العزل هو المادة التي تقاوم التدفق الحر للإلكترونات ، وتوجه التيار عبر المسار المرغوب وتمنعه ​​من الهروب إلى مكان آخر.

من الناحية النظرية ، يجب أن يمنع العزل كل تدفق التيار ، ولكن حتى أفضل المواد العازلة تسمح بمرور كمية صغيرة من التيار. يشار إلى هذا التيار الزائد عادة باسم تيار التسرب .

في حين أنه من المقبول عمومًا أن عمر المحركات يبلغ 20 عامًا ، فإن فشل نظام العزل هو السبب الرئيسي وراء فشل المحركات الكهربائية قبل الأوان.

يبدأ نظام العزل في التدهور عندما يصبح العزل أكثر موصلة بسبب تغير في تركيبته الكيميائية. يتغير التركيب الكيميائي للعزل بمرور الوقت من الاستخدام التدريجي و / أو الأضرار الأخرى. تيار التسرب مقاوم ويولد حرارة مما يؤدي إلى تدهور إضافي وسريع للعزل.

ملحوظة : تم تصميم معظم الأسلاك المطلية بالمينا لضمان عمر خدمة يبلغ 20000 ساعة في درجات الحرارة المقدرة (105 إلى 240 درجة مئوية).

أنظمة العزل

المحركات والمعدات الكهربائية الأخرى ذات الملفات لها نظامان منفصلان ومستقلان للعزل.

1. تقوم أنظمة عزل الجدار الأرضي بفصل الملف عن إطار المحرك ، مما يمنع الجهد المزود للملفات من الهروب إلى قلب الجزء الثابت أو أي جزء من إطار المحرك. يسمى انهيار نظام عزل الجدار الأرضي بالخطأ الأرضي ويخلق خطرًا على السلامة.
2. أنظمة عزل اللف عبارة عن طبقات من المينا تحيط بالسلك الموصل الذي يوفر التيار للملف بأكمله لإنشاء المجال المغناطيسي للجزء الثابت. يُطلق على انهيار نظام العزل المتعرج اسم لف قصير ويضعف المجال المغناطيسي للملف.

الشكل 1: 2 نظام عزل منفصل

مقاومة العزل للأرض (IRG)

الاختبار الكهربائي الأكثر شيوعًا الذي يتم إجراؤه على المحركات هو اختبار مقاومة العزل للأرض (IRG) أو “اختبار البقعة”.

من خلال تطبيق جهد التيار المستمر على لف المحرك ، يحدد هذا الاختبار نقطة المقاومة الدنيا التي يقدمها عزل الجدار الأرضي لإطار المحرك.

السعة

تُعرّف السعة (C) ، المقاسة بالفاراد ، بأنها قدرة النظام على تخزين شحنة كهربائية. يمكن تحديد سعة المحرك باستخدام المعادلة: 1 Farad = مقدار الشحنة المخزنة في كولوم (Q) مقسومًا على جهد التغذية.

مثال: إذا كان الجهد المطبق عبارة عن بطارية بجهد 12 فولت وكان المكثف يخزن 0.04 كولوم من الشحنة ، فسيكون له سعة قدرها 0033 فاراد أو 3.33 مللي فاراد. يبلغ مقدار الشحنة الواحدة حوالي 6.24 × 10 ¹⁸ إلكترونًا أو بروتونات. سيخزن مكثف 3.33 mF حوالي 2.08 X 10 ¹⁶ إلكترونًا عند الشحن الكامل.

يتم إنشاء السعة بوضع مادة عازلة بين الألواح الموصلة. في المحركات ، تشكل أنظمة عزل الجدار الأرضي سعة طبيعية بين لفات المحرك وإطار المحرك. تشكل موصلات اللف صفيحة واحدة ويشكل إطار المحرك الآخر ، مما يجعل الجدار الأرضي يعزل المادة العازلة.

يعتمد مقدار السعة على:

1. مساحة السطح المقاسة للألواح – السعة تتناسب طرديًا مع مساحة الألواح.
2. المسافة بين الألواح – السعة تتناسب عكسياً مع المسافة بين الألواح.
3. ثابت العزل – السعة تتناسب طرديا مع ثابت العزل.

السعة على الأرض (CTG)

يشير قياس السعة إلى الأرض (CTG) إلى نظافة اللفات والكابلات الخاصة بالمحرك.

نظرًا لأن عزل الجدار الأرضي (GWI) وأنظمة العزل المتعرجة تشكل سعة طبيعية للأرض ، سيكون لكل محرك CTG فريد عندما يكون المحرك جديدًا ونظيفًا.

إذا أصبحت لفات المحرك أو GWI ملوثة ، أو كان المحرك به دخول رطوبة ، فإن CTG سيزداد. ومع ذلك ، إذا تعرض أي من GWI أو عزل اللف إلى تدهور حراري ، فسيصبح العزل أكثر مقاومة وأقل سعة مما يؤدي إلى انخفاض CTG.

مواد عازلة

المادة العازلة هي موصل ضعيف للكهرباء ولكنها تدعم مجالًا إلكتروستاتيكيًا. في مجال إلكتروستاتيكي ، لا تتخلل الإلكترونات المادة العازلة وتتزاوج الجزيئات الموجبة والسالبة لتكوين ثنائيات أقطاب (أزواج من الجزيئات المشحونة بشكل معاكس مفصولة بمسافة) وتستقطب (الجانب الإيجابي من ثنائي القطب سوف يتماشى مع الجهد السالب والشحنة السالبة ستتماشى مع الإمكانات السلبية).

ثابت عازل (ك)

ثابت العزل (K) هو مقياس لقدرة مادة عازلة على تخزين شحنة كهربائية عن طريق تشكيل ثنائيات أقطاب ، نسبة إلى الفراغ الذي يحتوي على K من 1.

يعتمد ثابت العزل الكهربائي للمادة العازلة على التركيب الكيميائي للجزيئات مجتمعة لتشكيل المادة.

يتأثر K للمادة العازلة بكثافة المادة ودرجة الحرارة ومحتوى الرطوبة وتكرار المجال الكهروستاتيكي.

خسارة عازلة

من الخصائص المهمة للمواد العازلة القدرة على دعم مجال إلكتروستاتيكي ، مع تبديد الحد الأدنى من الطاقة في شكل حرارة ، والمعروف باسم فقدان العزل الكهربائي .

انهيار العزل الكهربائي

عندما يصبح الجهد الكهربي عبر مادة عازلة مرتفعًا جدًا مما يؤدي إلى زيادة شدة المجال الكهروستاتيكي ، فإن المادة العازلة ستوصل الكهرباء ويشار إليها باسم الانهيار العازل. في المواد العازلة الصلبة ، قد يكون هذا الانهيار دائمًا.

عندما يحدث الانهيار العازل ، تخضع المادة العازلة لتغيير في تركيبها الكيميائي وينتج عن ذلك تغيير في ثابت العزل.

التيارات المستخدمة في شحن مكثف

منذ عدة عقود ، تم إدخال اختبار مؤشر الاستقطاب (PI) لتقييم قدرة نظام العزل على تخزين شحنة كهربائية. نظرًا لوجود ثلاثة تيارات مختلفة بشكل أساسي ، كما هو موضح أعلاه ، تشارك في شحن مكثف.

1. تيار الشحن – التيار المتراكم على الألواح ويعتمد على مساحة الألواح والمسافة بينها. عادة ما ينتهي تيار الشحن بـ< من 1 دقيقة. سيكون مقدار الشحن هو نفسه بغض النظر عن حالة المادة العازلة.
2. تيار الاستقطاب – التيار المطلوب لاستقطاب المادة العازلة، أو محاذاة الثنائيات الناتجة عن وضع المادة العازلة في مجال إلكتروستاتيكي. عادةً مع أنظمة العزل المثبتة في المحركات (ما قبل السبعينيات) عندما تم تطوير اختبار مؤشر الاستقطاب، ستكون القيمة الاسمية لنظام عزل جديد ونظيف في نطاق 100 ميغا أوم (10 ⁶ ) وسيتطلب عادةً أكثر من 30 دقيقة وفي بعض الحالات عدة ساعات لإكمالها. ومع ذلك، مع نظام العزل الأحدث (ما بعد السبعينيات)، ستكون القيمة الاسمية لنظام العزل الجديد النظيف في نطاق جيجا أوم إلى تيرا أوم (10 ⁹ ، 10 ¹² ) وعادةً ما يتم استقطابه بالكامل قبل أن ينتهي تيار الشحن بالكامل. .
3. تيار التسرب – التيار الذي يتدفق عبر المادة العازلة ويشتت الحرارة.

التيار الشاحن

يحتوي المكثف غير المشحون على لوحات تشترك في عدد متساوٍ من الشحنات الموجبة والسالبة.

سيؤدي تطبيق مصدر تيار مستمر على ألواح مكثف غير مشحون إلى تدفق الإلكترونات من الجانب السلبي للبطارية وتراكمها على اللوحة المتصلة بالوظيفة السالبة للبطارية.

سيؤدي ذلك إلى إنشاء فائض من الإلكترونات على هذه اللوحة.

ستتدفق الإلكترونات من اللوحة المتصلة بالوظيفة الموجبة للبطارية وتتدفق إلى البطارية لتحل محل الإلكترونات المتراكمة على اللوحة السالبة. سيستمر التيار في التدفق حتى يصبح الجهد على اللوحة الموجبة هو نفسه الجانب الإيجابي للبطارية والجهد في اللوحة السالبة سيحقق إمكانات الجانب السلبي للبطارية.

يعتمد عدد الإلكترونات التي تم إزاحتها من البطارية إلى الألواح على مساحة الألواح والمسافة بينهما.

يشار إلى هذا التيار بتيار الشحن ، والذي لا يستهلك طاقة ويتم تخزينه في المكثف. تخلق هذه الإلكترونات المخزنة مجالًا إلكتروستاتيكيًا بين الألواح.

تيار الاستقطاب

يؤدي وضع مادة عازلة بين الألواح في مكثف إلى زيادة سعة المكثف بالنسبة إلى التباعد بين الألواح في الفراغ.

عندما يتم وضع مادة عازلة للكهرباء في مجال إلكتروستاتيكي ، فإن ثنائيات الأقطاب المشكلة حديثًا سوف تستقطب ، وستتوافق النهاية السالبة لثنائي القطب مع اللوحة الموجبة وستتوافق النهاية الإيجابية لثنائي القطب مع اللوحة السلبية. يشار إلى هذا باسم الاستقطاب .

كلما زاد ثابت العزل الكهربائي لمادة عازلة ، زاد عدد الإلكترونات المطلوبة ، وبالتالي زيادة سعة الدائرة.

التسرب الحالي

يشار إلى الكمية الصغيرة من التيار التي تتدفق عبر المادة العازلة مع الحفاظ على خصائصها العازلة بالمقاومة الفعالة. هذا يختلف عن القوة العازلة التي يتم تعريفها على أنها أقصى جهد يمكن أن تتحمله المادة دون أن تفشل.

عندما تتحلل مادة عازلة ، فإنها تصبح أكثر مقاومة وأقل سعوية ، مما يزيد من تيار التسرب ويقلل ثابت العزل. ينتج تيار التسرب حرارة ويعتبر خسارة عازلة .

عامل التبدد

هي تقنية اختبار بديلة تستخدم إشارة التيار المتردد لممارسة نظام عزل الجدار الأرضي (GWI). كما هو موضح أعلاه، يتم مواجهة تيارات مختلفة باستخدام إشارة DC لاختبار GWI 3، ومع ذلك، فإن الجهاز غير قادر على التمييز بين التيارات بخلاف الوقت. ومع ذلك ، من خلال تطبيق إشارة التيار المتردد لاختبار GWI ، يمكن فصل التيارات المخزنة (تيار الشحن ، تيار الاستقطاب) عن التيار المقاوم (تيار التسرب).

نظرًا لأن كلاً من تيارات الشحن والاستقطاب يتم تخزينها وإعادتها إلى الدورة المعاكسة ، فإن التيار يقود الجهد بمقدار 90 درجة ، في حين أن تيار التسرب هو تيار مقاوم يبدد الحرارة والتيار في الطور مع الجهد التطبيقية. عامل التبديد (DF) هو ببساطة نسبة التيار السعوي (I _C ) إلى تيار المقاومة (I _R ).

DF = I _C / I _R.

على العزل النظيف والجديد عادةً ما يكون I _R< 5 ٪ من I _C ، إذا أصبحت المادة العازلة ملوثة أو تتحلل حرارياً ، فإن I _C ينقص أو يزيد I _R. في كلتا الحالتين سيزداد DF.

ملخص

خلال القرن التاسع عشر، كان اختبار مؤشر الاستقطاب وسيلة فعالة لتحديد الحالة العامة للمحرك. ومع ذلك ، فقد أصبح أقل فعالية مع أنظمة العزل الحديثة.

في حين أن اختبار PI يستغرق وقتًا طويلاً (أكثر من 15 دقيقة) وغير قادر على تحديد ما إذا كان الخلل في اللف أو عزل الجدار الأرضي، فإن التقنيات الحديثة، مثل تحليل الدوائر الحركية (MCA ^TM )، وتحديد مشكلات الاتصال، وأخطاء اللف من دورة إلى أخرى، ومن ملف إلى ملف، ومن مرحلة إلى مرحلة في المراحل المبكرة جدًا مع اكتمال الاختبارات في أقل من 3 دقائق.

توفر التقنيات الأخرى، مثل DF وCTG وIRG، حالة نظام عزل الجدار الأرضي في الاختبارات التي تم إكمالها في أقل وقت ممكن أيضًا.

من خلال الجمع بين التقنيات الجديدة، مثل MCA ^TM وDF وCTG وIRG، توفر طرق اختبار المحركات الكهربائية الحديثة تقييمًا أكثر شمولاً وشمولاً لنظام عزل المحرك بأكمله بشكل أسرع وأسهل من أي وقت مضى.