Test af polarisationsindeks på elektriske motorer er nu overgået af moderne metoder

Når det gælder test af elmotorer, er polarisationsindekset (PI ) et mål for, hvor meget isoleringssystemets modstand forbedres (eller forringes) over tid.

PI-testen er blevet betragtet som den primære test til evaluering af tilstanden af en motors isolering, men processen er blevet forældet sammenlignet med nyere testmetoder, der giver en mere omfattende diagnostisk evaluering af en motors generelle sundhedstilstand.

Denne artikel giver en praktisk forståelse af en motors isoleringssystem, en grundlæggende forståelse af polarisationsindeks-test, og hvordan moderne motortestmetoder giver mere omfattende resultater på kortere tid.

Polarisationsindeks (PI)

Polarisationsindeks-testen (PI) er en standardtestmetode til elmotorer, der blev udviklet i 1800-tallet, og som forsøger at fastslå, om motorens viklingsisolering er i orden.

Mens PI-testen giver oplysninger om jordvægsisoleringssystemer (GWI), der typisk blev installeret før 1970’erne, giver den ikke en nøjagtig tilstand af viklingsisoleringen i moderne motorer.

PI-test indebærer, at der tilføres jævnspænding (typisk 500V – 1000V) til motorens vikling for at måle GWI-systemets effektivitet til at lagre en elektrisk ladning.

Da GWI-systemet danner en naturlig kapacitans mellem motorviklingerne og motorrammen, vil den tilførte jævnspænding blive lagret som en elektrisk ladning på samme måde som enhver kondensator.

Efterhånden som kondensatoren bliver fuldt opladet, vil strømmen falde, indtil der kun er den endelige lækstrøm tilbage, som bestemmer, hvor stor modstand isoleringen giver til jord.

I nye, rene isoleringssystemer falder polarisationsstrømmen logaritmisk med tiden, efterhånden som elektronerne lagres. Polarisationsindekset (PI) er forholdet mellem værdien af isolationsmodstand til jord (IRG) taget ved 1- og 10-minutters intervaller.

PI = 10 minutters IRG/1 minutters IRG

På isoleringssystemer, der er installeret før 1970’erne, udføres PI-testen, mens det dielektriske materiale polariseres.

Hvis jordvægsisoleringen (GWI) begynder at blive nedbrudt, gennemgår den en kemisk forandring, der får det dielektriske materiale til at blive mere resistivt og mindre kapacitivt, hvilket sænker den dielektriske konstant og reducerer isoleringssystemets evne til at lagre en elektrisk ladning. Det får polarisationsstrømmen til at blive mere lineær, når den nærmer sig det område, hvor lækstrømmen er dominerende.

Men på nyere isoleringssystemer fra efter 1970’erne sker hele polariseringen af det dielektriske materiale af forskellige årsager på mindre end et minut, og IRG-målingerne er over 5.000 mega-ohm. Den beregnede PI er muligvis ikke meningsfuld som en indikation af grundvæggens tilstand.

Da denne test skaber det elektrostatiske felt mellem viklingerne og motorrammen, giver den desuden meget lidt, om overhovedet nogen, indikation af tilstanden af viklingernes isoleringssystem. Den bedste indikation af disse typer fejl er ved hjælp af MCA-målinger af fasevinkel og strømfrekvensrespons.

Isolerende materialer

I elektriske motorer er isolering det materiale, der modstår den frie strøm af elektroner, leder strømmen gennem en ønsket bane og forhindrer den i at slippe ud andre steder.

I teorien burde isoleringen blokere for al strøm, men selv det bedste isoleringsmateriale tillader en lille mængde strøm at passere igennem. Denne overskydende strøm kaldes almindeligvis lækstrøm.

Selvom det er almindeligt accepteret, at motorer har en levetid på 20 år, er svigt i isoleringssystemet den primære årsag til, at elektriske motorer går i stykker for tidligt.

Isoleringssystemet begynder at blive nedbrudt, når isoleringen bliver mere ledende på grund af en ændring i dens kemiske sammensætning. Isoleringens kemiske sammensætning ændrer sig med tiden på grund af gradvis brug og/eller andre skader. Lækstrømmen er resistiv og skaber varme, hvilket resulterer i yderligere og hurtigere nedbrydning af isoleringen.

Bemærk: De fleste emaljerede ledninger er konstrueret til at garantere en levetid på 20.000 timer ved nominelle temperaturer (105 til 240° C).

Isoleringssystemer

Motorer og andet elektrisk udstyr med spoler har 2 separate og uafhængige isoleringssystemer.

1. Jordvægsisoleringssystemer adskiller spolen fra motorens ramme og forhindrer, at spænding, der tilføres viklingerne, slipper ud til statorkernen eller nogen del af motorens ramme. Nedbrud i jordvæggens isoleringssystem kaldes en jordfejl og skaber en sikkerhedsrisiko.
2. Viklingsisoleringssystemer er lag af emalje, der omgiver den ledende tråd, som leverer strøm til hele spolen for at skabe statorens magnetfelt. Nedbrydning af viklingens isoleringssystem kaldes en viklingskortslutning og svækker spolens magnetfelt.

Figur 1: 2 separate isoleringssystemer

Isolationsmodstand til jord (IRG)

Den mest almindelige elektriske test, der udføres på motorer, er IRG-testen (isolation resistance to ground) eller “spot test”.

Ved at tilføre jævnspænding til motorviklingen bestemmer denne test det punkt, hvor jordvæggens isolering har den mindste modstand mod motorrammen.

Kapacitans

Kapacitans (C), målt i farad, er defineret som et systems evne til at lagre en elektrisk ladning. En motors kapacitans findes ved hjælp af ligningen: 1 farad = mængden af lagret ladning i coulomb (Q) divideret med forsyningsspændingen.

Eksempel: Hvis den anvendte spænding er et 12 V-batteri, og kondensatoren lagrer 0,04 coulombs ladning, vil den have en kapacitans på 0,0033 farad eller 3,33 mF. En coulombs ladning er ca. 6,24 x ¹⁰¹⁸ elektroner eller protoner. En 3,33 mF kondensator vil lagre ca. 2,08 X ¹⁰¹⁶ elektroner, når den er fuldt opladet.

Kapacitans skabes ved at placere et dielektrisk materiale mellem ledende plader. I motorer danner jordvægsisoleringssystemer en naturlig kapacitans mellem motorviklingerne og motorrammen. Viklingslederne udgør den ene plade, og motorrammen udgør den anden, hvilket gør jordvægsisoleringen til det dielektriske materiale.

Mængden af kapacitans afhænger af:

1. Det målte overfladeareal af pladerne – Kapacitansen er direkte proportional med pladernes areal.
2. Afstanden mellem pladerne – Kapacitansen er omvendt proportional med afstanden mellem pladerne.
3. Den dielektriske konstant – Kapacitansen er direkte proportional med den dielektriske konstant.

Kapacitans til jord (CTG)

Den
kapacitans-til-jord
(CTG) er en indikator for renheden af motorens viklinger og kabler.

Fordi jordvægsisoleringen (GWI ) og viklingernes isoleringssystemer danner en naturlig kapacitans til jord, vil hver motor have en unik CTG, når motoren er ny og ren.

Hvis motorviklingerne eller GWI bliver forurenet, eller hvis der trænger fugt ind i motoren, vil CTG stige. Men hvis enten GWI eller viklingens isolering undergår termisk nedbrydning, vil isoleringen blive mere modstandsdygtig og mindre kapacitiv, hvilket får CTG til at falde.

Dielektrisk materiale

Et dielektrisk materiale er en dårlig leder af elektricitet, men understøtter et elektrostatisk felt. I et elektrostatisk felt trænger elektronerne ikke igennem det dielektriske materiale, og positive og negative molekyler danner par og danner dipoler (par af modsat ladede molekyler adskilt af afstand) og polariseres (den positive side af dipolen vil rette sig mod det negative potentiale, og den negative ladning vil rette sig mod det negative potentiale).

Dielektrisk konstant (K)

En dielektrisk konstant (K) er et mål for et dielektrisk materiales evne til at lagre en elektrisk ladning ved at danne dipoler, i forhold til et vakuum, som har en K på 1.

Den dielektriske konstant i isolerende materialer afhænger af den kemiske sammensætning af de molekyler, der danner materialet.

Et dielektrisk materiales K påvirkes af materialets densitet, temperatur, fugtindhold og frekvensen af det elektrostatiske felt.

Dielektrisk tab

En vigtig egenskab ved dielektriske materialer er evnen til at understøtte et elektrostatisk felt, samtidig med at de afgiver minimal energi i form af varme, kendt som dielektrisk tab.

Dielektrisk nedbrydning

Når spændingen over et dielektrisk materiale bliver for høj, så det elektrostatiske felt bliver for intenst, vil det dielektriske materiale lede elektricitet, og det kaldes dielektrisk gennembrud. I faste dielektriske materialer kan dette sammenbrud være permanent.

Når der sker dielektrisk nedbrydning, undergår det dielektriske materiale en ændring i dets kemiske sammensætning, hvilket resulterer i en ændring i den dielektriske konstant.

Strømme, der bruges til at oplade en kondensator

For flere årtier siden blev polarisationsindekstesten (PI) introduceret for at evaluere isoleringssystemets evne til at lagre en elektrisk ladning. Da der grundlæggende er tre forskellige strømme, som beskrevet ovenfor, involveret i opladning af en kondensator.

1. Opladningsstrøm – Den strøm, der akkumuleres på pladerne, og som afhænger af pladernes areal og afstanden mellem dem. Ladestrømmen slutter normalt på < end 1 minut. Opladningsmængden vil være den samme uanset isoleringsmaterialets tilstand.
2. Polarisationsstrøm – Den strøm, der kræves for at polarisere det dielektriske materiale eller justere de diploer, der skabes ved at placere det dielektriske materiale i et elektrostatisk felt. Med de isoleringssystemer, der blev installeret i motorer (før 1970’erne), da polarisationsindeks-testen blev udviklet, ville den nominelle værdi af et nyt, rent isoleringssystem typisk ligge i 100 mega-ohm (¹⁰⁶)-området, og det ville typisk tage mere end 30 minutter og i nogle tilfælde mange timer at gennemføre. Men med et nyere isoleringssystem (efter 1970’erne) vil den nominelle værdi af et nyt, rent isoleringssystem være i giga-ohm til tera-ohm (¹⁰⁹, ¹⁰¹²) og typisk fuldt polariseret, før ladestrømmen er helt færdig.
3. Lækstrøm – Den strøm, der flyder over det isolerende materiale og spreder varme.

Opladningsstrøm

En uopladet kondensator har plader, der deler lige mange positive og negative ladninger.

Hvis man tilfører en jævnstrømskilde til pladerne på en uopladet kondensator, vil elektronerne strømme fra batteriets negative side og samle sig på den plade, der er forbundet med batteriets negative pol.

Dette vil skabe et overskud af elektroner på denne plade.

Elektroner vil strømme fra pladen, der er forbundet med batteriets positive pol, og ind i batteriet for at erstatte de elektroner, der akkumuleres på den negative plade. Strømmen vil fortsætte med at flyde, indtil spændingen på den positive plade er den samme som den positive side af batteriet, og spændingen på den negative plade vil nå potentialet på den negative side af batteriet.

Antallet af elektroner, der flyttes fra batteriet til pladerne, afhænger af pladernes areal og afstanden mellem dem.

Denne strøm kaldes ladestrømmen, som ikke forbruger energi og lagres i kondensatoren. Disse lagrede elektroner skaber et elektrostatisk felt mellem pladerne.

Polariserende strøm

Ved at placere et dielektrisk materiale mellem pladerne i en kondensator øges kondensatorens kapacitans i forhold til afstanden mellem pladerne i et vakuum.

Når et dielektrisk materiale placeres i et elektrostatisk felt, vil de nydannede dipoler polarisere, og den negative ende af dipolen vil rette sig mod den positive plade, og den positive ende af dipolen vil rette sig mod den negative plade. Dette kaldes polarisering.

Jo højere dielektricitetskonstant et dielektrisk materiale har, jo flere elektroner er der brug for, og dermed øges kredsløbets kapacitans.

Lækstrøm

Den lille mængde strøm, der flyder over det dielektriske materiale, mens det stadig bevarer sine isolerende egenskaber, kaldes den effektive modstand. Dette er forskelligt fra den dielektriske styrke, som defineres som den maksimale spænding, et materiale kan modstå uden at svigte.

Når et isolerende materiale nedbrydes, bliver det mere resistivt og mindre kapacitivt, hvilket øger lækstrømmen og mindsker den dielektriske konstant. Lækstrømmen producerer varme og betragtes som et dielektrisk tab.

Spredningsfaktor

Er en alternativ testteknik, der bruger et vekselstrømssignal til at teste groundwall-isoleringssystemet (GWI). Som forklaret ovenfor, når man bruger et DC-signal til at teste GWI, opstår der 3 forskellige strømme, men instrumentet er ikke i stand til at skelne mellem strømmene ud over tiden. Men ved at anvende et vekselstrømssignal til at teste GWI er det muligt at adskille de lagrede strømme (ladestrøm, polarisationsstrøm) fra den resistive strøm (lækstrøm).

Da både opladnings- og polarisationsstrømmen er lagrede strømme og returneres til den modsatte ½-cyklus, fører strømmen spændingen med 90°, mens lækstrømmen, som er en resistiv strøm, der spreder varme, og strømmen er i fase med den anvendte spænding. Dissipationsfaktoren (DF) er simpelthen forholdet mellem den kapacitive strøm (_IC) og den resistive strøm (_IR).

DF =_{IC / IR}

På ren, ny isolering er_IR typisk < 5% af_IC, hvis isoleringsmaterialet bliver forurenet eller nedbrydes termisk, falder enten_IC, eller_IR stiger. I begge tilfælde vil DF stige.

Sammenfatning

I 1800-tallet var polarisationsindekstesten en effektiv metode til at bestemme en motors generelle tilstand. Det er dog blevet mindre effektivt med moderne isoleringssystemer.

Mens PI-testen er tidskrævende (15+ minutter) og ikke kan afgøre, om fejlen ligger i viklingen eller jordvægsisoleringen, kan moderne teknologier, som f.eks. Analyse af motorkredsløb (^MCATM)identificere forbindelsesproblemer, turn-to-turn, coil-to-coil og fase-til-fase viklingsfejl i meget tidlige stadier med tests, der er færdige på under 3 minutter.

Andre teknologier, såsom DF, CTG og IRG, giver en tilstand af grundmurens isoleringssystem i tests, der også gennemføres på minimal tid.

Ved at kombinere nye teknologier som ^MCATM, DF, CTG og IRG giver moderne testmetoder til elmotorer en meget mere omfattende og grundig evaluering af hele motorens isoleringssystem hurtigere og nemmere end nogensinde før.