Polarisationsindex-Prüfung an Elektromotoren wird jetzt durch moderne Methoden übertroffen

Bei der Prüfung von Elektromotoren ist der Polarisationsindex (PI) ein Maß dafür, wie sehr sich der Widerstand des Isolationssystems mit der Zeit verbessert (oder verschlechtert).

Die PI-Prüfung galt zwar als primäre Prüfung zur Bewertung des Zustands der Motorisolierung, doch ist ihr Verfahren im Vergleich zu neueren Prüfmethoden, die eine umfassendere Diagnose des Gesamtzustands eines Motors ermöglichen, veraltet.

Dieser Artikel vermittelt ein praktisches Verständnis des Isolationssystems eines Motors, ein grundlegendes Verständnis der Polarisationsindexprüfung und zeigt auf, wie moderne Motorprüfverfahren umfassendere Ergebnisse in kürzerer Zeit liefern.

Polarisationsindex (PI)

Der Polarisationsindextest (PI) ist ein Standardprüfverfahren für Elektromotoren, das in den 1800er Jahren entwickelt wurde, um den Zustand der Wicklungsisolierung eines Motors zu bestimmen.

Während die PI-Prüfung Informationen über die Erdungswandisolierung (GWI) liefert, die typischerweise vor den 1970er Jahren installiert wurde, kann sie den Zustand der Wicklungsisolierung in modernen Motoren nicht genau bestimmen.

Bei der PI-Prüfung wird eine Gleichspannung (in der Regel 500 V – 1000 V) an die Motorwicklung angelegt, um die Wirksamkeit des GWI-Systems zur Speicherung einer elektrischen Ladung zu messen.

Da das GWI-System eine natürliche Kapazität zwischen den Motorwicklungen und dem Motorrahmen bildet, wird die angelegte Gleichspannung als elektrische Ladung gespeichert, wie bei jedem Kondensator.

Wenn der Kondensator vollständig aufgeladen ist, nimmt der Strom ab, bis nur noch der endgültige Ableitstrom übrig bleibt, der den Widerstand der Isolierung gegen Erde bestimmt.

In neuen, sauberen Isoliersystemen nimmt der Polarisationsstrom mit der Zeit logarithmisch ab, da die Elektronen gespeichert werden. Der Polarisationsindex (PI) ist das Verhältnis des Isolationswiderstandes gegen Erde (IRG), der in Abständen von 1 und 10 Minuten gemessen wird.

PI = 10 Minuten IRG/1 Minute IRG

Bei Isolationssystemen, die vor den 1970er Jahren installiert wurden, erfolgt die PI-Prüfung, während das Dielektrikum gepolt wird.

Wenn die Erdungswandisolierung (GWI) beginnt, sich zu verschlechtern, kommt es zu einer chemischen Veränderung, die dazu führt, dass das dielektrische Material widerstandsfähiger und weniger kapazitiv wird, wodurch die Dielektrizitätskonstante sinkt und die Fähigkeit des Isolationssystems, eine elektrische Ladung zu speichern, verringert wird. Dies führt dazu, dass der Polarisationsstrom linearer wird, wenn er sich dem Bereich nähert, in dem der Leckstrom vorherrscht.

Bei neueren Isolationssystemen, die nach den 1970er Jahren entwickelt wurden, tritt jedoch aus verschiedenen Gründen die gesamte Polarisierung des dielektrischen Materials in weniger als einer Minute auf, und die IRG-Messwerte liegen über 5.000 Meg-Ohm. Der berechnete PI ist möglicherweise nicht aussagekräftig für den Zustand der Grundmaueranzeige.

Da bei dieser Prüfung ein elektrostatisches Feld zwischen den Wicklungen und dem Motorrahmen erzeugt wird, liefert sie nur sehr wenige oder gar keine Hinweise auf den Zustand des Isolationssystems der Wicklungen. Der beste Hinweis auf diese Art von Fehlern sind MCA-Messungen des Phasenwinkels und des aktuellen Frequenzgangs.

Isolierende Materialien

In Elektromotoren ist die Isolierung das Material, das dem freien Fluss der Elektronen widersteht, den Strom durch einen gewünschten Pfad leitet und ihn daran hindert, an anderer Stelle zu entweichen.

Theoretisch sollte die Isolierung den gesamten Stromfluss blockieren, aber selbst das beste Isoliermaterial lässt einen kleinen Teil des Stroms hindurch. Dieser überschüssige Strom wird gemeinhin als Leckstrom bezeichnet.

Obwohl allgemein angenommen wird, dass Motoren eine Lebensdauer von 20 Jahren haben, ist das Versagen des Isoliersystems der Hauptgrund für den vorzeitigen Ausfall von Elektromotoren.

Das Isoliersystem beginnt sich zu verschlechtern, wenn die Isolierung aufgrund einer Veränderung ihrer chemischen Zusammensetzung leitfähiger wird. Die chemische Zusammensetzung der Isolierung verändert sich im Laufe der Zeit durch allmähliche Nutzung und/oder andere Schäden. Der Leckstrom ist ohmsch und erzeugt Wärme, die zu einer zusätzlichen und schnelleren Verschlechterung der Isolierung führt.

Hinweis: Die meisten Lackdrähte sind so konstruiert, dass sie eine Lebensdauer von 20.000 Stunden bei Nenntemperaturen (105 bis 240 °C) garantieren.

Isoliersysteme

Motoren und andere elektrische Geräte mit Spulen haben 2 getrennte und unabhängige Isoliersysteme.

1. Erdungsisolationssysteme trennen die Spule vom Motorrahmen und verhindern, dass die an die Wicklungen angelegte Spannung in den Statorkern oder einen Teil des Motorrahmens entweicht. Eine Unterbrechung des Erdungsisolationssystems wird als Erdschluss bezeichnet und stellt ein Sicherheitsrisiko dar.
2. Wicklungsisolationssysteme sind Lackschichten, die den leitenden Draht umgeben, der die gesamte Spule mit Strom versorgt, um das Magnetfeld des Stators zu erzeugen. Eine Unterbrechung des Isolationssystems der Wicklung wird als Wicklungskurzschluss bezeichnet und schwächt das Magnetfeld der Spule.

Abbildung 1: 2 getrennte Isoliersysteme

Isolationswiderstand gegen Erde (IRG)

Die am häufigsten durchgeführte elektrische Prüfung an Motoren ist die Prüfung des Isolationswiderstands gegen Erde (IRG) oder “Spot-Test”.

Durch Anlegen einer Gleichspannung an die Motorwicklung wird bei dieser Prüfung der Punkt des geringsten Widerstands der Erdungswandisolierung gegenüber dem Motorrahmen ermittelt.

Kapazität

Die Kapazität (C), gemessen in Farad, ist definiert als die Fähigkeit eines Systems, eine elektrische Ladung zu speichern. Zur Bestimmung der Kapazität eines Motors wird die folgende Gleichung verwendet: 1 Farad = die Menge der gespeicherten Ladung in Coulomb (Q) geteilt durch die Versorgungsspannung.

Beispiel: Wenn die angelegte Spannung eine 12-V-Batterie ist und der Kondensator eine Ladung von 0,04 Coulomb speichert, hat er eine Kapazität von 0,0033 Farad oder 3,33 mF. Ein Coulomb ist eine Ladung von etwa 6,24 x ¹⁰¹⁸ Elektronen oder Protonen. Ein 3,33 mF-Kondensator würde bei voller Ladung etwa 2,08 X ¹⁰¹⁶ Elektronen speichern.

Eine Kapazität entsteht, indem ein dielektrisches Material zwischen leitende Platten gelegt wird. Bei Motoren bilden Erdungsisolationssysteme eine natürliche Kapazität zwischen den Motorwicklungen und dem Motorrahmen. Die Wicklungsleiter bilden eine Platte und der Motorrahmen die andere, so dass die Isolierung der Erdungswand das Dielektrikum bildet.

Die Höhe der Kapazität ist abhängig von:

1. Die gemessene Fläche der Platten – Die Kapazität ist direkt proportional zur Fläche der Platten.
2. Der Abstand zwischen den Platten – Die Kapazität ist umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Platten.
3. Die Dielektrizitätskonstante – Die Kapazität ist direkt proportional zur Dielektrizitätskonstante.

Kapazität gegen Erde (CTG)

Die
Kapazität gegen Erde
(CTG) ist ein Indikator für die Sauberkeit der Wicklungen und Kabel eines Motors.

Da die Erdungswandisolierung (GWI ) und die Wicklungsisolationssysteme eine natürliche Kapazität zur Erde bilden, hat jeder Motor eine einzigartige CTG, wenn der Motor neu und sauber ist.

Wenn die Motorwicklungen oder der GWI verschmutzt sind oder Feuchtigkeit in den Motor eingedrungen ist, erhöht sich das CTG. Wenn jedoch entweder GWI oder die Isolierung der Wicklung thermisch geschädigt wird, wird die Isolierung widerstandsfähiger und weniger kapazitiv, wodurch das CTG sinkt.

Dielektrisches Material

Ein dielektrisches Material ist ein schlechter Leiter für Elektrizität, unterstützt aber ein elektrostatisches Feld. In einem elektrostatischen Feld durchdringen die Elektronen das dielektrische Material nicht, und positive und negative Moleküle paaren sich, um Dipole zu bilden (Paare entgegengesetzt geladener Moleküle, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind) und sich zu polarisieren (die positive Seite des Dipols richtet sich auf das negative Potenzial aus und die negative Ladung auf das negative Potenzial).

Dielektrizitätskonstante (K)

Die Dielektrizitätskonstante (K) ist ein Maß für die Fähigkeit eines dielektrischen Materials, eine elektrische Ladung durch die Bildung von Dipolen zu speichern, im Vergleich zu einem Vakuum, das eine K von 1 hat.

Die Dielektrizitätskonstante eines Isoliermaterials hängt von der chemischen Zusammensetzung der Moleküle ab, die das Material bilden.

Das K eines dielektrischen Materials wird durch die Dichte des Materials, die Temperatur, den Feuchtigkeitsgehalt und die Frequenz des elektrostatischen Feldes beeinflusst.

Dielektrischer Verlust

Eine wichtige Eigenschaft dielektrischer Materialien ist die Fähigkeit, ein elektrostatisches Feld aufrechtzuerhalten und dabei nur wenig Energie in Form von Wärme abzugeben, was als dielektrischer Verlust bezeichnet wird.

Dielektrischer Durchschlag

Wenn die Spannung über einem dielektrischen Material zu hoch wird und dadurch das elektrostatische Feld zu stark wird, leitet das dielektrische Material Strom und wird als dielektrischer Durchschlag bezeichnet. Bei festen dielektrischen Materialien kann dieser Durchbruch dauerhaft sein.

Beim dielektrischen Durchschlag ändert sich die chemische Zusammensetzung des dielektrischen Materials, was zu einer Änderung der Dielektrizitätskonstante führt.

Ströme, die beim Laden eines Kondensators verwendet werden

Vor einigen Jahrzehnten wurde der Polarisationsindex-Test (PI) eingeführt, um die Fähigkeit des Isolationssystems zu bewerten, eine elektrische Ladung zu speichern. Da bei der Aufladung eines Kondensators, wie oben beschrieben, im Wesentlichen drei verschiedene Ströme fließen.

1. Ladestrom – Der Strom, der sich auf den Platten ansammelt, hängt von der Fläche der Platten und dem Abstand zwischen ihnen ab. Der Ladestrom endet normalerweise in < als 1 Minute. Die Höhe der Aufladung ist unabhängig vom Zustand des Isoliermaterials gleich.
2. Polarisationsstrom – Der Strom, der erforderlich ist, um das dielektrische Material zu polarisieren oder die Diploe auszurichten, die entstehen, wenn das dielektrische Material in ein elektrostatisches Feld gebracht wird. Bei den Isolationssystemen, die in den Motoren (vor den 1970er Jahren) installiert waren, als die Polarisationsindexprüfung entwickelt wurde, lag der Nennwert eines neuen, sauberen Isolationssystems in der Regel im Bereich von 100 Megaohm (¹⁰⁶) und erforderte in der Regel mehr als 30 Minuten und in einigen Fällen mehrere Stunden. Bei neueren Isolationssystemen (nach 1970) liegt der Nennwert eines neuen, sauberen Isolationssystems jedoch im Giga- bis Tera-Ohm-Bereich (¹⁰⁹, ¹⁰¹²) und ist in der Regel vollständig polarisiert, bevor der Ladestrom vollständig abklingt.
3. Ableitstrom – Der Strom, der durch das Isoliermaterial fließt und Wärme ableitet.

Ladestrom

Ein ungeladener Kondensator hat Platten, die eine gleiche Anzahl positiver und negativer Ladungen aufweisen.

Das Anlegen einer Gleichstromquelle an die Platten eines ungeladenen Kondensators bewirkt, dass Elektronen von der negativen Seite der Batterie fließen und sich auf der mit dem Minuspol der Batterie verbundenen Platte ansammeln.

Dies führt zu einem Überschuss an Elektronen auf dieser Platte.

Die Elektronen fließen von der Platte, die mit dem Pluspol der Batterie verbunden ist, in die Batterie und ersetzen die Elektronen, die sich auf der negativen Platte angesammelt haben. Der Strom fließt so lange, bis die Spannung an der positiven Platte mit der positiven Seite der Batterie übereinstimmt und die Spannung an der negativen Platte das Potenzial der negativen Seite der Batterie erreicht.

Die Anzahl der Elektronen, die von der Batterie zu den Platten verdrängt werden, hängt von der Fläche der Platten und dem Abstand zwischen ihnen ab.

Dieser Strom wird als Ladestrom bezeichnet, der keine Energie verbraucht und im Kondensator gespeichert wird. Diese gespeicherten Elektronen erzeugen ein elektrostatisches Feld zwischen den Platten.

Polarisierender Strom

Das Anbringen eines dielektrischen Materials zwischen den Platten eines Kondensators erhöht die Kapazität des Kondensators im Vergleich zum Abstand zwischen den Platten im Vakuum.

Wenn ein dielektrisches Material in ein elektrostatisches Feld gebracht wird, polarisieren sich die neu gebildeten Dipole, und das negative Ende des Dipols richtet sich an der positiven Platte aus und das positive Ende des Dipols an der negativen Platte. Dies wird als Polarisierung bezeichnet.

Je höher die Dielektrizitätskonstante eines dielektrischen Materials ist, desto mehr Elektronen werden benötigt, wodurch sich die Kapazität des Stromkreises erhöht.

Ableitstrom

Die geringe Strommenge, die durch das Dielektrikum fließt, während seine isolierenden Eigenschaften erhalten bleiben, wird als effektiver Widerstand bezeichnet. Dies unterscheidet sich von der Durchschlagfestigkeit, die als die maximale Spannung definiert ist, die ein Material aushalten kann, ohne zu versagen.

Wenn sich ein Isoliermaterial verschlechtert, wird es widerstandsfähiger und weniger kapazitiv, wodurch der Leckstrom steigt und die Dielektrizitätskonstante sinkt. Der Leckstrom erzeugt Wärme und wird als dielektrischer Verlust betrachtet.

Dissipationsfaktor

Es handelt sich um ein alternatives Prüfverfahren, bei dem ein Wechselstromsignal verwendet wird, um die Isolierung von Erdwänden (GWI) zu prüfen. Wie oben erläutert, werden bei der Prüfung des GWI mit einem Gleichstromsignal drei verschiedene Ströme gemessen, die das Gerät jedoch nicht unterscheiden kann, außer nach der Zeit. Durch Anlegen eines Wechselstromsignals zur Prüfung des GWI ist es jedoch möglich, die gespeicherten Ströme (Ladestrom, Polarisationsstrom) von den Widerstandsströmen (Leckstrom) zu trennen.

Da es sich sowohl beim Lade- als auch beim Polarisationsstrom um gespeicherte Ströme handelt, die beim entgegengesetzten ½-Zyklus wieder in den Strom zurückgeführt werden, ist der Strom der Spannung um 90° voraus, während der Leckstrom, der ein Widerstandsstrom ist, der Wärme ableitet, und der Strom gleichphasig mit der angelegten Spannung ist. Der Verlustfaktor (DF) ist einfach das Verhältnis zwischen dem kapazitiven Strom (_IC) und dem ohmschen Strom (_IR).

DF =_IC /_IR

Bei sauberer, neuer Isolierung beträgt der_IR-Wert in der Regel < 5 % des_IC-Wertes. Wenn das Isoliermaterial verunreinigt wird oder sich thermisch verschlechtert, sinkt entweder der_IC-Wert oder der_IR-Wert steigt. In beiden Fällen wird der DF ansteigen.

Zusammenfassung

In den 1800er Jahren war der Polarisationsindex-Test eine effektive Methode zur Bestimmung des Gesamtzustands eines Motors. Mit den modernen Dämmsystemen hat sie jedoch an Wirksamkeit verloren.

Während die PI-Prüfung zeitaufwändig ist (mehr als 15 Minuten) und nicht feststellen kann, ob der Fehler in der Wicklung oder in der Isolierung der Erdungswand liegt, können moderne Technologien, wie Analyse von Motorstromkreisen (^MCATM)identifizieren Verbindungsprobleme, Windung-zu-Windung-, Spule-zu-Spule- und Phase-zu-Phase-Wicklungsfehler in sehr frühen Stadien mit Tests, die in weniger als 3 Minuten abgeschlossen sind.

Andere Technologien, wie DF, CTG und IRG, liefern den Zustand des Isolationssystems der Grundmauern in Tests, die ebenfalls in kürzester Zeit durchgeführt werden.

Durch die Kombination neuer Technologien wie ^MCATM, DF, CTG und IRG bieten moderne Prüfverfahren für Elektromotoren eine viel umfassendere und gründlichere Bewertung des gesamten Isolationssystems eines Motors – schneller und einfacher als je zuvor.