Richtlinien für die Prüfung rotierender Maschinen

1. Überblick

1.1 Anwendungsbereich

Dieses Dokument beschreibt einen Leitfaden für die Bewertung von Anker- und Feldwicklungen rotierender Geräte mit einer Nennleistung von 1 PS (746 Watt) oder mehr auf Wicklungskurzschlüsse, Phasenunwuchten und Rotorstäbe. Sie gilt für Induktionsmaschinen und Transformatoren.

Das Dokument beschreibt typische Messungen der statischen Wicklungsstromkreisanalyse und wie diese Messungen den Maschinenzustand anzeigen. Sie enthält Leitlinien für die Grenzwerte von Stromkreismessungen.

Die untersuchten Messtypen werden von einzelnen oder mehreren Geräten bereitgestellt, die grundlegende Messungen von Wicklungsschaltungen wie Widerstand, Impedanz, Induktivität und Kapazität sowie spezielle Testmessungen ermöglichen. Es wird anerkannt, dass die Messverfahren Folgendes umfassen müssen (Referenz: IEEE Std 120-1989):

a) Für Gleichstrom-Widerstandsmessungen sind Gleichstromwerte zu verwenden.

b) Wechselstrommessungen, wie z. B. Induktivität und Impedanz, sind als Wechselstrommessungen unter Verwendung von Sinuswellen nach Wahl des Geräteherstellers durchzuführen.

c) Alle Messungen sind durch gebrückte Stromkreise auszuwerten und werden innerhalb der Grenzen solcher Brücken angegeben. Technische Standardmaßeinheiten wie Induktivität und Impedanz sind nicht zu berechnen, es sei denn, die Werte werden als Verhältnis, Grad oder Prozentsatz angegeben.

Zum Zeitpunkt des ursprünglichen Entwurfs dieses Leitfadens lagen die Ausgangsspannungen, die bei allen Messungen mit Ausnahme der Isolationsmessungen an der Erdungswand zu Prüfergebnissen führen, im elektronischen Bereich und lagen in der Regel unter 10 Volt AC/DC. Die Standardausgangsfrequenzen für diese Instrumente liegen im Allgemeinen ebenfalls über 100 Hz. Wenn nach soliden technischen Grundsätzen Messgeräte entwickelt werden, die diese Werte überschreiten, oder wenn zusätzliche Werte bereitgestellt werden, die ein genaues Bild des Motorstromkreises vermitteln, können sie in den Anwendungsbereich dieses Leitfadens einbezogen werden.

1.2 Zweck

Der Zweck dieses Leitfadens ist es, Methoden und gemeinsame Daten, die mit Hilfe der Wicklungsstromkreisanalyse gesammelt wurden, zu umreißen und eine Anleitung für die Interpretation der Ergebnisse sowohl für die Isolierung zwischen den Windungen als auch für die Isolierung an der Erdungswand und die Bewertung von Käfigläufern zu geben. Die Messverfahren für die Isolierung der Erdungswand und die Prüfergebnisse müssen sich auf die aktuelle Fassung des IEEE-Standards 43, ÑIEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machineryì, beziehen.

a) Empfehlung einheitlicher Kombinationen von Prüfergebnissen, die zur Bewertung des Zustands von rotierenden Maschinen und Transformatoren verwendet werden können.

b) Bereitstellung allgemeiner Leitlinien für die Ablesemethode bei Messungen im Induktionsrotorkreis und die Interpretation der Ergebnisse.

c) Definieren Sie die Arten von Messungen, die zur Bestimmung der Arten von Isolierung zwischen den Windungen, der Isolierung der Bodenwand und anderer Fehler an rotierenden Maschinen verwendet werden.

2. Referenzen

Nachfolgend finden Sie Referenzen, die sich auf diese Norm beziehen.

a) IEEE Std 43-2000: IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery

b) IEEE Std 56-1977: IEEE Guide for Insulation Maintenance of Large Alternating Current Rotating Machinery (10.000 kVA and Larger)

c) IEEE Std 118 ñ 1978: IEEE Standard Test Code for Resistance Measurements

d) IEEE Std 120-1989: IEEE Master Test Guide for Electrical Measurements in Power Circuits

e) IEEE Std 388 ñ 1992: IEEE Standard for Transformers and Inductors in Electronic Power Conversion Equipment

f) IEEE Std 389 ñ 1996: IEEE Recommended Practice for Testing Electronics Transformers and Inductors

g) IEEE Std 1068 ñ 1990: IEEE Recommended Practice for the Repair and Rewinding of Motors for the Petroleum and Chemical Industry

3. Sicherheitserwägungen

Der Begriff “statische Wicklungsstromkreisanalyse” ist definiert als eine Prüfmethode, die an stromlosen Geräten durchgeführt wird. Die verwendeten Geräte müssen eine anerkannte Zertifizierung wie UL, CE, CSA oder eine gleichwertige Zertifizierung aufweisen. Es ist nicht möglich, alle Sicherheitsaspekte in diesem Leitfaden zu behandeln. Das Prüfpersonal sollte die Bedienungsanleitungen der Hersteller, die Gewerkschafts-, Unternehmens- und Regierungsvorschriften konsultieren.

4. Analyse des Wickelkreises Allgemeine Theorie

4.1 MAGNETKREISE

Elektrische Spulen und Maschinen bestehen aus einer Kombination von gekoppelten elektromagnetischen Schaltkreisen. Die magnetischen Kreise entstehen, wenn elektrischer Strom durch Leiter fließt und durch magnetische Materialien geleitet wird.

Betrachten wir zunächst einen Leiter der Länge l, der im rechten Winkel zu den Polen eines Magneten angeordnet ist und einen Strom I führt. Das Ergebnis ist eine Kraft der Stärke F, wobei B die Größe der magnetischen Flussdichte (in Tesla oder T) und der magnetische Fluss das Maß für die Stärke des Magnetismus ist. Die sich daraus ergebende Formel lautet wie folgt:

Formel 1: Kraft (Newton)

F = BI l

Ausgehend von der willkürlichen Position eines Leiters, wobei l ein Vektor der Größe l in Stromrichtung ist.

Formel 2: Kraft bei willkürlicher Position des Leiters

F = Il x B

Unter der Annahme, dass B eine konstante Größe im Verhältnis zur Fläche A hat:

Formel 3: Magnetischer Fluss (Φ, Webber)

Φ = BA oder B = Φ/A

B wird ausgedrückt als Webber(Wb)/m

Die Beziehung zwischen I und B ist wie folgt:

Formel 4: Ampere’s Kreislaufgesetz

A/m *d*l = I

Dabei ist A/m die magnetische Feldstärke H

Wenn ein geschlossener Stromkreis N-mal vom Strom durchflossen wird, z. B. in einer Spule, ergibt sich die folgende magnetomotorische Kraft (mmf oder ℑ):

Formel 5: Geldmarktfonds

ℑ = NI

NI wird auch als Ampereschwindungen (At) bezeichnet. Ein N von eins wird als eine ëUmdrehung.í bezeichnet.

Die Induktivität (L) ist definiert als die Flussverknüpfung pro Stromeinheit, dargestellt in Einheiten von Henry (H).1

Formel 6: Induktivität

L = (NΦ)/I

Für einen mit ëní einzelnen Spulen gewickelten Ringkern können die Induktivitäten definiert werden:

Formel 7: Toroidfelder1

Lpq = (Np(kpqΦq))/iq

Die in einer Induktivität gespeicherte Energie kann berechnet werden, wenn ein Strom (i) fließt:

Formel 8: Induktive Energie

W = (1/2)Li 2

Die Frequenz wirkt sich auf die Felder in einem Leiter aus. Je höher die angelegte Frequenz ist, desto näher rücken der Strom und die daraus resultierenden Felder an die Oberfläche des Leiters heran (Skin-Effekt). ÑDies ist darauf zurückzuführen, dass in einem Leiter, in dem ein Wechselstrom fließt, EMKs induziert werden. Diese sind in der Mitte größer als am Umfang, so dass die Potenzialdifferenz dazu neigt, Ströme zu erzeugen, die dem Strom in der Mitte entgegenwirken und ihn am Umfang unterstützen. Der Strom wird also an die Außenseite des Leiters gedrängt, wodurch sich die effektive Fläche des Leiters verringert.î2

1 Elektrische Maschinen und Elektromechanik, Syed A Nasar, Schaumís Outline Series, 1981

2 Standardhandbuch für Elektroingenieure, Vierzehnte Ausgabe, Donald G Fink, Wayne Beaty, McGraw Hill, 2000.

4.2 DÄMMSYSTEME

“Eine elektrische Isolierung ist ein Medium oder ein Material, das, wenn es zwischen Leitern mit unterschiedlichem Potenzial angeordnet ist, nur einen vernachlässigbaren Strom in Phase mit der angelegten Spannung durchlässt. Der Begriff Dielektrikum ist fast gleichbedeutend mit elektrischer Isolierung, die als das angelegte Dielektrikum betrachtet werden kann. Ein perfektes Dielektrikum lässt keinen Leitungsstrom und nur kapazitiven Ladestrom zwischen Leitern durch. “2 (Siehe auch IEEE Std 120-1989, Abschnitt 5.4.2)

Die einfachste Schaltungsdarstellung eines Dielektrikums ist ein paralleler Widerstand und Kondensator. Die Kapazität zwischen Leitern (im Vakuum) beträgt 0,0884 x 10-12 A/t, wobei A die Fläche des Leiters in Quadratzentimetern und t der Abstand der Leiter in Zentimetern ist. “Wenn ein dielektrisches Material das Volumen zwischen den Elektroden ausfüllt, ist die Kapazität höher, da die Ladungen in den Molekülen und Atomen des Materials bei gleicher angelegter Spannung mehr Ladung zu den Kondensatorebenen ziehen. Die Kapazität mit dem Dielektrikum zwischen den Elektroden beträgt: “3

Formel 9: Kapazität zwischen parallelen kreisförmigen Leitern

C = (2π∈í∈oL)/cosh-1(D/2r)

Die Dielektrizitätskonstante von Isolationssystemen nimmt mit zunehmender Frequenz nach unten ab (Dispersionsbereich), ebenso wie die Ionengrenzflächenpolarisation und die molekularen dipolaren Polarisationen. Bei Polymeren tritt die dipolare Dispersion bei sehr niedrigen Frequenzen auf.

4.3 AUFSCHLÜSSELUNG DER ISOLIERUNG

Zu den Isolationsausfällen, die in diesem Leitfaden als “Fehler” bezeichnet werden, gehören Verschmutzung, Lichtbogenverfolgung, thermische Alterung und mechanische Fehler. Jede Art von Fehler hat einen gemeinsamen Faktor: Die resistiven und kapazitiven Eigenschaften der elektrischen Isolierung ändern sich.

Verunreinigungen, insbesondere das Eindringen von Wasser, erhöhen die Leitfähigkeit der Isolierung. Das Wasser sammelt sich in den Rissen und Einschlüssen des Dämmsystems. Die elektrischen Felder bewirken Veränderungen an den Verunreinigungen, einschließlich Ausdehnungen, die das Isolationssystem weiter zerstören. Andere Verunreinigungen, wie Gase, Dämpfe, Staub usw., können die chemische Zusammensetzung des Isoliersystems angreifen. Sobald das Isoliersystem vollständig überbrückt ist, gilt das System als kurzgeschlossen. Dies geschieht normalerweise zuerst zwischen den Leitern, wo das Isolationssystem am schwächsten ist. Zu den wichtigsten Fehlerbereichen gehören der nicht gesicherte Teil der Spule, wie z. B. die Endwindungen einer rotierenden Maschine (dies ist auch der Punkt mit der höchsten elektrischen Belastung der Wicklungen), und der Punkt mit der höchsten mechanischen Belastung, wie z. B. der Punkt, an dem die Spulen die Nuten einer rotierenden Maschine verlassen.

Lichtbogenbildung in Isoliersystemen tritt auf, wenn ein hoher Strom zwischen Leitern über die Oberfläche eines Isoliersystems fließt. Die Isolierung an diesen Stellen verkohlt, wodurch sich die kapazitiven und resistiven Komponenten des elektrischen Isolationssystems verändern. Lichtbogenverfolgung ist oft das Ergebnis von: Starke elektrische Spannungen, Verschmutzung oder beides. Diese Art von Fehler tritt hauptsächlich zwischen Leitern oder Spulen auf und endet normalerweise mit einem Kurzschluss.

Die thermische Alterung eines Isolationssystems tritt ein, wenn sich elektrische Isolationssysteme als Ergebnis der chemischen Gleichung von Arrhenius abbauen. Die allgemein anerkannte ÑFaustregelì besagt, dass sich die thermische Lebensdauer des Dämmsystems pro 10o C Anstieg der Betriebstemperatur halbiert. Die Isolierung wird sich schnell zersetzen und verkohlen, sobald sie die Temperaturgrenze des Isoliersystems erreicht.

Andere Umweltfaktoren wirken sich ebenfalls auf die thermische Lebensdauer des Isolationssystems aus, darunter: Verschmutzung der Wicklung, Feuchtigkeit, Elektrolyse und andere elektrische Beanspruchungen.

Zu den mechanischen Fehlern im elektrischen Isolationssystem gehören Spannungsrisse, Vibrationen, mechanisches Eindringen und mechanische Fehler. Die Kräfte innerhalb einer Spule während verschiedener Vorgänge führen zu mechanischen Bewegungen und können zum Bruch von Isoliermaterialien führen. Elektrische und mechanische Vibrationen führen zu einer übermäßigen Beanspruchung des Isolationssystems, was zu Spannungsbrüchen und einer Lockerung des Isolationssystems führt. Mechanisches Eindringen umfasst die Bewegung von Materialien in das Isolationssystem entweder zwischen Leitern und/oder Isolationssystem und Erde. Zu den mechanischen Fehlern gehören Ausfälle wie Lagerfehler in rotierenden Maschinen, die dazu führen, dass sich das Lager löst und die beweglichen Komponenten des Systems durchläuft. Diese Fehler können als Kurzschlüsse zwischen Leitern, Spulen oder zwischen Spule und Erde auftreten.

4.4 Stadien des Versagens der Wicklungsisolierung

Zu den Hauptursachen für den Ausfall von Wicklungen gehören: Isolationsdurchbruch (thermisch), Verschmutzung, Feuchtigkeitseintritt, Spannungsspitzen und mechanische Beanspruchung und führen zunächst zu einem Durchbruch der Isolierung zwischen Leitern innerhalb derselben Spule, zwischen Spulen derselben Phase oder zwischen Spulen verschiedener Phasen. Diese Wicklungskurzschlüsse können, müssen aber nicht immer, als Isolationswiderstandsfehler enden, wenn die Wicklung tatsächlich ausfällt. Die Erkennung von Veränderungen zwischen den Leitern erhöht die Wahrscheinlichkeit einer frühzeitigen Reparatur oder eines Austauschs, bevor die Geräte den Betrieb einstellen. Beachten Sie, dass die Fehlerhäufigkeit von der Schwere des Fehlers (d. h. dem Windungsverhältnis) und dem Potenzial zwischen den Leitern abhängt (z. B. können Fehler in Anlagen unter 600 Vac tendenziell auftreten, während sie in Systemen über 1000 Vac schnell ausfallen.

Der allgemeine Ablauf eines Wicklungsfehlers zwischen Leitern ist wie folgt:

– Stufe 1: Die Isolierung zwischen den Leitern wird belastet, was zu einer Änderung der ohmschen und kapazitiven Werte der Isolierung an der Fehlerstelle führt. Hohe Temperaturen und ähnliche reaktive Fehler führen zu einer Verkohlung der Isolierung (Dielektrikum) an dieser Stelle. Eine Verkohlung kann auch durch die Verfolgung durch das Isoliersystem auftreten.

– Stufe 2: Die Fehlerstelle wird widerstandsfähiger. Zwischen dem “guten” Teil der Wicklung (und anderen stromführenden Komponenten des Systems) und den Kurzschlusswindungen entsteht eine gegenseitige Induktivität. Die I2 R-Verluste steigen an der Fehlerstelle aufgrund des Stromanstiegs in den Kurzschlusswindungen, wodurch sich die Temperatur an dieser Stelle erhöht und das Isoliersystem schnell verkohlt. Der Motor kann zu diesem Zeitpunkt ausfallen, obwohl er nach einer kurzen Abkühlphase weiterlaufen kann.

– Stufe 3: Die Isolierung bricht zusammen, und die Energie im Bereich des Kurzschlusses kann zu einem explosionsartigen Zerreißen des Isolationssystems und zum Verdampfen der Wicklungen führen.

4.5 Vergleich der Ausrüstung

Rotierende Maschinen und Transformatoren funktionieren nach ähnlichen Prinzipien. Ein Drehstrom-Asynchronmotor beispielsweise hat einen Primär- (Statorwicklung) und einen Sekundärkreis (Rotorwicklung), genau wie die Primär- und Sekundärwicklungen eines Transformators. Der Unterschied besteht darin, dass die elektrische Energie mit Hilfe von Transformatoren in einen anderen Wert der elektrischen Energie umgewandelt wird. Die gleiche elektrische Energie wird mit Hilfe eines Elektromotors in mechanische Energie umgewandelt.

Transformatorwicklungen sind so ausgelegt, dass sie in der Regel zwischen den Phasen ausgeglichen sind. Dies ermöglicht eine ausgeglichene Energie auf der Sekundärseite und ausgeglichene Stromkreisimpedanzen im gesamten System. Dreiphasige rotierende Maschinen (montiert) haben eine sich ändernde gegenseitige Induktivität, wenn sich die Rotorposition ändert. Das Ergebnis kann eine geprüfte induktive Unsymmetrie und eine daraus resultierende Impedanzunsymmetrie sein, wenn sich der Rotor in einer Position befindet, während alle drei Phasen geprüft werden. Die Unwucht der Wicklungen von rotierenden Maschinen kann entweder durch Kompensation der Rotorposition oder durch den Vergleich von Impedanz- und Induktivitätsmesswerten bewertet werden.

4.6 Testmessungen zur Bewertung

Zu den grundlegenden elektrischen Messungen für die Bewertung von Transformator- und Maschinenwicklungen gehören:

a) Widerstand (IEEE Std 118-1978, IEEE Std 389-1996) ñ Zur Erkennung von Schwankungen in der Drahtgröße, in den Verbindungen und in offenen/hochohmigen Schaltungen.

b) Induktivität (IEEE Std 388-1992: Abschnitt 5.2 Induktivität (Impedanz) Unsymmetrie, 5.6.1 Induktivitätsbrücken-Messverfahren, IEEE Std 120-1989) ñ Die Induktivität ist eine Funktion der Geometrie und Permeabilität. Sie ist unabhängig von Spannung, Strom und Frequenz. Die gemessene Gesamtinduktivität ist eine Kombination aus der gegenseitigen und der inneren Induktivität der Schaltung, die als Schaltungsinduktivität bezeichnet wird. Eine Fehlererkennung ist bei Wicklungskurzschlüssen nur möglich, wenn die Kapazitäten der dielektrischen Isolationssysteme ohmsch werden und ein Kurzschluss vorliegt, der zu einer gegenseitigen Induktivität zwischen dem “guten” Teil der Spule und den kurzgeschlossenen Windungen führt. Die gegenseitige Induktivität wird auch bei der Bewertung von Rotorwicklungen in rotierenden Maschinen verwendet.

c) Kapazität (IEEE Std 389-1996, IEEE Std 120-1989) ñ Dient zur Messung der Gesamtkapazität des Stromkreises und der Isolationskapazität der Erdungswand. Normalerweise hat sich der Trend über die Zeit entwickelt.

d) Impedanz (IEEE Std 388-1992: Abschnitt 5.2 Induktivität (Impedanz) Unsymmetrie, IEEE Std 389-1996: Abschnitt 8.3 Impedanz Unsymmetrie, 8.4 Abgleichprüfungen, IEEE Std 120-1989: Abschnitt 5 Impedanzmessungen) ñ Impedanz ist frequenz-, widerstands-, induktivitäts- und kapazitätsabhängig. Der Widerstand hat einen relativ geringen Einfluss auf die Gesamtimpedanz, und die angelegte Frequenz wirkt sich auf die induktiven und kapazitiven Reaktanzkomponenten aus. Erhöhungen der Induktivität wirken sich additiv auf die Impedanzwerte aus, während die Kapazität einen umgekehrten Einfluss auf die Schaltungsimpedanz hat. So führt beispielsweise eine Erhöhung der Gesamtinduktivität des Stromkreises zu einer etwa parallelen Erhöhung der Impedanz, während eine Erhöhung der Gesamtkapazität des Stromkreises zu einer Verringerung der Impedanz führt.

e) Phasenwinkel (IEEE Std 120-1989) ñ Der Phasenwinkel eines Stromkreises ist ein Maß für die Verzögerung zwischen Spannung und Strom, das als Grad der Trennung dargestellt wird. Sie wird direkt von der Impedanz des Stromkreises, der angelegten Spannung und der Frequenz beeinflusst.

f) Frequenzgangprüfungen (IEEE Std 389-1996: Abschnitt 11.1 Transformator-Frequenzgang) ñ Frequenzgangprüfungen können mit einer Reihe von Methoden ausgewertet werden. Für die Zwecke dieses Leitfadens wird die Bewertung als prozentuale Verringerung des Stroms einer Spule bei Verdoppelung der Frequenz dargestellt, auch bekannt als Strom/Frequenzgang-Test. Die Strom/Frequenz-Antworten werden durch Änderungen der Kapazitäten des Stromkreises bei steigender Frequenz beeinflusst.

g) Isolationswiderstandstests ñ Abgedeckt durch IEEE Std 43-2000.

Unabhängig von den durchgeführten Messungen besteht der Hauptzweck darin, Ungleichgewichte zwischen gleichartigen Spulen festzustellen, z. B. zwischen Phasen in einer dreiphasigen rotierenden Maschine oder einem Dreiphasentransformator.

5.0 Bewertung der Ausrüstung

5.1 Bewertung von Dreiphasentransformatoren

Bei der Durchführung von Prüfungen an Dreiphasentransformatoren mit Hilfe von Wicklungsanalyseverfahren muss der Stromkreis, der der zu prüfenden Seite gegenüberliegt, kurzgeschlossen und geerdet sein (IEEE Std 388-1992: Abschnitt 5.6.1 Induktionsbrücken-Messverfahren, IEEE Std 389-1996). Jede der drei Phasen wird gemessen und auf ihre Ausgewogenheit hin bewertet. Siehe Tabelle 1 für die empfohlenen Grenzwerte der Testergebnisse.

a) Fi und I/F-Tests erkennen Isolationsdurchbrüche ñ Veränderungen der Kapazitäten und Widerstände im Isolationssystem.

b) Induktivitäts- und Impedanzmessungen dienen der Erkennung von fortgeschrittenen Wicklungsfehlern und Drehfehlern bei der Herstellung oder Reparatur.

c) Der Widerstand wird zur Erkennung von losen Verbindungen, gebrochenen Leitern und ähnlichen Problemen verwendet.

5.2 Bewertung dreiphasiger induktiver Rotationsmaschinen

Der Stator und der Rotor werden mit Hilfe von Wicklungskreisanalyseverfahren getrennt bewertet. Die folgenden Leitlinien beziehen sich auf beides.

5.2.1 Prüfung des montierten Motorrotors

Die häufigsten Fehlerarten bei Elektromotoren sind:

a) Luftspalt (Rotorexzentrizität): Dies ist normalerweise kein fortschreitender Fehler, es sei denn, der Rotor ist locker oder es liegt ein schwerwiegender Fehler an der Motorwelle oder den Lagern vor. Mit Hilfe von Schwingungsanalyseverfahren lassen sich Lockerungen, Lager und Motorwellenprobleme schneller und sicherer erkennen. Probleme mit dem Luftspalt bei der Herstellung und Reparatur können mit der Analyse des statischen Wicklungskreises während der Abnahmeprüfung oder beim Hersteller bzw. in der Reparaturwerkstatt erkannt werden, bevor die Zeit für die Installation des Geräts verloren geht. Diese Art der Abnahmeprüfung wird verwendet, um festzustellen, ob der Luftspalt richtig eingestellt wurde (+/- 10 % des durchschnittlichen Luftspaltwerts, der bei der Installation an beiden Enden des Rotors gemessen wurde).4

b) Gusslöcher und Rotorstabverbindungen: Diese können im Laufe der Zeit zu einem “gebrochenen Rotorstab” führen. Es gibt immer Gusslücken in gegossenen Aluminiumrotoren, Variationen in der Aluminiumlegierung und Variationen in den Verbindungen von Kupferlegierungsstangen, die die Induktivität beeinflussen. Die Fehler können durch eine Reihe von Induktivitäts- oder Impedanzmessungen festgestellt werden, während die Welle um 360 Grad gedreht wird. Diese Messwerte können als Wellenform dargestellt und auf Fehler untersucht werden, indem man die Position der Induktivitäts- und/oder Impedanzänderungen der Wellenform betrachtet. Eine geringe Änderung der Steigung oder des Anstiegs der Wellenform deutet auf einen kleinen, in der Regel unauffälligen Defekt hin, während eine erhebliche Änderung an der Spitze der Wellenform auf schwerwiegende Rotorfehler hinweist. Schwere Fehler können die Betriebseigenschaften des Motors beeinträchtigen.

c) Gebrochene Rotorstangen: Es handelt sich um fortschreitende Fehler, die in der Regel durch einen falschen Betrieb des Elektromotors entstehen. Beim Anlassen eines Elektromotors kommt es aufgrund der hohen Ströme und der hohen Frequenz zu einer Erwärmung des Rotors, die eine Abkühlungsphase erfordert. In anderen Fällen kann ein Rotor blockiert werden, was hohe Ströme und hohe Rotorfrequenzen verursacht. Die Ausdehnungsgeschwindigkeit der Kupferlegierungen (oder des Aluminiums) und der Rotorwerkstoffe ist unterschiedlich, wodurch die Stangen selbst mechanisch belastet werden. Bei extremer Beanspruchung können die Rotorstäbe brechen, was die Fähigkeit des Motors, ein Drehmoment zu erzeugen, beeinträchtigt. Wenn Rotorstäbe brechen, werden die umliegenden Rotorstäbe mit zusätzlichem Strom beaufschlagt, wodurch die Temperatur der Rotorstäbe weiter ansteigt und die Möglichkeit besteht, dass weitere Risse entstehen.

Die Fähigkeit der Prüfgeräte, Fehler durch Induktivität und Impedanz zu erkennen, ist auf die Änderungen der gegenseitigen Induktivität des Stromkreises bei Änderung der Rotorposition zurückzuführen. Da es sich bei einem Elektromotor um einen Transformator mit einem rotierenden Sekundärkreis handelt, ändert sich bei einer Änderung der Rotorposition das effektive Verhältnis von Primär- (Statorwicklungen) zu Sekundärseite (Rotorwicklungen), und die gesamte gegenseitige Induktivität und die daraus resultierende Impedanz des Kreises ändert sich. Aufgrund der Beschaffenheit rotierender Geräte sind die Veränderungen im Laufe der Zeit sinusförmig (oder eine Variation davon) und symmetrisch.

Das allgemeine Verfahren zur Durchführung einer Rotorinduktivitäts- oder -impedanzprüfung besteht darin, Induktivitäts- oder Impedanzmessungen in gleichmäßigen Schritten über 360 Grad Drehung vorzunehmen oder eine Induktivitäts- oder Impedanzprüfung in Echtzeit zu verwenden. Die Testergebnisse sollten zur Interpretation grafisch dargestellt werden.

5.2.2 Zusammengebaute rotierende Ausrüstung Statorprüfung

Die Bewertung der Prüfergebnisse von montierten rotierenden Geräten bietet einen unterschiedlichen Grad an Genauigkeit bei der Fehlererkennung. Die Ergebnisse der Induktivitätstests liefern beispielsweise hohe und unterschiedliche Werte, wenn der Rotor in verschiedenen Positionen platziert wird. Die Rotorposition muss daher so eingestellt werden, dass die Werte der gegenseitigen Induktivität zwischen den Primär- (Stator) und Sekundärwicklungen (Rotor) relativ gleich sind. Die mit der Impedanz gekoppelte Induktivität zeigt jedoch die kapazitiven Auswirkungen eines Isolationsdurchbruchs oder einer Verschmutzung der Wicklung. Wenn beispielsweise die Impedanz und die Induktivität relativ parallel sind, ist die Phasenunsymmetrie auf die Rotorposition zurückzuführen. Verringert sich die Impedanz mindestens einer Phase oder sind Impedanz und Induktivität nicht relativ parallel, so hat sich die Kapazität des Stromkreises verändert, was auf eine mögliche Verschmutzung der Wicklung oder einen Isolationsdurchbruch hinweist.

Frühzeitige Turnfehler werden als Änderungen des Phasenwinkels oder des Strom-/Frequenzverhaltens als ëVerschiebungí der Messwerte erkannt. Eine Verschiebung kann z. B. als Fi: 77/76/77 und/oder I/F: -44/-46/- 44 angezeigt werden.

5 Die Messwerte für Widerstand und Impedanzunsymmetrie können nur gezählt werden, wenn die Rotorposition berücksichtigt wird. Die Messungen müssen entweder an einem Scheitelpunkt oder einem Talpunkt der Sinuswelle bei der Änderung der Rotorposition erfolgen.

6.0 Literaturverzeichnis

a) IEEE Std 43-2000: IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery

b) IEEE Std 56-1977: IEEE Guide for Insulation Maintenance of Large Alternating Current Rotating Machinery (10.000 kVA and Larger)

c) IEEE Std 118-1978: IEEE Standard Test Code for Resistance Measurements

d) IEEE Std 120-1989: IEEE Master Test Guide for Electrical Measurements in Power Circuits

e) IEEE Std 388-1992: IEEE Standard for Transformers and Inductors in Electronic Power Conversion Equipment

f) IEEE Std 389-1996: IEEE Recommended Practice for Testing Electronics Transformers and Inductors

g) IEEE Std 1068-1990: IEEE Recommended Practice for the Repair and Rewinding of Motors for the Petroleum and Chemical Industry

h) Penrose, Dr. Howard W., Motor Circuit Analysis: Theorie, Anwendung und Energieanalyse, SUCCESS by DESIGN, 2001

i) Fink, Donald und Beaty, H. Wayne, Standard Handbook for Electrical Engineers, Fourteenth Edition, McGraw-Hill, 2000.

j) Sarma, Mulukutl, Elektrische Maschinen: Steady-State Theory and Dynamic Performance, Zweite Auflage, PWS Publishing Company, 1996

k) Mazur, Glen und Proctor, Thomas, Fehlersuche bei Elektromotoren, Zweite Ausgabe, ATP Publishing, 1997

l) Nasar, Syed, Electric Machines and ElectroMagnetics, McGraw-Hill, 1981