Versagen der elektrischen Isolierung

Elektrische Isolierung wird verwendet, um Strom durch einen gewünschten Pfad zu leiten und zu verhindern, dass er dorthin fließt, wo er nicht erwünscht ist. Eine ordnungsgemäße elektrische Isolierung ist entscheidend für die Leistung und Langlebigkeit eines Elektromotors. Der Ausfall der Isolierung ist eine der häufigsten Ursachen für das Versagen von Elektromotoren. Bei elektrischen Generatoren zum Beispiel,
56 % der Ausfälle
auf Schäden an der elektrischen Isolierung zurückzuführen.

Isoliersysteme

Bei Motoren gibt es 2 Isolationssysteme. Ein System ist die Grundwandisolierung, die die Spulen vom Rahmen oder Gehäuse des Motors trennt. Das zweite Isolationssystem ist das Wicklungsisolationssystem, das die Leiter trennt, die zu den Motorwicklungen gewickelt werden. Studien haben gezeigt, dass ≈ 80 % der elektrischen Fehler im Stator in der Wicklungsisolierung auftreten, während nur ≈ 20 % zwischen den Spulen und dem Motorrahmen oder durch einen direkten Kurzschluss mit der Erde entstehen.

Was ist ein Isolationsfehler?

Ein Ausfall der elektrischen Isolierung tritt auf, wenn die Isolierung des Motors im Laufe der Zeit oder aus anderen Gründen nachlässt. Durch Alterung oder Überhitzung kommt es zu chemischen Veränderungen in der Isolierung, die dazu führen, dass die Isolierung leitfähiger wird und weniger wirksam verhindert, dass der Strom unerwünschte Wege zwischen den Leitern oder zum Motorgehäuse nimmt. Einige Dämmstoffausfälle, insbesondere bei der Grundmauerdämmung, treten aufgrund von eindringender Feuchtigkeit, Verschmutzung oder anderen ungewöhnlichen, einmaligen Ereignissen sofort auf. Diese Ereignisse greifen Hohlräume oder andere Schwachstellen in der Isolierung an und führen zu einem vorzeitigen Ausfall. Fehler im Isolationssystem der Wicklungen entstehen langsam und verschlechtern sich mit der Zeit.

Häufige Ursachen für das Versagen der Isolierung sind:

• Überhitzung
• Verschmutzung der Wicklung
• Übermäßige Stromaufnahme
• Schlechte Stromqualität
• Harmonische Verzerrung.

Dieser Leitfaden führt Sie durch die einzelnen Stadien der Verschlechterung der elektrischen Isolierung, so dass Sie vorausschauend handeln und die Veränderungen der Isolierung in Ihren Motorgeräten verfolgen können.

3 Stadien des Versagens der elektrischen Isolierung

Die meisten Dämmstoffausfälle treten langsam und stetig auf und durchlaufen drei verschiedene Phasen.

Stufe 1 – Ideal für die Früherkennung

In der ersten Phase des Versagens der elektrischen Isolierung wird die Isolierung zwischen den Leitern belastet und beginnt sich chemisch zu verändern. Die Isolierung wird chemisch von einem Isolator zu einem Leiter. Die Isolationsstärke und die Kapazität beginnen zu sinken. Die Isolierung kann anfangen zu verkohlen, was dazu führt, dass der Strom resistiver und weniger kapazitiv wird. Wenn sich die Isolierung der Grundmauer verändert, sinkt der Isolationswiderstand und der Verlustfaktor steigt. Wenn die Isolierung der Wicklung eine chemische Veränderung erfährt, ändert sich der Phasenwinkel (Fi) und/oder der Frequenzgang des Stroms.

Die Erkennung von Fehlern in diesem Stadium des Isolationsversagens ist für den zuverlässigen “Weltklasse”-Betrieb des elektrischen Systems einer Anlage äußerst wichtig. In diesem Stadium kommt es noch nicht zu einem unerwünschten Stromfluss zwischen den Leitern, aber die Gefahr, dass er einsetzt, ist groß. Glücklicherweise ist die Früherkennung durch
Überprüfung der Wicklungen
und die Durchführung einer ordnungsgemäßen
Motorprüfung
äußerst vorteilhaft. Die frühzeitige Erkennung von Isolationsfehlern in Elektromotoren ermöglicht es einem Unternehmen, den Schaden zu beheben, solange er noch relativ gering ist, was Zeit und Geld spart und katastrophale Ausfälle verhindert.

ALL-TEST Pro-Geräte sind weltweit die einzigen Geräte, die Isolationsfehler in Elektromotoren konsequent und frühzeitig erkennen können.

Der Phasenwinkel wird weiter unten bei der Erkennung von Isolationsfehlern erläutert.

Stufe 2 – Möglicher intermittierender Ausfall des Motors

In der zweiten Phase des Versagens der elektrischen Isolierung wird die Verschlechterung der Wicklungen immer deutlicher. Im Folgenden sind einige der möglichen Fehlermerkmale aufgeführt:

• Der Abbau des Isoliermaterials nimmt zu.
• Der Strom wird immer widerstandsfähiger.
• Die Wärme steigt an der Hauptfehlerstelle der Isolierung.
• Der Motor fängt an, den Antrieb oder den Schutzschalter auszulösen, obwohl er weiterlaufen kann, sobald die Isolierung abgekühlt ist.

Um die Ursache des Problems zu ermitteln, muss eine Fehlersuche durchgeführt werden. Die ALL-TEST Pro-Geräte ermitteln den tatsächlichen Gesundheitszustand des Motors und seiner Komponenten.

Siehe Phasenwinkel, TVS und Strom-Frequenzgang, die unten bei der Erkennung von Isolationsfehlern erklärt werden.

Stufe 3 – Katastrophisches Versagen

Wenn frühere Anzeichen eines Isolationsfehlers nicht erkannt oder nicht behoben wurden, wird der Motor wahrscheinlich einen Totalausfall erleiden. Im Folgenden sind einige der Merkmale aufgeführt, die die Wicklung in diesem Stadium häufig aufweist:

• Die Isolierung bricht vollständig durch, wodurch ein Kurzschluss zwischen den Wicklungen oder ein direkter Weg für den Strom von der Wicklung zur Erde oder zum Motorrahmen entsteht.
• An der Verwerfungsstelle entsteht ein explosionsartiger Riss.
• Es kommt zu Induktivitäts- und Widerstandsänderungen.
• Kupferspulen beginnen bei übermäßiger Hitze zu schmelzen.
• Der Motor löst beim Einschalten ständig den Umrichter oder Leistungsschalter aus.
• Der Stromfluss zwischen den Leitern ist vorhanden.

Viele elektrische Messgeräte und Vorrichtungen sollten Fehler in diesem Stadium des Motorausfalls erkennen (oder wenn ein vollständiger Kurzschluss zur Erde vorliegt, was auf ein schwerwiegendes Sicherheitsproblem hinweist). Wenn Sie Motoren bis zum Ausfall laufen lassen, brauchen Sie nicht zu wissen, was mit Ihrem Motor passiert oder wie es um seinen Zustand bestellt ist.

Ursachen für das Versagen von Isolierungen

Stressfaktoren wie Temperatur, Schadstoffe und elektrische Belastungen wie anhaltende Überspannungen können die elektrische Isolierung leicht belasten und zu Ausfällen führen. Das Risiko eines Isolationsversagens nimmt mit der Zeit ebenfalls zu, da diese verschiedenen Faktoren miteinander interagieren und zu einer Verschlechterung führen. So können zum Beispiel winzige Nadelstiche oder Risse in der Isolierung durch die tägliche Abnutzung entstehen. Diese Risse schwächen die Isolierung und schaffen außerdem Möglichkeiten für das Eindringen von Feuchtigkeit und chemischen Verunreinigungen, wodurch die Isolierung noch weiter geschädigt wird.

Im Folgenden werden einige der häufigsten Ursachen für das Versagen der elektrischen Isolierung in einem Motor genannt:

• Verunreinigungen: Die Wicklungsisolierung wird durch den Kontakt mit Verunreinigungen wie Kühlmittel, Öl und anderen Chemikalien geschwächt. Diese Verunreinigungen haben oft eine korrosive Wirkung und zersetzen die Isolierung mit der Zeit. Feuchte Verunreinigungen sind in der Regel leitfähig, da sie Verunreinigungen enthalten, so dass sie den Widerstand verringern, wenn sie durch kleine Risse und Poren in die Isolierung eindringen.
• Schlechte Netzqualität: Die Wicklungen können aufgrund von Problemen mit der Netzqualität, einschließlich unausgeglichener Spannungs- und Strompegel, überhitzen. Selbst ein geringer Temperaturanstieg aufgrund dieser Probleme kann einen thermischen Hotspot erzeugen, der zu einer erheblichen Abnahme des Isolationswiderstands führt.
• Überlastung: Die Wicklungen können sich aufgrund der hohen Stromaufnahme bei übermäßiger Belastung überhitzen. Eine Überlastung kann auch zu einem Spannungsstoß führen, der die Isolierung zerreißt.
• Hohe Umgebungstemperatur: Die Wicklungen können sich auch aufgrund der hohen Wärme in der Betriebsumgebung überhitzen. Vor allem in Bereichen mit eingeschränkter Belüftung kann die von den Geräten erzeugte Wärme die Wicklungsisolierung eines Motors übermäßig belasten.
• Transiente Spannungen: Transiente Spannungen können durch interne oder externe Quellen entstehen und treten häufig beim Anfahren des Motors auf. Die Frequenz des transienten Stroms kann um ein Vielfaches höher sein als der typische Strom in den Wicklungen, wodurch die Isolierung extrem belastet wird.

Da das Risiko eines Isolationsversagens in einem Motor im Laufe der Zeit relativ hoch ist, sollten die Mitarbeiter über die notwendigen Werkzeuge und Schulungen verfügen, um die Anzeichen eines Isolationsversagens zu erkennen und schnell zu beheben.

Erkennung von Isolationsfehlern mit MCA

Isolierung der Wicklung

Motor-Schaltkreis-Analyse
(MCA™) injiziert Niederspannungs-Wechsel- und -Gleichspannung, um das Isolationssystem der Wicklungen zu testen, während der Motor stromlos ist. Wenn das Isoliersystem beginnt, sich chemisch zu verändern, wirkt sich dies auf die Kapazität (C) und die Induktivität (L) des Spulensystems aus. Jede Änderung von C oder L verändert die Zeitverzögerung zwischen der angelegten Spannung und dem resultierenden Strom sowie die Fähigkeit des Spulensystems, eine elektrische Ladung oder ein Magnetfeld zu speichern. Wenn sich die Isolierung der Wicklung chemisch zu verändern beginnt, wird sich daher entweder das Fi oder das I/F oder möglicherweise beides verändern. Ändert sich eine dieser Variablen, so ändert sich auch die Testwertstatistik (TVS). Eine Veränderung der TVS-Statik von ihrem zuvor als Referenzwert Statik (RVS) gespeicherten Basiswert von > 3 % zeigt den Beginn eines Isolations- oder Rotorfehlers an.

• Testwertstatistik: TVS ist eine Zahl, die den Zustand des Motors zum Zeitpunkt der Durchführung des Tests angibt. Der TVS verwendet einen patentierten Algorithmus, der durch die Kombination der Ergebnisse einer Reihe von Niederspannungstests an allen drei Phasen eines Motorwicklungssystems erstellt wurde. Die Schlüsselvariablen werden bei 5 verschiedenen Frequenzen gemessen, um das Isolationssystem vollständig anzuregen. Selbst kleine Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung der Wicklungsisolierung führen dazu, dass sich der aktuelle TVS-Wert im Vergleich zur Basislinie verändert. ATP empfiehlt, bei einem neuen Motor und vor dem Einbau in das System einen RVS-Test (Reference Value Static) durchzuführen. Bei der Überwachung des TVS des Motors während seiner Lebensdauer deutet eine Veränderung von > 3 % zwischen den beiden Werten (neuer und aktueller TVS-Wert) in der Regel auf einen Rotor- oder Statorfehler hin.
• Phasenwinkel: Ist ein Maß für die Zeitverzögerung zwischen der an den Motor angelegten Spannung und der daraus resultierenden Stromaufnahme. Es handelt sich dabei um eine hochempfindliche Messung, die sich als eine der ersten Variablen verändert, wenn das Isolationssystem zu schwächeln beginnt. Die Fi-Messung wird verwendet, um sich entwickelnde Fehler in den Wicklungen von Spule zu Spule, von Windung zu Windung oder von Phase zu Phase zu erkennen. Kein anderes Instrument kann in diesem Stadium Fehler in der Wicklung von Spule zu Spule feststellen.
• Strom-Frequenzgang: Bei der Prüfung des Strom-Frequenzgangs wird der Strom durch die Motorwicklungen bei einer vorgegebenen Frequenz gemessen. Bei einem weiteren Test wird die aktuelle Reaktion erneut bei der doppelten Ausgangsfrequenz gemessen. Die I/F-Reaktion misst die prozentuale Änderung des Stroms, die durch die Verdopplung der Frequenz der Eingangsspannung verursacht wird. Eine dreiphasige Wicklung reagiert im gleichen Zustand gleich auf die Frequenzänderung. Wenn die Isolierung der Wicklung an einem oder mehreren Leitern nachlässt, verändert sich die Fähigkeit der Spule, ein Magnetfeld oder eine elektrische Ladung zu speichern. Der I/F-Test misst die Fähigkeit eines Wicklungssystems, ein Magnetfeld oder eine elektrische Ladung zu speichern, und ist im Allgemeinen einer der ersten Indikatoren für eine Verschlechterung des Wicklungssystems.
• Dynamische Prüfung: Die dynamische Prüfung dient dazu, entstehende oder bestehende Fehler im Stator oder Rotor zu erkennen. Während der dynamischen Prüfung misst und speichert das Prüfgerät kontinuierlich die Impedanz bei verschiedenen Rotorpositionen, während die Motorwelle manuell langsam und gleichmäßig gedreht wird. Die Ergebnisse dieser Tests werden analysiert und in Form von zwei elektrischen Signaturen dargestellt, der dynamischen Statorsignatur und der dynamischen Rotorsignatur. Das Gerät analysiert dann automatisch diese Signaturen und zeigt den Zustand des Stators oder Rotors mit “gut”, “warnend” oder “schlecht” an.
• Dissipationsfaktor (DF): Das Erdungsisolationssystem bildet einen natürlichen Kondensator zwischen den Leitern in den Motorspulen und dem Motorrahmen. Ein Kondensator speichert eine elektrische Ladung. Wenn eine Wechselspannung an einen Kondensator angelegt wird, fließt ein Teil des Stroms durch das dielektrische Material und ist der Widerstandsstrom (_Ir), der Rest des Stroms ist der gespeicherte Strom. Der gespeicherte Strom wird als kapazitiver Strom (_Ic) bezeichnet. Bei dem neuen Isoliersystem beträgt der_Ir-Wert < 5 % des Ic-Wertes_. Der DF ist das Verhältnis von_{Ir /Ic}. Wenn das Isoliermaterial altert, wird es weniger kapazitiv und widerstandsfähiger, was zu einem Anstieg des DF führt.
• Kapazität gegen Erde (CTG): Da das Erdungsisolationssystem eine natürliche Kapazität mit dem Rahmen bildet, gibt es einen messbaren Wert, der während der gesamten Lebensdauer des Motors gleich bleiben sollte. Das Eindringen von Feuchtigkeit oder anderen Verunreinigungen führt zu einer Veränderung der Dielektrizitätskonstante. Dies führt im Allgemeinen zu einem Anstieg des CTG-Wertes. Wenn jedoch die Grundmauerisolierung thermisch abzustufen beginnt, wird das CTG sinken.

Zusammenfassung: Die Kombination von DF- und CTG-Messungen liefert einen besseren Hinweis auf den Gesamtzustand der Grundmauerisolierung als IRG-Messungen allein. Mit einer Standard-IRG-Prüfung lassen sich Erdungsfehler nur an der schwächsten Stelle der Wicklungsisolierung feststellen. Die DF- und CTC-Prüfungen ermöglichen eine vollständige Bewertung des gesamten Isolationssystems mit Hilfe von AC-Niederspannungsprüfverfahren. Durch die Kombination dieser beiden Tests mit einem IRG-Test erhalten Sie den genauesten Zustand des Isolationssystems Ihres Motors gegen Erde.

Traditionelle Prüfmethoden

Isolationswiderstand gegen Erde (IRG)
– Dies ist ein Sicherheitstest und dient nicht zur Bestimmung des tatsächlichen Zustands eines Elektromotors.

Die Prüfung des Isolationswiderstands gegen Erde ist die am häufigsten durchgeführte elektrische Prüfung im Elektrobereich. Der Hauptzweck dieser Messungen ist die “Sicherheit”. Wenn ein Strompfad von der stromführenden Wicklung zum Gehäuse der Maschine oder zur Erde besteht, ist es möglich, dass ein freiliegender Teil des Motors mit der vollen an die Wicklung angelegten Spannung unter Spannung gesetzt wird. Wenn außerdem ein ausreichender Strom zur Erde fließt, führt dies zu einer lokalen Erwärmung, die zu Schäden an der Anlage und am Personal führen kann. Vor der Einschaltung eines neu installierten elektrischen Systems sollte ein IRG-Test durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass der Motor “sicher” eingeschaltet werden kann. Bei der IRG-Prüfung wird eine Gleichspannung an die Motorleitungen angelegt und der Stromfluss zur Erde gemessen. Da der Strom den Weg des geringsten Widerstands nimmt, zeigt dieser Test die schwächsten Stellen der Erdwandisolierung auf, gibt aber keinen Hinweis auf den Gesamtzustand der Erdwandisolierung.

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