Le test de l’indice de polarisation sur les moteurs électriques est désormais surpassé par les méthodes modernes

En ce qui concerne les essais de moteurs électriques, l’indice de polarisation (IP) est une mesure de l’amélioration (ou de la dégradation) de la résistance du système d’isolation au fil du temps.

Bien que le test PI ait été considéré comme le test principal pour évaluer l’état de l’isolation d’un moteur, son processus est devenu obsolète par rapport aux nouvelles méthodes de test qui fournissent une évaluation diagnostique plus complète de la santé globale d’un moteur.

Cet article fournit une compréhension pratique du système d’isolation d’un moteur, une compréhension de base du test de l’indice de polarisation, et comment les méthodes modernes de test des moteurs fournissent des résultats plus complets en moins de temps.

Indice de polarisation (PI)

Le test de l’indice de polarisation (PI) est une méthode standard de test des moteurs électriques mise au point dans les années 1800, qui vise à déterminer l’état de l’isolation des enroulements d’un moteur.

Alors que le test PI fournit des informations sur les systèmes d’isolation des parois du sol (GWI) généralement installés avant les années 1970, il ne permet pas de déterminer avec précision l’état de l’isolation des enroulements dans les moteurs modernes.

Le test PI consiste à appliquer une tension continue (généralement 500V – 1000V) à l’enroulement du moteur pour mesurer l’efficacité du système GWI à stocker une charge électrique.

Puisque le système GWI forme une capacité naturelle entre les enroulements du moteur et le châssis du moteur, la tension continue appliquée sera stockée comme une charge électrique, comme n’importe quel condensateur.

Au fur et à mesure que le condensateur se charge, le courant diminue jusqu’à ce qu’il ne reste plus que le courant de fuite final, qui détermine la résistance de l’isolation à la terre.

Dans les systèmes d’isolation neufs et propres, le courant de polarisation diminue logarithmiquement avec le temps au fur et à mesure que les électrons sont stockés. L’indice de polarisation (IP) est le rapport de la valeur de la résistance d’isolement à la terre (IRG) prise à des intervalles de 1 et 10 minutes.

PI = IRG 10 minutes/1 IRG minutes

Sur les systèmes d’isolation installés avant les années 1970, le test PI est effectué pendant que le matériau diélectrique est polarisé.

Si l’isolation de la paroi du sol (GWI) commence à se dégrader, elle subit un changement chimique qui rend le matériau diélectrique plus résistif et moins capacitif, ce qui diminue la constante diélectrique et réduit la capacité du système d’isolation à stocker une charge électrique. Ainsi, le courant de polarisation devient plus linéaire à mesure qu’il s’approche de la plage où le courant de fuite est prédominant.

Cependant, sur les nouveaux systèmes d’isolation datant des années 1970, pour diverses raisons, la polarisation complète du matériau diélectrique se produit en moins d’une minute, et les lectures IRG sont supérieures à 5 000 mégohms. L’IP calculé peut ne pas être significatif en tant qu’indication de l’état de la paroi du sol.

De plus, étant donné que ce test crée un champ électrostatique entre les enroulements et le châssis du moteur, il ne fournit que très peu d’indications, voire aucune, sur l’état du système d’isolation des enroulements. La meilleure indication de ces types de défauts est l’utilisation de mesures MCA de l’angle de phase et de la réponse en fréquence du courant.

Matériaux d’isolation

Dans les moteurs électriques, l’isolation est le matériau qui résiste à la libre circulation des électrons, en dirigeant le courant vers un chemin souhaité et en l’empêchant de s’échapper ailleurs.

En théorie, l’isolation devrait bloquer toute circulation de courant, mais même le meilleur matériau isolant laisse passer une petite quantité de courant. Ce courant excédentaire est communément appelé courant de fuite.

S’il est généralement admis que les moteurs ont une durée de vie de 20 ans, la défaillance du système d’isolation est la principale raison pour laquelle les moteurs électriques tombent en panne prématurément.

Le système d’isolation commence à se dégrader lorsque l’isolation devient plus conductrice en raison d’un changement dans sa composition chimique. La composition chimique de l’isolant change avec le temps en raison d’une utilisation progressive et/ou d’autres dommages. Le courant de fuite est résistif et crée de la chaleur qui entraîne une dégradation supplémentaire et plus rapide de l’isolation.

Remarque: la plupart des fils émaillés sont conçus pour garantir une durée de vie de 20 000 heures aux températures nominales (105 à 240° C).

Systèmes d’isolation

Les moteurs et autres équipements électriques avec bobines ont 2 systèmes d’isolation séparés et indépendants.

1. Les systèmes d’isolation à paroi de terre séparent la bobine du châssis du moteur, empêchant la tension fournie aux enroulements de s’échapper vers le noyau du stator ou toute autre partie du châssis du moteur. La rupture du système d’isolation du mur de terre est appelée un défaut de terre et crée un risque de sécurité.
2. Les systèmes d’isolation du bobinage sont des couches d’émail qui entourent le fil conducteur qui fournit le courant à l’ensemble de la bobine pour créer le champ magnétique du stator. La rupture du système d’isolation de l’enroulement est appelée un court-circuit d’enroulement et affaiblit le champ magnétique de la bobine.

Figure 1 : 2 systèmes d’isolation séparés

Résistance de l’isolation à la terre (IRG)

Le test électrique le plus courant effectué sur les moteurs est le test de résistance d’isolement à la terre (IRG) ou “test ponctuel”.

En appliquant une tension continue à l’enroulement du moteur, ce test détermine le point de résistance minimale que présente l’isolation de la paroi de terre par rapport au châssis du moteur.

Capacité

La capacité (C), mesurée en Farads, est définie comme la capacité d’un système à stocker une charge électrique. Pour déterminer la capacité d’un moteur, on utilise l’équation suivante : 1 Farad = la quantité de charge stockée en coulombs (Q) divisée par la tension d’alimentation.

Exemple : Si la tension appliquée est une batterie de 12 V et que le condensateur stocke 0,04 coulombs de charge, il aura une capacité de 0,0033 Farads ou 3,33 mF. Un coulombs de charge représente environ 6,24 x¹⁰¹⁸ électrons ou protons. Un condensateur de 3,33 mF stocke environ 2,08 X¹⁰¹⁶ électrons lorsqu’il est complètement chargé.

La capacité est créée en plaçant un matériau diélectrique entre des plaques conductrices. Dans les moteurs, les systèmes d’isolation par le sol forment une capacité naturelle entre les enroulements du moteur et le châssis du moteur. Les conducteurs de l’enroulement forment une plaque et le châssis du moteur forme l’autre, l’isolation de la paroi de terre constituant le matériau diélectrique.

La quantité de capacité dépend de :

1. La surface mesurée des plaques – La capacité est directement proportionnelle à la surface des plaques.
2. La distance entre les plaques – La capacité est inversement proportionnelle à la distance entre les plaques.
3. La constante diélectrique – La capacité est directement proportionnelle à la constante diélectrique.

Capacité à la terre (CTG)

Le site
capacité à la terre
(CTG) est une indication de la propreté des enroulements et des câbles d’un moteur.

Étant donné que l’isolation de la paroi de terre (GWI ) et les systèmes d’isolation du bobinage forment une capacité naturelle à la terre, chaque moteur aura un CTG unique lorsque le moteur est neuf et propre.

Si les enroulements du moteur ou le GWI sont contaminés, ou si le moteur a une infiltration d’humidité, le CTG augmentera. Cependant, si la GWI ou l’isolation de l’enroulement subit une dégradation thermique, l’isolation devient plus résistante et moins capacitive, ce qui entraîne une diminution du CTG.

Matériau diélectrique

Un matériau diélectrique est un mauvais conducteur d’électricité mais supporte un champ électrostatique. Dans un champ électrostatique, les électrons ne traversent pas le matériau diélectrique et les molécules positives et négatives s’apparient pour former des dipôles (paires de molécules de charge opposée séparées par une distance) et se polarisent (le côté positif du dipôle s’alignera vers le potentiel négatif et la charge négative s’alignera vers le potentiel négatif).

Constante diélectrique (K)

La constante diélectrique (K) est une mesure de la capacité d’un matériau diélectrique à stocker une charge électrique en formant des dipôles, par rapport au vide dont la K est égale à 1.

La constante diélectrique d’un matériau isolant dépend de la composition chimique des molécules combinées pour former le matériau.

Le K d’un matériau diélectrique est affecté par la densité du matériau, la température, la teneur en humidité et la fréquence du champ électrostatique.

Perte diélectrique

Une propriété importante des matériaux diélectriques est leur capacité à supporter un champ électrostatique, tout en dissipant un minimum d’énergie sous forme de chaleur, appelée perte diélectrique.

Rupture diélectrique

Lorsque la tension aux bornes d’un matériau diélectrique devient trop élevée et que le champ électrostatique devient trop intense, le matériau diélectrique devient conducteur d’électricité et on parle de rupture diélectrique. Dans les matériaux diélectriques solides, ce claquage peut être permanent.

Lorsqu’un claquage diélectrique se produit, le matériau diélectrique subit un changement dans sa composition chimique, ce qui entraîne une modification de la constante diélectrique.

Courants utilisés pour la charge d’un condensateur

Il y a plusieurs décennies, le test de l’indice de polarisation (IP) a été introduit pour évaluer la capacité du système d’isolation à stocker une charge électrique. Puisqu’il y a essentiellement trois courants différents, comme décrit ci-dessus, impliqués dans la charge d’un condensateur.

1. Courant de charge – Le courant accumulé sur les plaques dépend de la surface des plaques et de la distance qui les sépare. Le courant de charge se termine généralement en < moins d’une minute. Le montant de la charge sera le même quel que soit l’état du matériau isolant.
2. Courant de polarisation – Courant nécessaire pour polariser le matériau diélectrique ou pour aligner les diploïdes créés en plaçant le matériau diélectrique dans un champ électrostatique. Généralement, avec les systèmes d’isolation installés dans les moteurs (avant les années 1970) lorsque le test de l’indice de polarisation a été développé, la valeur nominale d’un système d’isolation neuf et propre serait de l’ordre de 100 mégaohms (¹⁰⁶) et nécessiterait typiquement plus de 30 minutes et dans certains cas de nombreuses heures pour être réalisée. Cependant, avec un système d’isolation plus récent (après les années 1970), la valeur nominale d’un système d’isolation neuf et propre se situe entre le giga-ohm et le téra-ohm (¹⁰⁹,¹⁰¹²) et se polarise généralement avant que le courant de charge ne soit complètement terminé.
3. Courant de fuite – Le courant qui traverse le matériau isolant et dissipe la chaleur.

Courant de charge

Un condensateur non chargé possède des plaques qui partagent un nombre égal de charges positives et négatives.

L’application d’une source de courant continu aux plaques d’un condensateur non chargé provoque le passage d’électrons du côté négatif de la batterie et leur accumulation sur la plaque reliée à la borne négative de la batterie.

Cela va créer un excès d’électrons sur cette plaque.

Les électrons vont circuler de la plaque reliée à la borne positive de la batterie et entrer dans la batterie pour remplacer les électrons accumulés sur la plaque négative. Le courant continuera à circuler jusqu’à ce que la tension sur la plaque positive soit la même que celle du côté positif de la batterie et que la tension sur la plaque négative atteigne le potentiel du côté négatif de la batterie.

Le nombre d’électrons déplacés de la batterie vers les plaques dépend de la surface des plaques et de la distance qui les sépare.

Ce courant, appelé courant de charge, ne consomme pas d’énergie et est stocké dans le condensateur. Ces électrons stockés créent un champ électrostatique entre les plaques.

Courant de polarisation

Le fait de placer un matériau diélectrique entre les plaques d’un condensateur augmente la capacité de ce dernier par rapport à l’espacement entre les plaques dans le vide.

Lorsqu’un matériau diélectrique est placé dans un champ électrostatique, les dipôles nouvellement formés se polarisent, et l’extrémité négative du dipôle s’aligne avec la plaque positive et l’extrémité positive du dipôle s’aligne vers la plaque négative. C’est ce qu’on appelle la polarisation.

Plus la constante diélectrique d’un matériau diélectrique est élevée, plus le nombre d’électrons requis est important, ce qui augmente la capacité du circuit.

Courant de fuite

La petite quantité de courant qui circule à travers le matériau diélectrique tout en conservant ses propriétés isolantes est appelée la résistance effective. Cette notion est différente de la rigidité diélectrique, qui est définie comme la tension maximale qu’un matériau peut supporter sans défaillir.

Lorsqu’un matériau isolant se dégrade, il devient plus résistif et moins capacitif, ce qui augmente le courant de fuite et diminue la constante diélectrique. Le courant de fuite produit de la chaleur et est considéré comme une perte diélectrique.

Facteur de dissipation

Il s’agit d’une technique d’essai alternative qui utilise un signal CA pour tester le système d’isolation des murs de terre (GWI). Comme expliqué ci-dessus, l’utilisation d’un signal DC pour tester le GWI permet de rencontrer 3 courants différents, mais l’instrument n’est pas en mesure de différencier les courants autrement que par le temps. Cependant, en appliquant un signal alternatif pour tester la GWI, il est possible de séparer les courants qui sont stockés (courant de charge, courant de polarisation) du courant résistif (courant de fuite).

Étant donné que les courants de charge et de polarisation sont tous deux des courants stockés et qu’ils sont renvoyés à la sur le ½ cycle opposé, le courant précède la tension de 90°, tandis que le courant de fuite, qui est un courant résistif qui dissipe la chaleur et le courant est en phase avec la tension appliquée. Le facteur de dissipation (DF) est simplement le rapport entre le courant capacitif (_IC) et le courant résistif (_IR).

DF =_IC /_IR

Sur une isolation propre et neuve, l’_IR est généralement de < 5% de l’_IC, si le matériau isolant est contaminé ou se dégrade thermiquement, soit l’_IC diminue, soit l’_IR augmente. Dans les deux cas, le DF augmentera.

Résumé

Au cours des années 1800, le test de l’indice de polarisation était une méthode efficace pour déterminer l’état général d’un moteur. Elle est toutefois devenue moins efficace avec les systèmes d’isolation modernes.

Bien que le test PI prenne beaucoup de temps (plus de 15 minutes) et ne permette pas de déterminer si le défaut se trouve dans l’enroulement ou dans l’isolation de la paroi de terre, les technologies modernes, telles que les systèmes de contrôle de la qualité, permettent d’améliorer la qualité de l’isolation. Analyse des circuits de moteur (^MCATM)Ils permettent d’identifier les problèmes de connexion, les défauts de développement des enroulements tour à tour, bobine à bobine et phase à phase à un stade très précoce, avec des tests réalisés en moins de 3 minutes.

D’autres technologies, telles que DF, CTG et IRG, permettent d’évaluer l’état du système d’isolation de la paroi souterraine dans le cadre de tests réalisés en un minimum de temps.

En combinant de nouvelles technologies, telles que ^MCATM, DF, CTG et IRG, les méthodes modernes d’essai des moteurs électriques permettent une évaluation beaucoup plus complète et approfondie de l’ensemble du système d’isolation d’un moteur, plus rapidement et plus facilement qu’auparavant.