Défaut d’isolation électrique

L’isolation électrique est utilisée pour diriger le courant vers un chemin souhaité et l’empêcher de circuler là où il n’est pas souhaité. Une bonne isolation électrique est essentielle à la performance et à la longévité d’un moteur électrique. La rupture de l’isolation est l’une des causes les plus fréquentes de défaillance des moteurs électriques. Dans les générateurs électriques, par exemple,
56 % des pannes
proviennent d’une détérioration de l’isolation électrique.

Systèmes d’isolation

Dans les moteurs, il existe 2 systèmes d’isolation. L’un des systèmes est l’isolation de la paroi du sol, qui sépare les bobines du châssis ou de la carcasse du moteur. Le deuxième système d’isolation est le système d’isolation des enroulements qui sépare les conducteurs qui sont enroulés pour créer les enroulements du moteur. Des études ont montré que ≈ 80 % des défauts électriques du stator se produisent dans l’isolation du bobinage, tandis que seulement ≈ 20 % se produisent entre les bobines et la carcasse du moteur ou un court-circuit direct à la terre.

Qu’est-ce qu’une défaillance de l’isolation ?

La défaillance de l’isolation électrique se produit lorsque l’isolation du moteur commence à se dégrader avec le temps ou pour d’autres raisons. Le vieillissement ou la surchauffe entraîne des modifications chimiques de l’isolation qui la rendent plus conductrice et moins efficace pour empêcher le courant de suivre des chemins indésirables entre les conducteurs ou vers la carcasse du moteur. Certaines défaillances de l’isolation, en particulier dans le système d’isolation des murs de terre, sont instantanées en raison d’une infiltration d’humidité, d’une contamination ou d’autres événements uniques et inhabituels. Ces événements attaquent les vides ou autres faiblesses de l’isolation et conduisent à une défaillance prématurée. Les défauts dans le système d’isolation du bobinage se matérialisent lentement et se détériorent avec le temps.

Les causes courantes de défaillance de l’isolation sont les suivantes

• Surchauffe
• Contamination du bobinage
• Consommation excessive de courant
• Mauvaise qualité de l’électricité
• Distorsion harmonique.

Ce guide vous guidera à travers chaque étape de la détérioration de l’isolation électrique afin que vous puissiez être proactif et suivre ces changements d’isolation dans votre équipement motorisé.

3 étapes de la défaillance de l’isolation électrique

La plupart des défaillances d’isolation se produisent lentement et régulièrement, en trois étapes distinctes.

Stade 1 – Idéal pour une détection précoce

Au cours de la première phase de la défaillance de l’isolation électrique, l’isolation entre les conducteurs est soumise à des contraintes et commence à se modifier chimiquement. L’isolation se transforme chimiquement d’un isolant à un conducteur. La force d’isolation et la capacité commencent à diminuer. L’isolation peut commencer à se carboniser, ce qui rend le courant plus résistif et moins capacitif. Si l’isolation de la paroi du sol subit le changement, la résistance de l’isolation diminuera et le facteur de dissipation augmentera. Si l’isolation de l’enroulement subit un changement chimique, l’angle de phase (Fi) et/ou la réponse en fréquence du courant changeront.

L’identification des défauts à ce stade de la défaillance de l’isolation est extrêmement importante pour un fonctionnement fiable de “classe mondiale” du système électrique d’une usine. À ce stade, il n’y a pas encore de flux de courant indésirable entre les conducteurs, mais le risque qu’il commence à se produire est élevé. Heureusement, une détection précoce par
la vérification des enroulements
et en procédant à un
test de moteur
est extrêmement bénéfique. La détection précoce des défaillances de l’isolation des moteurs électriques permet à l’entreprise de remédier à la détérioration tant qu’elle reste relativement mineure, ce qui lui permet de gagner du temps et de l’argent et d’éviter une défaillance catastrophique.

Les instruments ALL-TEST Pro sont les seuls au monde à pouvoir effectuer une détection précoce des défauts d’isolation dans les moteurs électriques, de manière cohérente et aux stades les plus précoces.

Voir l’angle de phase expliqué dans la détection des défauts d’isolation ci-dessous.

Étape 2 – Possibilité de défaillance intermittente du moteur

Au cours de la deuxième phase de la défaillance de l’isolation électrique, la détérioration des enroulements devient plus prononcée. Vous trouverez ci-dessous quelques-unes des caractéristiques de défaillance qu’ils peuvent présenter :

• La dégradation du matériau d’isolation augmente.
• Le courant continue à devenir plus résistant.
• La chaleur augmente au premier point de défaillance de l’isolation.
• Le moteur commence à déclencher le variateur ou le disjoncteur par intermittence, bien qu’il puisse continuer à fonctionner une fois que l’isolation est refroidie.

Le dépannage doit être effectué pour déterminer la cause du problème. Les instruments ALL-TEST Pro déterminent l’état de santé réel du moteur et de ses composants.

Voir l’angle de phase, le TVS et la réponse à la fréquence du courant expliqués dans la détection des défauts d’isolation ci-dessous.

Étape 3 – Défaillance catastrophique

Si des signes antérieurs de défaillance de l’isolation n’ont pas été détectés ou traités, il est probable que le moteur subira une panne totale. Voici quelques-unes des caractéristiques que l’enroulement présente souvent à ce stade :

• L’isolation se rompt complètement, créant un raccourci entre les enroulements ou un chemin direct pour le courant de l’enroulement vers la terre ou le châssis du moteur.
• Une rupture explosive se produit à l’endroit de la faille.
• Des changements d’inductance et de résistance se produisent.
• Les bobines de cuivre commencent à fondre sous l’effet d’une chaleur excessive.
• Le moteur déclenche continuellement le variateur ou le disjoncteur au démarrage.
• Le courant circule entre les conducteurs.

De nombreux compteurs et dispositifs électriques devraient détecter les défauts à ce stade de la défaillance du moteur (ou lorsqu’il y a un court-circuit complet à la terre indiquant un grave problème de sécurité). Si vous faites tourner des moteurs jusqu’à ce qu’ils tombent en panne, vous n’avez peut-être pas besoin de savoir ce qui arrive à votre moteur ou de connaître son état de santé.

Causes de la défaillance de l’isolation

Les facteurs de stress tels que la température, les polluants et les contraintes électriques telles que les surtensions soutenues peuvent facilement endommager l’isolation électrique et provoquer des pannes. Le risque de défaillance de l’isolation augmente également avec le temps, car ces différents facteurs interagissent entre eux et provoquent une détérioration. Par exemple, de minuscules trous d’épingle ou des fissures peuvent apparaître dans l’isolation en raison de l’usure quotidienne. Ces fissures affaiblissent l’isolation et créent des voies d’entrée pour l’humidité et les contaminants chimiques, ce qui dégrade encore plus l’isolation.

Voici quelques-unes des causes les plus courantes de défaillance de l’isolation électrique d’un moteur :

• Contaminants : L’isolation du bobinage s’affaiblit au contact de contaminants tels que le liquide de refroidissement des machines-outils, l’huile et d’autres produits chimiques. Ces contaminants ont souvent un effet corrosif qui dégrade l’isolation au fil du temps. Les contaminants humides sont généralement conducteurs parce qu’ils contiennent des impuretés. Ils diminuent donc la résistance lorsqu’ils s’infiltrent dans l’isolant par les petites fissures et les pores.
• Mauvaise qualité de l’énergie : Les enroulements peuvent surchauffer en raison de problèmes de qualité de l’énergie, notamment des niveaux de tension et de courant déséquilibrés. Même une augmentation modeste de la température due à ces problèmes peut créer un point chaud thermique qui entraîne une diminution substantielle de la résistance de l’isolation.
• Surcharge : Les enroulements peuvent surchauffer en raison de la forte consommation de courant causée par des charges excessives. Une surcharge peut également provoquer une surtension qui rompt l’isolation.
• Température ambiante élevée : Les enroulements peuvent également surchauffer en raison de la chaleur élevée de l’environnement de travail. La chaleur générée par l’équipement peut exercer une pression excessive sur l’isolation des bobines d’un moteur, en particulier dans un endroit peu ventilé.
• Tensions transitoires : Les tensions transitoires peuvent provenir de sources internes ou externes et se produisent souvent lors du démarrage du moteur. La fréquence du courant transitoire peut être plusieurs fois supérieure au courant typique dans les enroulements, ce qui soumet l’isolation à des contraintes extrêmes.

Le risque de défaillance de l’isolation d’un moteur étant relativement élevé au fil du temps, les employés doivent disposer des outils et de la formation nécessaires pour détecter les signes de défaillance de l’isolation et y remédier rapidement.

Détection des défauts d’isolation avec MCA

Isolation du bobinage

Analyse du circuit du moteur
(MCA™) injecte une tension AC & DC à faible voltage pour exercer le système d’isolation du bobinage, alors que le moteur est hors tension. Lorsque le système d’isolation commence à subir des modifications chimiques, il affecte la capacité (C) et l’inductance (L) du système de bobines. Toute modification du C ou du L modifie le délai entre la tension appliquée et le courant qui en résulte, ainsi que la capacité du système de bobines à stocker une charge électrique ou un champ magnétique. Par conséquent, lorsque l’isolation de l’enroulement commence à se modifier chimiquement, c’est soit le Fi, soit le I/F, voire les deux, qui changent. Si l’une ou l’autre de ces variables change, la statistique de la valeur-test (TVS) s’en trouve modifiée. Un changement de la valeur statique du TVS par rapport à sa valeur de base précédemment enregistrée comme valeur statique de référence (RVS) de > 3 % indique le début d’une défaillance de l’isolation ou du rotor.

• Valeur statistique de l’essai : la valeur statistique de l’essai est un nombre qui définit l’état du moteur au moment où l’essai a été effectué. Le TVS utilise un algorithme breveté créé en combinant les résultats d’une série de tests à basse tension effectués sur les trois phases du système de bobinage d’un moteur. Les variables clés sont prises à 5 fréquences différentes afin d’exciter complètement le système d’isolation. Même de petites modifications de la composition chimique de l’isolation de l’enroulement entraîneront une modification de la TVS actuelle par rapport à la ligne de base. L’ATP recommande qu’un essai statique de la valeur de référence (RVS) soit effectué sur un nouveau moteur avant qu’il ne soit installé dans le système. Ensuite, lorsque l’on surveille la TVS du moteur pendant sa durée de vie, une variation de > 3% entre les deux valeurs (nouvelle lecture TVS par rapport à la lecture actuelle) indique généralement un défaut du rotor ou du stator.
• Angle de phase : Il s’agit d’une mesure du délai entre la tension appliquée au moteur et l’intensité du courant qui en résulte. Il s’agit d’une mesure très sensible et l’une des premières variables à changer lorsque le système d’isolation commence à se dégrader. La mesure Fi est utilisée pour identifier les défauts d’enroulement de bobine à bobine, de tour à tour ou de phase à phase qui se développent. Aucun autre instrument ne peut déterminer les défauts d’enroulement bobine par bobine à ce stade.
• Réponse en fréquence du courant : L’essai de réponse I/F mesure le courant à travers les enroulements du moteur à une fréquence prédéterminée. Un test ultérieur mesure à nouveau la réponse actuelle à une fréquence double de la fréquence initiale. La réponse I/F mesure la variation en pourcentage du courant provoquée par le doublement de la fréquence de la tension d’entrée. Un enroulement triphasé dans les mêmes conditions réagira de la même manière au changement de fréquence. Si l’isolation de l’enroulement d’un ou de plusieurs conducteurs commence à se dégrader, la capacité de la bobine à stocker un champ magnétique ou une charge électrique s’en trouve modifiée. L’I/F est le test qui mesure la capacité d’un système d’enroulement à stocker un champ magnétique ou une charge électrique et est généralement l’un des premiers indicateurs de la dégradation du système d’enroulement.
• Essai dynamique : L’essai dynamique est utilisé pour identifier les défauts existants ou en cours de développement dans le stator ou le rotor. Pendant l’essai dynamique, l’instrument d’essai mesure et enregistre continuellement l’impédance à différentes positions du rotor pendant que l’arbre du moteur est tourné manuellement lentement et sans à-coups. Les résultats de ces tests sont analysés et affichés sous la forme de deux signatures électriques, la signature dynamique du stator et la signature dynamique du rotor. L’instrument analyse ensuite automatiquement ces signatures et produit un état “bon”, “avertissement” ou “mauvais” pour indiquer l’état du stator ou du rotor.
• Facteur de dissipation (DF) : Le système d’isolation de la paroi du sol forme un condensateur naturel entre les conducteurs des bobines du moteur et la carcasse du moteur. Un condensateur stocke une charge électrique. Lorsqu’une tension alternative est appliquée à un condensateur, une partie du courant traverse le matériau diélectrique et constitue le courant résistif (_Ir), tandis que le reste du courant est le courant stocké. Le courant stocké est appelé courant capacitif (_Ic). Sur le nouveau système d’isolation, l’_Ir est < 5% de l’Ic_. Le DF est le rapport_{Ir /Ic}. Lorsque le matériau isolant vieillit, il devient moins capacitif et plus résistif, ce qui entraîne une augmentation du DF.
• Capacité à la terre (CTG) : Étant donné que le système d’isolation de la paroi du sol forme une capacité naturelle avec le châssis, il y aura une valeur mesurable qui devrait rester la même pendant toute la durée de vie du moteur. La pénétration d’humidité ou d’autres contaminants entraîne effectivement une modification de la constante diélectrique. Cela entraîne généralement une augmentation de la valeur de la CTG. Cependant, si l’isolation de la paroi du sol commence à s’affaisser thermiquement, la CTG diminuera.

Résumé : La combinaison des mesures DF et CTG donne une meilleure indication de l’état général de l’isolation de la paroi du sol que les mesures IRG seules. Un test IRG standard ne détectera les défauts de mise à la terre qu’au niveau de la partie la plus faible de l’isolation de l’enroulement. Les tests DF et CTC fourniront une évaluation complète de l’ensemble du système d’isolation en utilisant des méthodes de test à basse tension en courant alternatif. En combinant ces deux tests avec un test IRG, vous obtiendrez l’état le plus précis du système d’isolation de votre moteur par rapport à la terre.

Méthodes de test traditionnelles

Résistance de l’isolation à la terre (IRG)
– Il s’agit d’un test de sécurité qui n’est pas utilisé pour déterminer l’état réel d’un moteur électrique.

Les tests de résistance d’isolation à la terre sont les tests électriques les plus courants dans le domaine de l’électricité. L’objectif principal de ces mesures est la “sécurité”. Lorsqu’il existe un chemin pour le courant entre l’enroulement sous tension et la carcasse de la machine ou la terre, il est possible qu’une partie exposée du moteur soit alimentée à la pleine tension appliquée à l’enroulement. En outre, si un courant suffisant circule vers la terre, il créera un échauffement localisé qui pourrait endommager l’installation et le personnel. Avant de mettre sous tension un système électrique nouvellement installé, un test IRG doit être effectué pour s’assurer que le moteur peut être mis sous tension en toute sécurité. Le test IRG applique une tension continue aux fils du moteur et mesure le flux de courant vers la terre. Comme le courant emprunte le chemin de moindre résistance, ce test identifie les points les plus faibles de l’isolation de la paroi du sol, mais ne fournit aucune indication sur l’état général de l’isolation de la paroi du sol.

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