Guasto dell’isolamento elettrico

L’isolamento elettrico viene utilizzato per dirigere la corrente attraverso un percorso desiderato e impedire che scorra dove non è desiderato. Un corretto isolamento elettrico è fondamentale per le prestazioni e la durata di un motore elettrico. La rottura dell’isolamento è una delle cause più frequenti di guasto dei motori elettrici. Nei generatori elettrici, ad esempio,
il 56% dei guasti
sono dovuti a danni all’isolamento elettrico.

Sistemi di isolamento

Nei motori esistono 2 sistemi di isolamento. Un sistema è l’isolamento a parete che separa le bobine dal telaio o dall’involucro del motore. Il secondo sistema di isolamento è il sistema di isolamento degli avvolgimenti che separa i conduttori avvolti per creare gli avvolgimenti del motore. Gli studi hanno dimostrato che ≈ l’80% dei guasti elettrici dello statore si verifica nell’isolamento degli avvolgimenti, mentre solo ≈ il 20% si verifica tra le bobine e il telaio del motore o con un cortocircuito diretto verso terra.

Che cos’è il guasto dell’isolamento?

Il guasto all’isolamento elettrico si verifica quando l’isolamento del motore inizia a degradarsi con il tempo o per altri motivi. L’invecchiamento o il surriscaldamento provocano cambiamenti chimici nell’isolamento che lo rendono più conduttivo e meno efficace nell’impedire alla corrente di seguire percorsi indesiderati tra i conduttori o verso il telaio del motore. Alcuni cedimenti dell’isolamento, in particolare nel sistema di isolamento delle pareti di terra, sono istantanei a causa dell’ingresso di umidità, della contaminazione o di altri eventi particolari e insoliti. Questi eventi attaccano i vuoti o altri punti deboli dell’isolamento e portano a un cedimento prematuro. I difetti nel sistema di isolamento degli avvolgimenti si manifestano lentamente e si deteriorano nel tempo.

Le cause più comuni di guasto dell’isolamento sono

• Surriscaldamento
• Contaminazione dell’avvolgimento
• Assorbimento eccessivo di corrente
• Scarsa qualità dell’energia
• Distorsione armonica.

Questa guida vi guiderà attraverso ogni fase del deterioramento dell’isolamento elettrico, in modo che possiate essere proattivi e tenere traccia di questi cambiamenti nell’isolamento delle vostre apparecchiature a motore.

3 fasi di guasto dell’isolamento elettrico

La maggior parte dei guasti all’isolamento si verifica in modo lento e costante, procedendo attraverso tre fasi distinte.

Fase 1 – Ideale per la diagnosi precoce

Durante la prima fase del cedimento dell’isolamento elettrico, l’isolamento tra i conduttori viene sollecitato e inizia a subire modifiche chimiche. L’isolamento si trasforma chimicamente da isolante a conduttore. La resistenza dell’isolamento e la capacità iniziano a diminuire. L’isolamento può iniziare a carbonizzarsi e la corrente diventa più resistiva e meno capacitiva. Se l’isolamento della parete di terra subisce una modifica, la resistenza dell’isolamento diminuisce e il fattore di dissipazione aumenta. Se l’isolamento dell’avvolgimento subisce una variazione chimica, l’angolo di fase (Fi) e/o la risposta in frequenza della corrente cambieranno.

L’identificazione dei guasti in questa fase di rottura dell’isolamento è estremamente importante per un funzionamento affidabile e di livello mondiale del sistema elettrico di un impianto. In questa fase non si verifica ancora un flusso di corrente indesiderato tra i conduttori, anche se il rischio che inizi a farlo è elevato. Fortunatamente, il rilevamento precoce attraverso
il controllo degli avvolgimenti
e di un’adeguata verifica del
test del motore
è estremamente vantaggioso. Il rilevamento precoce dei guasti all’isolamento dei motori elettrici consente all’azienda di affrontare il deterioramento quando è ancora relativamente lieve, risparmiando tempo e denaro e prevenendo guasti catastrofici.

Gli strumenti ALL-TEST Pro sono gli unici al mondo in grado di eseguire il rilevamento precoce dei guasti di isolamento nei motori elettrici in modo coerente e nelle fasi iniziali.

Vedere l’angolo di fase spiegato di seguito nel rilevamento dei guasti dell’isolamento.

Fase 2 – Possibile guasto intermittente del motore

Durante la seconda fase del guasto dell’isolamento elettrico, il deterioramento degli avvolgimenti diventa più pronunciato. Di seguito sono riportate alcune delle caratteristiche di guasto che possono presentare:

• Il degrado del materiale isolante aumenta.
• La corrente continua a diventare più resistiva.
• Il calore aumenta nel punto primario di rottura dell’isolamento.
• Il motore inizia a intervenire in modo intermittente sul convertitore di frequenza o sull’interruttore automatico, anche se può continuare a funzionare una volta raffreddato l’isolamento.

È necessario eseguire la ricerca guasti per determinare la causa del problema. Gli strumenti ALL-TEST Pro determinano il vero stato di salute del motore e dei suoi componenti.

Vedere l’angolo di fase, il TVS e la risposta in frequenza della corrente spiegati di seguito nel rilevamento dei guasti dell’isolamento.

Fase 3 – Guasto catastrofico

Se i precedenti segni di guasto dell’isolamento non sono stati individuati o non sono stati affrontati, è probabile che il motore subisca un guasto totale. Di seguito sono riportate alcune delle caratteristiche che l’avvolgimento presenta spesso in questa fase:

• L’isolamento si rompe completamente, creando una scorciatoia tra gli avvolgimenti o un percorso diretto per la corrente dall’avvolgimento alla terra o al telaio del motore.
• Nel punto di faglia si sviluppa una rottura esplosiva.
• Si verificano variazioni di induttanza e resistenza.
• Le bobine di rame iniziano a fondere in risposta al calore eccessivo.
• All’avvio, il motore fa scattare continuamente l’azionamento o l’interruttore automatico.
• Il flusso di corrente tra i conduttori è presente.

Molti misuratori e dispositivi elettrici dovrebbero rilevare i guasti in questa fase del guasto del motore (o quando c’è un cortocircuito completo verso terra che indica un grave problema di sicurezza). Se si fanno funzionare i motori fino al guasto, non è necessario sapere cosa sta succedendo al motore o conoscere il suo stato di salute.

Cause di rottura dell’isolamento

Sollecitazioni come la temperatura, gli agenti inquinanti e le sollecitazioni elettriche, come le sovratensioni prolungate, possono facilmente intaccare l’isolamento elettrico e causare guasti. Il rischio di guasti all’isolamento aumenta anche con il passare del tempo, poiché questi vari fattori interagiscono tra loro e causano il deterioramento. Ad esempio, a causa dell’usura quotidiana, possono comparire piccoli fori o crepe nell’isolamento. Queste fessure indeboliscono l’isolamento e creano anche vie d’accesso per l’umidità e i contaminanti chimici, degradando ulteriormente l’isolamento.

Di seguito sono riportate alcune delle cause più comuni di guasto dell’isolamento elettrico di un motore:

• Contaminanti: L’isolamento dell’avvolgimento si indebolisce a causa del contatto con agenti contaminanti come il liquido di raffreddamento delle macchine utensili, l’olio e altre sostanze chimiche. Questi agenti contaminanti hanno spesso un effetto corrosivo e, con il passare del tempo, distruggono l’isolamento. I contaminanti umidi sono solitamente conduttivi perché contengono impurità, quindi riducono la resistenza quando si infiltrano nell’isolamento attraverso piccole fessure e pori.
• Scarsa qualità dell’alimentazione: Gli avvolgimenti possono surriscaldarsi a causa di problemi di qualità dell’alimentazione, tra cui livelli di tensione e corrente sbilanciati. Anche un modesto aumento di temperatura dovuto a questi problemi può creare un hotspot termico che porta a una sostanziale diminuzione della resistenza dell’isolamento.
• Sovraccarico: Gli avvolgimenti potrebbero surriscaldarsi a causa dell’elevato assorbimento di corrente dovuto a carichi eccessivi. Il sovraccarico può anche causare una sovratensione che rompe l’isolamento.
• Elevata temperatura ambientale: Anche gli avvolgimenti potrebbero surriscaldarsi a causa del calore elevato dell’ambiente di funzionamento. Soprattutto in un’area con ventilazione limitata, il calore generato dalle apparecchiature può sollecitare eccessivamente l’isolamento degli avvolgimenti di un motore.
• Tensioni transitorie: Le tensioni transitorie possono essere generate da fonti interne o esterne e spesso si verificano durante l’avvio del motore. La frequenza della corrente transitoria può essere diverse volte superiore alla corrente tipica degli avvolgimenti, sottoponendo l’isolamento a una sollecitazione estrema.

Poiché il rischio di guasto dell’isolamento di un motore è relativamente elevato nel tempo, i dipendenti devono disporre degli strumenti e della formazione necessari per individuare i segni di guasto dell’isolamento e affrontarli rapidamente.

Rilevamento dei guasti all’isolamento con MCA

Isolamento dell’avvolgimento

Analisi del circuito del motore
(MCA™) inietta una tensione CA e CC a bassa tensione per esercitare il sistema di isolamento degli avvolgimenti, mentre il motore è diseccitato. Quando il sistema di isolamento inizia a subire cambiamenti chimici, influisce sulla capacità (C) e sull’induttanza (L) del sistema di bobine. Qualsiasi variazione di C o L modifica il ritardo tra la tensione applicata e la corrente risultante e la capacità del sistema di bobine di immagazzinare una carica elettrica o un campo magnetico. Pertanto, quando l’isolamento dell’avvolgimento inizia a cambiare chimicamente, cambierà il Fi o l’I/F o eventualmente entrambi. Se una di queste variabili cambia, cambierà la statistica del valore del test (TVS). Una variazione del TVS statico rispetto al valore di base precedentemente memorizzato come valore statico di riferimento (RVS) di > 3% indica l’inizio di un guasto all’isolamento o al rotore.

• Valore statistico del test: il TVS è un numero che definisce le condizioni del motore al momento dell’esecuzione del test. Il TVS utilizza un algoritmo brevettato creato combinando i risultati di una serie di test a bassa tensione eseguiti su tutte e tre le fasi di un sistema di avvolgimento del motore. Le variabili chiave vengono rilevate a 5 diverse frequenze per eccitare completamente il sistema di isolamento. Anche piccole variazioni nella composizione chimica dell’isolamento dell’avvolgimento causano una variazione del TVS attuale rispetto a quello di riferimento. ATP raccomanda di eseguire un test statico del valore di riferimento (RVS) su un motore nuovo e prima di installarlo nel sistema. Quando si monitora il TVS del motore durante la sua vita, una variazione di > 3% tra i due valori (lettura del TVS nuovo e attuale) indica tipicamente un guasto al rotore o allo statore.
• Angolo di fase: È una misura del ritardo tra la tensione applicata al motore e l’assorbimento di corrente risultante. È una misura altamente sensibile ed è una delle prime variabili a cambiare quando il sistema di isolamento inizia a degradarsi. La misura Fi viene utilizzata per identificare i guasti agli avvolgimenti che si sviluppano da bobina a bobina, da giro a giro o da fase a fase. Nessun altro strumento è in grado di determinare i difetti di sviluppo degli avvolgimenti da bobina a bobina in questa fase.
• Risposta in frequenza della corrente: Il test di risposta I/F misura la corrente attraverso gli avvolgimenti del motore a una frequenza predeterminata. Un test successivo misura nuovamente la risposta della corrente al doppio della frequenza iniziale. La risposta I/F misura la variazione percentuale della corrente causata dal raddoppio della frequenza della tensione di ingresso. Gli avvolgimenti trifase nelle stesse condizioni rispondono allo stesso modo alla variazione di frequenza. Se l’isolamento dell’avvolgimento su uno o più conduttori inizia a degradarsi, cambia la capacità della bobina di immagazzinare un campo magnetico o una carica elettrica. L’I/F è il test che misura la capacità di un sistema di avvolgimento di immagazzinare un campo magnetico o una carica elettrica ed è generalmente uno dei primi indicatori di degrado del sistema di avvolgimento.
• Test dinamico: Il test dinamico viene utilizzato per identificare i guasti in corso o esistenti nello statore o nel rotore. Durante il test dinamico, lo strumento di prova misura e memorizza continuamente l’impedenza in diverse posizioni del rotore mentre l’albero del motore viene ruotato manualmente in modo regolare e lento. I risultati di questi test vengono analizzati e visualizzati come due firme elettriche, la firma dinamica dello statore e la firma dinamica del rotore. Lo strumento analizza quindi automaticamente queste firme e produce uno stato di “buono”, “avviso” o “cattivo” per indicare le condizioni dello statore o del rotore.
• Fattore di dissipazione (DF): Il sistema di isolamento a parete forma un condensatore naturale tra i conduttori delle bobine del motore e il telaio del motore. Quando una tensione alternata viene applicata a un condensatore, una parte della corrente attraversa il materiale dielettrico ed è la corrente resistiva (_Ir), mentre il resto della corrente è la corrente immagazzinata. La corrente immagazzinata viene definita corrente capacitiva (_Ic). Nel nuovo sistema di isolamento, l’_Ir è < 5% dell’_Ic. Il DF è il rapporto tra_{Ir e} Ic. Quando il materiale isolante invecchia, diventa meno capacitivo e più resistivo, causando un aumento del DF.
• Capacità verso terra (CTG): Poiché il sistema di isolamento della parete di terra forma una capacità naturale con il telaio, si avrà un valore misurabile che dovrebbe rimanere invariato per tutta la durata del motore. L’ingresso di umidità o di altri agenti contaminanti provoca effettivamente una variazione della costante dielettrica. In genere, ciò provoca un aumento del valore del CTG. Tuttavia, se l’isolamento della parete di terra inizia a degradare termicamente, il CTG si abbassa.

Sintesi: la combinazione delle misure DF e CTG fornisce un’indicazione migliore delle condizioni generali dell’isolamento della parete di terra rispetto alle sole misure IRG. Un test IRG standard rileva i guasti a terra solo nella parte più debole dell’isolamento dell’avvolgimento. I test DF e CTC forniscono una valutazione completa dell’intero sistema di isolamento utilizzando metodi di prova a bassa tensione in corrente alternata. Combinando questi due test con un test IRG si ottiene la condizione più accurata del sistema di isolamento a terra del motore.

Metodi di test tradizionali

Resistenza di isolamento a terra (IRG)
– Si tratta di un test di sicurezza e non viene utilizzato per determinare le condizioni effettive di un motore elettrico.

I test di resistenza dell’isolamento a terra sono i più comuni test elettrici eseguiti in campo elettrico. Lo scopo principale di queste misure è la “sicurezza”. Quando esiste un percorso per il flusso di corrente dall’avvolgimento eccitato all’involucro della macchina o alla terra, è possibile che una parte esposta del motore si ecciti alla massima tensione applicata all’avvolgimento. Inoltre, se una corrente sufficiente arriva a terra, si crea un riscaldamento localizzato che può causare danni all’impianto e al personale. Prima di mettere sotto tensione un impianto elettrico di nuova installazione, è necessario eseguire un test IRG per garantire che il motore sia “sicuro” da mettere sotto tensione. Il test IRG applica una tensione CC ai conduttori del motore e misura il flusso di corrente verso terra. Poiché la corrente segue il percorso di minor resistenza, questo test identifica i punti più deboli dell’isolamento della parete di terra, ma non fornisce alcuna indicazione sulle condizioni generali dell’isolamento della parete di terra.

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