전기 절연 실패

전기 절연은 원하는 경로를 통해 전류를 유도하고 원하지 않는 곳으로 흐르는 것을 방지하는 데 사용됩니다. 적절한 전기 절연은 전기 모터의 성능과 수명에 매우 중요합니다. 절연 파괴는 전기 모터 고장의 가장 흔한 원인 중 하나입니다. 예를 들어 발전기에서 고장의 56%는 전기 절연 손상에서 비롯됩니다.

절연 시스템

모터에는 두 가지 절연 시스템이 있습니다. 하나의 시스템은 모터의 프레임 또는 케이싱에서 코일을 분리하는 접지벽 절연입니다. 두 번째 절연 시스템은 모터 권선을 생성하기 위해 감긴 도체를 분리하는 권선 절연 시스템입니다. 연구에 따르면 고정자 전기 결함의 ≈ 80%가 권선 절연에서 발생하는 반면 ≈ 20%만이 코일과 모터 프레임 사이 또는 접지에 대한 직접적인 단락 사이에서 발생하는 것으로 나타났습니다.

절연 불량이란?

전기 절연 실패는 모터의 절연이 시간이 지남에 따라 또는 다른 이유로 열화되기 시작할 때 발생합니다. 노화 또는 과열은 절연체의 화학적 변화를 일으켜 절연체의 전도성을 떨어뜨리고 전류가 도체 사이 또는 모터 프레임의 바람직하지 않은 경로를 따라 흐르는 것을 방지하는 효과가 떨어지게 합니다. 특히 지반 단열 시스템의 일부 단열 실패는 습기 침투, 오염 또는 기타 특이한 고유한 사건으로 인해 순간적으로 발생합니다. 이러한 이벤트는 단열재의 보이드 또는 기타 약점을 공격하여 조기 고장으로 이어집니다. 권선 절연 시스템의 결함은 천천히 구체화되고 시간이 지남에 따라 악화됩니다.

절연 실패의 일반적인 원인은 다음과 같습니다.

• 과열
• 권선 오염
• 과도한 전류 소모
• 열악한 전원 품질
• 고조파 왜곡.

이 가이드는 전기 절연 열화의 각 단계를 안내하므로 모터 장비에서 이러한 절연 변화를 사전에 추적할 수 있습니다.

전기 절연 실패의 3단계

대부분의 절연 실패는 세 단계를 거쳐 천천히 꾸준히 발생합니다.

1단계 — 조기 발견에 이상적

전기 절연 실패의 첫 번째 단계에서 도체 사이의 절연에 응력이 가해지고 화학적으로 변화하기 시작합니다. 절연체는 절연체에서 화학적으로 변화하여 도체가 되기 시작합니다. 절연 강도와 정전 용량이 감소하기 시작합니다. 절연체가 탄화되기 시작하여 전류의 저항이 커지고 용량이 줄어들 수 있습니다. 지반 단열재가 변경되면 절연 저항이 감소하고 손실 계수가 증가합니다. 권선 절연이 화학적 변화를 겪는 경우 위상각(Fi) 및/또는 전류 주파수 응답이 변경됩니다.

이 절연 실패 단계에서 결함을 식별하는 것은 플랜트 전기 시스템의 안정적인 “세계적 수준” 작동을 위해 매우 중요합니다. 이 단계에서는 컨덕터 사이에 바람직하지 않은 전류 흐름이 아직 발생하지 않지만, 시작할 위험은 높습니다. 다행스럽게도 권선 점검 과 적절한 모터 테스트를 통한 조기 발견은 매우 유익합니다. 전기 모터의 절연 실패를 조기에 감지하면 기업은 열화가 상대적으로 미미할 때 문제를 해결할 수 있으므로 시간과 비용을 절약하고 치명적인 오류를 방지할 수 있습니다.

ALL-TEST Pro 기기는 전기 모터의 절연 실패를 일관되고 초기 단계에서 조기에 감지할 수 있는 세계 유일의 기기입니다.

아래 절연 실패 감지에 설명된 위상각을 참조하십시오.

2단계 — 가능한 간헐적 모터 고장

전기 절연 실패의 두 번째 단계에서는 권선의 열화가 더욱 두드러집니다. 다음은 표시될 수 있는 몇 가지 오류 특성입니다.

• 단열재의 열화가 증가합니다.
• 전류는 계속해서 저항성이 커집니다.
• 단열 실패의 주요 지점에서 열이 증가합니다.
• 모터는 드라이브나 회로 차단기를 간헐적으로 트리핑하기 시작하지만 절연체가 냉각되면 계속 작동할 수 있습니다.

문제의 원인을 파악하기 위해 문제 해결을 수행해야 합니다. ALL-TEST Pro 기기는 모터와 그 구성품의 실제 상태를 파악합니다.

아래 절연 실패 감지에 설명된 위상각, TVS 및 전류 주파수 응답을 참조하십시오.

3단계 — 치명적인 실패

절연 실패의 이전 징후가 감지되지 않거나 해결되지 않으면 모터가 완전히 고장날 수 있습니다. 다음은 이 단계에서 권선이 자주 나타내는 몇 가지 특성입니다.

• 절연체가 완전히 분해되어 권선 사이에 지름길이 생기거나 권선에서 접지 또는 모터 프레임으로 흐르는 전류의 직접적인 경로가 됩니다.
• 단층에서 폭발적인 파열이 발생합니다.
• 인덕턴스와 저항 변화가 발생합니다.
• 구리 코일은 과도한 열에 반응하여 녹기 시작합니다.
• 모터는 시동 시 드라이브 또는 회로 차단기를 지속적으로 트립합니다.
• 도체 사이의 전류 흐름이 존재합니다.

많은 전기 계량기와 장치는 모터 고장의 이 단계에서(또는 심각한 안전 문제를 나타내는 완전한 접지 단락이 있을 때) 오류를 포착해야 합니다. 모터가 고장날 때까지 실행하면 모터에 무슨 일이 일어나고 있는지 알 필요가 없거나 모터의 건강 상태를 알 필요가 없습니다.

절연 실패의 원인

온도, 오염 물질 및 지속적인 과전압과 같은 전기 스트레스와 같은 스트레스 요인은 쉽게 전기 절연에 부담을 주어 고장을 일으킬 수 있습니다. 이러한 다양한 요소가 서로 상호 작용하여 열화를 일으키기 때문에 시간이 지남에 따라 절연 실패의 위험도 증가합니다. 예를 들어 일상적인 마모로 인해 작은 핀홀이나 균열이 단열재에 나타날 수 있습니다. 이러한 균열은 단열재를 약화시키고 습기 및 화학적 오염 물질이 유입되는 통로를 만들어 단열재를 더욱 저하시킵니다.

다음은 모터에서 전기 절연 실패의 가장 일반적인 원인 중 일부입니다.

• 오염 물질: 공작 기계 냉각수, 오일 및 기타 화학 물질과 같은 오염 물질과의 접촉으로 인해 권선 절연이 약해집니다. 이러한 오염 물질은 종종 부식 효과가 있어 시간이 지남에 따라 단열재를 파괴합니다. 습한 오염 물질은 일반적으로 불순물을 포함하고 있기 때문에 전도성이 있으므로 작은 균열과 기공을 통해 절연체에 스며들면서 저항을 감소시킵니다.
• 불량 전력 품질: 불균형 전압 및 전류 수준을 비롯한 전력 품질 문제로 인해 권선이 과열될 수 있습니다. 이러한 문제로 인해 약간의 온도 상승만 있어도 열 핫스팟이 생성되어 절연 저항이 크게 감소할 수 있습니다.
• 과부하: 과도한 부하로 인한 높은 전류 소모로 인해 권선이 과열될 수 있습니다. 과부하는 또한 절연을 파열시키는 전압 서지를 유발할 수 있습니다.
• 높은 주변 온도: 작동 환경의 높은 열로 인해 권선이 과열될 수도 있습니다. 특히 환기가 제한된 지역에서 발생하는 열 장비는 모터의 권선 절연에 과도한 스트레스를 줄 수 있습니다.
• 과도 전압: 과도 전압은 내부 또는 외부 소스에서 발생할 수 있으며 모터 시동 중에 자주 발생합니다. 과도 전류의 주파수는 권선의 일반 전류보다 몇 배 더 높을 수 있으므로 절연체에 극심한 스트레스가 가해집니다.

모터의 절연 실패 위험은 시간이 지남에 따라 상대적으로 높기 때문에 직원은 절연 실패의 징후를 감지하고 신속하게 해결하는 데 필요한 도구와 교육을 받아야 합니다.

MCA로 절연 실패 감지

권선 절연

모터 회로 분석
(MCA™)는 모터의 전원이 차단된 상태에서 권선 절연 시스템을 작동시키기 위해 저전압 AC 및 DC 전압을 주입합니다. 절연 시스템이 화학적 변화를 겪기 시작하면 코일 시스템의 커패시턴스(C) 및 인덕턴스(L)에 영향을 미칩니다. C 또는 L의 변화는 적용된 전압과 결과 전류 사이의 시간 지연과 전하 또는 자기장을 저장하는 코일 시스템의 능력을 변경합니다. 따라서 권선 절연이 화학적으로 변경되기 시작하면 Fi 또는 I/F 또는 둘 다 변경될 수 있습니다. 이러한 변수 중 하나가 변경되면 테스트 값 통계(TVS)가 변경됩니다. 이전에 참조 정적 값(RVS)으로 저장된 기준 값에서 TVS 정적 변경> 3%는 절연 또는 로터 고장의 시작을 나타냅니다.

• 테스트 값 통계: TVS는 테스트가 수행된 시점의 모터 상태를 정의하는 숫자입니다. TVS는 모터 권선 시스템의 세 단계 모두에서 수행한 일련의 저전압 테스트 결과를 결합하여 만든 특허받은 독점 알고리즘을 사용합니다. 주요 변수는 절연 시스템을 완전히 자극하기 위해 5개의 다른 주파수에서 취합니다. 권선 절연체의 화학적 구성에 작은 변화가 있어도 기준선과 비교할 때 현재 TVS가 변경됩니다. ATP는 새 모터를 시스템에 설치하기 전에 RVS(Reference Value Static) 테스트를 받을 것을 권장합니다. 그런 다음 수명 동안 모터의 TVS를 모니터링할 때> 두 값(신규 대 현재 TVS 판독값) 사이의 3%는 일반적으로 회전자 또는 고정자 결함을 나타냅니다.
• 위상각: 모터에 적용된 전압과 그에 따른 전류 흐름 사이의 시간 지연을 측정한 것입니다. 이것은 매우 민감한 측정이며 절연 시스템이 저하되기 시작할 때 가장 먼저 변경되는 변수 중 하나입니다. Fi 측정은 개발 중인 코일 간, 턴 간 또는 위상 간 권선 결함을 식별하는 데 사용됩니다. 이 단계에서 코일 간 권선 결함 발생을 확인할 수 있는 다른 계측기는 없습니다.
• 전류 주파수 응답: I/F 응답 테스트는 사전 결정된 주파수에서 모터 권선을 통과하는 전류를 측정합니다. 후속 테스트에서는 초기 주파수의 두 배에서 전류 응답을 다시 측정합니다. I/F 응답은 입력 전압의 주파수를 두 배로 하여 발생하는 전류의 백분율 변화를 측정합니다. 동일한 조건의 3상 권선은 주파수 변화에 동일하게 반응합니다. 하나 이상의 도체에 대한 권선 절연이 저하되기 시작하면 코일이 자기장이나 전하를 저장하는 능력이 변경됩니다. I/F는 자기장 또는 전하를 저장하는 권선 시스템의 능력을 측정하는 테스트이며 일반적으로 권선 시스템 성능 저하의 첫 번째 지표 중 하나입니다.
• 동적 테스트: 동적 테스트는 고정자 또는 회전자에서 진행 중이거나 기존 결함을 식별하는 데 사용됩니다. 동적 테스트 중에 모터 샤프트가 부드럽고 천천히 수동으로 회전하는 동안 테스트 장비는 서로 다른 로터 위치에서 임피던스를 지속적으로 측정하고 저장합니다. 이러한 테스트의 결과는 동적 고정자 서명과 동적 회전자 서명의 두 가지 전기 서명으로 분석 및 표시됩니다. 그런 다음 기기는 이러한 서명을 자동으로 분석하고 “양호”, “경고” 또는 “불량” 상태를 생성하여 고정자 또는 회전자의 상태를 나타냅니다.
• 소산 계수(DF): 접지벽 절연 시스템은 모터 코일의 도체와 모터 프레임 사이에 자연 커패시터를 형성합니다. 커패시터는 전하를 저장하는데, AC 전압이 커패시터에 인가될 때 전류의 일부는 유전체를 가로질러 흐르고 저항 전류(I _r )이고 나머지 전류는 저장된 전류이다. 저장된 전류를 용량성 전류(I _c )라고 합니다. 새로운 단열 시스템에서_Ir은 < _Ic의 5%입니다. DF는_{Ir /Ic의} 비율입니다. 절연 재료가 노후화되면 용량성이 감소하고 저항성이 증가하여 DF가 증가합니다.
• CTG(Capacitance to Ground): 접지벽 절연 시스템이 프레임과 함께 자연적인 정전 용량을 형성하기 때문에 측정 가능한 값이 모터 수명 내내 동일하게 유지되어야 합니다. 수분 침투 또는 기타 오염 물질은 효과적으로 유전 상수를 변경합니다. 이로 인해 일반적으로 CTG 값이 올라갑니다. 그러나 지반 단열재가 열 등급을 받기 시작하면 CTG가 내려가게 됩니다.

요약: DF 및 CTG 측정을 결합하면 IRG 측정만 단독으로 수행할 때보다 접지벽 단열재의 전반적인 상태를 더 잘 알 수 있습니다. 표준 IRG 테스트는 권선 절연의 가장 약한 부분에서만 접지 오류를 감지합니다. DF 및 CTC 테스트는 AC 저전압 테스트 방법을 사용하여 전체 절연 시스템에 대한 완전한 평가를 제공합니다. 이 두 가지 테스트와 IRG 테스트를 결합하면 모터의 절연 시스템과 접지 상태를 가장 정확하게 파악할 수 있습니다.

전통적인 테스트 방법

접지에 대한 절연 저항(IRG) – 이것은 안전 테스트이며 전기 모터의 실제 상태를 결정하는 데 사용되지 않습니다.

접지에 대한 절연 저항 테스트는 전기 분야에서 가장 일반적으로 수행되는 전기 테스트입니다. 이러한 측정의 주요 목적은 “안전” 입니다. 전원이 공급된 권선에서 기계 케이스 또는 접지로 전류가 흐르는 경로가 있는 경우 모터의 노출된 부분이 권선에 적용된 전체 전압으로 전원이 공급될 수 있습니다. 또한 접지에 충분한 전류가 흐르면 국부적인 열이 발생하여 플랜트와 인명에 피해를 줄 수 있습니다. 새로 설치된 전기 시스템에 전원을 공급하기 전에 IRG 테스트를 수행하여 모터가 전원을 공급하기에 “안전”한지 확인해야 합니다. IRG 테스트는 DC 전압을 모터 리드에 적용하고 접지로 흐르는 전류를 측정합니다. 전류는 저항이 가장 적은 경로를 따르기 때문에 이 테스트는 접지벽 절연의 가장 약한 부분을 식별하지만 접지벽 절연의 전체 상태에 대한 어떠한 표시도 제공하지 않습니다.

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