현대적인 방법을 능가하는 전기 모터의 극성 지수 테스트
전기 모터 테스트와 관련하여 분극 지수(PI)는 시간이 지남에 따라 절연 시스템 저항이 얼마나 개선(또는 저하)되는지 측정합니다.
PI 테스트는 모터의 절연 상태를 평가할 때 기본 테스트로 간주되었지만 모터의 전반적인 상태에 대한 보다 포괄적인 진단 평가를 제공하는 새로운 테스트 방법에 비해 PI 테스트 프로세스는 시대에 뒤떨어졌습니다.
이 기사에서는 모터의 절연 시스템에 대한 실질적인 이해, 분극 지수 테스트에 대한 기본적인 이해, 최신 모터 테스트 방법이 짧은 시간에 보다 포괄적인 결과를 제공하는 방법을 제공합니다.
편광 지수(PI)
편광 지수(PI) 테스트는 1800년대에 개발된 표준 전기 모터 테스트 방법으로, 모터의 권선 절연 상태를 파악하기 위해 사용됩니다.
PI 테스트는 일반적으로 1970년대 이전에 설치된 접지 벽 절연(GWI) 시스템에 대한 정보를 제공하지만, 최신 모터의 권선 절연 상태에 대한 정확한 정보를 제공하지 못합니다.
PI 테스트에는 모터 권선에 DC 전압(일반적으로 500V – 1000V)을 적용하여 전하를 저장하는 GWI 시스템의 효율성을 측정하는 작업이 포함됩니다.
GWI 시스템은 모터 권선과 모터 프레임 사이에 자연 커패시턴스를 형성하므로 적용된 DC 전압은 모든 커패시터와 동일한 전하로 저장됩니다.
커패시터가 완전히 충전되면 절연체가 접지에 제공하는 저항의 양을 결정하는 최종 누설 전류만 남을 때까지 전류가 감소합니다.
새롭고 깨끗한 절연 시스템에서 분극 전류는 전자가 저장됨에 따라 시간이 지남에 따라 대수적으로 감소합니다. Polarization Index(PI)는 1분과 10분 간격으로 취한 접지에 대한 절연 저항(IRG) 값의 비율입니다.
PI = 10분 IRG/1분 IRG
1970년대 이전에 설치된 절연 시스템에서는 유전체 재료가 분극되는 동안 PI 테스트가 수행됩니다.
접지 벽 절연체(GWI)가 열화되기 시작하면 화학적 변화를 겪어 유전체 재료의 저항성이 높아지고 용량성이 낮아져 유전 상수가 낮아지고 절연 시스템이 전하를 저장하는 능력이 감소합니다. 이로 인해 누설 전류가 우세한 범위에 접근함에 따라 분극 전류가 더 선형이 됩니다.
그러나 1970년대 이후의 최신 절연 시스템에서는 여러 가지 이유로 유전체의 전체 분극화가 1분 이내에 발생하고 IRG 판독값은 5,000메가옴 이상입니다. 계산된 PI는 지반 표시의 상태 표시로 의미가 없을 수 있습니다.
또한 이 테스트는 권선과 모터 프레임 사이에 정전기장을 생성하기 때문에 권선 절연 시스템의 상태를 나타내는 지표가 거의 없습니다. 위상각 및 현재 주파수 응답의 MCA 측정을 사용하여 이러한 유형의 결함을 가장 잘 나타냅니다.
단열재
전기 모터에서 절연체는 전자의 자유로운 흐름에 저항하여 원하는 경로를 통해 전류를 흐르게 하고 다른 곳으로 빠져나가는 것을 방지하는 물질입니다.
이론적으로 절연체는 모든 전류 흐름을 차단해야 하지만 가장 좋은 절연체라도 소량의 전류는 통과시킬 수 있습니다. 이 초과 전류는 일반적으로 누설 전류 라고 합니다.
일반적으로 모터의 수명은 20년으로 알려져 있지만 전기 모터가 조기에 고장나는 주된 이유는 절연 시스템의 고장입니다.
절연 시스템은 화학 성분의 변화로 인해 절연이 더 전도성이 높아지면 성능이 저하되기 시작합니다. 단열재의 화학적 구성은 점진적인 사용 및/또는 기타 손상으로 인해 시간이 지남에 따라 변합니다. 누설 전류는 저항성이며 열을 발생시켜 절연체를 더욱 빠르게 열화시킵니다.
참고 : 대부분의 에나멜 와이어는 정격 온도(105~240°C)에서 20,000시간의 서비스 수명을 보장하도록 설계되었습니다.
절연 시스템
코일이 있는 모터 및 기타 전기 장비에는 2개의 개별적이고 독립적인 절연 시스템이 있습니다.
- 접지 벽 절연 시스템은 모터 프레임에서 코일을 분리하여 권선에 공급된 전압이 고정자 코어 또는 모터 프레임의 일부로 빠져나가는 것을 방지합니다. 접지 벽 단열 시스템의 고장을 접지 오류라고 하며 안전 위험을 초래합니다.
- 권선 절연 시스템은 전체 코일에 전류를 공급하여 고정자 자기장을 생성하는 도선을 둘러싸는 에나멜 층입니다. 권선 절연 시스템의 고장을 권선 단락이라고 하며 코일의 자기장을 약화시킵니다.
그림 1: 2개의 개별 절연 시스템
접지에 대한 절연 저항(IRG)
모터에서 수행되는 가장 일반적인 전기 테스트는 접지에 대한 절연 저항(IRG) 테스트 또는 “스팟 테스트”입니다.
모터 권선에 DC 전압을 적용하여 이 테스트는 접지 벽 절연이 모터 프레임에 제공하는 최소 저항 지점을 결정합니다.
정전 용량
패럿 단위로 측정되는 커패시턴스(C)는 시스템이 전하를 저장할 수 있는 능력으로 정의됩니다. 모터의 커패시턴스 설정은 방정식을 사용하여 알 수 있습니다. 1 패럿 = 쿨롱(Q) 단위의 저장된 전하량을 공급 전압으로 나눈 값.
예: 적용된 전압이 12V 배터리이고 커패시터가 .04 쿨롱의 전하를 저장하는 경우 커패시터는 .0033 패럿 또는 3.33mF의 커패시턴스를 갖습니다. 1 쿨롱의 전하는 대략 6.24 x 10 18 전자 또는 양성자입니다. 3.33 mF 커패시터는 완전히 충전되었을 때 약 2.08 X 10 16 전자를 저장할 것입니다.
정전 용량은 전도성 판 사이에 유전체 재료를 배치하여 생성됩니다. 모터에서 접지 벽 절연 시스템은 모터 권선과 모터 프레임 사이에 자연 커패시턴스를 형성합니다. 권선 컨덕터는 한 판을 형성하고 모터 프레임은 다른 판을 형성하여 접지 벽 절연체를 유전체 재료로 만듭니다.
커패시턴스의 양은 다음에 따라 다릅니다.
- 플레이트의 측정된 표면적 – 커패시턴스는 플레이트의 면적에 정비례합니다.
- 플레이트 사이의 거리 – 커패시턴스는 플레이트 사이의 거리에 반비례합니다.
- 유전 상수 – 커패시턴스는 유전 상수에 정비례합니다.
접지에 대한 정전용량(CTG)
CTG( Capacitance-to-Ground ) 측정은 모터 권선과 케이블의 청결도를 나타냅니다.
접지 벽 절연(GWI) 및 권선 절연 시스템은 접지에 대한 자연 정전 용량을 형성하기 때문에 모터가 새롭고 깨끗할 때 각 모터는 고유한 CTG를 갖게 됩니다.
모터 권선 또는 GWI가 오염되거나 모터에 습기가 침투하면 CTG가 증가합니다. 그러나 GWI 또는 권선 절연이 열화되면 절연의 저항이 증가하고 용량이 줄어들어 CTG가 감소합니다.
유전체 재료
유전체 재료는 전기의 열악한 전도체이지만 정전기장을 지원합니다. 정전기장에서 전자는 유전 물질에 침투하지 않고 양극과 음극 분자가 쌍극자(거리에 따라 분리된 반대 전하를 띤 분자 쌍)를 형성하고 분극화합니다(쌍극자의 양극은 음전위와 음전하 쪽으로 정렬됩니다). 음전위 쪽으로 정렬됩니다).
유전 상수(K)
유전 상수(K)는 K가 1인 진공에 대해 쌍극자를 형성하여 전하를 저장하는 유전 물질의 능력을 측정한 것입니다.
절연 재료의 유전 상수는 재료를 형성하기 위해 결합된 분자의 화학적 구성에 따라 달라집니다.
유전체 재료의 K는 재료의 밀도, 온도, 수분 함량 및 정전기장의 주파수에 의해 영향을 받습니다.
유전 손실
유전체 재료의 중요한 특성은 유전 손실 로 알려진 열의 형태로 최소한의 에너지를 발산하면서 정전기장을 지원하는 능력입니다.
유전체 파괴
유전체 양단의 전압이 너무 높아 정전기장이 너무 강해지면 유전체가 전기를 전도하며 이를 유전체 파괴라고 합니다. 고체 유전체 재료에서 이러한 파괴는 영구적일 수 있습니다.
유전 파괴가 발생하면 유전체 재료의 화학적 조성이 변하고 유전 상수가 변합니다.
커패시터 충전에 사용되는 전류
수십 년 전, 전하를 저장하는 절연 시스템의 능력을 평가하기 위해 분극 지수 테스트(PI)가 도입되었습니다. 위에서 설명한 것처럼 본질적으로 세 가지 다른 전류가 있기 때문에 커패시터 충전과 관련됩니다.
- 충전 전류 – 플레이트에 축적된 전류로, 플레이트의 면적과 플레이트 사이의 거리에 따라 달라집니다. 충전 전류는 일반적으로< 1분 이내. 충전량은 단열재의 상태에 관계없이 동일합니다.
- 편광 전류 – 유전체 재료를 편광하거나 유전체 재료를 정전기장에 배치하여 생성된 다이폴을 정렬하는 데 필요한 전류입니다. 일반적으로 편광 지수 테스트가 개발되었을 때 모터에 설치된 절연 시스템(1970년대 이전)의 경우 새롭고 깨끗한 절연 시스템의 공칭 값은 100메가옴(106) 범위였으며 일반적으로 완료하는 데 30분 이상, 경우에 따라 몇 시간 이상 걸렸습니다. 그러나 최신 절연 시스템(1970년대 이후)의 경우 새롭고 깨끗한 절연 시스템의 공칭 값은 기가옴에서 테라옴(109, 1012)이며 일반적으로 충전 전류가 완전히 끝나기 전에 완전히 극성화됩니다.
- 누설 전류 – 절연 재료를 가로질러 흐르고 열을 발산하는 전류입니다.
충전 전류
충전되지 않은 커패시터에는 동일한 수의 양전하와 음전하를 공유하는 플레이트가 있습니다.
충전되지 않은 커패시터의 플레이트에 DC 소스를 적용하면 전자가 배터리의 음극 쪽에서 흘러 배터리의 음극 포스트에 연결된 플레이트에 축적됩니다.
이렇게 하면 이 판에 과도한 전자가 생성됩니다.
전자는 배터리의 양극 포스트에 연결된 플레이트에서 흘러 배터리로 유입되어 음극 플레이트에 축적된 전자를 대체합니다. 전류는 양극판의 전압이 배터리의 양극과 같아지고 음극판의 전압이 배터리의 음극 전위에 도달할 때까지 계속 흐릅니다.
배터리에서 판으로 옮겨진 전자의 수는 판의 면적과 판 사이의 거리에 따라 다릅니다.
이 전류를 충전 전류 라고 하며 에너지를 소비하지 않고 커패시터에 저장됩니다. 이러한 저장된 전자는 플레이트 사이에 정전기장을 생성합니다.
분극 전류
커패시터의 플레이트 사이에 유전체 재료를 배치하면 진공 상태에서 플레이트 사이의 간격에 비해 커패시터의 커패시턴스가 증가합니다.
유전체가 정전기장에 놓이면 새로 형성된 쌍극자가 분극화되고 쌍극자의 음극 끝이 양극판과 정렬되고 쌍극자의 양극 끝이 음극판을 향하여 정렬됩니다. 이것을 양극화 라고 합니다.
유전체의 유전 상수가 높을수록 더 많은 수의 전자가 필요하므로 회로의 정전 용량이 증가합니다.
누설 전류
절연 특성을 유지하면서 유전체에 흐르는 소량의 전류를 유효 저항이라고 합니다. 이것은 재료가 실패 없이 견딜 수 있는 최대 전압으로 정의되는 절연 내력과는 다릅니다.
절연 재료가 열화됨에 따라 저항성이 높아지고 용량성이 낮아져 누설 전류가 증가하고 유전 상수가 감소합니다. 누설 전류는 열을 발생시키고 유전 손실 로 간주됩니다.
소산 계수
접지벽 절연(GWI) 시스템을 실행하기 위해 AC 신호를 사용하는 대체 테스트 기술입니다. 위에서 설명한 대로 DC 신호를 사용하여 GWI를 테스트할 때 3가지 다른 전류가 발생하지만, 계측기는 시간 이외의 전류를 구분할 수 없습니다. 그러나 GWI를 테스트하기 위해 AC 신호를 적용하면 저장된 전류(충전 전류, 분극 전류)와 저항 전류(누설 전류)를 분리할 수 있습니다.
충전 및 분극화 전류는 모두 저장된 전류이고 반대 ½ 사이클로 반환되기 때문에 전류는 전압을 90° 앞서는 반면 열을 발산하는 저항 전류인 누설 전류와 전류는 위상이 동일합니다. 인가 전압. 손실 계수(DF)는 단순히 저항 전류(I R )에 대한 용량성 전류( IC )의 비율입니다.
DF = IC / IR
깨끗한 새 단열재에서 일반적으로 I R 은< I C 의 5%, 절연 재료가 오염되거나 열적으로 열화되면 I C가 감소하거나 I R 이 증가합니다. 두 경우 모두 DF가 증가합니다.
요약
1800년대에는 편광 지수 테스트가 모터의 전반적인 상태를 파악하는 효과적인 방법이었습니다. 그러나 현대식 단열 시스템으로 인해 효율성이 떨어졌습니다.
PI 테스트는 시간이 오래 걸리고(15분 이상) 결함이 권선 또는 접지벽 절연에 있는지 확인할 수 없지만, 다음과 같은 최신 기술을 사용하면 다음과 같은 문제를 해결할 수 있습니다. 모터 회로 분석(MCATM)3분 이내에 완료되는 테스트를 통해 연결 문제, 턴 투 턴, 코일 대 코일 및 위상 간 권선 결함을 매우 초기 단계에서 식별할 수 있습니다.
DF, CTG 및 IRG와 같은 다른 기술도 최소한의 시간으로 완료된 테스트에서 접지벽 단열 시스템의 상태를 제공합니다.
최신 전기 모터 테스트 방법은 MCATM, DF, CTG 및 IRG와 같은 새로운 기술을 결합하여 이전보다 훨씬 빠르고 쉽게 전체 모터의 절연 시스템을 훨씬 더 포괄적이고 철저하게 평가할 수 있습니다.
