Awaria izolacji elektrycznej

Izolacja elektryczna służy do kierowania prądu przez pożądaną ścieżkę i zapobiegania jego przepływowi tam, gdzie nie jest on pożądany. Prawidłowa izolacja elektryczna ma kluczowe znaczenie dla wydajności i trwałości silnika elektrycznego. Uszkodzenie izolacji jest jedną z najczęstszych przyczyn awarii silników elektrycznych. Na przykład w generatorach elektrycznych,
56% awarii
wynika z uszkodzenia izolacji elektrycznej.

Systemy izolacji

W silnikach istnieją 2 systemy izolacji. Jednym z systemów jest izolacja uziemienia, która oddziela cewki od ramy lub obudowy silnika. Drugim systemem izolacji jest system izolacji uzwojenia, który oddziela przewodniki zwinięte w celu utworzenia uzwojeń silnika. Badania wykazały, że ≈ 80% usterek elektrycznych stojana występuje w izolacji uzwojenia, podczas gdy tylko ≈ 20% występuje między cewkami a ramą silnika lub bezpośrednim zwarciem do masy.

Co to jest awaria izolacji?

Awaria izolacji elektrycznej występuje, gdy izolacja silnika zaczyna się pogarszać z upływem czasu lub z innych powodów. Starzenie się lub przegrzanie powoduje zmiany chemiczne w izolacji, które powodują, że izolacja staje się bardziej przewodząca i mniej skuteczna w zapobieganiu przepływowi prądu przez niepożądane ścieżki między przewodnikami lub do ramy silnika. Niektóre awarie izolacji, szczególnie w systemie izolacji ścian fundamentowych, są natychmiastowe z powodu wniknięcia wilgoci, zanieczyszczenia lub innych nietypowych zdarzeń. Zdarzenia te atakują puste przestrzenie lub inne słabe punkty izolacji i prowadzą do przedwczesnej awarii. Usterki w systemie izolacji uzwojenia materializują się powoli i pogarszają się z czasem.

Do najczęstszych przyczyn awarii izolacji należą

• Przegrzanie
• Zanieczyszczenie uzwojenia
• Nadmierny pobór prądu
• Niska jakość zasilania
• Zniekształcenia harmoniczne.

Niniejszy przewodnik poprowadzi Cię przez każdy etap pogarszania się stanu izolacji elektrycznej, dzięki czemu możesz być proaktywny i śledzić zmiany izolacji w sprzęcie silnikowym.

3 etapy awarii izolacji elektrycznej

Większość awarii izolacji następuje powoli i równomiernie, przechodząc przez trzy różne etapy.

Etap 1 – idealny do wczesnego wykrywania

Podczas pierwszego etapu awarii izolacji elektrycznej, izolacja między przewodnikami ulega naprężeniu i zaczyna zmieniać się chemicznie. Izolacja chemicznie zmienia się z izolatora w przewodnik. Wytrzymałość izolacji i pojemność zaczynają spadać. Izolacja może zacząć się zwęglać, co powoduje, że prąd staje się bardziej rezystancyjny, a mniej pojemnościowy. Jeśli izolacja ściany fundamentowej ulegnie zmianie, spowoduje to spadek rezystancji izolacji i wzrost współczynnika rozproszenia. Jeśli izolacja uzwojenia ulegnie zmianie chemicznej, zmieni się kąt fazowy (Fi) i/lub charakterystyka częstotliwościowa prądu.

Identyfikacja usterek na tym etapie awarii izolacji jest niezwykle ważna dla niezawodnego działania systemu elektrycznego zakładu. Na tym etapie niepożądany przepływ prądu między przewodnikami jeszcze nie występuje, choć ryzyko jego rozpoczęcia jest wysokie. Na szczęście wczesne wykrywanie poprzez
sprawdzanie uzwojeń
i angażowanie się w prawidłowe
testowanie silnika
jest niezwykle korzystne. Wczesne wykrywanie uszkodzeń izolacji w silnikach elektrycznych pozwala firmie zająć się pogorszeniem stanu, gdy pozostaje ono stosunkowo niewielkie, oszczędzając czas i pieniądze oraz zapobiegając katastrofalnym awariom.

Przyrządy ALL-TEST Pro są jedynymi przyrządami na świecie, które umożliwiają wczesne wykrywanie uszkodzeń izolacji w silnikach elektrycznych w sposób spójny i na najwcześniejszych etapach.

Patrz kąt fazowy wyjaśniony poniżej w wykrywaniu uszkodzeń izolacji.

Etap 2 – Możliwa przerywana awaria silnika

Podczas drugiego etapu awarii izolacji elektrycznej pogorszenie stanu uzwojeń staje się bardziej wyraźne. Poniżej znajdują się niektóre z ich cech charakterystycznych:

• Degradacja materiału izolacyjnego wzrasta.
• Prąd nadal staje się bardziej oporny.
• Ciepło wzrasta w głównym punkcie uszkodzenia izolacji.
• Silnik zaczyna okresowo wyłączać napęd lub wyłącznik automatyczny, choć może kontynuować pracę po schłodzeniu izolacji.

Aby ustalić przyczynę problemu, należy przeprowadzić diagnostykę. Przyrządy ALL-TEST Pro określają rzeczywisty stan silnika i jego podzespołów.

Patrz kąt fazowy, TVS i odpowiedź częstotliwościowa prądu wyjaśnione poniżej w wykrywaniu uszkodzeń izolacji.

Etap 3 – Katastrofalna awaria

Jeśli wcześniejsze oznaki uszkodzenia izolacji nie zostały wykryte lub nie zostały naprawione, silnik prawdopodobnie ulegnie całkowitej awarii. Poniżej znajdują się niektóre z cech, które uzwojenie często wykazuje na tym etapie:

• Izolacja ulega całkowitemu uszkodzeniu, tworząc skrót między uzwojeniami lub bezpośrednią ścieżkę dla prądu z uzwojenia do masy lub ramy silnika.
• W punkcie uskoku powstaje wybuchowe pęknięcie.
• Następują zmiany indukcyjności i rezystancji.
• Miedziane cewki zaczynają się topić w odpowiedzi na nadmierne ciepło.
• Silnik stale wyłącza napęd lub wyłącznik automatyczny podczas rozruchu.
• Przepływ prądu między przewodnikami jest obecny.

Wiele mierników i urządzeń elektrycznych powinno wychwytywać usterki na tym etapie awarii silnika (lub gdy występuje całkowite zwarcie do masy wskazujące na poważny problem bezpieczeństwa). Jeśli silniki są eksploatowane aż do awarii, nie trzeba wiedzieć, co dzieje się z silnikiem ani znać jego stanu technicznego.

Przyczyny awarii izolacji

Czynniki stresogenne, takie jak temperatura, zanieczyszczenia i naprężenia elektryczne, takie jak długotrwałe przepięcia, mogą łatwo uszkodzić izolację elektryczną i spowodować awarie. Ryzyko uszkodzenia izolacji również wzrasta wraz z upływem czasu, ponieważ te różne czynniki oddziałują na siebie wzajemnie, powodując pogorszenie jakości. Na przykład, w izolacji mogą pojawić się drobne dziurki lub pęknięcia wynikające z codziennego zużycia. Pęknięcia te osłabiają izolację, a także tworzą drogi wnikania wilgoci i zanieczyszczeń chemicznych, jeszcze bardziej degradując izolację.

Poniżej przedstawiono kilka najczęstszych przyczyn awarii izolacji elektrycznej w silniku:

• Zanieczyszczenia: Izolacja uzwojenia słabnie z powodu kontaktu z zanieczyszczeniami, takimi jak chłodziwo obrabiarki, olej i inne chemikalia. Zanieczyszczenia te często mają działanie korozyjne, niszcząc izolację w miarę upływu czasu. Wilgotne zanieczyszczenia są zwykle przewodzące, ponieważ zawierają zanieczyszczenia, więc zmniejszają rezystancję, gdy przedostają się do izolacji przez małe pęknięcia i pory.
• Niska jakość zasilania: Uzwojenia mogą się przegrzewać z powodu problemów z jakością zasilania, w tym niezrównoważonych poziomów napięcia i prądu. Nawet niewielki wzrost temperatury spowodowany tymi czynnikami może stworzyć gorący punkt termiczny, który prowadzi do znacznego spadku rezystancji izolacji.
• Przeciążenie: Uzwojenia mogą się przegrzewać z powodu wysokiego poboru prądu spowodowanego nadmiernym obciążeniem. Przeciążenie może również spowodować skok napięcia, który rozerwie izolację.
• Wysoka temperatura otoczenia: Uzwojenia mogą również przegrzewać się z powodu wysokiej temperatury w środowisku pracy. Szczególnie w obszarze o ograniczonej wentylacji, ciepło generowane przez sprzęt może nadmiernie obciążać izolację uzwojenia silnika.
• Napięcia przejściowe: Napięcia przejściowe mogą pochodzić ze źródeł wewnętrznych lub zewnętrznych i często występują podczas rozruchu silnika. Częstotliwość prądu przejściowego może być kilkakrotnie wyższa niż typowy prąd w uzwojeniach, co powoduje ekstremalne obciążenie izolacji.

Ponieważ ryzyko uszkodzenia izolacji w silniku jest stosunkowo wysokie w czasie, pracownicy powinni mieć narzędzia i szkolenia potrzebne do wykrywania oznak uszkodzenia izolacji i szybkiego reagowania na nie.

Wykrywanie uszkodzeń izolacji za pomocą MCA

Izolacja uzwojenia

Analiza obwodu silnika
(MCA™) wstrzykuje napięcie AC i DC o niskim napięciu, aby ćwiczyć system izolacji uzwojenia, podczas gdy silnik jest odłączony od zasilania. Gdy układ izolacyjny zaczyna ulegać zmianom chemicznym, wpływa to na pojemność (C) i indukcyjność (L) układu cewek. Każda zmiana C lub L zmienia opóźnienie czasowe między przyłożonym napięciem a wynikowym prądem oraz zdolność układu cewki do przechowywania ładunku elektrycznego lub pola magnetycznego. W związku z tym, gdy izolacja uzwojenia zacznie się zmieniać chemicznie, zmieni się albo Fi, albo I/F, albo prawdopodobnie oba. Jeśli którakolwiek z tych zmiennych ulegnie zmianie, spowoduje to zmianę statystyki wartości testowej (TVS). Zmiana wartości statycznej TVS w stosunku do jej wartości bazowej zapisanej wcześniej jako wartość statyczna odniesienia (RVS) wynosząca > 3% wskazuje na początek awarii izolacji lub wirnika.

• Statystyka wartości testowej: TVS to liczba określająca stan silnika w momencie przeprowadzania testu. TVS wykorzystuje opatentowany algorytm stworzony przez połączenie wyników serii testów niskonapięciowych przeprowadzonych na wszystkich trzech fazach układu uzwojenia silnika. Kluczowe zmienne są pobierane przy 5 różnych częstotliwościach, aby w pełni wzbudzić system izolacji. Nawet niewielkie zmiany w składzie chemicznym izolacji uzwojenia spowodują zmianę bieżącego TVS w porównaniu do wartości wyjściowej. ATP zaleca wykonanie testu Statycznej Wartości Referencyjnej (RVS) na nowym silniku przed jego instalacją w systemie. Następnie, podczas monitorowania TVS silnika w trakcie jego eksploatacji, zmiana o > 3% między dwiema wartościami (nowy i aktualny odczyt TVS) zazwyczaj wskazuje na usterkę wirnika lub stojana.
• Kąt fazowy: Jest miarą opóźnienia czasowego między napięciem przyłożonym do silnika a wynikającym z niego poborem prądu. Jest to bardzo czuły pomiar i jest jedną z pierwszych zmiennych, które ulegają zmianie, gdy system izolacji zaczyna ulegać degradacji. Pomiar Fi służy do identyfikacji rozwijających się usterek uzwojenia cewka-cewka, obrót-obrót lub faza-faza. Żaden inny przyrząd nie jest w stanie wykryć usterek uzwojenia cewka-cewka na tym etapie.
• Odpowiedź częstotliwościowa prądu: Test odpowiedzi I/F mierzy prąd płynący przez uzwojenia silnika z określoną częstotliwością. Kolejny test ponownie mierzy bieżącą odpowiedź przy podwojonej częstotliwości początkowej. Odpowiedź I/F mierzy procentową zmianę prądu spowodowaną podwojeniem częstotliwości napięcia wejściowego. Uzwojenie trójfazowe w tym samym stanie będzie reagować tak samo na zmianę częstotliwości. Jeśli izolacja uzwojenia na jednym lub kilku przewodnikach zaczyna się pogarszać, zmienia to zdolność cewki do przechowywania pola magnetycznego lub ładunku elektrycznego. I/F to test, który mierzy zdolność systemu uzwojenia do przechowywania pola magnetycznego lub ładunku elektrycznego i jest zazwyczaj jednym z pierwszych wskaźników degradacji systemu uzwojenia.
• Test dynamiczny: Test dynamiczny służy do identyfikacji rozwijających się lub istniejących usterek w stojanie lub wirniku. Podczas testu dynamicznego przyrząd testujący stale mierzy i zapisuje impedancję w różnych pozycjach wirnika, podczas gdy wał silnika jest ręcznie obracany płynnie i powoli. Wyniki tych testów są analizowane i wyświetlane jako dwie sygnatury elektryczne, dynamiczna sygnatura stojana i dynamiczna sygnatura wirnika. Następnie urządzenie automatycznie analizuje te sygnatury i generuje status “dobry”, “ostrzegawczy” lub “zły”, aby wskazać stan stojana lub wirnika.
• Współczynnik rozproszenia (DF): System izolacji ściany uziemiającej tworzy naturalny kondensator pomiędzy przewodami w cewkach silnika a ramą silnika. Kondensator przechowuje ładunek elektryczny, gdy napięcie AC jest przyłożone do kondensatora, część prądu przepływa przez materiał dielektryczny i jest prądem rezystancyjnym (_Ir), a pozostała część prądu jest prądem, który jest przechowywany. Zmagazynowany prąd jest określany jako prąd pojemnościowy (_Ic). W nowym systemie izolacji_Ir wynosi < 5% Ic_. DF jest stosunkiem _Ir/Ic. Gdy materiał izolacyjny starzeje się, staje się mniej pojemnościowy i bardziej rezystancyjny, co powoduje wzrost DF.
• Pojemność uziemienia (CTG): Ponieważ system izolacji ściany uziemiającej tworzy naturalną pojemność z ramą, będzie istniała mierzalna wartość, która powinna pozostać taka sama przez cały okres eksploatacji silnika. Wnikanie wilgoci lub innych zanieczyszczeń skutecznie powoduje zmianę stałej dielektrycznej. Zazwyczaj powoduje to wzrost wartości CTG. Jeśli jednak izolacja ściany fundamentowej zacznie się obniżać termicznie, spowoduje to spadek CTG.

Podsumowanie: Połączenie pomiarów DF i CTG zapewnia lepsze wskazanie ogólnego stanu izolacji ściany fundamentowej niż same pomiary IRG. Standardowy test IRG wykryje awarie uziemienia tylko w najsłabszej części izolacji uzwojenia. Testy DF i CTC zapewniają pełną ocenę całego systemu izolacji przy użyciu metod testowania niskiego napięcia AC. Połączenie tych dwóch testów z testem IRG zapewni najdokładniejszy stan układu izolacji silnika do masy.

Tradycyjne metody testowania

Rezystancja izolacji względem uziemienia (IRG)
– Jest to test bezpieczeństwa i nie służy do określania rzeczywistego stanu silnika elektrycznego.

Testy rezystancji izolacji względem uziemienia są najczęściej wykonywanymi testami elektrycznymi w branży elektrycznej. Głównym celem tych pomiarów jest “bezpieczeństwo”. Gdy istnieje ścieżka przepływu prądu z uzwojenia pod napięciem do obudowy maszyny lub uziemienia, możliwe jest, że odsłonięta część silnika może zostać zasilona pełnym napięciem przyłożonym do uzwojenia. Dodatkowo, jeśli do uziemienia popłynie wystarczający prąd, spowoduje to miejscowe nagrzewanie, które może doprowadzić do uszkodzenia instalacji i personelu. Przed włączeniem zasilania nowo zainstalowanych systemów elektrycznych należy przeprowadzić test IRG, aby upewnić się, że silnik jest “bezpieczny” do włączenia. Test IRG przykłada napięcie DC do przewodów silnika i mierzy przepływ prądu do masy. Ponieważ prąd płynie po ścieżce najmniejszego oporu, test ten identyfikuje najsłabsze punkty izolacji ściany uziemiającej, ale nie dostarcza żadnych wskazówek na temat ogólnego stanu izolacji ściany uziemiającej.

Ochrona przed awarią izolacji dzięki urządzeniom ALL-TEST Pro

Niezawodny silnik ALL-TEST Pro produkty do testowania silników zapewniają Twojej firmie narzędzia potrzebne do oceny wydajności elektrycznej i szybkiego rozwiązywania drobnych problemów, zanim przerodzą się one w bardziej czasochłonne i pracochłonne problemy.

Po co testować silniki
? Dobrze utrzymany, wydajny silnik jest kluczem do efektywnego działania firmy, minimalizowania przestojów oraz zwiększania produktywności i zysków. ALL-TEST Pro może to zapewnić Twojej firmie. Nasze programy testowania, rozwiązywania problemów i konserwacji predykcyjnej utrzymują silniki w dobrym stanie i zapewniają wysoką wartość dla firmy.

Poproś o wycenę
już dziś lub
skontaktuj się z nami
aby dowiedzieć się więcej o tym, jak nasze produkty zapewniają szybkie i dokładne testy silników – zawsze i wszędzie.