Testowanie wskaźnika polaryzacji silników elektrycznych z wykorzystaniem nowoczesnych metod

Jeśli chodzi o testowanie silników elektrycznych, wskaźnik polaryzacji (PI) jest miarą tego, jak bardzo rezystancja układu izolacyjnego poprawia się (lub pogarsza) w czasie.

Podczas gdy test PI był uważany za podstawowy test przy ocenie stanu izolacji silnika, jego proces stał się przestarzały w porównaniu z nowszymi metodami testowania, które zapewniają bardziej kompleksową ocenę diagnostyczną ogólnego stanu silnika.

Niniejszy artykuł zapewnia praktyczne zrozumienie systemu izolacji silnika, podstawową wiedzę na temat testowania indeksu polaryzacji oraz tego, w jaki sposób nowoczesne metody testowania silników zapewniają bardziej kompleksowe wyniki w krótszym czasie.

Indeks polaryzacji (PI)

Test indeksu polaryzacji (PI) to standardowa metoda testowania silników elektrycznych opracowana w XIX wieku, która próbuje określić stan izolacji uzwojenia silnika.

Podczas gdy test PI dostarcza informacji na temat systemów izolacji ścian uziemiających (GWI) zwykle instalowanych przed latami 70-tymi, nie zapewnia on dokładnego stanu izolacji uzwojenia w nowoczesnych silnikach.

Testowanie PI polega na przyłożeniu napięcia stałego (zazwyczaj 500V – 1000V) do uzwojenia silnika w celu zmierzenia skuteczności systemu GWI do przechowywania ładunku elektrycznego.

Ponieważ system GWI tworzy naturalną pojemność między uzwojeniami silnika a ramą silnika, przyłożone napięcie DC będzie przechowywane jako ładunek elektryczny, tak samo jak każdy kondensator.

Gdy kondensator zostanie w pełni naładowany, prąd będzie się zmniejszał, aż pozostanie tylko końcowy prąd upływu, który określa ilość rezystancji, jaką izolacja zapewnia uziemieniu.

W nowych, czystych systemach izolacyjnych prąd polaryzacji maleje logarytmicznie wraz z upływem czasu, ponieważ elektrony są magazynowane. Wskaźnik polaryzacji (PI) to stosunek wartości rezystancji izolacji do uziemienia (IRG) w odstępach 1- i 10-minutowych.

PI = 10 minut IRG/1 minuta IRG

W systemach izolacyjnych zainstalowanych przed 1970 rokiem, testowanie PI odbywa się podczas polaryzacji materiału dielektrycznego.

Jeśli izolacja ściany uziemiającej (GWI) zaczyna ulegać degradacji, ulega zmianie chemicznej, powodując, że materiał dielektryczny staje się bardziej rezystancyjny i mniej pojemnościowy, obniżając stałą dielektryczną i zmniejszając zdolność systemu izolacji do magazynowania ładunku elektrycznego. Powoduje to, że prąd polaryzacji staje się bardziej liniowy, gdy zbliża się do zakresu, w którym dominuje prąd upływu.

Jednak w nowszych systemach izolacyjnych po 1970 roku, z różnych powodów cała polaryzacja materiału dielektrycznego następuje w czasie krótszym niż jedna minuta, a odczyty IRG przekraczają 5000 megaomów. Obliczony wskaźnik PI może nie być miarodajny jako wskazanie stanu wskaźnika ściany gruntu.

Dodatkowo, ponieważ test ten wytwarza pole elektrostatyczne pomiędzy uzwojeniami a ramą silnika, dostarcza on bardzo niewiele, jeśli w ogóle, wskazań dotyczących stanu systemu izolacji uzwojeń. Najlepszym wskaźnikiem tego typu usterek są pomiary MCA kąta fazowego i bieżącej odpowiedzi częstotliwościowej.

Materiały izolacyjne

W silnikach elektrycznych izolacja jest materiałem, który opiera się swobodnemu przepływowi elektronów, kierując prąd przez pożądaną ścieżkę i zapobiegając jego ucieczce w inne miejsce.

Teoretycznie izolacja powinna blokować cały przepływ prądu, ale nawet najlepszy materiał izolacyjny przepuszcza niewielką ilość prądu. Ten nadmiar prądu jest powszechnie określany jako prąd upływu.

Chociaż ogólnie przyjmuje się, że silniki mają 20-letnią żywotność, awaria układu izolacyjnego jest główną przyczyną przedwczesnej awarii silników elektrycznych.

System izolacyjny zaczyna ulegać degradacji, gdy izolacja staje się bardziej przewodząca ze względu na zmianę jej składu chemicznego. Skład chemiczny izolacji zmienia się z czasem w wyniku stopniowego użytkowania i/lub innych uszkodzeń. Prąd upływowy jest rezystancyjny i wytwarza ciepło, które powoduje dodatkową i szybszą degradację izolacji.

Uwaga: Większość emaliowanych przewodów jest zaprojektowana tak, aby zagwarantować żywotność 20 000 godzin w temperaturach znamionowych (od 105 do 240°C).

Systemy izolacji

Silniki i inne urządzenia elektryczne z cewkami mają 2 oddzielne i niezależne układy izolacyjne.

1. Systemy izolacji ścian uziemiających oddzielają cewkę od ramy silnika, zapobiegając przedostawaniu się napięcia dostarczanego do uzwojeń do rdzenia stojana lub jakiejkolwiek części ramy silnika. Uszkodzenie systemu izolacji ściany uziemiającej nazywane jest zwarciem doziemnym i stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa.
2. Systemy izolacji uzwojenia to warstwy emalii otaczające przewodzący drut, który dostarcza prąd do całej cewki w celu wytworzenia pola magnetycznego stojana. Uszkodzenie systemu izolacji uzwojenia nazywane jest zwarciem uzwojenia i osłabia pole magnetyczne cewki.

Rysunek 1: 2 oddzielne systemy izolacji

Rezystancja izolacji względem uziemienia (IRG)

Najczęstszym testem elektrycznym przeprowadzanym na silnikach jest test rezystancji izolacji do masy (IRG) lub “test punktowy”.

Poprzez przyłożenie napięcia stałego do uzwojenia silnika, test ten określa punkt minimalnej rezystancji izolacji ściany uziemienia względem ramy silnika.

Pojemność

Pojemność (C), mierzona w faradach, jest definiowana jako zdolność systemu do przechowywania ładunku elektrycznego. Pojemność silnika określa się za pomocą równania: 1 Farad = ilość zmagazynowanego ładunku w kulombach (Q) podzielona przez napięcie zasilania.

Przykład: Jeśli przyłożone napięcie wynosi 12 V, a kondensator przechowuje 04 kulombów ładunku, jego pojemność wynosi 0033 Faradów lub 3,33 mF. Jeden kulomb ładunku to około 6,24 x¹⁰¹⁸ elektronów lub protonów. Kondensator o pojemności 3,33 mF przechowuje około 2,08 X¹⁰¹⁶ elektronów, gdy jest w pełni naładowany.

Pojemność jest tworzona poprzez umieszczenie materiału dielektrycznego pomiędzy płytkami przewodzącymi. W silnikach systemy izolacji ścian uziemiających tworzą naturalną pojemność między uzwojeniami silnika a ramą silnika. Przewody uzwojenia tworzą jedną płytę, a rama silnika tworzy drugą, dzięki czemu izolacja ściany uziemienia jest materiałem dielektrycznym.

Wielkość pojemności zależy od:

1. Zmierzona powierzchnia płytek – pojemność jest wprost proporcjonalna do powierzchni płytek.
2. Odległość między płytkami – pojemność jest odwrotnie proporcjonalna do odległości między płytkami.
3. Stała dielektryczna – pojemność jest wprost proporcjonalna do stałej dielektrycznej.

Pojemność do uziemienia (CTG)

Wartość
pojemność-uziemienie
(CTG) jest wskaźnikiem czystości uzwojeń i kabli silnika.

Ponieważ izolacja ściany uziemienia (GWI) i systemy izolacji uzwojenia tworzą naturalną pojemność do masy, każdy silnik będzie miał unikalny CTG, gdy silnik jest nowy i czysty.

Jeśli uzwojenia silnika lub GWI ulegną zanieczyszczeniu lub do silnika dostanie się wilgoć, CTG wzrośnie. Jeśli jednak GWI lub izolacja uzwojenia ulegnie degradacji termicznej, izolacja stanie się bardziej rezystancyjna i mniej pojemnościowa, powodując spadek CTG.

Materiał dielektryczny

Materiał dielektryczny jest słabym przewodnikiem elektryczności, ale wspiera pole elektrostatyczne. W polu elektrostatycznym elektrony nie przenikają przez materiał dielektryczny, a dodatnie i ujemne cząsteczki łączą się w pary, tworząc dipole (pary przeciwnie naładowanych cząsteczek oddzielonych odległością) i polaryzując się (dodatnia strona dipola ustawi się w kierunku potencjału ujemnego, a ujemny ładunek ustawi się w kierunku potencjału ujemnego).

Stała dielektryczna (K)

Stała dielektryczna (K) jest miarą zdolności materiału dielektrycznego do przechowywania ładunku elektrycznego poprzez tworzenie dipoli, w odniesieniu do próżni, której K wynosi 1.

Stała dielektryczna materiału izolacyjnego zależy od składu chemicznego cząsteczek połączonych w celu utworzenia materiału.

K materiału dielektrycznego zależy od jego gęstości, temperatury, zawartości wilgoci i częstotliwości pola elektrostatycznego.

Strata dielektryczna

Ważną właściwością materiałów dielektrycznych jest zdolność do podtrzymywania pola elektrostatycznego, przy jednoczesnym rozpraszaniu minimalnej ilości energii w postaci ciepła, znanej jako straty dielektryczne.

Podział dielektryczny

Gdy napięcie na materiale dielektrycznym staje się zbyt wysokie, powodując, że pole elektrostatyczne staje się zbyt intensywne, materiał dielektryczny będzie przewodził prąd i jest określany jako przebicie dielektryczne. W stałych materiałach dielektrycznych przebicie to może być trwałe.

Gdy dochodzi do przebicia dielektrycznego, materiał dielektryczny ulega zmianie w swoim składzie chemicznym, co skutkuje zmianą stałej dielektrycznej.

Prądy wykorzystywane do ładowania kondensatora

Kilkadziesiąt lat temu wprowadzono test indeksu polaryzacji (PI) w celu oceny zdolności systemu izolacji do przechowywania ładunku elektrycznego. Ponieważ istnieją zasadniczo trzy różne prądy, jak opisano powyżej, zaangażowane w ładowanie kondensatora.

1. Prąd ładowania – prąd zgromadzony na płytkach i zależy od powierzchni płytek i odległości między nimi. Prąd ładowania zwykle kończy się po < niż 1 minucie. Ilość ładunku będzie taka sama niezależnie od stanu materiału izolacyjnego.
2. Prąd polaryzacji – prąd wymagany do spolaryzowania materiału dielektrycznego lub wyrównania dipoli utworzonych przez umieszczenie materiału dielektrycznego w polu elektrostatycznym. Zazwyczaj w przypadku systemów izolacji zainstalowanych w silnikach (przed 1970 rokiem), kiedy opracowano testowanie indeksu polaryzacji, wartość nominalna nowego, czystego systemu izolacji mieściłaby się w zakresie 100 megaomów (¹⁰⁶) i zazwyczaj wymagałaby więcej niż 30 minut, a w niektórych przypadkach wielu godzin. Jednak w przypadku nowszych systemów izolacyjnych (po 1970 roku) wartość nominalna nowego, czystego systemu izolacyjnego będzie wynosić od giga-omów do tera-omów (¹⁰⁹,¹⁰¹²) i zazwyczaj w pełni spolaryzuje się przed całkowitym zakończeniem prądu ładowania.
3. Prąd upływu – prąd, który przepływa przez materiał izolacyjny i rozprasza ciepło.

Prąd ładowania

Nienaładowany kondensator ma płytki, które mają taką samą liczbę ładunków dodatnich i ujemnych.

Przyłożenie źródła prądu stałego do płyt nienaładowanego kondensatora spowoduje przepływ elektronów z ujemnej strony akumulatora i gromadzenie się ich na płycie podłączonej do ujemnego bieguna akumulatora.

Spowoduje to powstanie nadmiaru elektronów na tej płytce.

Elektrony będą przepływać z płyty podłączonej do dodatniego bieguna akumulatora i wpływać do akumulatora, aby zastąpić elektrony gromadzące się na płycie ujemnej. Prąd będzie płynął tak długo, aż napięcie na płycie dodatniej będzie takie samo jak po stronie dodatniej akumulatora, a napięcie na płycie ujemnej osiągnie potencjał strony ujemnej akumulatora.

Liczba elektronów przemieszczanych z akumulatora do płyt zależy od powierzchni płyt i odległości między nimi.

Prąd ten nazywany jest prądem ładowania, który nie zużywa energii i jest magazynowany w kondensatorze. Te zmagazynowane elektrony tworzą pole elektrostatyczne pomiędzy płytkami.

Prąd polaryzujący

Umieszczenie materiału dielektrycznego między płytkami w kondensatorze zwiększa pojemność kondensatora w stosunku do odstępu między płytkami w próżni.

Gdy materiał dielektryczny zostanie umieszczony w polu elektrostatycznym, nowo utworzone dipole spolaryzują się, a ujemny koniec dipola wyrówna się z płytką dodatnią, a dodatni koniec dipola wyrówna się w kierunku płytki ujemnej. Jest to określane jako polaryzacja.

Im wyższa stała dielektryczna materiału dielektrycznego, tym większa liczba elektronów jest wymagana, zwiększając tym samym pojemność obwodu.

Prąd upływu

Niewielka ilość prądu przepływającego przez materiał dielektryczny przy jednoczesnym zachowaniu jego właściwości izolacyjnych jest określana jako rezystancja efektywna. Różni się ona od wytrzymałości dielektrycznej, która jest definiowana jako maksymalne napięcie, które materiał może wytrzymać bez uszkodzenia.

W miarę degradacji materiału izolacyjnego staje się on bardziej rezystancyjny i mniej pojemnościowy, zwiększając prąd upływu i zmniejszając stałą dielektryczną. Prąd upływu wytwarza ciepło i jest uważany za stratę dielektryczną.

Współczynnik rozproszenia

Jest to alternatywna technika testowa, która wykorzystuje sygnał AC do ćwiczenia systemu izolacji ścian fundamentowych (GWI). Jak wyjaśniono powyżej, przy użyciu sygnału DC do testowania GWI występują 3 różne prądy, jednak przyrząd nie jest w stanie rozróżnić prądów innych niż czas. Jednak poprzez zastosowanie sygnału AC do testowania GWI możliwe jest oddzielenie prądów, które są przechowywane (prąd ładowania, prąd polaryzacji) od prądu rezystancyjnego (prąd upływu).

Ponieważ zarówno prądy ładowania, jak i polaryzacji są prądami zmagazynowanymi i są zwracane do przeciwnego cyklu ½, prąd przewodzi napięcie o 90°, podczas gdy prąd upływu, który jest prądem rezystancyjnym, który rozprasza ciepło i prąd jest w fazie z przyłożonym napięciem. Współczynnik rozproszenia (DF) to po prostu stosunek prądu pojemnościowego (_IC) do prądu rezystancyjnego (_IR).

DF =_IC /_IR

W przypadku czystej, nowej izolacji_IR wynosi zazwyczaj < 5%_IC, jeśli materiał izolacyjny zostanie zanieczyszczony lub ulegnie degradacji termicznej, albo_IC spadnie, albo_IR wzrośnie. W obu przypadkach DF wzrośnie.

Podsumowanie

W XIX wieku test indeksu polaryzacji był skuteczną metodą określania ogólnego stanu silnika. Stało się to jednak mniej skuteczne w przypadku nowoczesnych systemów izolacyjnych.

Podczas gdy test PI jest czasochłonny (ponad 15 minut) i nie jest w stanie określić, czy usterka występuje w uzwojeniu lub izolacji ściany uziemiającej, nowoczesne technologie, takie jak Analiza obwodów silnika (^MCATM)identyfikować problemy z połączeniami, usterki uzwojeń międzyzwojowych i międzyfazowych na bardzo wczesnych etapach, wykonując testy w czasie poniżej 3 minut.

Inne technologie, takie jak DF, CTG i IRG, zapewniają stan systemu izolacji ścian fundamentowych w testach wykonywanych w minimalnym czasie.

Dzięki połączeniu nowych technologii, takich jak ^MCATM, DF, CTG i IRG, nowoczesne metody testowania silników elektrycznych zapewniają znacznie bardziej kompleksową i dokładną ocenę całego systemu izolacji silnika szybciej i łatwiej niż kiedykolwiek wcześniej.