Руководство по испытаниям вращающихся машин

1. Обзор

1.1 Область применения

Этот документ описывает руководство по оценке обмоток якоря и возбуждения вращающегося оборудования мощностью от 1 лошадиной силы (746 Вт) и выше на предмет короткого замыкания обмоток, дисбаланса фаз и стержней ротора.
Он относится к асинхронным машинам и трансформаторам.
В документе описаны типичные измерения статического анализа цепи обмотки и то, как эти измерения указывают на состояние машины.
В нем содержатся рекомендации по предельным значениям для измерений цепи.
Рассматриваемые типы измерений обеспечиваются отдельными приборами или группами приборов, которые обеспечивают базовые измерения цепи обмотки, такие как сопротивление, импеданс, индуктивность, емкость, а также специализированные тестовые измерения.
Считается, что методы измерений должны включать (Ссылка: IEEE Std 120-1989):
a) Измерения сопротивления постоянным током должны использовать значения постоянного тока.
b) Измерения переменного тока, такие как индуктивность и импеданс, должны проводиться с использованием синусоидальных волн, как выбрано производителем прибора.
в) Все измерения должны оцениваться через мостовые цепи и представляться в пределах таких мостов.
Стандартные инженерные единицы измерения, такие как индуктивность и импеданс, не рассчитываются, за исключением случаев, когда значения представлены в виде соотношений, степеней или процентов.
На момент составления первоначального проекта данного руководства выходное напряжение, обеспечивающее результаты испытаний во всех случаях, кроме измерений изоляции стен заземления, находится в электронном диапазоне и обычно составляет менее 10 Вольт переменного/постоянного тока.
Стандартная выходная частота для этих приборов также обычно превышает 100 Гц.
Если приборы, разработанные с использованием инженерных принципов, превышают эти значения, или если предоставляются дополнительные значения, которые обеспечивают точное представление о цепи двигателя, они могут быть включены в рамки данного руководства.  

1.2 Назначение

Цель данного руководства – описать методы и общие данные, собранные с помощью анализа цепи обмотки, а также дать рекомендации по интерпретации результатов для межвитковой изоляции, изоляции стенки заземления и оценки роторов с беличьей клеткой. Методы измерения изоляции стенки заземления и результаты испытаний должны ссылаться на текущую редакцию стандарта IEEE 43 “Рекомендуемая практика IEEE по испытанию сопротивления изоляции вращающегося оборудования”. a) Рекомендовать унифицированные комбинации результатов испытаний, которые могут быть использованы для оценки состояния вращающегося оборудования и трансформаторов. b) Дать общие рекомендации по методу снятия показаний для измерений цепей индукционного ротора и интерпретации результатов. c) Определить типы измерений, используемых для определения типов межвитковой изоляции, изоляции стенки заземления и других неисправностей вращающегося оборудования.  

2. Ссылки

Ниже приведены ссылки, относящиеся к данному стандарту.
a) IEEE Std 43-2000: Рекомендуемая практика IEEE по испытанию сопротивления изоляции вращающегося оборудования
b) IEEE Std 56-1977: Руководство IEEE по обслуживанию изоляции больших вращающихся машин переменного тока (10,000 кВА и более)
c) IEEE Std 118 ñ 1978: Стандартный код испытаний IEEE для измерения сопротивления
d) IEEE Std 120-1989: Руководство IEEE по основным испытаниям для электрических измерений в силовых цепях
e) IEEE Std 388 ñ 1992: Стандарт IEEE на трансформаторы и индукторы в электронном оборудовании для преобразования энергии
f) IEEE Std 389 ñ 1996: Рекомендуемая практика IEEE по тестированию электронных трансформаторов и индукторов
g) IEEE Std 1068 ñ 1990: Рекомендуемая практика IEEE по ремонту и перемотке двигателей для нефтяной и химической промышленности  

3. Соображения безопасности

Термин “статический анализ цепи обмотки” определяется как метод испытания, выполняемый на обесточенном оборудовании.
Используемые приборы должны соответствовать каким-либо признанным сертификатам, таким как UL, CE, CSA или эквивалентным.
В данном руководстве невозможно охватить все аспекты безопасности.
Персонал, проводящий испытания, должен обращаться к инструкциям производителей, профсоюзам, компаниям и государственным нормам.  

4. Анализ цепей обмотки Общая теория

4.1 МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ

Электрические катушки и машины состоят из комбинации соединенных электромагнитных цепей.
Магнитные цепи образуются в результате прохождения электрического тока по проводникам и направления его через магнитные материалы.
Сначала рассмотрим проводник длиной l, расположенный под прямым углом к полюсам магнита, по которому течет ток I.
В результате возникает сила уровня F, где B – величина плотности магнитного потока (в Теслах, или Т), а магнитный поток – это измерение силы магнетизма.
Полученная формула выглядит следующим образом: Формула 1: Сила (Ньютоны) F = BI l При произвольном положении проводника l является вектором величины l в направлении тока.
Формула 2: Сила при произвольном положении проводника F = Il x B При условии, что B – постоянная величина с площадью A:
Формула 3: Магнитный поток (Φ, Вебер) Φ = BA или B = Φ/A B выражается как Вебер(Wb)/m Взаимосвязь между I и B следующая:
Формула 4: Циркулярный закон Ампера A/m *d*l = I Где A/m – напряженность магнитного поля H Когда по замкнутому контуру проходит ток N раз, например, в катушке, то результирующая магнитодвижущая сила (mmf или ℑ) выглядит следующим образом:
Формула 5: MMF ℑ = NI NI также известна как число оборотов в амперах (At). Число N, равное единице, будет известно как один оборот.í Индуктивность (L) определяется как мощность потока на единицу тока, выраженная в единицах Генри (H).1
Формула 6: Индуктивность L = (NΦ)/I Для тороида, намотанного на ëни отдельных катушек, индуктивность может быть определена:
Формула 7: Тороидальные поля1 Lpq = (Np(kpqΦq))/iq Энергия, запасенная в индуктивности, может быть рассчитана, если в ней протекает ток (i): Формула 8: Индуктивная энергия W = (1/2)Li 2 Частота влияет на поля внутри проводника. При увеличении частоты ток и результирующие поля перемещаются ближе к поверхности проводника (скин-эффект). Это связано с тем, что в проводнике с переменным потоком возникают индуцированные эмфийные поля. Эти ЭДС больше в центре, чем на окружности, поэтому разность потенциалов стремится создать токи, противодействующие току в центре и способствующие ему на окружности. Таким образом, ток вытесняется к внешней стороне проводника, уменьшая его эффективную площадь.î2   1 Электрические машины и электромеханика, Саид А Насар, серия Schaumís Outline, 1981 2 Стандартное руководство для инженеров-электриков, четырнадцатое издание, Дональд Г Финк, Уэйн Бити, McGraw Hill, 2000.  

4.2 СИСТЕМЫ ИЗОЛЯЦИИ

“Электрическая изоляция – это среда или материал, который, будучи помещенным между проводниками, находящимися под разными потенциалами, позволяет протекать через него лишь незначительному току, синфазному с приложенным напряжением. Термин “диэлектрик” является почти синонимом электроизоляции, которую можно считать приложенным диэлектриком. Идеальный диэлектрик не пропускает ток проводимости и только емкостной ток заряда между проводниками. “2 (Также см. IEEE Std 120-1989, Раздел 5.4.2) Простейшее схемное представление диэлектрика – это параллельные резистор и конденсатор.
Емкость между проводниками (в вакууме) равна 0,0884 x 10-12 A/t, где A – площадь проводника в квадратных сантиметрах, а t – расстояние между проводниками в сантиметрах.
“Когда диэлектрический материал заполняет объем между электродами, емкость выше за счет зарядов внутри молекул и атомов материала, которые притягивают больше заряда к плоскостям конденсатора при том же приложенном напряжении. Емкость с диэлектриком между электродами составляет: “3 Формула 9: Емкость между параллельными круговыми проводниками C = (2π∈í∈oL)/cosh-1(D/2r) Проницаемость изоляционных систем уменьшается вниз (область дисперсии) с увеличением приложенной частоты, как и ионно-интерфейсная поляризация и молекулярные дипольные поляризации.
В полимерах дипольная дисперсия возникает на очень низких частотах.  

4.3 ПРОБОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Пробои изоляции, называемые в данном руководстве “неисправностями”, включают в себя загрязнение, слежение за дугой, тепловое старение и механические повреждения.
Каждый тип повреждения имеет общий фактор: Изменяются резистивные и емкостные свойства электрической изоляции.
Загрязнение, в частности, попадание воды, увеличивает проводимость изоляции.
Вода имеет тенденцию скапливаться в трещинах и включениях в изоляционной системе.
Электрические поля вызывают изменения в загрязнениях, в том числе расширение, что еще больше разрушает изоляционную систему.
Другие загрязнения, включая газы, пары, пыль и т.д., могут нарушить химический состав изоляционной системы.
Когда изоляционная система полностью разрушена, система считается закороченной.
Обычно это происходит в первую очередь между проводниками, где изоляционная система наиболее слабая.
Основные зоны повреждения включают незащищенную часть катушки, например, концевые витки вращающейся машины (которые также являются точкой наибольшего электрического напряжения в обмотках), и точку наибольшего механического напряжения, например, место выхода катушек из пазов вращающейся машины.
Дуговое прободение изоляционных систем происходит там, где высокий ток проходит между проводниками по поверхности изоляционной системы.
Изоляция в этих точках карбонизируется, изменяя емкостные и резистивные компоненты электроизоляционной системы.
Слежение за дугой часто является результатом: Сильных электрических напряжений; Загрязнения; или и того, и другого.
Этот тип повреждения в основном возникает между проводниками или катушками и обычно заканчивается коротким замыканием.
Тепловое старение изоляционной системы происходит по мере деградации электроизоляционных систем в результате химического уравнения Аррениуса.
Общепринятое эмпирическое правило гласит, что срок службы изоляционной системы уменьшается вдвое на каждые 10o C повышения рабочей температуры.
Изоляция быстро разрушается и карбонизируется, как только достигает предельной температуры для изоляционной системы.
Другие факторы окружающей среды также влияют на срок службы изоляционной системы, включая: Загрязнение обмотки; Влага; Электролиз; и другие электрические нагрузки.
Механические дефекты в системе электрической изоляции включают растрескивание под напряжением, вибрацию, механические повреждения и механические дефекты.
Силы, действующие внутри катушки во время различных операций, вызывают механические перемещения и могут привести к разрушению изоляционных материалов.
Электрические и механические вибрации вызывают чрезмерную нагрузку на изоляционную систему, что приводит к трещинам под напряжением и ослаблению изоляционной системы.
Механическое проникновение включает в себя перемещение материалов в изоляционную систему между проводниками и/или изоляционной системы на землю.
Механические неисправности включают в себя такие неисправности, как неисправности подшипников во вращающихся машинах, в результате которых подшипник разрывается и проходит через движущиеся компоненты системы.
Эти неисправности могут заканчиваться замыканием между проводниками, катушками или катушкой на землю.  

4.4 Стадии разрушения изоляции обмотки

Основные причины выхода из строя обмотки включают: Пробой изоляции (тепловой); загрязнение; попадание влаги; переходные процессы; механические напряжения. Сначала они приводят к пробою изоляции между проводниками в одной катушке, между катушками в одной фазе или между катушками в разных фазах.
Эти короткие замыкания обмотки могут, но не всегда, закончиться нарушением сопротивления изоляции, когда обмотка действительно выйдет из строя.
Обнаружение изменений между проводниками дает больше шансов на ранний ремонт или замену до того, как оборудование перестанет работать.
Обратите внимание, что скорость возникновения неисправности зависит от степени повреждения (т.е. от соотношения витков) и потенциала между проводниками (например, неисправности могут наблюдаться в оборудовании с напряжением менее 600 В и быстро выходить из строя в системах с напряжением более 1000 В).
Общие стадии повреждения обмотки между проводниками выглядят следующим образом: – Стадия 1: Изоляция между проводниками напрягается, вызывая изменение резистивных и емкостных показателей изоляции в точке повреждения.
Высокие температуры и подобные реактивные повреждения приводят к карбонизации изоляции (диэлектрика) в этой точке.
Карбонизация также может произойти из-за трекинга по изоляционной системе.
– Стадия 2: Место повреждения становится более резистивным.
Между исправной частью обмотки (и другими токоведущими компонентами системы) и замыкающими витками возникает взаимная индуктивность.
Потери I2 R возрастают в месте повреждения из-за увеличения тока в замыкающих витках, повышая температуру в этой точке и вызывая быстрое нагарообразование в системе изоляции.
В этот момент двигатель может начать отключаться, хотя после короткого периода охлаждения он может работать.
– Стадия 3: Изоляция разрушается, и энергия в точке замыкания может вызвать взрывной разрыв изоляционной системы и испарение обмоток.  

4.5 Сравнение оборудования

Вращающиеся машины и трансформаторы работают по схожим принципам.
Например, трехфазный асинхронный двигатель имеет первичную (обмотка статора) и вторичную (обмотка ротора) цепи, как и первичные и вторичные обмотки трансформатора.
Разница в том, что в трансформаторах электрическая энергия преобразуется в другую величину электрической энергии.
Та же самая электрическая энергия преобразуется в механическую энергию с помощью электродвигателя.
Обмотки трансформатора сконструированы таким образом, что они, как правило, сбалансированы между фазами.
Это позволяет получить сбалансированную энергию на вторичной обмотке и сбалансированное сопротивление цепи во всей системе.
Трехфазные вращающиеся машины (в сборе) имеют изменяющуюся взаимную индуктивность при изменении положения ротора.
В результате может возникнуть тестируемый индуктивный дисбаланс и, как следствие, дисбаланс импеданса, когда ротор находится в одном положении, а все три фазы тестируются.
Дисбаланс обмоток вращающихся механизмов можно оценить либо путем компенсации положения ротора, либо путем сравнения показаний импеданса и индуктивности.  

4.6 Тестовые измерения для оценки

Основные электрические измерения для оценки обмоток трансформаторов и вращающихся машин включают в себя:
a) Сопротивление (IEEE Std 118-1978, IEEE Std 389-1996) ñ Используется для обнаружения изменений в размерах проводов, соединений и обрывов/высокого сопротивления.
б) Индуктивность (IEEE Std 388-1992: Раздел 5.2 Дисбаланс индуктивности (импеданса), 5.6.1 Мостовой метод измерения индуктивности, IEEE Std 120-1989) ñ Индуктивность – это функция геометрии и проницаемости.
Она не зависит от напряжения, тока и частоты.
Измеряемая общая индуктивность представляет собой комбинацию взаимной и внутренней индуктивности цепи, называемую индуктивностью цепи.
Обнаружение неисправности возможно только при коротком замыкании обмотки, когда емкость диэлектрической изоляции становится резистивной и возникает короткое замыкание, в результате чего возникает взаимная индуктивность между “хорошей” частью катушки и закороченными витками.
Взаимная индуктивность также используется при оценке обмоток ротора во вращающихся машинах.
в) Емкость (IEEE Std 389-1996, IEEE Std 120-1989) ñ Используется для измерения общей емкости цепи и емкости изоляции стенки заземления.
Обычно имеет тенденцию к изменению во времени.
г) Импеданс (IEEE Std 388-1992: Раздел 5.2 Дисбаланс индуктивности (импеданса), IEEE Std 389-1996: Раздел 8.3 Дисбаланс импеданса, 8.4 Тесты баланса, IEEE Std 120-1989: Раздел 5 Измерения импеданса) ñ Импеданс зависит от частоты, сопротивления, индуктивности и емкости.
Сопротивление оказывает относительно небольшое влияние на общий импеданс, а применяемая частота влияет на индуктивную и емкостную составляющие реактивности.
Увеличение индуктивности оказывает аддитивный эффект на значения импеданса, в то время как емкость оказывает обратное влияние на импеданс цепи.
Например, увеличение общей индуктивности цепи приведет к примерно параллельному увеличению импеданса, а увеличение общей емкости цепи приведет к уменьшению импеданса.
e) Фазовый угол (IEEE Std 120-1989) ñ Фазовый угол цепи – это измерение времени запаздывания между напряжением и током, представленное в виде градусов разделения.
Он напрямую зависит от импеданса цепи, напряжения и частоты.
f) Испытания на частотную характеристику (IEEE Std 389-1996: Раздел 11.1 Частотная характеристика трансформатора) ñ Испытания на частотную характеристику могут быть оценены с помощью нескольких методов.
Для целей данного руководства оценка будет представлена в виде процентного снижения тока в катушке при удвоении частоты, также известного как тест на реакцию ток/частота.
На реакцию ток/частота влияют изменения емкости цепи при увеличении частоты.
g) Испытания сопротивления изоляции ñ Описаны в стандарте IEEE Std 43-2000.
Независимо от проводимых измерений, основная цель – выявить дисбаланс между подобными катушками, например, между фазами в трехфазной вращающейся машине или трехфазном трансформаторе.  

5.0 Оценка оборудования

5.1 Оценка трехфазных трансформаторов

При проведении испытаний трехфазных трансформаторов с использованием методов анализа обмоток цепь, противоположная тестируемой стороне, должна быть закорочена и заземлена (IEEE Std 388- 1992: Раздел 5.6.1 Метод измерения с помощью индукционного моста, IEEE Std 389-1996).
Каждая из трех фаз измеряется и оценивается на предмет баланса.
Рекомендуемые пределы результатов тестирования см. в Таблице 1. a) Тесты Fi и I/F обнаружат пробой изоляции ñ изменениями емкостей и сопротивлений в цепи изоляционной системы.
б) Измерения индуктивности и импеданса позволят обнаружить дефекты обмоток и дефекты поворота при производстве или ремонте.
в) Сопротивление используется для обнаружения неплотных соединений, обрыва проводников и связанных с этим проблем.  

5.2 Оценка трехфазных асинхронных вращающихся машин

Статор и ротор оцениваются отдельно с помощью методов анализа цепей обмотки.
В следующих рекомендациях рассматриваются оба варианта.

5.2.1 Тестирование ротора собранного двигателя

Типы неисправностей, характерных для роторов электродвигателей, следующие:
a) Воздушный зазор (эксцентриситет ротора): Обычно это не является прогрессирующей неисправностью, если только не наблюдается ослабление ротора или серьезная неисправность вала двигателя или подшипников.
Ослабления, проблемы с подшипниками и валом двигателя можно обнаружить быстрее и безопаснее, используя методы анализа вибрации.
Проблемы с воздушным зазором при производстве и ремонте могут быть обнаружены с помощью анализа цепей статической обмотки во время приемо-сдаточных испытаний или на заводе-изготовителе/ремонтной мастерской до того, как будет потеряно время на установку оборудования.
Этот тип приемочных испытаний используется для определения того, правильно ли был установлен воздушный зазор (+/- 10% от среднего значения воздушного зазора, полученного на обоих концах ротора во время установки).4
б) Пустоты в отливках и соединениях стержней ротора: Со временем эти дефекты могут привести к поломке стержня ротора.
В литых алюминиевых роторах всегда есть литейные пустоты, отклонения в алюминиевом сплаве и отклонения в соединениях стержней из медного сплава, которые влияют на индуктивность.
Неисправности можно обнаружить, сняв ряд показаний индуктивности или импеданса цепи при вращении вала на 360 градусов.
Эти показания можно представить в виде формы волны и просмотреть на наличие неисправностей, обратив внимание на положение изменений индуктивности и/или импеданса в форме волны.
Небольшое изменение на наклонной или наклонной части формы волны указывает на небольшой, обычно неинтрузивный дефект, в то время как значительное изменение на пике формы волны указывает на серьезные неисправности ротора.
Серьезные дефекты могут нарушить рабочие характеристики двигателя.
в) Сломанные полосы ротора: это прогрессирующие неисправности, которые обычно возникают из-за неправильной эксплуатации электродвигателя.
При запуске электродвигателя в роторе накапливается тепло из-за больших токов и высокой частоты, что требует периода охлаждения.
В других случаях ротор может заглохнуть, что приводит к высоким токам и высокой частоте вращения ротора.
Скорость расширения медных сплавов (или алюминия) и материалов ротора различна, что создает механическую нагрузку на сами стержни.
При экстремальном напряжении стержни ротора могут треснуть, снижая способность двигателя создавать крутящий момент.
При разрушении стержней ротора по окружающим стержням проходит дополнительный ток, что приводит к дальнейшему повышению температуры стержней ротора и вероятности появления дополнительных трещин.
Способность испытательного оборудования обнаруживать неисправности по индуктивности и импедансу обусловлена изменением взаимной индуктивности цепи при изменении положения ротора.
Поскольку электродвигатель представляет собой трансформатор с вращающейся вторичной цепью, при изменении положения ротора эффективное соотношение первичной (обмотки статора) и вторичной (обмотки ротора) обмоток изменяется, а общая взаимная индуктивность и результирующий импеданс цепи изменяются.
В силу природы вращающегося оборудования, изменения со временем будут синусоидальными (или с некоторыми вариациями) и симметричными.
Общий процесс выполнения теста индуктивности или импеданса ротора заключается в снятии показаний индуктивности или импеданса с равномерным шагом на 360 градусов вращения или с помощью теста индуктивности или импеданса в реальном времени.
Для интерпретации результатов теста их следует отобразить на графике.

5.2.2 Испытание статора вращающегося оборудования в сборе

Оценка результатов тестирования собранного вращающегося оборудования обеспечит различную степень точности обнаружения неисправностей.
Например, результаты испытаний на индуктивность дадут высокие и разные значения, поскольку ротор устанавливается в разные положения, поэтому положение ротора должно быть отрегулировано так, чтобы значения взаимной индуктивности между первичной (статор) и вторичной (ротор) обмотками были относительно одинаковыми.
Однако индуктивность в сочетании с импедансом показывает емкостное воздействие пробоя изоляции или загрязнения обмотки.
Например, если импеданс и индуктивность относительно параллельны, то дисбаланс фаз будет обусловлен положением ротора.
Если импеданс хотя бы одной фазы уменьшился, или импеданс и индуктивность не являются относительно параллельными, то емкость цепи изменилась, что указывает на возможное загрязнение обмотки или пробой изоляции. Неисправности на ранних стадиях будут обнаружены как изменения фазового угла или тока/частоты в виде сдвига в показаниях.
Сдвиг может быть обозначен, например, как Fi: 77/76/77 и/или I/F: -44/-46/- 44. 5 Показания сопротивления и дисбаланса импеданса могут быть подсчитаны только в том случае, если учитывается положение ротора.
Показания должны быть сняты на пике или в долине синусоиды от изменения положения ротора.  

6.0 Библиография

a) IEEE Std 43-2000: Рекомендуемая практика IEEE по испытанию сопротивления изоляции вращающегося оборудования
b) IEEE Std 56-1977: Руководство IEEE по обслуживанию изоляции больших вращающихся машин переменного тока (10,000 кВА и более)
c) IEEE Std 118-1978: Стандартный код испытаний IEEE для измерения сопротивления
d) IEEE Std 120-1989: IEEE Master Test Guide for Electrical Measurements in Power Circuits
e) IEEE Std 388-1992: Стандарт IEEE на трансформаторы и индукторы в электронном оборудовании для преобразования энергии
f) IEEE Std 389-1996: Рекомендуемая практика IEEE по тестированию электронных трансформаторов и индукторов
g) IEEE Std 1068-1990: Рекомендуемая практика IEEE по ремонту и перемотке двигателей для нефтяной и химической промышленности
h) Penrose, Dr. Howard W., Motor Circuit Analysis: Теория, применение и энергетический анализ, SUCCESS by DESIGN, 2001 г.
i) Финк, Дональд и Бити, Х. Уэйн, Стандартный справочник для инженеров-электриков, четырнадцатое издание, McGraw-Hill, 2000.
j) Sarma, Mulukutl, Electric Machines: Теория стационарного состояния и динамические характеристики, второе издание, PWS Publishing Company, 1996 г.
k) Mazur, Glen and Proctor, Thomas, Troubleshooting Electric Motors, Second Edition, ATP Publishing, 1997
l) Nasar, Syed, Electric Machines and ElectroMagnetics, McGraw-Hill, 1981