Тестирование индекса поляризации на электродвигателях уже превзойдено современными методами

Что касается тестирования электродвигателей, то индекс поляризации (PI) – это показатель того, насколько улучшается (или ухудшается) сопротивление изоляционной системы с течением времени.
Хотя PI-тест считался основным тестом при оценке состояния изоляции электродвигателя, его процесс устарел по сравнению с более новыми методами тестирования, которые обеспечивают более полную диагностическую оценку общего состояния двигателя.
Эта статья дает практическое представление о системе изоляции двигателя, базовое понимание тестирования индекса поляризации, а также рассказывает о том, как современные методы тестирования двигателей позволяют получить более полные результаты за меньшее время.

ИНДЕКС ПОЛЯРИЗАЦИИ (PI)

Тест на индекс поляризации (PI) – это стандартный метод тестирования электродвигателей, разработанный в 1800-х годах, который пытается определить состояние изоляции обмоток двигателя.
Хотя тест PI предоставляет информацию о системах изоляции стен заземления (GWI), обычно устанавливаемых до 1970-х годов, он не может точно определить состояние изоляции обмотки в современных двигателях.
Испытание PI включает в себя подачу постоянного напряжения (обычно 500 – 1000 В) на обмотку двигателя для измерения эффективности системы GWI по накоплению электрического заряда.
Поскольку система GWI образует естественную емкость между обмотками двигателя и его рамой, приложенное постоянное напряжение будет сохранено в виде электрического заряда, как и в любом конденсаторе.
По мере полного заряда конденсатора ток будет уменьшаться, пока не останется только конечный ток утечки, который определяет величину сопротивления, оказываемого изоляцией на землю.
В новых, чистых изоляционных системах ток поляризации уменьшается логарифмически со временем по мере накопления электронов.
Индекс поляризации (PI) – это отношение значения сопротивления изоляции к земле (IRG), полученного с интервалом в 1 и 10 минут.
PI = 10-минутное IRG/1-минутное IRG В системах изоляции, установленных до 1970-х годов, тестирование PI происходит во время поляризации диэлектрического материала.
Если изоляция грунтовой стены (GWI) начинает разрушаться, она подвергается химическим изменениям, в результате чего диэлектрический материал становится более резистивным и менее емким, снижая диэлектрическую проницаемость и уменьшая способность изоляционной системы накапливать электрический заряд.
Это приводит к тому, что ток поляризации становится более линейным по мере приближения к диапазону, в котором преобладает ток утечки.
Однако в новых изоляционных системах, созданных после 1970-х годов, по разным причинам вся поляризация диэлектрического материала происходит менее чем за одну минуту, и показания IRG превышают 5 000 мегаом.
Рассчитанный PI может не иметь смысла в качестве показателя состояния заземленной стены.
Кроме того, поскольку этот тест создает электростатическое поле между обмотками и рамой двигателя, он дает очень мало, если вообще дает, указаний на состояние системы изоляции обмоток.
Лучше всего выявлять эти типы неисправностей с помощью MCA, измеряя фазовый угол и частотную характеристику тока.

ИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В электродвигателях изоляция – это материал, который противостоит свободному движению электронов, направляя ток по нужному пути и не позволяя ему выходить в другом месте.
Теоретически, изоляция должна полностью блокировать прохождение тока, но даже самый лучший изоляционный материал позволяет небольшому количеству тока проходить через него.
Этот избыточный ток принято называть током утечки.
Хотя принято считать, что срок службы электродвигателей составляет 20 лет, выход из строя изоляционной системы является основной причиной преждевременного выхода электродвигателей из строя.
Изоляционная система начинает разрушаться, когда изоляция становится более проводящей из-за изменения ее химического состава.
Химический состав изоляции меняется со временем в результате постепенного использования и/или других повреждений.
Ток утечки является резистивным и создает тепло, что приводит к дополнительной и более быстрой деградации изоляции.
Примечание: Большинство эмалированных проводов рассчитаны на срок службы 20 000 часов при номинальных температурах (от 105 до 240° C).

ИЗОЛЯЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Двигатели и другое электрооборудование с катушками имеют 2 отдельные и независимые системы изоляции.
Система изоляции стенки заземления отделяет катушку от каркаса двигателя, не позволяя напряжению, подаваемому на обмотки, проникать на сердечник статора или любую часть каркаса двигателя.
Разрушение системы изоляции стенок заземления называется замыканием на землю и создает угрозу безопасности.
Системы изоляции обмоток – это слои эмали, которые окружают токопроводящий провод, подающий ток на всю обмотку для создания магнитного поля статора.
Разрушение системы изоляции обмотки называется коротким замыканием обмотки и ослабляет магнитное поле катушки.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ ОТНОСИТЕЛЬНО ЗЕМЛИ (IRG)

Наиболее распространенным электрическим тестом, проводимым на двигателях, является тест на сопротивление изоляции земле (IRG) или “точечный тест”.
Подавая постоянное напряжение на обмотку двигателя, этот тест определяет точку минимального сопротивления изоляции стенки заземления по отношению к раме двигателя.

ПОТЕНЦИАЛ

Емкость (C), измеряемая в фарадах, определяется как способность системы накапливать электрический заряд.
Емкость двигателя определяется с помощью уравнения: 1 Фарад = количество накопленного заряда в кулонах (Q), деленное на напряжение питания.
Пример: Если напряжение питания – 12-вольтовая батарея, а конденсатор хранит заряд в .04 кулонов, то его емкость составит .0033 Фарад или 3,33 мкФ.
Один кулон заряда – это приблизительно 6,24 x 1018 электронов или протонов.
Конденсатор емкостью 3,33 мкФ при полном заряде будет хранить примерно 2,08 X 1016 электронов.
Емкость создается путем помещения диэлектрического материала между проводящими пластинами.
В двигателях системы изоляции с заземляющими стенками образуют естественную емкость между обмотками двигателя и его рамой.
Проводники обмотки образуют одну пластину, а рама двигателя – другую, при этом изоляция стенки заземления является диэлектрическим материалом.
Величина емкости зависит от: Измеренной площади поверхности пластин – Емкость прямо пропорциональна площади пластин.
Расстояние между пластинами – Емкость обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.
Диэлектрическая проницаемость – Емкость прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости.

ЕМКОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНО ЗЕМЛИ (CTG)

Измерение емкости на землю (CTG) указывает на чистоту обмоток и кабелей двигателя.
Поскольку изоляция стенки заземления (GWI) и изоляционные системы обмоток образуют естественную емкость по отношению к земле, каждый двигатель будет иметь уникальное значение CTG, когда двигатель новый и чистый.
Если обмотки двигателя или GWI загрязнены, или в двигатель попала влага, CTG увеличится.
Однако если GWI или изоляция обмотки подвергаются термической деградации, изоляция становится более устойчивой и менее емкой, что приводит к уменьшению CTG.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Диэлектрический материал является плохим проводником электричества, но поддерживает электростатическое поле.
В электростатическом поле электроны не проникают в диэлектрический материал, а положительные и отрицательные молекулы объединяются в пары, образуя диполи (пары противоположно заряженных молекул, разделенных расстоянием) и поляризуются (положительная сторона диполя выравнивается в сторону отрицательного потенциала, а отрицательный заряд выравнивается в сторону отрицательного потенциала).

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ (K)

Диэлектрическая проницаемость (K) – это мера способности диэлектрического материала накапливать электрический заряд за счет образования диполей, по сравнению с вакуумом, где K равна 1.
Диэлектрическая проницаемость изоляционного материала зависит от химического состава молекул, из которых состоит материал.
На K диэлектрического материала влияют плотность материала, температура, содержание влаги и частота электростатического поля.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Важным свойством диэлектрических материалов является способность поддерживать электростатическое поле, рассеивая при этом минимальную энергию в виде тепла, что называется диэлектрическими потерями.

ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКА

Когда напряжение на диэлектрическом материале становится слишком высоким, в результате чего электростатическое поле становится слишком интенсивным, диэлектрический материал начинает проводить электричество, что называется диэлектрическим пробоем.
В твердых диэлектрических материалах этот пробой может быть постоянным.
Когда происходит пробой диэлектрика, диэлектрический материал претерпевает изменения в своем химическом составе, что приводит к изменению диэлектрической проницаемости.

ТОКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ С ЗАРЯДНЫМ КОНДЕНСАТОРОМ

Несколько десятилетий назад был введен тест на индекс поляризации (PI) для оценки способности изоляционной системы сохранять электрический заряд.
Поскольку в зарядке конденсатора участвуют, по сути, три различных тока, как описано выше. Ток заряда – ток, накапливающийся на пластинах и зависящий от площади пластин и расстояния между ними.
Зарядный ток обычно заканчивается через < более чем 1 минуту.
Величина заряда будет одинаковой независимо от состояния изолирующего материала. Ток поляризации – Ток, необходимый для поляризации диэлектрического материала, или выравнивания диполей, создаваемых при помещении диэлектрического материала в электростатическое поле.
Обычно в системах изоляции, установленных в двигателях (до 1970-х годов), когда было разработано тестирование индекса поляризации, номинальное значение тока для новой, чистой системы изоляции находится в диапазоне 100 мегаом (106) и обычно требует более 30 минут, а в некоторых случаях и многих часов.
Однако при использовании более новой системы изоляции (после 1970-х годов) номинальное значение новой, чистой системы изоляции будет находиться в диапазоне от гига- до тера-ом (109, 1012) и обычно полностью поляризуется до того, как зарядный ток полностью закончится.
Ток утечки – ток, протекающий через изоляционный материал и рассеивающий тепло.

ТОК ЗАРЯДКИ

Незаряженный конденсатор имеет пластины, на которых имеется равное количество положительных и отрицательных зарядов.
Если к пластинам незаряженного конденсатора приложить источник постоянного тока, электроны начнут перетекать с отрицательной стороны батареи и скапливаться на пластине, соединенной с отрицательным постом батареи.
Это создаст избыток электронов на этой пластине.
Электроны будут вытекать из пластины, соединенной с положительным полюсом батареи, и поступать в батарею, чтобы заменить электроны, скопившиеся на отрицательной пластине.
Ток будет течь до тех пор, пока напряжение на положительной пластине не станет таким же, как на положительной стороне батареи, а напряжение на отрицательной пластине не достигнет потенциала отрицательной стороны батареи.
Количество электронов, перемещаемых от батареи к пластинам, зависит от площади пластин и расстояния между ними.
Этот ток называется зарядным током, который не потребляет энергию и накапливается в конденсаторе.
Эти накопленные электроны создают электростатическое поле между пластинами.

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ТОК

Размещение диэлектрического материала между пластинами в конденсаторе увеличивает емкость конденсатора по сравнению с расстоянием между пластинами в вакууме.
Когда диэлектрический материал помещается в электростатическое поле, вновь образованные диполи поляризуются, и отрицательный конец диполя выравнивается по отношению к положительной пластине, а положительный конец диполя выравнивается по отношению к отрицательной пластине.
Это называется поляризацией.
Чем выше диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала, тем большее количество электронов требуется, тем самым увеличивая емкость цепи.

ТОК УТЕЧКИ

Небольшое количество тока, которое проходит через диэлектрический материал, сохраняя его изоляционные свойства, называется эффективным сопротивлением.
Оно отличается от диэлектрической прочности, которая определяется как максимальное напряжение, которое материал может выдержать без разрушения.
По мере деградации изоляционного материала он становится более резистивным и менее емким, увеличивая ток утечки и уменьшая диэлектрическую проницаемость.
Ток утечки выделяет тепло и считается диэлектрическими потерями.

КОЭФФИЦИЕНТ ДИССИПАЦИИ

Это альтернативный метод тестирования, который использует сигнал переменного тока для проверки системы изоляции стен в грунте (GWI).
Как объяснялось выше, при использовании сигнала постоянного тока для тестирования GWI возникают 3 различных тока, однако прибор не может различить эти токи, кроме как по времени.
Однако, подавая сигнал переменного тока для тестирования GWI, можно отделить токи, которые накапливаются (ток зарядки, ток поляризации), от тока сопротивления (ток утечки).
Поскольку и зарядный, и поляризационный токи являются аккумулированными токами и возвращаются в противоположный ½ цикл, ток опережает напряжение на 90°, тогда как ток утечки – резистивный ток, рассеивающий тепло, и ток синфазен приложенному напряжению.
Коэффициент рассеивания (DF) – это просто отношение емкостного тока (IC) к резистивному току (IR).
DF = IC / IR На чистой, новой изоляции IR обычно составляет < 5% от IC, если изоляционный материал загрязняется или термически деградирует, то либо IC уменьшается, либо IR увеличивается.
В любом случае DF увеличится.

АНАЛИЗ ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ (MCA™)

Анализ цепей двигателя (MCA™), также называемый оценкой цепей двигателя (MCE), – это обесточенный, неразрушающий метод тестирования, используемый для оценки состояния двигателя. Запускаемый из центра управления двигателем (MCC) или непосредственно на самом двигателе, этот процесс оценивает всю электрическую часть системы двигателя, включая соединения и кабели между контрольной точкой и двигателем. Когда двигатель выключен и не работает, такие приборы, как AT7 и AT34 от ALL-TEST Pro, используют MCA для оценки:

• Неисправности заземления
• Внутренние неисправности обмотки
• Открытые соединения
• Неисправности ротора
• Загрязнение

Тестирование двигателя с помощью инструментов MCA™ очень просто осуществить, и тест занимает менее трех минут, по сравнению с тестированием индекса поляризации, которое обычно занимает более 10 минут.

КАК РАБОТАЕТ АНАЛИЗ МОТОРНЫХ ЦЕПЕЙ?

Электрическая часть системы трехфазного двигателя состоит из резистивных, емкостных и индуктивных цепей.
При подаче низкого напряжения здоровые цепи должны реагировать определенным образом. Приборы для анализа цепей электродвигателей ALL-TEST Pro подают серию низковольтных, неразрушающих, синусоидальных сигналов переменного тока через двигатель, чтобы измерить реакцию на эти сигналы.
Этот тест в обесточенном состоянии занимает всего несколько минут и может быть выполнен даже техником начального уровня. Меры MCA:

• Сопротивление
• Импеданс
• Индуктивность
• Fi (фазовый угол)
• Коэффициент рассеивания
• Изоляция к земле
• I/F (текущая частотная характеристика)
• Test Value Static (TVS)
• Динамические сигнатуры статора и ротора

И применимо далее:

• Двигатели переменного/постоянного тока
• Тяговые двигатели переменного/постоянного тока
• Генераторы/Альтернаторы
• Двигатели для станков
• Сервомоторы
• Трансформаторы управления
• Трансформаторы для передачи и распределения электроэнергии

РЕЗЮМЕ

В 1800-х годах тест на индекс поляризации был эффективным методом определения общего состояния двигателя.
Однако с появлением современных систем изоляции он стал менее эффективным.
В то время как PI-тест занимает много времени (15+ минут) и не может определить, где находится повреждение – в обмотке или в изоляции заземления, современные технологии, такие как MOTOR CIRCUIT ANALYSIS (MCATM), позволяют выявить проблемы с соединением, неисправности обмотки между витками, между катушками и между фазами на самых ранних стадиях, причем испытания выполняются менее чем за 3 минуты.
Другие технологии, такие как DF, CTG и IRG, позволяют определить состояние изоляционной системы заземления в ходе испытаний, также выполняемых за минимальное время.
Благодаря сочетанию новых технологий, таких как MCA, DF, CTG и IRG, современные методы тестирования электродвигателей обеспечивают гораздо более полную и тщательную оценку состояния изоляционной системы всего двигателя быстрее и проще, чем когда-либо прежде.