Fel på elektrisk isolering

Elektrisk isolering används för att leda ström genom en önskad bana och förhindra att den flödar dit den inte ska. Korrekt elektrisk isolering är avgörande för en elmotors prestanda och livslängd. Brister i isoleringen är en av de vanligaste orsakerna till fel på elmotorer. I elgeneratorer, till exempel,
56% av alla fel
beror på skador på den elektriska isoleringen.

Isoleringssystem

I motorer finns det 2 isoleringssystem. Ett system är jordväggsisoleringen som separerar spolarna från motorns ram eller hölje. Det andra isoleringssystemet är lindningsisoleringssystemet som separerar de ledare som är lindade för att skapa motorlindningarna. Studier har visat att ≈ 80% av de elektriska felen i en stator uppstår i lindningens isolering medan endast ≈ 20% uppstår mellan spolarna och motorramen eller genom direkt kortslutning till jord.

Vad är isoleringsfel?

Fel på den elektriska isoleringen uppstår när isoleringen i motorn börjar försämras med tiden eller av andra skäl. Åldrande eller överhettning orsakar kemiska förändringar i isoleringen som gör att isoleringen blir mer ledande och mindre effektiv när det gäller att förhindra strömmen från att följa oönskade vägar antingen mellan ledarna eller till motorns ram. Vissa isoleringsfel, särskilt i markväggens isoleringssystem, är omedelbara på grund av fuktinträngning, kontaminering eller andra ovanliga unika händelser. Dessa händelser angriper hålrum eller andra svagheter i isoleringen och leder till för tidiga fel. Fel i lindningens isoleringssystem uppstår långsamt och försämras med tiden.

Vanliga orsaker till isoleringsfel är bl.a:

• Överhettning
• Kontaminering av lindning
• Överdriven strömförbrukning
• Dålig elkvalitet
• Harmonisk distorsion.

Den här guiden tar dig igenom varje steg i försämringen av den elektriska isoleringen så att du kan vara proaktiv och spåra dessa förändringar i din motorutrustning.

3 stadier av fel på elektrisk isolering

De flesta isoleringsfel uppstår långsamt och stadigt och genomgår tre olika stadier.

Steg 1 – Idealisk för tidig upptäckt

Under det första stadiet av fel på elektrisk isolering blir isoleringen mellan ledarna stressad och börjar förändras kemiskt. Isoleringen förändras kemiskt från att vara en isolator till att bli en ledare. Isolationsstyrkan och kapacitansen börjar minska. Isoleringen kan börja förkolna, vilket gör att strömmen blir mer resistiv och mindre kapacitiv. Om isoleringen i markväggen genomgår en förändring kommer detta att leda till att isolationsresistansen minskar och avledningsfaktorn ökar. Om lindningens isolering genomgår en kemisk förändring kommer fasvinkeln (Fi) och/eller strömfrekvensresponsen att förändras.

Att identifiera fel i detta skede av isoleringsfelet är extremt viktigt för tillförlitlig drift i världsklass av en anläggnings elektriska system. I detta skede förekommer ännu inte oönskat strömflöde mellan ledarna, men risken för att det ska börja göra det är hög. Lyckligtvis kan tidig upptäckt ske genom
kontroll av lindningar
och utföra korrekta
motorprovning
vara mycket fördelaktigt. Tidig upptäckt av isoleringsfel i elmotorer gör det möjligt för ett företag att åtgärda försämringen medan den fortfarande är relativt liten, vilket sparar tid och pengar och förhindrar katastrofala fel.

ALL-TEST Pro-instrumenten är de enda instrumenten i världen som kan utföra tidig upptäckt av isolationsfel i elmotorer konsekvent och i de tidigaste stadierna.

Se förklaring av fasvinkel vid detektering av isoleringsfel nedan.

Steg 2 – Möjligt intermittent motorbortfall

Under det andra stadiet av fel på den elektriska isoleringen blir försämringen av lindningarna mer uttalad. Nedan följer några av de felkaraktärer som de kan uppvisa:

• Nedbrytningen av isoleringsmaterialet ökar.
• Strömmen fortsätter att bli mer resistiv.
• Värmen ökar vid den primära punkten för isoleringsfel.
• Motorn börjar intermittent utlösa frekvensomriktaren eller kretsbrytaren, även om den kan fortsätta att gå när isoleringen är sval.

Felsökning måste utföras för att fastställa orsaken till problemet. ALL-TEST Pro-instrumenten fastställer det verkliga hälsotillståndet för motorn och dess komponenter.

Se förklaring av fasvinkel, TVS och strömfrekvenssvar vid detektering av isoleringsfel nedan.

Steg 3 – Katastrofalt haveri

Om tidigare tecken på isolationsfel inte har upptäckts eller åtgärdats kommer motorn sannolikt att drabbas av ett totalt haveri. Nedan följer några av de egenskaper som lindningen ofta uppvisar i detta skede:

• Isoleringen bryts ned fullständigt, vilket skapar en genväg mellan lindningarna eller en direkt väg för strömmen från lindningen till jord eller motorram.
• Ett explosivt brott utvecklas vid förkastningspunkten.
• Induktans- och resistansförändringar uppstår.
• Kopparspolar börjar smälta när de utsätts för hög värme.
• Motorn löser kontinuerligt ut frekvensomriktaren eller kretsbrytaren vid start.
• Strömflödet mellan ledarna är närvarande.

Många elektriska mätare och enheter bör fånga upp fel i detta skede av motorfelet (eller när det finns en fullständig kortslutning till jord som indikerar ett allvarligt säkerhetsproblem). Om du kör motorer till haveri behöver du kanske inte veta vad som händer med din motor eller känna till motorns hälsotillstånd.

Orsaker till fel på isoleringen

Påfrestningar som temperatur, föroreningar och elektriska påfrestningar som långvariga överspänningar kan lätt skada den elektriska isoleringen och orsaka haverier. Risken för isolationsfel ökar också med tiden eftersom dessa olika faktorer samverkar med varandra och orsakar försämring. Till exempel kan små hål eller sprickor uppstå i isoleringen på grund av dagligt slitage. Dessa sprickor försvagar isoleringen och skapar dessutom möjligheter för fukt och kemiska föroreningar att tränga in, vilket försämrar isoleringen ytterligare.

Nedan följer några av de vanligaste orsakerna till fel på den elektriska isoleringen i en motor:

• Föroreningar: Lindningens isolering försvagas vid kontakt med föroreningar som kylvätska, olja och andra kemikalier. Dessa föroreningar har ofta en korrosiv effekt och bryter ned isoleringen med tiden. Fuktiga föroreningar är vanligtvis ledande eftersom de innehåller orenheter, så de minskar resistansen när de sipprar in i isoleringen genom små sprickor och porer.
• Dålig elkvalitet: Lindningarna kan överhettas på grund av problem med elkvaliteten, t.ex. obalanserade spännings- och strömnivåer. Även en blygsam temperaturökning på grund av dessa problem kan skapa en termisk hotspot som leder till en avsevärd minskning av isoleringsresistansen.
• Överbelastning: Lindningarna kan överhettas på grund av den höga strömförbrukning som orsakas av överbelastning. Överbelastning kan också orsaka en spänningsökning som sliter sönder isoleringen.
• Hög omgivningstemperatur: Lindningarna kan också överhettas på grund av hög värme i driftsmiljön. Speciellt i utrymmen med begränsad ventilation kan den värme som utrustningen alstrar utsätta isoleringen i motorns lindningar för stora påfrestningar.
• Transienta spänningar: Transienta spänningar kan utvecklas från antingen interna eller externa källor och uppstår ofta under motorstart. Frekvensen för den transienta strömmen kan vara flera gånger högre än den typiska strömmen i lindningarna, vilket ger extrema påfrestningar på isoleringen.

Eftersom risken för isolationsfel i en motor är relativt hög över tid, bör medarbetarna ha de verktyg och den utbildning de behöver för att upptäcka tecken på isolationsfel och snabbt åtgärda dem.

Detektering av isolationsfel med MCA

Isolering av lindning

Analys av motorkretsar
(MCA™) injicerar lågspänd AC- och DC-spänning för att aktivera lindningens isoleringssystem, medan motorn är spänningslös. När isoleringssystemet börjar genomgå kemiska förändringar påverkar det spolsystemets kapacitans (C) och induktans (L). Varje ändring av C eller L ändrar tidsfördröjningen mellan den pålagda spänningen och den resulterande strömmen och spolsystemets förmåga att lagra en elektrisk laddning eller ett magnetfält. När lindningens isolering börjar förändras kemiskt kommer därför antingen Fi eller I/F eller kanske båda att förändras. Om någon av dessa variabler ändras, kommer detta att ändra testvärdesstatistiken (TVS). En förändring i TVS statiska värde från dess baslinjevärde som tidigare lagrats som ett statiskt referensvärde (RVS) på > 3% indikerar början på ett isolerings- eller rotorfel.

• Test value statistic: TVS är ett tal som definierar motorns skick vid den tidpunkt då testet utfördes. TVS använder en egen patenterad algoritm som skapas genom att kombinera resultaten från en serie lågspänningstester som utförs på alla tre faserna i ett motorlindningssystem. Nyckelvariablerna mäts vid 5 olika frekvenser för att fullt ut stimulera isoleringssystemet. Även små förändringar i den kemiska sammansättningen av lindningens isolering gör att den aktuella TVS ändras jämfört med baslinjen. ATP rekommenderar att ett statiskt referensvärdestest (RVS) utförs på en ny motor innan den installeras i systemet. När man sedan övervakar motorns TVS under hela dess livslängd indikerar en förändring på > 3% mellan de två värdena (ny vs aktuell TVS-avläsning) vanligtvis ett rotor- eller statorfel.
• Fasvinkel: Är ett mått på tidsfördröjningen mellan den spänning som tillförs motorn och den resulterande strömförbrukningen. Det är en mycket känslig mätning och är en av de första variablerna som förändras när isoleringssystemet börjar försämras. Fi mätningen används för att identifiera fel i lindningen från spole till spole, från varv till varv eller från fas till fas. Inget annat instrument kan i detta skede avgöra om det finns fel i lindningen mellan spolarna.
• Strömmens frekvenssvar: I/F-responstestet mäter strömmen genom motorlindningarna vid en förutbestämd frekvens. Ett efterföljande test mäter den aktuella responsen igen vid dubbla den ursprungliga frekvensen. I/F-responsen mäter den procentuella förändringen i strömmen som orsakas av en fördubbling av ingångsspänningens frekvens. Trefaslindning i samma skick kommer att reagera likadant på frekvensförändringen. Om isoleringen på en eller flera av ledarna börjar försämras ändras spolens förmåga att lagra ett magnetfält eller en elektrisk laddning. I/F är det test som mäter ett lindningssystems förmåga att lagra ett magnetfält eller en elektrisk laddning och är i allmänhet en av de första indikatorerna på nedbrytning av lindningssystemet.
• Dynamisk provning: Det dynamiska provet används för att identifiera nya eller befintliga fel i stator eller rotor. Under det dynamiska testet mäter och lagrar testinstrumentet kontinuerligt impedansen vid olika rotorlägen medan motoraxeln roteras manuellt mjukt och långsamt. Resultaten av dessa tester analyseras och visas som två elektriska signaturer, den dynamiska statorsignaturen och den dynamiska rotorsignaturen. Instrumentet analyserar sedan automatiskt dessa signaturer och producerar en “bra”, “varning” eller “dålig” status för att indikera tillståndet för stator eller rotor.
• Avledningsfaktor (DF): Golvväggens isoleringssystem bildar en naturlig kondensator mellan ledarna i motorspolarna och motorramen. En kondensator lagrar en elektrisk laddning, när en växelspänning appliceras på en kondensator flyter en del av strömmen över det dielektriska materialet och är den resistiva strömmen (_Ir) och återstoden av strömmen är den ström som lagras. Den lagrade strömmen kallas kapacitiv ström (_Ic). För det nya isoleringssystemet är_Ir < 5% av_Ic . DF är förhållandet mellan _Ir/Ic. När isoleringsmaterialet åldras blir det mindre kapacitivt och mer resistivt, vilket gör att DF ökar.
• Kapacitans till jord (CTG): Eftersom grundväggens isoleringssystem bildar en naturlig kapacitans med ramen kommer det att finnas ett mätbart värde som bör förbli detsamma under motorns hela livslängd. Inträngande fukt eller andra föroreningar gör att dielektricitetskonstanten ändras. Detta leder i allmänhet till att CTG-värdet ökar. Men om isoleringen i grundmuren börjar försämras termiskt kommer CTG att sjunka.

Sammanfattning: Kombinationen av DF- och CTG-mätningar ger en bättre indikation på det övergripande tillståndet för grundväggens isolering än enbart IRG-mätningar. Ett standard IRG-test kommer endast att upptäcka jordfel vid den svagaste delen av lindningens isolering. DF- och CTC-tester ger en fullständig bedömning av hela isoleringssystemet med hjälp av AC-lågspänningstestmetoder. Genom att kombinera dessa två tester med ett IRG-test får du den mest exakta bilden av motorns isolationssystem mot jord.

Traditionella testmetoder

Isolationsresistans mot jord (IRG)
– Detta är ett säkerhetstest och används inte för att fastställa en elmotors faktiska tillstånd.

Tester av isolationsresistans mot jord är de vanligaste elektriska testerna som utförs inom elområdet. Huvudsyftet med dessa mätningar är “säkerhet”. När det finns en strömväg från den spänningssatta lindningen till maskinens hölje eller jord, är det möjligt att en exponerad del av motorn kan bli spänningssatt till den fulla spänning som appliceras på lindningen. Om tillräcklig ström flyter till jord kommer det dessutom att skapa lokal uppvärmning som kan leda till skador på såväl anläggning som personal. Före spänningssättning av ett nyinstallerat elsystem bör ett IRG-test utföras för att säkerställa att motorn är “säker” att spänningssätta. IRG-testet applicerar en likspänning på motorledningarna och mäter strömflödet till jord. Eftersom strömmen tar det minsta motståndets väg identifierar detta test de svagaste punkterna i grundmursisoleringen men ger inte någon indikation på grundmursisoleringens allmänna skick.

Skydda mot isolationsfel med utrustning från ALL-TEST Pro

ALL-TEST Pro pålitlig motor testprodukter ger ditt företag de verktyg det behöver för att utvärdera elektrisk prestanda och lösa mindre problem snabbt innan de växer till mer tidskrävande och arbetsintensiva problem.

Varför testa motorer
? En väl underhållen och högpresterande motor är nyckeln till att hålla verksamheten igång effektivt, minimera driftstopp och öka produktiviteten och vinsten. ALL-TEST Pro kan ge ditt företag just detta. Våra program för testning, felsökning och förebyggande underhåll håller motorerna igång och ger ett högt värde för ditt företag.

Begär en offert
idag, eller
kontakta oss
om du vill veta mer om hur våra produkter ger snabb och exakt motortestning – när som helst och var som helst.