Polariseringsindextestning av elmotorer överträffas nu av moderna metoder

När det gäller provning av elmotorer är polarisationsindex (PI ) ett mått på hur mycket isolationsmotståndet förbättras (eller försämras) över tiden.

PI-testet har ansetts vara det primära testet vid utvärdering av tillståndet hos en motors isolering, men dess process har blivit föråldrad jämfört med nyare testmetoder som ger en mer omfattande diagnostisk utvärdering av en motors allmänna hälsotillstånd.

Den här artikeln ger en praktisk förståelse för en motors isoleringssystem, en grundläggande förståelse för polariseringsindextestning och hur moderna testmetoder för motorer ger mer omfattande resultat på kortare tid.

Polarisationsindex (PI)

Polarisationsindex-testet (PI) är en standardiserad testmetod för elmotorer som utvecklades på 1800-talet och som används för att avgöra hur väl isolerad motorns lindning är.

Medan PI-testet ger information om isoleringssystem för markväggar (GWI) som vanligtvis installerades före 1970-talet, ger det inte ett korrekt tillstånd för lindningsisoleringen i moderna motorer.

PI-testning innebär att likspänning (vanligtvis 500V – 1000V) appliceras på motorns lindning för att mäta GWI-systemets effektivitet när det gäller att lagra en elektrisk laddning.

Eftersom GWI-systemet bildar en naturlig kapacitans mellan motorlindningarna och motorramen, kommer den pålagda likspänningen att lagras som en elektrisk laddning på samma sätt som en kondensator.

När kondensatorn är fulladdad kommer strömmen att minska tills allt som återstår är den slutliga läckströmmen, som avgör hur stort motstånd isoleringen ger mot jord.

I nya, rena isoleringssystem minskar polarisationsströmmen logaritmiskt med tiden eftersom elektronerna lagras. Polarisationsindex (PI) är förhållandet mellan IRG-värdet (isolationsresistans mot jord) som mäts med 1 och 10 minuters intervall.

PI = 10 minuter IRG/1 minuter IRG

På isoleringssystem som installerades före 1970-talet sker PI-testning medan det dielektriska materialet polariseras.

Om markväggens isolering (GWI) börjar försämras genomgår den en kemisk förändring som gör att det dielektriska materialet blir mer resistivt och mindre kapacitivt, vilket sänker dielektricitetskonstanten och minskar isoleringssystemets förmåga att lagra en elektrisk laddning. Detta gör att polarisationsströmmen blir mer linjär när den närmar sig det område där läckströmmen är dominerande.

På nyare isoleringssystem från efter 1970-talet sker dock av olika skäl hela polariseringen av det dielektriska materialet på mindre än en minut, och IRG-värdena ligger över 5 000 Meg-ohm. Den beräknade PI kanske inte är meningsfull som en indikation på markväggens skick.

Eftersom detta test skapar ett elektrostatiskt fält mellan lindningarna och motorramen ger det dessutom mycket liten eller ingen indikation på tillståndet hos lindningarnas isoleringssystem. Den bästa indikationen på dessa typer av fel genom användning av MCA-mätningar av fasvinkel och strömfrekvensrespons.

Isoleringsmaterial

I elmotorer är isolering det material som står emot det fria flödet av elektroner, leder strömmen genom en önskad väg och hindrar den från att komma ut någon annanstans.

I teorin ska isoleringen blockera allt strömflöde, men även det bästa isoleringsmaterialet tillåter en liten mängd ström att passera igenom. Denna överström brukar kallas läckström.

Även om det är allmänt vedertaget att motorer har en livslängd på 20 år, är fel i isoleringssystemet den främsta orsaken till att elmotorer går sönder i förtid.

Isoleringssystemet börjar försämras när isoleringen blir mer ledande på grund av en förändring i dess kemiska sammansättning. Isoleringens kemiska sammansättning förändras med tiden på grund av gradvis användning och/eller andra skador. Läckströmmen är resistiv och skapar värme som leder till ytterligare och snabbare nedbrytning av isoleringen.

De flesta emaljerade ledningar är konstruerade för att garantera en livslängd på 20.000 timmar vid nominella temperaturer (105 till 240° C).

Isoleringssystem

Motorer och annan elektrisk utrustning med spolar har 2 separata och oberoende isolersystem.

1. Jordväggsisoleringssystem separerar spolen från motorns ram, vilket förhindrar att spänning som matas till lindningarna släpps ut till statorkärnan eller någon del av motorns ram. Ett avbrott i isoleringssystemet för markväggen kallas jordfel och utgör en säkerhetsrisk.
2. Isoleringssystem för lindning är lager av emalj som omger den ledande tråd som ger ström till hela spolen för att skapa statormagnetfältet. Ett brott på lindningens isoleringssystem kallas för lindningskortslutning och försvagar spolens magnetfält.

Figur 1: 2 separata isoleringssystem

Isolationsresistans mot jord (IRG)

Det vanligaste elektriska testet som utförs på motorer är IRG-testet (isolation resistance to ground) eller “punkttestet”.

Genom att applicera likspänning på motorlindningen, bestämmer detta test punkten för minsta motstånd som jordväggens isolering har mot motorramen.

Kapacitans

Kapacitans (C), mätt i farad, definieras som förmågan hos ett system att lagra en elektrisk laddning. Fastställande av en motors kapacitans görs med hjälp av ekvationen: 1 Farad = mängden lagrad laddning i coulomb (Q) dividerat med matningsspänningen.

Exempel: Om spänningen är ett 12V-batteri och kondensatorn lagrar 0,04 coulombs laddning har den en kapacitans på 0,0033 farad eller 3,33 mF. En coulombs laddning motsvarar ungefär 6,24 x ¹⁰¹⁸ elektroner eller protoner. En kondensator på 3,33 mF lagrar ungefär 2,08 X ¹⁰¹⁶ elektroner när den är fulladdad.

Kapacitans skapas genom att ett dielektriskt material placeras mellan ledande plattor. I motorer bildar isoleringssystem med markväggar en naturlig kapacitans mellan motorlindningarna och motorramen. Lindningsledarna utgör den ena plattan och motorramen den andra, vilket gör att jordväggens isolering utgör det dielektriska materialet.

Mängden kapacitans beror på:

1. Plattornas uppmätta yta – kapacitansen är direkt proportionell mot plattornas yta.
2. Avståndet mellan plattorna – Kapacitansen är omvänt proportionell mot avståndet mellan plattorna.
3. Dielektricitetskonstanten – Kapacitansen är direkt proportionell mot dielektricitetskonstanten.

Kapacitans till jord (CTG)

Den
kapacitans-till-jord
(CTG) är en indikation på hur rena motorns lindningar och kablar är.

Eftersom jordväggsisoleringen (GWI ) och lindningens isoleringssystem bildar en naturlig kapacitans till jord, kommer varje motor att ha en unik CTG när motorn är ny och ren.

Om motorlindningarna eller GWI blir förorenade, eller om fukt tränger in i motorn, kommer CTG att öka. Men om antingen GWI eller lindningens isolering genomgår termisk nedbrytning, kommer isoleringen att bli mer resistent och mindre kapacitiv, vilket leder till att CTG minskar.

Dielektriskt material

Ett dielektriskt material är en dålig ledare för elektricitet men stöder ett elektrostatiskt fält. I ett elektrostatiskt fält tränger inte elektronerna igenom det dielektriska materialet och positiva och negativa molekyler bildar dipoler (par av motsatt laddade molekyler som är åtskilda av avstånd) och polariseras (den positiva sidan av dipolen riktas mot den negativa potentialen och den negativa laddningen riktas mot den negativa potentialen).

Dielektrisk konstant (K)

En dielektricitetskonstant (K) är ett mått på ett dielektriskt materials förmåga att lagra en elektrisk laddning genom att bilda dipoler, i förhållande till vakuum som har en K på 1.

Den dielektriska konstanten hos ett isolerande material beror på den kemiska sammansättningen av de molekyler som bildar materialet.

K för ett dielektriskt material påverkas av materialets densitet, temperatur, fukthalt och det elektrostatiska fältets frekvens.

Dielektrisk förlust

En viktig egenskap hos dielektriska material är förmågan att upprätthålla ett elektrostatiskt fält samtidigt som minimalt med energi avleds i form av värme, så kallad dielektrisk förlust.

Dielektrisk nedbrytning

När spänningen över ett dielektriskt material blir för hög och det elektrostatiska fältet blir för intensivt, kommer det dielektriska materialet att leda elektricitet, vilket kallas dielektrisk nedbrytning. I fasta dielektriska material kan denna nedbrytning vara permanent.

Vid dielektrisk nedbrytning genomgår det dielektriska materialet en förändring i sin kemiska sammansättning, vilket resulterar i en förändring av den dielektriska konstanten.

Strömmar som används vid laddning av en kondensator

För flera decennier sedan introducerades polarisationsindex-testet (PI) för att utvärdera isoleringssystemets förmåga att lagra en elektrisk laddning. Eftersom det i princip finns tre olika strömmar, som beskrivits ovan, vid laddning av en kondensator.

1. Laddningsström – Den ström som ackumuleras på plattorna och beror på plattornas yta och avståndet mellan dem. Laddströmmen avslutas vanligtvis på < än 1 minut. Laddningsbeloppet kommer att vara detsamma oavsett isoleringsmaterialets skick.
2. Polarisationsström – Den ström som krävs för att polarisera det dielektriska materialet, eller rikta in de diploer som skapas genom att placera det dielektriska materialet i ett elektrostatiskt fält. Med de isoleringssystem som installerades i motorer (före 1970-talet) när polarisationsindex-testet utvecklades skulle det nominella värdet för ett nytt, rent isoleringssystem ligga i området 100-tals megaohm (¹⁰⁶) och skulle vanligtvis ta mer än 30 minuter och i vissa fall många timmar att slutföra. Men med ett nyare isoleringssystem (efter 1970-talet) ligger det nominella värdet för ett nytt, rent isoleringssystem i intervallet gigaohm till tera-ohm (¹⁰⁹, ¹⁰¹²) och polariseras vanligtvis helt innan laddningsströmmen är helt avslutad.
3. Läckström – Den ström som flödar över det isolerande materialet och avger värme.

Laddningsström

En oladdad kondensator har plattor som delar på lika många positiva och negativa laddningar.

Om en likströmskälla appliceras på plattorna i en oladdad kondensator kommer elektroner att strömma från batteriets negativa sida och ansamlas på plattan som är ansluten till batteriets negativa pol.

Detta kommer att skapa ett överskott av elektroner på denna platta.

Elektroner flödar från plattan som är ansluten till batteriets positiva pol och flödar in i batteriet för att ersätta de elektroner som ackumuleras på den negativa plattan. Strömmen fortsätter att flöda tills spänningen på den positiva plattan är densamma som på batteriets positiva sida och spänningen på den negativa plattan uppnår samma potential som på batteriets negativa sida.

Antalet elektroner som förflyttas från batteriet till plattorna beror på plattornas yta och avståndet mellan dem.

Denna ström kallas laddningsström och förbrukar ingen energi utan lagras i kondensatorn. Dessa lagrade elektroner skapar ett elektrostatiskt fält mellan plattorna.

Polariserande ström

Genom att placera ett dielektriskt material mellan plattorna i en kondensator ökar kondensatorns kapacitans i förhållande till avståndet mellan plattorna i vakuum.

När ett dielektriskt material placeras i ett elektrostatiskt fält kommer de nybildade dipolerna att polarisera, och dipolens negativa ände kommer att riktas mot den positiva plattan och dipolens positiva ände kommer att riktas mot den negativa plattan. Detta kallas för polarisering.

Ju högre dielektricitetskonstant ett dielektriskt material har, desto fler elektroner behövs, vilket ökar kretsens kapacitans.

Läckström

Den lilla mängd ström som flödar över det dielektriska materialet samtidigt som dess isolerande egenskaper bibehålls kallas för den effektiva resistansen. Detta skiljer sig från dielektrisk hållfasthet som definieras som den maximala spänning som ett material kan motstå utan att gå sönder.

När ett isolerande material bryts ned blir det mer resistivt och mindre kapacitivt, vilket ökar läckströmmen och minskar den dielektriska konstanten. Läckströmmen producerar värme och betraktas som en dielektrisk förlust.

Förlustfaktor

Är en alternativ testteknik som använder en växelströmssignal för att testa isoleringssystem för markväggar (GWI). Som förklarats ovan används en likströmssignal för att testa GWI 3 olika strömmar, men instrumentet kan inte skilja strömmarna åt annat än tiden. Genom att använda en växelströmssignal för att testa GWI är det dock möjligt att separera de lagrade strömmarna (laddningsström, polarisationsström) från den resistiva strömmen (läckström).

Eftersom både laddnings- och polarisationsströmmarna är lagrade strömmar och återgår till den motsatta ½-cykeln leder strömmen spänningen med 90°, medan läckströmmen som är en resistiv ström som avleder värme och strömmen är i fas med den pålagda spänningen. Förlustfaktorn (DF) är helt enkelt förhållandet mellan den kapacitiva strömmen (_IC) och den resistiva strömmen (_IR).

DF =_{IC / IR}

På ren, ny isolering är_IR normalt < 5% av_IC, om isoleringsmaterialet blir förorenat eller försämras termiskt minskar antingen_IC eller så ökar_IR. I båda fallen kommer DF att öka.

Sammanfattning

Under 1800-talet var polarisationsindex-testet en effektiv metod för att fastställa en motors allmänna skick. Den har dock blivit mindre effektiv med moderna isoleringssystem.

Medan PI-testet är tidskrävande (15+ minuter) och inte kan avgöra om felet finns i lindnings- eller markväggsisoleringen, kan modern teknik, t.ex. Analys av motorkretsar (^MCATM)identifierar anslutningsproblem, fel i lindningar från varv till varv, spole till spole och fas till fas i ett mycket tidigt skede med tester som genomförs på mindre än 3 minuter.

Andra tekniker, som DF, CTG & IRG, ger ett tillstånd för markväggens isoleringssystem i tester som också genomförs på minimal tid.

Genom att kombinera nya tekniker, som ^MCATM, DF, CTG och IRG, ger moderna testmetoder för elmotorer en mycket mer omfattande och grundlig utvärdering av en hel motors isoleringssystem snabbare och enklare än någonsin tidigare.