Riktlinjer för provning av roterande maskiner

1. Översikt

1.1 Omfattning

Detta dokument beskriver en riktlinje för utvärdering av roterande utrustnings armatur- och fältlindningar, från 1 hästkraft (746 watt) eller högre, för lindningskortslutning, fasobalans och rotorbarr. Den gäller för induktionsmaskiner och transformatorer.

Dokumentet beskriver typiska mätningar för analys av statiska lindningskretsar och hur dessa mätningar indikerar maskinens tillstånd. Den innehåller riktlinjer för gränsvärdena för kretsmätningar.

De typer av mätningar som granskas tillhandahålls av enskilda eller samlingar av instrument som tillhandahåller grundläggande mätningar av lindningskretsar, t.ex. resistans, impedans, induktans, kapacitans och specialiserade testmätningar. Det är vedertaget att mätteknikerna skall omfatta (Referens: IEEE Std 120-1989):

a) Vid mätning av resistans med likström ska likströmsvärden användas.

b) Växelströmsmätningar, t.ex. induktans och impedans, skall vara växelströmsmätningar med sinusvåg enligt instrumenttillverkarens val.

c) Alla mätningar skall utvärderas genom överbryggade kretsar och rapporteras inom gränserna för sådana överbryggningar. Tekniska måttenheter får inte beräknas, t.ex. induktans och impedans, utom när värdena presenteras som kvoter, grader eller procentsatser.

Vid tidpunkten för det första utkastet till denna riktlinje låg utspänningen, för att ge testresultat i alla utom mätningarna av markväggens isolering, i det elektroniska området och vanligtvis under 10 volt AC/DC. Standardutgångsfrekvenserna för dessa instrument ligger också i allmänhet över 100 Hz. Om instrument utvecklas med hjälp av sunda tekniska principer som överskrider dessa värden, eller om ytterligare värden tillhandahålls som ger en korrekt bild av motorkretsen, kan de inkluderas inom ramen för denna riktlinje.

1.2 Syfte

Syftet med denna riktlinje är att beskriva metoder och vanliga data som samlas in med hjälp av lindningskretsanalys och att ge vägledning i tolkningen av resultaten för både mellanvarvsisolering, jordväggsisolering och utvärdering av squirrel-cage-rotorer. Mätmetoder och provresultat för isolering av jordväggar skall referera till den aktuella utgåvan av IEEE Standard 43, “IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery”.

a) Rekommendera enhetliga kombinationer av provningsresultat som kan användas för att utvärdera skicket hos roterande maskiner och transformatorer.

b) Ge allmänna riktlinjer för avläsningsmetoden för mätningar av induktionsrotorkretsar och tolkning av resultat.

c) Definiera de typer av mätningar som används för att fastställa typer av isolering mellan varv, isolering av jordväggar och andra fel på roterande maskiner.

2. Referenser

Nedan följer referenser som relaterar till denna standard.

a) IEEE Std 43-2000: IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery

b) IEEE Std 56-1977: IEEE Guide for Insulation Maintenance of Large Alternating Current Rotating Machinery (10.000 kVA and Larger) (IEEE-guide för underhåll av isolering i stora roterande växelströmsmaskiner (10.000 kVA och större))

c) IEEE Std 118 ñ 1978: IEEE Standard Test Code för resistansmätningar

d) IEEE Std 120-1989: IEEE Master Test Guide för elektriska mätningar i kraftkretsar

e) IEEE Std 388 ñ 1992: IEEE Standard för transformatorer och induktorer i elektronisk kraftomvandlingsutrustning

f) IEEE Std 389 ñ 1996: IEEE Recommended Practice for Testing Electronics Transformers and Inductors

g) IEEE Std 1068 ñ 1990: IEEE Recommended Practice for the Repair and Rewinding of Motors for the Petroleum and Chemical Industry

3. Säkerhetsaspekter

Termen “analys av statiska lindningskretsar” definieras som en provningsmetod som utförs på spänningslös utrustning. De instrument som används måste följa någon erkänd certifiering som UL, CE, CSA eller motsvarande. Det är inte möjligt att täcka alla säkerhetsaspekter i denna riktlinje. Testpersonalen bör konsultera tillverkarens instruktionsmanualer, fackliga, företags- och myndighetsbestämmelser.

4. Analys av lindningskretsar Allmän teori

4.1 MAGNETISKA KRETSAR

Elektriska spolar och maskiner består av en kombination av kopplade elektromagnetiska kretsar. De magnetiska kretsarna bildas genom att elektrisk ström passerar genom ledare och styrs genom magnetiska material.

Betrakta först en ledare med längden l som är placerad i rät vinkel mot polerna på en magnet och som bär en ström I. Resultatet är en kraft på nivå F, där B är storleken på den magnetiska flödestätheten (i Tesla, eller T) och magnetiskt flöde är måttet på magnetismens styrka. Den resulterande formeln är följande:

Formel 1: Kraft (Newton)

F = BI l

Baserat på en ledares godtyckliga position där l är en vektor med magnituden l i strömmens riktning.

Formel 2: Kraft med godtycklig position för ledare

F = Il x B

Förutsättning B är konstant i storlek med område A:

Formel 3: Magnetiskt flöde (Φ, Webber)

Φ = BA eller B = Φ/A

B uttrycks som Webber(Wb)/m

Förhållandet mellan I och B är följande:

Formel 4: Ampereís kretslag

A/m *d*l = I

Där A/m är magnetfältets intensitet H

När en sluten krets passeras av strömmen N gånger, t.ex. i en spole, blir den resulterande magnetomotoriska kraften (mmf eller ℑ) enligt följande:

Formel 5: MMF

ℑ = NI

NI är också känt som amperevarv (At). Ett N av en kommer att vara känt som en ëturn.í

Induktansen (L) definieras som flödesförbindelsen per strömenhet uttryckt som enheter av Henry (H).1

Formel 6: Induktans

L = (NΦ)/I

För en toroid lindad med ëní separata spolar kan induktanserna definieras:

Formel 7: Toroidfält1

Lpq = (Np(kpqΦq))/iq

Den energi som lagras i en induktans kan beräknas, med en ström (i):

Formel 8: Induktiv energi

W = (1/2)Li 2

Frekvensen påverkar fälten i en ledare. När den tillämpade frekvensen ökar kommer strömmen och de resulterande fälten närmare ledarens yta (hudeffekt). ìDetta beror på att det finns inducerade emfís i en ledare där det finns ett växlande flöde. Dessa emfíer är större i centrum än i omkretsen, så potentialskillnaden tenderar att skapa strömmar som motverkar strömmen i centrum och hjälper den i omkretsen. Strömmen tvingas därmed till utsidan av ledaren, vilket minskar ledarens effektiva area.î2

1 Elektriska maskiner och elektromekanik, Syed A Nasar, Schaumís Outline Series, 1981

2 Standard Handbook for Electrical Engineers, Fourteenth Edition, Donald G Fink, Wayne Beaty, McGraw Hill, 2000.

4.2 ISOLERINGSSYSTEM

“Elektrisk isolering är ett medium eller ett material som, när det placeras mellan ledare vid olika potentialer, endast tillåter en försumbar ström i fas med den pålagda spänningen att flöda genom det. Termen dielektrikum är nästan synonym med elektrisk isolering, som kan betraktas som det tillämpade dielektrikumet. Ett perfekt dielektrikum släpper inte igenom någon ledningsström och endast kapacitiv laddningsström mellan ledare.”2 (Se även IEEE Std 120-1989, avsnitt 5.4.2)

Den enklaste kretsrepresentationen av ett dielektrikum är en parallell resistor och kondensator. Kapacitansen mellan ledare (i vakuum) är 0,0884 x 10-12 A/t där A är ledarens area i kvadratcentimeter och t är avståndet mellan ledarna i centimeter. “När ett dielektriskt material fyller volymen mellan elektroderna blir kapacitansen högre på grund av laddningarna i materialets molekyler och atomer, som drar till sig mer laddning till kondensatorplanerna för samma pålagda spänning. Kapacitansen med dielektrikum mellan elektroderna är: “3

Formel 9: Kapacitans mellan parallella cirkulära ledare

C = (2π∈í∈oL)/cosh-1(D/2r)

Isoleringssystemens permittivitet minskar nedåt (dispersionsområdet) med en ökning av den tillämpade frekvensen, liksom jonytans polarisation och de molekylära dipolära polarisationerna. I polymerer uppstår dipolär dispersion vid mycket låga frekvenser.

4.3 UPPDELNING AV ISOLERING

Isolationsbrott, som i denna riktlinje benämns “fel”, omfattar kontaminering, ljusbågsspårning, termisk åldring och mekaniska fel. Varje typ av fel har en gemensam faktor: De resistiva och kapacitiva egenskaperna hos den elektriska isoleringen förändras.

Föroreningar, i synnerhet vatteninträngning, ökar isoleringens ledningsförmåga. Vattnet tenderar att samlas i isoleringssprickor och inneslutningar i isoleringssystemet. De elektriska fälten orsakar förändringar i föroreningarna, inklusive expansion, vilket ytterligare bryter ned isoleringssystemet. Andra föroreningar, t.ex. gaser, ångor och damm, kan påverka den kemiska sammansättningen i isoleringssystemet. När isoleringssystemet är helt överbryggat anses systemet vara kortslutet. Detta sker normalt först mellan ledarna, där isoleringssystemet är svagast. Viktiga felområden är den icke-säkrade delen av spolen, t.ex. ändvarven på en roterande maskin (vilket också är den punkt där den elektriska påfrestningen på lindningarna är störst), och den punkt där den mekaniska påfrestningen är störst, t.ex. när spolarna lämnar spåren på en roterande maskin.

Ljusbågsspårning av isoleringssystem uppstår när hög ström passerar mellan ledare över ytan på ett isoleringssystem. Isoleringen vid dessa punkter förkolnar, vilket förändrar de kapacitiva och resistiva komponenterna i det elektriska isoleringssystemet. Ljusbågsspårning är ofta resultatet av: Starka elektriska spänningar, kontaminering eller både och. Denna typ av fel uppstår främst mellan ledare eller spolar och avslutas normalt med en kortslutning.

Termisk åldring av ett isoleringssystem uppstår när elektriska isoleringssystem försämras som ett resultat av Arrhenius kemiska ekvation. Den allmänt accepterade “tumregeln” är att isoleringssystemets termiska livslängd halveras för varje 10o C ökning av driftstemperaturen. Isoleringen kommer snabbt att brytas ned och förkolna när den når temperaturgränsen för isoleringssystemet.

Andra miljöfaktorer påverkar också isoleringssystemets termiska livslängd, t.ex: Kontaminering från lindning, fukt, elektrolys och andra elektriska påfrestningar.

Mekaniska fel i det elektriska isoleringssystemet inkluderar spänningssprickor, vibrationer, mekaniska intrång och mekaniska fel. Krafterna i en spole under olika arbetsmoment kommer att orsaka mekaniska rörelser och kan leda till att isoleringsmaterial bryts sönder. Elektriska och mekaniska vibrationer orsakar onödig belastning på isoleringssystemet, vilket leder till spänningsfrakturer och att isoleringssystemet lossnar. Mekanisk inträngning innefattar förflyttning av material in i isoleringssystemet antingen mellan ledare och/eller isoleringssystemet till jord. Mekaniska fel inkluderar fel som lagerfel i roterande maskiner, som gör att lagret lossnar och passerar genom de rörliga komponenterna i systemet. Dessa fel kan uppstå som kortslutningar mellan ledare, spolar eller spole till jord.

4.4 Olika stadier av fel på lindningsisoleringen

Primära orsaker till lindningsfel inkluderar: Isolationsbrott (termiskt), kontaminering, fuktinträngning, transienter och mekaniska påfrestningar, och resulterar först i ett isolationsbrott mellan ledare inom samma spole, mellan spolar i samma fas eller mellan spolar i separata faser. Dessa “kortslutningar” kan, men inte alltid, leda till ett isolationsresistansfel när lindningen faktiskt går sönder. Detektering av förändringar mellan ledarna ger en större chans till tidig reparation eller utbyte innan utrustningen slutar fungera. Observera att felfrekvensen beror på hur allvarligt felet är (dvs. varvtal) och spänningen mellan ledarna (t.ex. kan fel upptäckas i utrustning under 600 Vac och kommer snabbt att sluta fungera i system över 1000 Vac).

De allmänna stadierna för ett lindningsfel mellan ledare är följande:

– Steg 1: Isoleringen mellan ledarna belastas, vilket orsakar en förändring av isoleringens resistiva och kapacitiva värden vid felpunkten. Höga temperaturer och liknande reaktiva fel leder till förkolning av isoleringen (dielektrikum) vid den aktuella punkten. Förkolning kan också uppstå på grund av spårbildning i isoleringssystemet.

– Steg 2: Felstället blir mer resistivt. En ömsesidig induktans uppstår mellan den “goda” delen av lindningen (och andra strömförande komponenter i systemet) och de kortslutande varven. I2 R-förlusterna ökar vid felstället på grund av den ökade strömmen i kortslutningsvarven, vilket ökar temperaturen vid den punkten och gör att isoleringssystemet snabbt förkolnar. Motorn kan börja lösa ut vid denna tidpunkt, även om den kanske kan köras efter en kort kylperiod.

– Steg 3: Isoleringen bryts ned och energin i kortslutningspunkten kan orsaka ett explosivt brott i isoleringssystemet och förångning av lindningarna.

4.5 Jämförelse av utrustning

Roterande maskiner och transformatorer fungerar enligt liknande principer. Till exempel har en trefasig induktionsmotor en primär (statorlindning) och en sekundär (rotorlindning) krets precis som en transformators primär- och sekundärlindningar. Skillnaden är att den elektriska energin omvandlas till ett annat värde av elektrisk energi, med transformatorer. Samma elektriska energi omvandlas till mekanisk energi med hjälp av en elmotor.

Transformatorlindningar är konstruerade så att de vanligtvis är balanserade mellan faserna. Detta ger balanserad energi på sekundärsidan och balanserade kretsimpedanser i hela systemet. Trefas roterande maskiner (monterade) har förändrad ömsesidig induktans när rotorns position ändras. Resultatet kan bli en testad induktiv obalans, och en resulterande impedansobalans, med rotorn placerad i ett läge medan alla tre faserna testas. Obalanser i roterande maskinlindningar kan utvärderas antingen genom att kompensera för rotorns position eller genom att jämföra avläsningar av impedans och induktans.

4.6 Testmätningar för utvärdering

Grundläggande elektriska mätningar för utvärdering av transformator- och roterande maskinlindningar inkluderar

a) Resistans (IEEE Std 118-1978, IEEE Std 389-1996) ñ Används för att detektera variationer i trådstorlek, anslutningar och öppna/högresistenta kretsar.

b) Induktans (IEEE Std 388-1992: Avsnitt 5.2 Induktans (Impedans) Obalans, 5.6.1 Induktansbrygga Mätmetod, IEEE Std 120-1989) ñ Induktans är en funktion av geometri och permeabilitet. Den är oberoende av spänning, ström och frekvens. Den totala induktansen som mäts är en kombination av kretsens ömsesidiga och interna induktanser, så kallad kretsinduktans. Felsökning är möjlig vid kortslutning av lindningar endast när kapacitanserna i dielektriska isoleringssystem blir resistiva och en kortsluten krets existerar, vilket resulterar i ömsesidig induktans mellan den “goda” delen av spolen och kortslutna varv. Ömsesidig induktans används också vid utvärdering av rotorlindningar i roterande maskiner.

c) Kapacitans (IEEE Std 389-1996, IEEE Std 120-1989) ñ Används för att mäta den totala kretskapacitansen och jordväggens isoleringskapacitans. Normalt trend över tid.

d) Impedans (IEEE Std 388-1992: avsnitt 5.2 Induktans (Impedans) obalans, IEEE Std 389-1996: avsnitt 8.3 Impedans obalans, 8.4 Balanstester, IEEE Std 120-1989: avsnitt 5 Impedansmätningar) ñ Impedans är frekvens-, resistans-, induktans- och kapacitansberoende. Resistansen har en relativt liten inverkan på den totala impedansen och den tillämpade frekvensen påverkar de induktiva och kapacitiva reaktanskomponenterna. Ökningar av induktansen har en additiv effekt på impedansvärdena medan kapacitansen har en omvänd effekt på kretsens impedans. Till exempel kommer en ökning av den totala kretsinduktansen att generera en ungefär parallell ökning av impedansen, medan en ökning av den totala kretskapacitansen kommer att leda till att impedansen minskar.

e) Fasvinkel (IEEE Std 120-1989) ñ Kretsens fasvinkel är ett mått på fördröjningen mellan spänning och ström som presenteras som grader av separation. Den påverkas direkt av kretsens impedans, spänning och frekvens.

f) Frekvensresponstester (IEEE Std 389-1996: Avsnitt 11.1 Transformer Frequency Response) ñ Frekvensresponstester kan utvärderas med ett antal olika metoder. I denna riktlinje kommer utvärderingen att presenteras som den procentuella minskningen av strömmen i en spole när frekvensen fördubblas, även känt som ström/frekvensresponstestet. Ström/frekvens-svar påverkas av förändringar i kretsens kapacitanser när frekvensen ökar.

g) Isolationsresistanstester ñ Täcks av IEEE Std 43-2000.

Oavsett vilka mätmetoder som används är det primära syftet att identifiera obalanser mellan likadana spolar, t.ex. mellan faser i en roterande trefasmaskin eller trefastransformator.

5.0 Utvärdering av utrustning

5.1 Utvärdering av trefas-transformatorer

Vid provning av trefastransformatorer med hjälp av lindningsanalys måste kretsen mittemot den sida som provas vara kortsluten och jordad (IEEE Std 388- 1992: Avsnitt 5.6.1 Induction Bridge Method of Measurement, IEEE Std 389-1996). Var och en av de tre faserna mäts och utvärderas för att säkerställa balans. Se tabell 1 för rekommenderade gränser för testresultat.

a) Fi och I/F tester kommer att upptäcka isolationsbrott ñ förändringar i isolationssystemets kretskapacitanser och resistanser.

b) Induktans- och impedansmätningar upptäcker avancerade lindningsfel och vridfel vid tillverkning eller reparation.

c) Resistans används för att upptäcka lösa anslutningar, trasiga ledare och relaterade problem.

5.2 Utvärdering av roterande maskiner med trefasinduktion

Stator och rotor utvärderas separat med hjälp av tekniker för analys av lindningskretsar. Följande riktlinjer omfattar båda.

5.2.1 Provning av monterad motorrotor

De vanligaste typerna av fel på elmotorers rotorer är

a) Luftgap (rotorns excentricitet): Detta är normalt inte ett progressivt fel, såvida inte rotorn är lös, eller ett fel i antingen motoraxeln eller lagren har blivit allvarligt. Problem med glapp, lager och motoraxlar kan upptäckas snabbare och säkrare med hjälp av vibrationsanalys. Problem med luftgap vid tillverkning och reparation kan upptäckas med statisk lindningskretsanalys under acceptanstestning eller hos tillverkaren/reparationsverkstaden innan utrustningen installeras. Denna typ av acceptanstest används för att avgöra om luftgapet har ställts in korrekt (+/- 10% av det genomsnittliga luftgapsvärdet som avläses i vardera änden av rotorn under installationen).4

b) Hålrum i gjutgods och anslutningar mellan rotorbalkar: Kan med tiden utvecklas till fel med “bruten rotorstång”. Det finns alltid hålrum i gjutna aluminiumrotorer, variationer i aluminiumlegeringen och variationer i fogarna på kopparlegeringsstänger som påverkar induktansen. Felen kan upptäckas genom en serie mätningar av kretsens induktans eller impedans när axeln roteras 360 grader. Dessa mätvärden kan ritas som en vågform och felsökas genom att titta på var i vågformen induktans- och/eller impedansförändringarna finns. En liten förändring i vågformens lutning indikerar en liten, vanligtvis icke påträngande defekt, medan en betydande förändring vid vågformens topp indikerar allvarliga rotorfel. Allvarliga fel kan störa motorns driftsegenskaper.

c) Broken Rotor Bars: Är progressiva fel som normalt uppstår på grund av felaktig drift av elmotorn. När en elmotor startas byggs värme upp i rotorn på grund av höga strömmar och hög frekvens, vilket kräver en nedkylningsperiod. I andra fall kan en rotor ha stannat, vilket orsakar höga strömmar och höga rotorfrekvenser. Expansionshastigheten för kopparlegeringar (eller aluminium) och rotormaterial är olika, vilket ger mekanisk belastning på själva stängerna. Vid extrem belastning kan rotorstängerna spricka, vilket minskar motorns förmåga att producera vridmoment. När rotorstängerna spricker får de omgivande rotorstängerna ytterligare ström, vilket leder till en ytterligare ökning av rotorstängernas temperatur och risken för att ytterligare sprickor uppstår.

Testutrustningens förmåga att upptäcka fel genom induktans och impedans beror på förändringar i kretsens ömsesidiga induktans när rotorns läge ändras. Eftersom en elmotor är en transformator med en roterande sekundärkrets, ändras det effektiva förhållandet mellan primär (statorlindningar) och sekundär (rotorlindningar) när rotorns position ändras och den totala ömsesidiga induktansen och den resulterande kretsimpedansen ändras. På grund av den roterande utrustningens natur kommer förändringarna över tiden att vara sinusformade (eller någon variation) och symmetriska.

Den allmänna processen för att utföra antingen ett induktans- eller impedanstest av rotorn är att mäta induktans eller impedans i jämna steg genom 360 graders rotation, eller genom att använda ett induktans- eller impedansbaserat test i realtid. Testresultaten bör redovisas i diagramform för tolkning.

5.2.2 Provning av monterad roterande utrustning Stator

Bedömningen av testresultat för monterad roterande utrustning kommer att ge varierande grad av noggrannhet vid feldetektering. Exempelvis kommer testresultaten för induktans att ge höga och varierande värden när rotorn placeras i olika lägen, så rotorns läge måste justeras så att värdena för ömsesidig induktans mellan primär- (stator) och sekundärlindningarna (rotor) är relativt lika. Induktans i kombination med impedans visar dock den kapacitiva effekten av isolationsbrott eller kontaminering av lindningen. Om till exempel impedansen och induktansen är relativt parallella, skulle fasobalansen bero på rotorns position. Om impedansen minskar i minst en fas, eller om impedansen och induktansen inte är relativt parallella, har kretsens kapacitans förändrats, vilket tyder på att lindningen kan vara kontaminerad eller att isoleringen har gått sönder.

Tidiga svängfel upptäcks som förändringar i antingen fasvinkel eller ström/frekvensrespons som en ëskiftí i avläsningarna. En förskjutning kan t.ex. anges som Fi: 77/76/77 och/eller I/F: -44/-46/- 44.

5 Mätvärdena för resistans och impedans kan endast räknas om rotorns position beaktas. Avläsningarna måste göras vid antingen en topp eller en dal i sinusvågen från ändringen av rotorns position.

6.0 Bibliografi

a) IEEE Std 43-2000: IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery

b) IEEE Std 56-1977: IEEE Guide for Insulation Maintenance of Large Alternating Current Rotating Machinery (10.000 kVA and Larger) (IEEE-guide för underhåll av isolering i stora roterande växelströmsmaskiner (10.000 kVA och större))

c) IEEE Std 118-1978: IEEE Standard Test Code för resistansmätningar

d) IEEE Std 120-1989: IEEE Master Test Guide för elektriska mätningar i kraftkretsar

e) IEEE Std 388-1992: IEEE-standard för transformatorer och induktorer i elektronisk kraftomvandlingsutrustning

f) IEEE Std 389-1996: IEEE Recommended Practice for Testing Electronics Transformers and Inductors

g) IEEE Std 1068-1990: IEEE Recommended Practice for the Repair and Rewinding of Motors for the Petroleum and Chemical Industry

h) Penrose, Dr. Howard W., Analys av motorkretsar: Theory, Application and Energy Analysis, SUCCESS by DESIGN, 2001

i) Fink, Donald och Beaty, H. Wayne, Standard Handbook for Electrical Engineers, fjortonde upplagan, McGraw-Hill, 2000.

j) Sarma, Mulukutl, Elektriska maskiner: Steady-State Theory and Dynamic Performance, andra upplagan, PWS Publishing Company, 1996

k) Mazur, Glen och Proctor, Thomas, Troubleshooting Electric Motors, Second Edition, ATP Publishing, 1997

l) Nasar, Syed, Electric Machines and ElectroMagnetics, McGraw-Hill, 1981