Elektrik Motorlarında Polarizasyon İndeksi Testi Artık Modern Yöntemlerle Aşıldı

Elektrik motoru testi ile ilgili olarak, polarizasyon indeksi (PI), yalıtım sistemi direncinin zaman içinde ne kadar iyileştiğinin (veya azaldığının) bir ölçüsüdür.

PI Testi, bir motorun yalıtımının durumunu değerlendirirken birincil test olarak kabul edilmiş olsa da, bir motorun genel sağlığının daha kapsamlı bir teşhis değerlendirmesini sağlayan yeni test yöntemleriyle karşılaştırıldığında süreci modası geçmiş hale gelmiştir.

Bu makale, bir motorun yalıtım sisteminin pratik bir şekilde anlaşılmasını, polarizasyon indeksi testinin temel bir anlayışını ve modern motor test yöntemlerinin daha kısa sürede nasıl daha kapsamlı sonuçlar sağladığını sağlar.

Polarizasyon İndeksi (PI)

Polarizasyon indeksi (PI) testi, 1800’lerde geliştirilen ve bir motorun sargı yalıtımının sağlığını belirlemeye çalışan standart bir elektrik motoru test yöntemidir.

PI testi, tipik olarak 1970’lerden önce kurulan toprak duvar yalıtımı (GWI) sistemleri hakkında bilgi sağlarken, modern motorlardaki sargı yalıtımının doğru durumunu sağlayamaz.

PI testi, GWI sisteminin elektrik yükünü depolamadaki etkinliğini ölçmek için motor sargısına DC voltajı (tipik olarak 500V – 1000V) uygulanmasını içerir.

GWI sistemi motor sargıları ve motor çerçevesi arasında doğal bir kapasitans oluşturduğundan, uygulanan DC voltajı herhangi bir kapasitörde olduğu gibi elektrik yükü olarak depolanacaktır.

Kondansatör tamamen şarj oldukça akım, geriye sadece yalıtımın toprağa sağladığı direnç miktarını belirleyen son kaçak akım kalana kadar azalacaktır.

Yeni, temiz yalıtım sistemlerinde, elektronlar depolandıkça polarizasyon akımı zamanla logaritmik olarak azalır. Polarizasyon İndeksi (PI), 1 ve 10 dakikalık aralıklarla alınan yalıtım direncinin toprağa (IRG) değerine oranıdır.

PI = 10 Dakikalık IRG/1 Dakikalık IRG

1970’lerden önce kurulan yalıtım sistemlerinde, PI testi dielektrik malzeme polarize edilirken gerçekleşir.

Toprak duvar yalıtımı (GWI) bozulmaya başlarsa, dielektrik malzemenin daha dirençli ve daha az kapasitif hale gelmesine neden olan kimyasal bir değişime uğrar, dielektrik sabitini düşürür ve yalıtım sisteminin elektrik yükü depolama yeteneğini azaltır. Bu, kaçak akımın baskın olduğu aralığa yaklaştıkça polarizasyon akımının daha doğrusal hale gelmesine neden olur.

Bununla birlikte, 1970’lerden sonraki yeni yalıtım sistemlerinde, çeşitli nedenlerden dolayı dielektrik malzemenin tüm polarizasyonu bir dakikadan daha kısa sürede gerçekleşir ve IRG okumaları 5.000 Meg-ohm’un üzerindedir. Hesaplanan PI, zemin duvarı göstergesinin durumunun bir göstergesi olarak anlamlı olmayabilir.

Ayrıca, bu test sargılar ve motor çerçevesi arasında elektrostatik alan oluşturduğundan, sargı yalıtım sisteminin durumu hakkında çok az gösterge sağlar. Bu tür arızaların en iyi göstergesi, faz açısı ve akım frekans tepkisinin MCA ölçümlerinin kullanılmasıdır.

Yalıtım Malzemeleri

Elektrik motorlarında yalıtım, elektronların serbest akışına direnen, akımı istenen bir yola yönlendiren ve başka bir yere kaçmasını önleyen malzemedir.

Teorik olarak, yalıtımın tüm akım akışını engellemesi gerekir, ancak en iyi yalıtım malzemesi bile az miktarda akımın geçmesine izin verir. Bu fazla akım genellikle kaçak akım olarak adlandırılır.

Genel olarak motorların 20 yıllık bir ömre sahip olduğu kabul edilse de, elektrik motorlarının zamanından önce arızalanmasının başlıca nedeni yalıtım sistemindeki arızalardır.

Yalıtım sistemi, kimyasal bileşimindeki bir değişiklik nedeniyle yalıtım daha iletken hale geldiğinde bozulmaya başlar. Yalıtımın kimyasal yapısı, kademeli kullanım ve/veya diğer hasarlar nedeniyle zaman içinde değişir. Kaçak akım dirençlidir ve ısı yaratır, bu da yalıtımın daha fazla ve daha hızlı bozulmasına neden olur.

Not: Çoğu emaye tel, nominal sıcaklıklarda (105 ila 240° C) 20.000 saatlik bir hizmet ömrünü garanti edecek şekilde tasarlanmıştır.

Yalıtım Sistemleri

Motorlar ve bobinli diğer elektrikli ekipmanlar 2 ayrı ve bağımsız yalıtım sistemine sahiptir.

1. Topraklama duvarı yalıtım sistemleri, bobini motorun çerçevesinden ayırarak sargılara sağlanan voltajın stator çekirdeğine veya motor çerçevesinin herhangi bir kısmına kaçmasını önler. Toprak duvar yalıtım sisteminin bozulması toprak hatası olarak adlandırılır ve güvenlik tehlikesi oluşturur.
2. Sargı yalıtım sistemleri, stator manyetik alanını oluşturmak için tüm bobine akım sağlayan iletken teli çevreleyen emaye katmanlarıdır. Sargı yalıtım sisteminin bozulması sargı kısa devre olarak adlandırılır ve bobinin manyetik alanını zayıflatır.

Şekil 1: 2 ayrı yalıtım sistemi

Toprağa İzolasyon Direnci (IRG)

Motorlar üzerinde yapılan en yaygın elektrik testi, toprağa karşı yalıtım direnci (IRG) testi veya “nokta testi “dir.

Bu test, motor sargısına DC voltajı uygulayarak, toprak duvarı yalıtımının motor çerçevesine sunduğu minimum direnç noktasını belirler.

Kapasitans

Farad cinsinden ölçülen kapasitans (C), bir sistemin elektrik yükünü depolama yeteneği olarak tanımlanır. Bir motorun kapasitansının belirlenmesi denklem kullanılarak bulunur: 1 Farad = coulomb cinsinden depolanan yük miktarı (Q) bölü besleme gerilimi.

Örnek: Uygulanan voltaj 12V akü ise ve kondansatör .04 coulomb şarj depoluyorsa, .0033 Farad veya 3.33 mF kapasitansa sahip olacaktır. Bir coulomb yük yaklaşık olarak 6,24 x ¹⁰¹⁸ elektron veya protona karşılık gelir. 3,33 mF’lik bir kondansatör tam şarj olduğunda yaklaşık 2,08 X ¹⁰¹⁶ elektron depolayacaktır.

Kapasitans, iletken plakalar arasına bir dielektrik malzeme yerleştirilerek oluşturulur. Motorlarda, toprak duvar yalıtım sistemleri motor sargıları ve motor çerçevesi arasında doğal bir kapasitans oluşturur. Sargı iletkenleri bir plakayı, motor çerçevesi ise diğerini oluşturarak toprak duvarı yalıtımını dielektrik malzeme haline getirir.

Kapasitans miktarı aşağıdakilere bağlıdır:

1. Plakaların ölçülen yüzey alanı – Kapasitans, plakaların alanı ile doğru orantılıdır.
2. Plakalar arasındaki mesafe – Kapasitans plakalar arasındaki mesafe ile ters orantılıdır.
3. Dielektrik sabiti – Kapasitans, dielektrik sabiti ile doğru orantılıdır.

Toprağa Kapasitans (CTG)

Bu
kapasitans-toprak
(CTG) ölçümü, bir motorun sargılarının ve kablolarının temizliğinin göstergesidir.

Toprak duvarı yalıtımı (GWI ) ve sargı yalıtım sistemleri toprağa karşı doğal bir kapasitans oluşturduğundan, motor yeni ve temiz olduğunda her motor benzersiz bir CTG’ye sahip olacaktır.

Motor sargıları veya GWI kirlenirse veya motora nem girerse, CTG artacaktır. Bununla birlikte, GWI veya sargı yalıtımı termal bozulmaya uğrarsa, yalıtım daha dirençli ve daha az kapasitif hale gelecek ve CTG’nin azalmasına neden olacaktır.

Dielektrik Malzeme

Dielektrik bir malzeme zayıf bir elektrik iletkenidir ancak elektrostatik bir alanı destekler. Elektrostatik bir alanda, elektronlar dielektrik malzemeye nüfuz etmez ve pozitif ve negatif moleküller çiftleşerek dipoller (mesafe ile ayrılmış zıt yüklü molekül çiftleri) oluşturur ve polarize olur (dipolün pozitif tarafı negatif potansiyele doğru hizalanır ve negatif yük negatif potansiyele doğru hizalanır).

Dielektrik Sabiti (K)

Dielektrik sabiti (K), bir dielektrik malzemenin, K değeri 1 olan bir vakuma göre dipoller oluşturarak elektrik yükünü depolama yeteneğinin bir ölçüsüdür.

Yalıtım malzemesinin dielektrik sabiti, malzemeyi oluşturmak için bir araya getirilen moleküllerin kimyasal yapısına bağlıdır.

Bir dielektrik malzemenin K değeri, malzemenin yoğunluğu, sıcaklığı, nem içeriği ve elektrostatik alanın frekansından etkilenir.

Dielektrik Kaybı

Dielektrik malzemelerin önemli bir özelliği, dielektrik kayıp olarak bilinen ısı şeklinde minimum enerji dağıtırken elektrostatik bir alanı destekleme yeteneğidir.

Dielektrik Dağılımı

Bir dielektrik malzeme üzerindeki voltaj çok yüksek olduğunda elektrostatik alan çok yoğun hale gelir, dielektrik malzeme elektriği iletir ve dielektrik arıza olarak adlandırılır. Katı dielektrik malzemelerde bu bozulma kalıcı olabilir.

Dielektrik bozulma meydana geldiğinde, dielektrik malzeme kimyasal bileşiminde bir değişikliğe uğrar ve dielektrik sabitinde bir değişikliğe neden olur.

Bir Kondansatörün Şarj Edilmesinde Kullanılan Akımlar

Birkaç on yıl önce, yalıtım sisteminin elektrik yükünü depolama yeteneğini değerlendirmek için polarizasyon indeksi testi (PI) kullanılmaya başlanmıştır. Yukarıda açıklandığı gibi, bir kondansatörün şarj edilmesinde esasen üç farklı akım söz konusudur.

1. Şarj Akımı – Plakalar üzerinde biriken akımdır ve plakaların alanına ve aralarındaki mesafeye bağlıdır. Şarj akımı genellikle < 1 dakikadan daha kısa sürede sona erer. Yalıtım malzemesinin durumu ne olursa olsun şarj miktarı aynı olacaktır.
2. Polarizasyon Akımı – Dielektrik malzemeyi polarize etmek veya dielektrik malzemeyi elektrostatik bir alana yerleştirerek oluşturulan diploları hizalamak için gereken akım. Tipik olarak, polarizasyon indeksi testi geliştirildiğinde motorlara monte edilen yalıtım sistemlerinde (1970’ler öncesi) yeni, temiz bir yalıtım sisteminin nominal değeri 100’lerce megaohm (¹⁰⁶) aralığında olurdu ve tipik olarak 30 dakikadan fazla ve bazı durumlarda tamamlanması saatler sürerdi. Bununla birlikte, daha yeni bir yalıtım sistemi ile (1970’lerden sonra) yeni, temiz bir yalıtım sisteminin nominal değeri giga-ohm ila tera-ohm (¹⁰⁹, ¹⁰¹²) arasında olacaktır ve tipik olarak şarj akımı tamamen bitmeden önce tamamen polarize olur.
3. Kaçak Akım – Yalıtım malzemesi boyunca akan ve ısıyı dağıtan akım.

Şarj Akımı

Yüksüz bir kondansatör, eşit sayıda pozitif ve negatif yükü paylaşan plakalara sahiptir.

Şarj edilmemiş bir kapasitörün plakalarına bir DC kaynağı uygulamak, elektronların pilin negatif tarafından akmasına ve pilin negatif direğine bağlı plaka üzerinde birikmesine neden olacaktır.

Bu, bu plaka üzerinde fazla elektron oluşmasına neden olacaktır.

Elektronlar akünün pozitif direğine bağlı plakadan akacak ve negatif plakada biriken elektronların yerini almak üzere akünün içine akacaktır. Akım, pozitif plakadaki voltaj akünün pozitif tarafıyla aynı olana kadar akmaya devam edecek ve negatif plakadaki voltaj akünün negatif tarafının potansiyeline ulaşacaktır.

Aküden plakalara doğru yer değiştiren elektronların sayısı plakaların alanına ve aralarındaki mesafeye bağlıdır.

Bu akım, enerji tüketmeyen ve kondansatörde depolanan şarj akımı olarak adlandırılır. Depolanan bu elektronlar plakalar arasında bir elektrostatik alan oluşturur.

Polarize Akım

Bir kondansatördeki plakalar arasına bir dielektrik malzeme yerleştirilmesi, vakumda plakalar arasındaki aralığa göre bir kondansatörün kapasitansını artırır.

Dielektrik bir malzeme elektrostatik bir alana yerleştirildiğinde, yeni oluşan dipoller kutuplaşacak ve dipolün negatif ucu pozitif plaka ile hizalanacak ve dipolün pozitif ucu negatif plakaya doğru hizalanacaktır. Bu durum polarizasyon olarak adlandırılır.

Bir dielektrik malzemenin dielektrik sabiti ne kadar yüksekse, o kadar fazla sayıda elektron gerekir ve böylece devrenin kapasitansı artar.

Kaçak Akım

Yalıtım özelliklerini korurken dielektrik malzeme boyunca akan az miktardaki akım, etkin direnç olarak adlandırılır. Bu, bir malzemenin bozulmadan dayanabileceği maksimum voltaj olarak tanımlanan dielektrik mukavemetinden farklıdır.

Bir yalıtım malzemesi bozuldukça, daha dirençli ve daha az kapasitif hale gelir, kaçak akımı artırır ve dielektrik sabitini azaltır. Kaçak akım ısı üretir ve bir dielektrik kaybı olarak kabul edilir.

Yayılma Faktörü

Toprak duvar yalıtım (GWI) sistemini çalıştırmak için AC sinyali kullanan alternatif bir test tekniğidir. Yukarıda açıklandığı gibi GWI’yi test etmek için bir DC sinyali kullanıldığında 3 farklı akımla karşılaşılır, ancak cihaz zaman dışında akımları ayırt edemez. Bununla birlikte, GWI’yi test etmek için bir AC sinyali uygulayarak, depolanan akımları (şarj akımı, polarizasyon akımı) dirençli akımdan (kaçak akım) ayırmak mümkündür.

Hem şarj hem de polarizasyon akımları depolanmış akımlar olduğundan ve karşıt ½ döngüsüne geri döndüğünden, akım gerilimi 90° yönlendirirken, ısıyı dağıtan dirençli bir akım olan sızıntı akımı uygulanan gerilimle aynı fazdadır. Yayılma faktörü (DF) basitçe kapasitif akımın (_IC) rezistif akıma (_IR) oranıdır.

DF =_IC /_IR

Temiz, yeni yalıtımda tipik olarak_IR,_IC‘nin < %5’i kadardır, yalıtım malzemesi kirlenir veya termal olarak bozulursa ya_IC azalır ya da_IR artar. Her iki durumda da DF artacaktır.

Özet

1800’lü yıllarda, polarizasyon indeksi testi bir motorun genel durumunu belirlemede etkili bir yöntemdi. Ancak modern yalıtım sistemleri ile daha az etkili hale gelmiştir.

PI testi zaman alıcıdır (15+ dakika) ve arızanın sargıda mı yoksa topraklama duvarı yalıtımında mı olduğunu belirleyemezken, modern teknolojiler, örneğin Motor Devre Analizi (^MCATM)bağlantı sorunlarını, dönüşten dönüşe, bobinden bobine ve fazdan faza gelişen sargı arızalarını 3 dakikadan kısa sürede tamamlanan testlerle çok erken aşamalarda tespit eder.

DF, CTG ve IRG gibi diğer teknolojiler de minimum sürede tamamlanan testlerde zemin duvarı yalıtım sisteminin durumunu sağlar.

^MCATM, DF, CTG ve IRG gibi yeni teknolojileri bir araya getiren modern elektrik motoru test yöntemleri, tüm bir motorun yalıtım sisteminin daha önce hiç olmadığı kadar hızlı ve kolay bir şekilde çok daha kapsamlı ve eksiksiz bir şekilde değerlendirilmesini sağlar.