Thử nghiệm chỉ số phân cực trên động cơ điện hiện đã bị các phương pháp hiện đại vượt qua

Liên quan đến thử nghiệm động cơ điện, chỉ số phân cực (PI) là thước đo mức độ điện trở của hệ thống cách điện cải thiện (hoặc suy giảm) theo thời gian.

Mặc dù Thử nghiệm PI được coi là thử nghiệm chính khi đánh giá tình trạng cách điện của động cơ, quy trình của nó đã trở nên lỗi thời so với các phương pháp thử nghiệm mới hơn cung cấp đánh giá chẩn đoán toàn diện hơn về tình trạng chung của động cơ.

Bài viết này cung cấp hiểu biết thực tế về hệ thống cách điện của động cơ, hiểu biết cơ bản về kiểm tra chỉ số phân cực và cách các phương pháp kiểm tra động cơ hiện đại mang lại kết quả toàn diện hơn trong thời gian ngắn hơn.

Chỉ số phân cực (PI)

Thử nghiệm chỉ số phân cực (PI) là một phương pháp thử nghiệm động cơ điện tiêu chuẩn được phát triển vào những năm 1800 nhằm xác định tình trạng cách điện cuộn dây của động cơ.

Mặc dù thử nghiệm PI cung cấp thông tin về hệ thống cách điện tường đất (GWI) thường được lắp đặt trước những năm 1970 nhưng nó không cung cấp được điều kiện chính xác về cách điện cuộn dây trong động cơ hiện đại.

Thử nghiệm PI liên quan đến việc đặt điện áp DC (thường là 500V – 1000V) vào cuộn dây của động cơ để đo hiệu quả của hệ thống GWI trong việc lưu trữ điện tích.

Do hệ thống GWI hình thành điện dung tự nhiên giữa cuộn dây động cơ và khung động cơ nên điện áp DC đặt vào sẽ được lưu trữ dưới dạng điện tích giống như bất kỳ tụ điện nào.

Khi tụ điện được sạc đầy, dòng điện sẽ giảm cho đến khi tất cả những gì còn lại là dòng rò cuối cùng, dòng điện này xác định lượng điện trở mà lớp cách điện cung cấp cho mặt đất.

Trong các hệ thống cách điện sạch, mới, dòng điện phân cực giảm logarit theo thời gian khi các electron được lưu trữ. Chỉ số phân cực (PI) là tỷ lệ giữa giá trị điện trở cách điện với giá trị tiếp đất (IRG) được lấy trong khoảng thời gian 1 và 10 phút.

PI = 10 phút IRG/1 phút IRG

Trên các hệ thống cách điện được lắp đặt trước những năm 1970, thử nghiệm PI xảy ra khi vật liệu điện môi đang bị phân cực.

Nếu lớp cách điện của tường nối đất (GWI) bắt đầu xuống cấp, nó sẽ trải qua một sự thay đổi hóa học làm cho vật liệu điện môi trở nên có điện trở cao hơn và kém điện dung hơn, làm giảm hằng số điện môi và giảm khả năng lưu trữ điện tích của hệ thống cách điện. Điều này làm cho dòng phân cực trở nên tuyến tính hơn khi nó tiến gần đến phạm vi mà dòng rò chiếm ưu thế.

Tuy nhiên, trên hệ thống cách điện mới hơn sau những năm 1970, vì nhiều lý do, toàn bộ quá trình phân cực của vật liệu điện môi diễn ra trong vòng chưa đầy một phút và giá trị IRG trên 5.000 Meg-ohms. PI được tính toán có thể không có ý nghĩa như một dấu hiệu về tình trạng của dấu hiệu tường nối đất.

Ngoài ra, do thử nghiệm này tạo ra trường tĩnh điện giữa cuộn dây và khung động cơ nên nó cung cấp rất ít nếu có bất kỳ dấu hiệu nào về tình trạng của hệ thống cách điện cuộn dây. Dấu hiệu tốt nhất của các loại lỗi này thông qua việc sử dụng các phép đo MCA về góc pha và đáp ứng tần số hiện tại.

Vật liệu cách điện

Trong động cơ điện, vật liệu cách điện là vật liệu chống lại dòng điện tử tự do, hướng dòng điện đi qua một đường mong muốn và ngăn dòng điện thoát ra nơi khác.

Về lý thuyết, lớp cách điện sẽ chặn tất cả dòng điện, nhưng ngay cả vật liệu cách điện tốt nhất cũng cho phép một lượng nhỏ dòng điện đi qua. Dòng điện dư thừa này thường được gọi là dòng điện rò rỉ .

Mặc dù người ta thường chấp nhận rằng động cơ có tuổi thọ 20 năm, nhưng sự cố của hệ thống cách điện là nguyên nhân chính khiến động cơ điện bị hỏng sớm.

Hệ thống cách điện bắt đầu xuống cấp khi lớp cách điện trở nên dẫn điện hơn do sự thay đổi thành phần hóa học của nó. Thành phần hóa học của vật liệu cách nhiệt thay đổi theo thời gian do sử dụng dần dần và/hoặc các hư hỏng khác. Dòng điện rò rỉ là điện trở và tạo ra nhiệt dẫn đến sự xuống cấp thêm và nhanh hơn của lớp cách điện.

Lưu ý : Hầu hết các dây tráng men đều được thiết kế để đảm bảo tuổi thọ 20.000 giờ ở nhiệt độ định mức (105 đến 240° C).

Hệ thống cách nhiệt

Động cơ và các thiết bị điện khác có cuộn dây có 2 hệ thống cách điện riêng biệt và độc lập.

1. Hệ thống cách điện tường nối đất tách cuộn dây ra khỏi khung của động cơ, ngăn điện áp cung cấp cho cuộn dây thoát ra lõi stato hoặc bất kỳ bộ phận nào của khung động cơ. Sự cố của hệ thống cách nhiệt tường nối đất được gọi là lỗi nối đất và tạo ra mối nguy hiểm về an toàn.
2. Hệ thống cách điện cuộn dây là các lớp men bao quanh dây dẫn cung cấp dòng điện cho toàn bộ cuộn dây để tạo ra từ trường stato. Sự cố của hệ thống cách điện cuộn dây được gọi là đoản mạch cuộn dây và làm suy yếu từ trường của cuộn dây.

Hình 1: 2 hệ thống cách nhiệt riêng biệt

Điện trở cách điện với đất (IRG)

Thử nghiệm điện phổ biến nhất được tiến hành trên động cơ là thử nghiệm điện trở cách điện với đất (IRG) hoặc “thử nghiệm điểm”.

Bằng cách đặt điện áp DC vào cuộn dây động cơ, thử nghiệm này xác định điểm có điện trở tối thiểu mà lớp cách điện của tường nối đất đối với khung động cơ.

điện dung

Điện dung (C), được đo bằng Farad, được định nghĩa là khả năng lưu trữ điện tích của một hệ thống. Thiết lập điện dung của động cơ được tìm thấy bằng cách sử dụng phương trình: 1 Farad = lượng điện tích được lưu trữ tính bằng coulomb (Q) chia cho điện áp nguồn.

Ví dụ: Nếu điện áp đặt vào là pin 12V và tụ điện tích trữ 0,04 coulomb thì nó sẽ có điện dung là 0,0033 Farad hoặc 3,33 mF. Một culông điện tích xấp xỉ 6,24 x 10 ¹⁸ electron hoặc proton. Một tụ điện 3,33 mF sẽ lưu trữ khoảng 2,08 X 10 ¹⁶ electron khi được sạc đầy.

Điện dung được tạo ra bằng cách đặt một vật liệu điện môi giữa các tấm dẫn điện. Trong động cơ, hệ thống cách điện tường đất tạo thành điện dung tự nhiên giữa cuộn dây động cơ và khung động cơ. Các dây dẫn quanh co tạo thành một tấm và khung động cơ tạo thành tấm kia, làm cho bức tường nối đất cách điện thành vật liệu điện môi.

Lượng điện dung phụ thuộc vào:

1. Diện tích bề mặt đo được của các tấm – Điện dung tỷ lệ thuận với diện tích của các tấm.
2. Khoảng cách giữa các bản tụ điện – Điện dung tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bản tụ điện.
3. Hằng số điện môi – Điện dung tỉ lệ thuận với hằng số điện môi.

Điện dung nối đất (CTG)

Phép đo điện dung chạm đất (CTG) biểu thị độ sạch của cuộn dây và dây cáp của động cơ.

Bởi vì cách điện tường nối đất (GWI) và hệ thống cách điện cuộn dây tạo thành điện dung tự nhiên nối đất, mỗi động cơ sẽ có một CTG riêng khi động cơ mới và sạch.

Nếu cuộn dây của động cơ hoặc GWI bị nhiễm bẩn hoặc động cơ bị hơi ẩm xâm nhập, CTG sẽ tăng lên. Tuy nhiên, nếu GWI hoặc cách điện của cuộn dây bị suy giảm nhiệt, thì cách điện sẽ trở nên có điện trở cao hơn và ít điện dung hơn khiến CTG giảm xuống.

Vật liệu điện môi

Vật liệu điện môi là chất dẫn điện kém nhưng hỗ trợ trường tĩnh điện. Trong trường tĩnh điện, các electron không thấm vào vật liệu điện môi và các phân tử dương và âm kết hợp với nhau để tạo thành các lưỡng cực (các cặp phân tử tích điện trái dấu cách nhau một khoảng) và phân cực (cực dương của lưỡng cực sẽ thẳng hàng với điện thế âm và điện tích âm) sẽ thẳng hàng với điện thế âm).

Hằng số điện môi (K)

Hằng số điện môi (K) là thước đo khả năng lưu trữ điện tích của vật liệu điện môi bằng cách hình thành các lưỡng cực, so với chân không có K bằng 1.

Hằng số điện môi của vật liệu cách điện phụ thuộc vào thành phần hóa học của các phân tử được kết hợp để tạo thành vật liệu.

K của vật liệu điện môi bị ảnh hưởng bởi mật độ, nhiệt độ, độ ẩm và tần số của trường tĩnh điện.

Mất điện môi

Một tính chất quan trọng của vật liệu điện môi là khả năng hỗ trợ trường tĩnh điện, đồng thời tiêu tán năng lượng tối thiểu dưới dạng nhiệt, được gọi là tổn thất điện môi .

sự cố điện môi

Khi điện áp trên vật liệu điện môi trở nên quá cao khiến trường tĩnh điện trở nên quá mạnh, vật liệu điện môi sẽ dẫn điện và được gọi là sự cố điện môi. Trong vật liệu điện môi rắn, sự cố này có thể là vĩnh viễn.

Khi sự cố điện môi xảy ra, vật liệu điện môi trải qua một sự thay đổi trong thành phần hóa học của nó và dẫn đến sự thay đổi hằng số điện môi.

Dòng điện sử dụng khi sạc tụ điện

Vài thập kỷ trước, phép thử chỉ số phân cực (PI) đã được giới thiệu để đánh giá khả năng lưu trữ điện tích của hệ thống cách điện. Vì về cơ bản có ba dòng điện khác nhau, như đã mô tả ở trên, liên quan đến việc nạp điện cho một tụ điện.

1. Dòng sạc – Dòng điện tích lũy trên các tấm và phụ thuộc vào diện tích của các tấm và khoảng cách giữa chúng. Dòng sạc thường kết thúc trong< hơn 1 phút. Lượng điện tích sẽ như nhau bất kể tình trạng của vật liệu cách điện.
2. Dòng phân cực – Dòng điện cần thiết để phân cực vật liệu điện môi hoặc căn chỉnh các lưỡng cực được tạo ra bằng cách đặt vật liệu điện môi trong trường tĩnh điện. Thông thường với các hệ thống cách điện được lắp đặt trong động cơ (trước những năm 1970) khi thử nghiệm chỉ số phân cực được phát triển, giá trị danh nghĩa của một hệ thống cách điện mới, sạch sẽ nằm trong phạm vi 100 megaohm ( ^10,6 ) và thường cần hơn 30 phút. và trong một số trường hợp phải mất nhiều giờ để hoàn thành. Tuy nhiên, với hệ thống cách điện mới hơn (sau những năm 1970), giá trị danh nghĩa của hệ thống cách điện mới, sạch sẽ nằm trong khoảng giga-ohm đến tera-ohm (10 ⁹ , 10 ¹² ) và thường phân cực hoàn toàn trước khi dòng sạc kết thúc hoàn toàn. .
3. Dòng điện rò rỉ – Dòng điện chạy qua vật liệu cách điện và làm tiêu tan nhiệt.

Hiện tại đang sạc

Một tụ điện chưa tích điện có các bản cực có chung số điện tích dương và âm.

Đặt nguồn một chiều vào các bản của một tụ điện chưa tích điện sẽ làm cho các electron chảy từ cực âm của pin và tích tụ trên bản nối với cực âm của pin.

Điều này sẽ tạo ra sự dư thừa các điện tử trên tấm này.

Các electron sẽ chảy từ bản nối với cực dương của pin và chảy vào pin để thay thế các electron tích tụ trên bản cực âm. Dòng điện sẽ tiếp tục chạy cho đến khi điện áp trên bản cực dương bằng với cực dương của ắc quy và điện áp ở bản cực âm sẽ đạt được điện thế của cực âm của ắc quy.

Số lượng electron dịch chuyển từ pin sang các bản phụ thuộc vào diện tích của các bản và khoảng cách giữa chúng.

Dòng điện này được gọi là dòng điện nạp , dòng điện này không tiêu tốn năng lượng và được tích trữ trong tụ điện. Các electron được lưu trữ này tạo ra một trường tĩnh điện giữa các bản.

phân cực hiện tại

Đặt một vật liệu điện môi giữa các bản trong tụ điện làm tăng điện dung của tụ điện so với khoảng cách giữa các bản trong chân không.

Khi một vật liệu điện môi được đặt trong trường tĩnh điện, các lưỡng cực mới hình thành sẽ phân cực và đầu âm của lưỡng cực sẽ thẳng hàng với bản dương và đầu dương của lưỡng cực sẽ thẳng hàng với bản âm. Điều này được gọi là phân cực .

Hằng số điện môi của vật liệu điện môi càng cao thì càng cần nhiều electron, do đó làm tăng điện dung của mạch.

rò rỉ hiện tại

Lượng dòng điện nhỏ chạy qua vật liệu điện môi trong khi vẫn duy trì tính chất cách điện của nó được gọi là điện trở hiệu dụng. Điều này khác với cường độ điện môi được định nghĩa là điện áp tối đa mà vật liệu có thể chịu được mà không bị hỏng.

Khi một vật liệu cách điện xuống cấp, nó trở nên có điện trở lớn hơn và ít điện dung hơn, làm tăng dòng rò và giảm hằng số điện môi. Dòng điện rò sinh ra nhiệt và được coi là tổn thất điện môi .

Yếu tố tản

Là một kỹ thuật kiểm tra thay thế sử dụng tín hiệu AC để vận hành hệ thống cách điện tường tiếp đất (GWI). Tuy nhiên, như đã giải thích ở trên, việc sử dụng tín hiệu DC để kiểm tra GWI gặp phải 3 dòng điện khác nhau, thiết bị không thể phân biệt các dòng điện khác ngoài thời gian. Tuy nhiên, bằng cách áp dụng tín hiệu AC để kiểm tra GWI, có thể tách dòng điện được lưu trữ (dòng điện sạc, dòng điện phân cực) khỏi dòng điện trở (dòng điện rò rỉ).

Vì cả dòng điện nạp và dòng điện phân cực đều là dòng điện dự trữ và được đưa trở lại ½ chu kỳ ngược lại, dòng điện dẫn điện áp một góc 90°, trong khi dòng điện rò rỉ là dòng điện trở tản nhiệt và dòng điện cùng pha với dòng điện điện áp đặt. Hệ số tiêu tán (DF) đơn giản là tỷ số của dòng điện dung (I _C ) với dòng điện trở (I _R ).

DF = Tôi _C / Tôi _R

Trên vật liệu cách nhiệt mới, sạch, thông thường, I _R là< 5% I _C , nếu vật liệu cách điện bị nhiễm bẩn hoặc xuống cấp nhiệt thì I _C giảm hoặc I _R tăng. Trong cả hai trường hợp, DF sẽ tăng lên.

Bản tóm tắt

Trong những năm 1800, kiểm tra chỉ số phân cực là một phương pháp hiệu quả để xác định tình trạng chung của động cơ. Tuy nhiên, nó đã trở nên kém hiệu quả hơn với các hệ thống cách nhiệt hiện đại.

Mặc dù thử nghiệm PI tốn nhiều thời gian (hơn 15 phút) và không thể xác định liệu lỗi nằm ở cách điện cuộn dây hay cách điện của tường đất, nhưng các công nghệ hiện đại, chẳng hạn như Phân tích mạch động cơ (MCA ^TM ), xác định các sự cố kết nối, lỗi cuộn dây lần lượt, cuộn dây này và cuộn dây phát triển theo từng pha ở giai đoạn rất sớm với các thử nghiệm được hoàn thành trong vòng chưa đầy 3 phút.

Các công nghệ khác, chẳng hạn như DF, CTG & IRG, cũng cung cấp điều kiện cho hệ thống cách nhiệt tường đất trong các thử nghiệm được hoàn thành trong thời gian tối thiểu.

Bằng cách kết hợp các công nghệ mới, chẳng hạn như MCA ^TM , DF, CTG và IRG, các phương pháp thử nghiệm động cơ điện hiện đại cung cấp đánh giá toàn diện và kỹ lưỡng hơn về toàn bộ hệ thống cách nhiệt của động cơ nhanh chóng và dễ dàng hơn bao giờ hết.