Test wyładowań niezupełnych w ocenie jakości uzwojeń silników elektrycznych

Test wyładowań niezupełnych w ocenie jakości uzwojeń silników elektrycznych zasilanych z przetwornic częstotliwości

1. Wprowadzenie
W ciągu ostatnich kilku lat test wyładowań niezupełnych zyskał na znaczeniu w ocenie izolacji silników elektrycznych. Jest to szczególnie prawdziwe ze względu na duży wzrost liczby przetwornic częstotliwości w sterowaniu silnikami. Nasze doświadczenie pokazuje, że wielu użytkowników zdaje sobie sprawę z konsekwencji testu wyładowań niezupełnych, jednak niewielu zna dokładne szczegóły oraz istotę tych badań. Niniejszy artykuł ma na celu „rzucenie światła” na tego typu badania. Nie jest to artykuł naukowy, ale ogólny opis metody testowej i jej zastosowanie.

2. Czym są wyładowania niezupełne?
Poniższy przykład ilustruje typowe zwarcie w teście konwencjonalnym wysokonapięciowym przeprowadzonym napięciem przemiennym.
Silniki elektryczne są zwykle oceniane w następujący sposób: „Silnik nie może mieć żadnych uszkodzeń, ani nadmiernego prądu upływu”. Ocena „Ile to za dużo prądu w teście wysokonapięciowym” nie jest taka prosta.
Maksymalny dopuszczalny prąd wysokiego napięcia można określić i wskazać za pomocą pomiarów porównawczych w środowisku produkcyjnym. Jednak dla zakładów naprawczych i techników, którzy zwykle nie dysponują taką wartością graniczną prądu, stanowi to problem. W zależności od pojemności izolacji w silniku prąd jest niski w mniejszych silnikach elektrycznych i odpowiednio wyższy w większych silnikach. Doświadczony operator często czuje, że w silniku może płynąć zbyt duży prąd upływowy ze względu na słyszalne „trzaski” podczas testów wysokonapięciowych. W takich przypadkach nie jest to całkowita awaria, ale efekt wyładowań niezupełnych. Naszym zadaniem jest teraz zmierzenie i ocena wpływu wyładowań niezupełnych na niezawodność. W odniesieniu do słowa „niezupełne”, awaria występuje tylko w określonych miejscach izolacji gdzie występuje wyładowanie.
Poniższy rysunek przedstawia miejsce w którym występuje częściowe osłabienie izolacji lub wada podczas produkcji uzwojenia stojana silnika elektrycznego.
Ten słaby punkt izolacji jest nadmiernie obciążony podczas pracy silnika elektrycznego lub podczas testu wysokonapięciowego i nie jest w stanie wytrzymać tego zwiększonego „stresu elektrycznego”. W rezultacie dochodzi do częściowego uszkodzenia w tym miejscu określanego jako wyładowanie niezupełne.
Jednak pozostała izolacja może nadal wytrzymać zwiększone napięcie, dzięki czemu nie dochodzi do całkowitego uszkodzenia.
Poniższy rysunek ilustruje podstawową konfigurację izolacji. Wysokie napięcie jest podłączone pomiędzy dwoma przewodami elektrycznymi (np. uzwojeniem i laminatami lub przewodem i przewodem).
Przewody elektryczne są oddzielone od siebie izolacją. W idealnym jednorodnym środowisku izolacja może być przedstawiana jak duży kondensator (CIR). Jednak z powodu wady izolacji mogą istnieć przegrody, które są lokalnie obciążone przez wysoką siłę elektryczną (Cair). Jest to zilustrowane w środkowej części rysunku. W takiej przeładowanej przegrodzie następuje wyładowanie niezupełne.
Konsekwencją wyładowań niezupełnych jest powolne, ale ciągłe niszczenie funkcjonalnych części systemu izolacyjnego. W oparciu o koncepcję „kropla drąży skałę”, stałe wyładowania niezupełne prowadzą do erozji uszkodzonego miejsca. To nieuchronnie powoduje osłabienie izolacji w uszkodzonym miejscu, więc działająca izolacja wkrótce nie będzie w stanie wytrzymać naprężeń. Prowadzi to do zwarcia, a tym samym do całkowitego zniszczenia silnika elektrycznego. Dlatego celem powinno być zawsze zapobieganie wyładowaniom niezupełnym w silniku elektrycznym lub generatorze. Często jest tylko kwestią czasu, kiedy z pozoru niegroźne wyładowania niezupełne zniszczą cały silnik lub generator.
Wyładowanie niezupełne jest efektem fizycznym zależnym od napięcia. W efekcie końcowym wraz ze wzrostem napięcia występuje wyładowanie niezupełne. Pytanie tylko, jaki poziom napięcia testowego należy zastosować? Odpowiedź leży w zastosowaniu silnika elektrycznego. Napięcie testowe, które należy wybrać do badań wyładowań niezupełnych, zależy od odpowiedniego zastosowania silnika. Jeśli nie jest ono znane, oczywistym wyborem jest założenie, że silnik może i będzie używany w systemie zasilania poprze przetwornice częstotliwości (VFD).

3. Silniki elektryczne w zakładach przemysłowych zasilane z sieci (nie przez VFD)
Silnik elektryczny, który jest bezpośrednio podłączony do sieci, jest ładowany tylko głównym napięciem AC i widzi tylko wartości szczytowe powodujące wyłączanie i włączanie silnika, w wyniku czego nie ma sensu, aby ta aplikacja była testowana na silniku za pomocą wysokich napięć testowych w celu sprawdzenia, czy jest ona wolna od wyładowań niezupełnych.

4. Maszyny wysokiego napięcia
Silniki wysokonapięciowe wymagają napięcia testowego, które jest odpowiednio dostosowane do wysokiego napięcia roboczego AC, aby sprawdzić, czy jest ono wolne od wyładowań niezupełnych. Dotyczy to silników zasilanych napięciem znamionowym 5 kV i wyższym. Wysokie napięcie robocze wymaga specjalnego wysokonapięciowego systemu izolacji AC. Biorąc to pod uwagę, należy testować na wyższych poziomach napięć probierczych, aby zapewnić odpowiednie poziomy testowe w celu spełnienia wymagań.

5. Silniki elektryczne w zakładach przemysłowych zasilane z przetwornic częstotliwości (VFD)
Silniki elektryczne, które są zasilane przez przetwornice, muszą być testowane zwiększonym napięciem testowym, aby sprawdzić, czy są wolne od wyładowań niezupełnych. Dlaczego silnik zasilany przetwornicą powinien być testowany podwyższonym napięciem testowym? Wiele osób zadaje sobie to pytanie. W jaki sposób wysokie napięcie może w ogóle wystąpić w silniku elektrycznym obsługiwanym przez przetwornice? Odpowiedź można znaleźć w podstawowej zasadzie działania przetwornicy częstotliwości. VFD dostarcza trójfazowe napięcie AC do silnika elektrycznego, które jest najpierw prostowane i równomiernie magazynowane w odpowiednio dużych pojemnościach. Obciążenie lub pojemność w przetwornicy częstotliwości jest często określana jako obwód pośredni prądu stałego. Teoretycznie maksymalny poziom prądu stałego w obwodzie pośrednim wynika z wartości skutecznej głównego napięcia wejściowego pomnożonej przez √2. Poziom napięcia stałego jest zatem wartością szczytową wartości skutecznej głównego zasilania.
 
Zmagazynowane napięcie stałe jest ponownie przekształcane na napięcie przemienne za pomocą nowoczesnych elektronicznych urządzeń przełączających. Rezultatem jest niejednolita fala sinusoidalna, ale kombinacja prostokątnych impulsów.
 
Amplituda sygnału prostokątnego nie może być modyfikowana, ponieważ przełączniki elektroniczne albo przełączają napięcie stałe na silnik elektryczny, albo nie.
Przetwornica częstotliwości może jednak zmieniać czas trwania impulsu (czas włączenia przełączników elektronicznych). Poprzez zmianę szerokości impulsu sinus jest quasi symulowany. Procedura ta nazywana jest modulacją szerokości impulsu.
W ostatnim czasie prawie prostokątne impulsy mają coraz dłuższy czas narastania. Jest to celowe działanie producentów półprzewodników, aby utrzymać straty mocy na jak najniższym poziomie, podczas cyklu przełączania. Powodem jest to, że znaczne straty (tj. nagrzewanie się półprzewodników) zawsze występują podczas cyklu przełączania. Oznacza to, że im szybciej półprzewodnik przełączy, tym generowane straty będą niższe, a co za tym idzie, mniejsze będą wydatki na chłodzenie w przetwornicy częstotliwości.
Dlatego producenci przetwornic częstotliwości postrzegają wysokie czasy narastania jako część celów rozwojowych.
Jednak z punktu widzenia producentów silników elektrycznych wysokie czasy narastania stanowią duży problem. Powodem jest to, że prowadzą one do skoków napięcia podczas cyklu przełączania [1].

Wynika to z faktu, że sygnały prostokątne zasadniczo istnieją tylko w oparciu o połączone sygnały sinus o różnych częstotliwościach i różnych amplitudach w projekcie elektrycznym. Im wyższa jest krawędź prostokątna, tym wyższe są częstotliwości sygnałów sinus symulujących krawędź. Amplituda sygnałów sinus również stale rośnie. Wartości szczytowe napięcia stają się jeszcze wyższe, gdy silnik elektryczny jest podłączony długim przewodem zasilającym.
Gdy sygnały są teraz przełączane z wysokim czasem narastania na indukcyjność (tj. silnik elektryczny), wysokie częstotliwości sygnału prostokątnego są quasi-filtrowane na indukcyjności. W tym procesie sygnały o wysokiej częstotliwości gwałtownie spadają na pierwszych kilku zwojach uzwojenia cewki na wyprowadzeniach zacisków.
W ten sposób zwoje uzwojenia na początku lub w pobliżu zacisku przyłączeniowego są intensywnie ładowane przez działanie przetwornicy częstotliwości. Poniższa grafika wyraźnie pokazuje związek między wysokim czasem narastania i wynikającym z tego spadkiem napięcia w uzwojeniu cyklu.
 

Występuje zależność dotycząca poziomu impulsu przepięciowego [10]. Określono tutaj związek między impulsem przepięcia, a czasem narastania. Występujące przepięcie zostało określone jako współczynnik. Współczynnik ten należy pomnożyć przez napięcie obwodu pośredniego UDC, aby otrzymać wartość bezwzględną przepięcia. W zależności od czasu narastania zdefiniowano 4 zakresy przepięć dla silników.
 

6. Metody testowania: impuls prądowy czy pomiar wysokiej częstotliwości?
Na początku wspomnieliśmy już, że częściowe rozładowanie występuje w słabych punktach izolacji, gdy ładunek w słabym punkcie staje się zbyt wysoki. Ponieważ prąd upływu nie wzrasta mierzalnie przy występującym wyładowaniu, pojawia się pytanie: „Jak można zmierzyć wyładowanie niezupełne?”
Zasadniczo odpowiedź tkwi w definicji wyładowania niezupełnego. Kiedy coś jest rozładowywane, a napięcie jest nadal podłączone do obiektu testowego z zewnątrz, jest on natychmiast ponownie ładowany. W ten sposób ma szerokość zaledwie kilku nanosekund. Dotyczy to więc bardzo szybkiego impulsu prądowego o wysokiej częstotliwości.
Dlatego układ pomiarowy musi być w stanie wykryć ten szybki impuls.
 

Kondensator PD jest zintegrowany z testerem lub można go wygodnie układać w stosy zintegrowane z przewodami testowymi do badanego obiektu.
Równolegle do wyładowania występuje również emisja elektromagnetyczna sygnału wyładowania. Jest to podobne do iskry elektrycznej lub wyładowania. Jest to definiowane przez operatorów radiowych, jednostki radiowe (RF), które opierają się na tej iskrze i podłączonej fali elektromagnetycznej. Iskra generuje szerokopasmowy sygnał o wysokiej częstotliwości, który może być również zasadniczo identyfikowany przez radio (radio wielopasmowe).
 

Firma SCHLEICH od wielu lat stosuje zarówno pomiar impulsów prądowych, jak i pomiar z użyciem anteny o wysokiej częstotliwości. Obie procedury pomiarowe mają zalety i wady. Nie można powiedzieć, że jedna procedura pomiarowa jest zasadniczo lepsza od drugiej. Procedura pomiaru impulsów prądowych ma tę wadę, że czasami wpływają na nią zewnętrzne zakłócenia. W ten sposób w silniku elektrycznym występuje pozorne wyładowanie niezupełne, ale technika pomiarowa jest zakłócana przez zakłócenia zewnętrzne. W związku z tym może wystąpić błędna interpretacja pozornie zmierzonego wyładowania niezupełnego. Tę wadę można w znacznym stopniu ograniczyć za pomocą specjalnych filtrów, ale nie można jej całkowicie wyeliminować. Pomiar wysokiej częstotliwości fali elektromagnetycznej za pomocą specjalnej anteny ma tę zaletę, że w zależności od wybranego zakresu wysokiej częstotliwości nie występują już perturbacje zakłóceń zewnętrznych lub ich skutki są ograniczone. Logicznie rzecz biorąc, nie należy dokonywać pomiarów w obszarach gdzie działają na przykład stacje radiowe, urządzenia radiowe lub telefony komórkowe. Wadą tej procedury pomiarowej jest jednak to, że całkowicie zainstalowany silnik nie przepuszcza żadnych sygnałów o wysokiej częstotliwości na zewnątrz, ponieważ obudowa silnika jest jak klatka Faradaya dla uzwojenia wewnątrz. Z tego powodu zalecamy stosowanie obu procedur pomiarowych. Dlatego najlepszym rozwiązaniem jest zawsze połączenie obu pomiarów w celu wykorzystania jednego z nich w zależności od zastosowania.

7. Pomiary online czy offline?
Odróżniając dwa warunki pracy silnika elektrycznego, przy pomiarze on-line silnik pracuje, a przy pomiarze off-line silnik nie jest zasilany i nie pracuje. Obecnie SCHLEICH obsługuje test wyładowań niezupełnych jako pomiar off-line. W trybie off-line maszyna może być mierzona podczas naprawy uzwojenia lub gdy silnik jest wyłączony w celach konserwacyjnych. Wadą trybu off-line jest to, że specjalne problemy z izolacją powstające podczas obrotu z powodu występujących sił odśrodkowych i magnetycznych, których nie można zmierzyć. Zaletą pomiaru off-line jest oczywiście łatwiejsza interpretacja efektów wyładowań niezupełnych, na które nie nakładają się ani nie wpływają żadne zakłócenia, np. w zasilaniu poprzez przetwornice. Pomiar off-line jest wykonywany w połączeniu z testem wysokonapięciowym lub testem udarowym niezawodnego pomiaru wyładowań niezupełnych w maszynie. Połączenie obu procedur ma największy sens.

8. Jednostka fizyczna pC (pikokulomb)
Jednostką ładowania lub rozładowania jest pC. Równanie ładunku to: Q = C * U. Zatem ładunek jest iloczynem pojemności (przechowuje ładunek) i poziomu podłączonego napięcia.
Wyładowanie niezupełne jest mierzone w zakresie od około 1 pC do kilku 1000 pC. 1 pC to bardzo, bardzo mało. Napięcie od 1 Volt do pojemności 1 picoFarad skutkuje ładunkiem Pico Coulomb!
W praktyce nie jest obowiązkowe stosowanie testerów z wyświetlaniem jednostki pikokulomb. Wystarczy wykryć za pomocą czułego układu pomiarowego, czy występuje wyładowanie niezupełne, czy nie. Określenie napięcia inicjacji i zaniku wyładowania niezupełnego jest przy tym ważniejsze niż bezwzględna wartość pomiarowa wyładowania niezupełnego w jednostce Pico Coulomb.
Dlatego SCHLEICH produkuje testery wyładowań niezupełnych bez użycia wskaźnika Pico Coulomb.

9. Napięcie incepcji oraz zaniku
W celu oceny izolacji często mierzy się napięcia początkowe i zanikowe. W tym przypadku wysokie napięcie (niezależnie od tego, czy jest to zmienne wysokie napięcie, czy napięcie udarowe) jest stale zwiększane od wartości początkowej do wartości maksymalnej. Gdy tylko wyładowanie niezupełne rozpocznie się przy określonym napięciu, jest ono definiowane jako napięcie początkowe (inicjacji) wyładowania niezupełnego (PDIV). Następnie wysokie napięcie jest zmniejszane aż do zaniku wyładowania niezupełnego. Wartość ta jest napięciem zaniku wyładowania niezupełnego (PDEV).
 

Wysokiej jakości system izolacyjny charakteryzuje się tym, że obie wartości napięcia są na wysokim poziomie.
Zasadniczo można powiedzieć: „Im wyżej, tym lepiej”. Wartości napięcia powinny być co najmniej wyższe niż poziom szczytów napięcia, które mogą wystąpić podczas pracy. W tym celu normy określają średnie wartości standardowe.

10. Testery wysokonapięciowe z napięciem HV AC i pomiarem wyładowań niezupełnych
Ta technika testowa jest już stosowana w testerach uzwojeń SCHLEICH do produkcji silników od ponad 10 lat.
Testery MTC2 i MTC3 charakteryzują się następującymi typowymi cechami:

• test wyładowań niezupełnych zgodnie z normami krajowymi i międzynarodowymi,
• elektroniczne źródło sinus-HV,
• regulowane wysokie napięcie probiercze z bardzo dokładną rozdzielczością,
• regulowana częstotliwość wysokiego napięcia umożliwiająca wykonywanie pomiarów dla różnych zakresów zastosowań i różnych rynków,
• odsprzęganie pojemnościowe impulsu wyładowania niezupełnego,
• odsprzęganie indukcyjne impulsu wyładowania niezupełnego,
• pomiar wysokiej częstotliwości impulsu wyładowania niezupełnego w zakresie gigahercowym z anteną,
• automatyczne określanie napięcia początkowego i gaszącego,
• automatyczne określanie wartości szczytowej wyładowania niezupełnego,
• automatyczne określanie sumy wyładowań niezupełnych.

11. Test Surge z PD
Ta technika testowa jest już stosowana w testerach uzwojeń SCHLEICH do produkcji silników od ponad 10 lat. Wielu znanych producentów silników zaufało tej technice.
   

Testery MTC2 i MTC3 charakteryzują się następującymi typowymi cechami:

• impuls przepięciowy o wysokim czasie narastania wyraźnie poniżej 200 nanosekund zgodnie z normami europejskimi i międzynarodowymi,
• precyzyjna regulacja napięcia impulsu SURGE,
• odsprzęganie pojemnościowe impulsu wyładowania niezupełnego,
• odsprzęganie indukcyjne impulsu wyładowania niezupełnego,
• pomiar wysokiej częstotliwości impulsów wyładowań niezupełnych w zakresie gigaherców z anteną,
• automatyczne określanie napięcia inicjacji i zaniku,
• automatyczne określanie wartości szczytowej wyładowania niezupełnego,
• automatyczne określanie sumy wyładowań niezupełnych.

Opierając się na naszym wieloletnim i zróżnicowanym doświadczeniu z wieloma producentami silników na całym świecie, możemy bardzo pozytywnie wypowiadać się o teście wyładowań niezupełnych. Jest to metoda testowa, która w unikalny sposób obejmuje wady produkcyjne oraz efekty starzenia. Dlatego ta metoda testowa ma ogromne znaczenie dla produkcji, a także dla zakładów naprawczych i konserwacyjnych. Nasze know-how obejmuje silniki i alternatory o mocy od 100 KM do 4 MW. Pomiar impulsu prądowego w przewodach zasilających silnik elektryczny okazał się bardzo korzystny jako alternatywa dla pomiaru wysokiej częstotliwości (z anteną) w silnikach z obudową elektromagnetyczną. Pomiar impulsu prądowego umożliwia również niezawodne wykonywanie testów wyładowania niezupełnego w zmontowanych silnikach elektrycznych. Operator nie musi myśleć o idealnym ustawieniu anteny.
   

Ponadto SCHLEICH proponuje test wyładowań niezupełnych za pomocą uznanej na całym świecie kombinacji opartej na zmiennym wysokim napięciu i napięciu SURGE. Przełączanie między różnymi połączeniami uzwojenia w silniku elektrycznym odbywa się w pełni automatycznie i może być realizowane przy napięciach probierczych do 50 KV.
 

Wszystkie testery SCHLEICH są opracowywane i produkowane we własnym zakresie, nie zlecamy podwykonawstwa żadnej części naszego sprzętu testowego innym podmiotom. Dzięki ponad 25-letniemu doświadczeniu w testowaniu i produkcji wysokiej jakości sprzętu testowego, pokrywamy wymagania standardów VDE30-18-41/ IEC60034-48-41 oraz IEC TS 67934. Wszystkie nasze testery są „Made in Germany” w naszym zakładzie w Hemer.