73_SZYMANIEC poprawi.. - Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów

Nr 62
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 62
Studia i Materiały
Nr 28
2008
izolacja uzwojeń silników WN indukcyjnych
klatkowych, diagnostyka on-line stanu izolacji
uzwojeń, wyładowania niezupełne
Sławomir SZYMANIEC*
DIAGNOSTYKA ON-LINE STANU IZOLACJI UZWOJEŃ
W SILNIKACH WYSOKONAPIĘCIOWYCH INDUKCYJNYCH
KLATKOWYCH
W pracy przedstawiono podstawowe zagadnienia z zakresu diagnostyki izolacji uzwojeń maszyn
elektrycznych w szczególności silników indukcyjnych klatkowych WN. Przedstawiona praca wynika
z wieloletniej współpracy autora z przemysłem krajowym w zakresie diagnostyki maszyn
elektrycznych w szczególności w obszarze eksploatacji silników indukcyjnych trójfazowych. Praca
ma przede wszystkim walor użyteczności praktycznej. Przedstawione metody diagnostyczne własne
bądź autorstwa innych, zostały przez autora sprawdzone w warunkach laboratoryjnych, a następnie
zweryfikowane w warunkach przemysłowych.
1. WSTĘP
Złożona struktura materiałów izolacyjnych stosowanych w silnikach indukcyjnych
WN i specyfika procesu technologicznego układu izolacyjnego [1, 2, 3, 5, 6, 7, 15]
mogą być przyczynami powstania wewnętrznych defektów – najczęściej w postaci;
wtrącin powietrznych, obszarów o zmiennej przenikalności dielektrycznej, ostrych mikronierównomierności powierzchniowych, itp. Układy izolacyjne silników WN pracują w warunkach wieloczynnikowego narażenia [1, 15, 16], co powoduje, że w czasie
eksploatacji maszyn powiększają się defekty już istniejące oraz powstają nowe.
Procesowi starzenia się izolacji towarzyszy zjawisko wyładowań niezupełnych – wnz
[1, 3, 6, 7, 15]. Wyładowania niezupełne (Partial Discharge – PD) są wyładowaniami
występującymi wewnątrz układu izolacyjnego, które tylko częściowo zwierają izolację między przewodnikami, które mogą być przyległe lub nie do przewodnika [7].
____________
* Politechnika Opolska, [email protected]
493
Są one ogólnie uważane za wyładowania lokalne i w wielu przypadkach ze
znacznym wyprzedzeniem poprzedzają całkowite przebicie izolacji [1, 4, 6, 7, 15].
Ogólnie wnz stanowią skutek miejscowej koncentracji naprężeń w izolacji lub na jej
powierzchni. Mają zwykle postać impulsów o czasie trwania krótszym od 1µs [7].
Jeżeli lokalne pole elektryczne przekroczy określoną granicę inicjacji wyładowania
(np. dla po-wietrza E ≥ 3 kV/mm [14]) w obecności elektronu startowego formuje
się lawina elektronów. Zjawisko to jest ograniczone w przestrzeni i ma charakter
przejściowy [4, 6]. Skutkiem oddziaływania tego typu zjawisk na układ izolacyjny
jest stopniowe jego osłabienie, w szczególności w wyniku kumulowania się
uszkodzeń przy nie-gasnących wnz [4, 7, 15]. Jest to składnik starzenia
eksploatacyjnego izolacji. Jak wynika z badań [1, 2, 3, 4, 6, 7, 15], wnz są głównym
objawem uszkodzenia izolacji wywołanego jej zestarzeniem. Z tego powodu detekcja
wnz izolacji jest ważnym elementem oceny jej stanu [15]. Pomimo swej lokalnej
natury, wnz są zjawiskiem niezwykle złożonym, wykazują zachowania chaotyczne,
niestacjonarne [4]. Złożoność tego zjawiska wynika z dużej liczby i różnorodności
warunków geometrycznych i materiałowych w których wnz mogą zaistnieć.
2. POMIARY WNZ
W ostatnich kilku latach obserwuje się coraz częściej wykorzystywanie wnz do
diagnostyki stanu izolacji maszyn elektrycznych WN, głównie dzięki szybkiemu rozwojowi techniki cyfrowej, która może przetwarzać i analizować informacje z pomiarów wnz [1, 4, 15, 16]. Zagadnienie wykorzystania wnz do diagnostyki stanu izolacji
uzwojeń maszyn elektrycznych off-line jest przedstawione w literaturze [4, 6, 16, 17].
Jak do tej pory nie ma polskiej normy dotyczącej wnz w izolacji uzwojeń silników.
W ocenie autora jednolitych norm w tym zakresie nie ma również na świecie. Znane
światowe firmy produkujące uzwojenia maszyn elektrycznych stosują własne, fabryczne normy, wprowadzając kryteria dotyczące intensywności wnz głównie dla
uzwojeń generatorów. W kraju Instytut Energetyki w Poznaniu doprowadził do wprowadzenia krajowych kryteriów diagnozowania układów izolacyjnych prętów
generatorów przez pomiar intensywności wnz metodą off-line [17].
Wnz w układzie izolacyjnym uzwojeń towarzyszą różne zjawiska fizyczne, których
obserwacja oraz pomiary mogą być wykorzystane do detekcji wnz i następnie do
wyznaczenia wartości parametrów opisujących wnz. Zjawiskami tymi są między
innymi [1, 3, 4, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15]:
– występowanie impulsu prądowego,
– emisja fal elektromagnetycznych,
– zmiany strat dielektrycznych,
– reakcje chemiczne,
– udarowe odkształcenia sprężyste i towarzysząca im emisja fali akustycznej.
494
W zależności od układu izolacyjnego uzwojeń, rodzaju dielektryka oraz typu wnz,
poszczególne efekty mogą występować z różnym nasileniem. Opisując podstawowe
wielkości charakteryzujące wnz należy przywołać definicje zawarte w stosownej
normie krajowej PN-EN60270 [12] i międzynarodowej IEC 60270:2000 [15].
Podstawowymi wielkościami dla wnz są [12]: ładunek pozorny – q, częstość
powtarzania impulsów – n, średni prąd wyładowań – I, wskaźnik kwadratowy – D,
moc wyładowań – P, napięcie początkowe wyładowań – Ui, napięcie gaśnięcia – Ue,,
kąt fazowy ϕi oraz chwila wystąpienia impulsu wyładowania ti.
Bardzo często wielkościami charakteryzującymi wnz w czasie pomiarów są:
ładunek maksmalny wyładowań qmax, parametr PDI (Partial Discharge Intensity) [15].
Jest to moc wyładowań, liczona dla rzeczywistych wartości napięć, jednakowych dla
wszystkich impulsów, a nie chwilowych, indywidualnych napięć ui (dla każdego
ładunku qi). Jednostką PDI są mW. Coraz częściej w pomiarach wnz stasuje się
współczynniki normalizujące:
a) Współczynniki Qm; są definiowane jako amplituda wnz odpowiadająca występowaniu 10 impulsów na sekundę. Przy danej polaryzacji impulsów, Qm określa jak
głęboka jest degradacja izolacji w najgorszym miejscu uzwojenia [1]. Qm wyznacza się
oddzielnie dla dodatniej i ujemnej polaryzacji impulsów Qm+ i Qm–. Współczynniki Qm
są przez niektórych producentów aparatury diagnostycznej (np. ADWEL, CUTLER
HAMMER) oznaczane symbolem Qmax.
b) Współczynniki NQN (Normalized Quantity Number)); jest to całkowita aktywność
wnz przy danej polaryzacji impulsów. Określa ją dla danej polaryzacji impulsów całkowita liczba impulsów. NQN jest proporcjonalna do całkowitej ilości miejsc o pogorszonych właściwościach izolacyjnych, monitorowanych podczas pomiarów [1]. NQN
wyznacza się oddzielnie dla dodatniej i ujemnej polaryzacji impulsów: NQN+ i NQN–.
Aparatura diagnostyczna czołowych amerykańskich i kanadyjskich firm zajmujących
się pomiarami wnz obok pomiarów współczynników normalizujących proponuje
zawsze opcje pomiarowe typu:
– Analiza wielkości impulsów wnz; jest to dwuwymiarowy wykres, który
przedstawia liczbę n wyładowań wnz w ciągu 1s w funkcji ich amplitudy dla danej
polaryzacji impulsów wnz. Gdy zachodzi możliwość kalibracji toru pomiarowego
(konieczność demontażu silnika) amplitudę wnz wyraża się w [pC]. Przy braku
możliwości kalibracji (w praktyce przypadek najczęstszy) amplitudę wnz wyraża się
w [mV] [1].
– Analiza fazy impulsów wnz; jest to trójwymiarowy wykres, który przedstawia
liczbę wyładowań n wnz w ciągu 1s w zależności od kąta napięcia zasilania dla danej
fazy maszyny oraz w zależności od amplitudy wnz [mV] dla danej polaryzacji
impulsów wnz [1].
– Analiza trendów zmian wymienionych wcześniej wielkości w funkcji czasu przy
uwzględnieniu temperatury, wilgotności, obciążenia. Należy zauważyć, że w trakcie
pomiarów wnz nie mierzy się rzeczywistego lokalnego wyładowania ale ładunek
indukowany tym wyładowaniem na sąsiadujących elektrodach – zaciskach układu
495
pomiarowego. W badaniach przemysłowych przy pomiarach on-line jest to zmiana
napięcia wyrażona w [mV]. Oznacza to, że mierzy się falę wędrującą od płynącego
ładunku do układu pomiarowego [1, 6].
W ramach badań własnych autor zbudował przenośny zestaw aparatury do
pomiarów wnz silników off-line i on-line [16]. Zestaw aparaturowy może
współpracować z dowolnymi czujnikami wnz typu: kondensatory sprzęgające,
termorezystor RTD, czujniki RFCT, cewki Rogowskiego tak sztywne jak i elastyczne.
Korzystając z przedstawionego wyżej zestawu aparaturowego autor wykonał badania stanu izolacji on-line na kilkunastu silnikach WN pracujących w przemyśle
krajowym. Badano silniki o mocach: 1,0 MW, 1,4 MW, 2,4 MW, 4,4 MW z izol.
klasy F. Jednym z ciekawszych wydaje się przypadek silnika o mocy 2,4 MW. Na rys. 1
przedstawiono wyniki 3-miesięcznych pomiarów wnz silnika. Wnz mierzono
a)
b)
Rys.1. Pomiary parametru Qmax, silnik o mocy 2,4 MW, 6 kV, pomiary wnz przy użyciu RTD::
a) przed oczyszczeniem uzwojenia, b) po oczyszczeniu uzwojenia.
Fig.1. Measurements of parameters Qmax for 2.4 MW 6kV motor of PD methods using RTD:
a) before cleaning the winding, b) after cleaning the winding
przy pomocy 12 czujników RTD. Z czego: RTD01÷RTD06 znajdowały się od strony
napędowej, a RTD07÷RTD12 od strony przeciwnapędowej. Od strony napędowej wnz
były zdecydowanie większe niż od strony przeciwnapędowej. W miarę upływu czasu
zaobserwowano intensywny wzrost wnz, w szczególności przy pomiarze RTD03. Qmax
wzrosło z 475 mV do 955 mV, wzrost przeszło 2 krotny - rys.1. Silnik w zakładzie
należy do grupy maszyn krytycznych nie mających dublera. W związku ze wzrostem
wnz autor zaproponował zatrzymanie napędu i przegląd uzwojenia silnika. Pod koniec
listopada zaplanowano przerwę produkcyjną w zakładzie. W tym czasie dokładnie
oczyszczono uzwojenia silnika, poddano je zabiegom konserwacyjnym. Następnie
wykonano pomiary off-line. Test Meggera i test impulsowy wykazał dobry stan
izolacji silnika [16]. Po uruchomieniu silnika przeprowadzono pomiary kontrolne
wnz. Pomiary wykazały wyraźny spadek aktywności wnz silnika, spadek Qmax nawet 9
krotny – rys. 1.
496
3. WNIOSKI KOŃCOWE
Z wykonanych przez autora badań wynikają następujące wnioski natury ogólnej:
1. Pracy silników elektrycznych towarzyszą wyładowania niezupełne. Sekwencje
impulsów wnz są zdarzeniami losowymi, charakteryzującymi się znacznym rozrzutem
wielkości amplitudowych i fazowych. Można je scharakteryzować przy pomocy
wielkości takich jak; n, q, ϕ, Qmax (Qm,), PDI, NQN+, NQN–. Są to wielkości
opisujące intensywność wnz, częstotliwość występowania wnz oraz kąt fazowy –
rozkłady fazowo-rozdzielcze.
2. Charakter wnz towarzyszących pracy silników elektrycznych jest bardzo
złożony. Pomiary on-line wymagają specjalistycznych czujników wnz oraz aparatury
analizującej sygnały wnz. Analiza sygnałów dla celów diagnostycznych powinna być
prowadzona z uwzględnieniem rozkładów fazowo-rozdzielczych. W miarę upływu
czasu eksploatacji silników, obserwuje się zmianę intensywności wnz przy
charakterystycznych rozkładach fazowo-rozdzielczych. Zmiany intensywności wnz
przedstawione w charakterystykach typu trend, zmiany charakterystyk fazoworozdzielczych mogą być wykorzystane do diagnostyki on-line stanu izolacji silników.
3. Pomiar wnz on-line silników oraz monitoring stanu izolacji ułatwia racjonalną
ich eksploatację w odniesieniu do układu izolacyjnego. Zmiana wielkości charakteryzujących wnz obok informacji o stanie izolacji, o pogłębiającym się zużyciu
izolacji uzwojenia silnika, dostarcza dodatkowych informacji np. o ewentualnym
zabrudzeniu uzwojenia silnika. Stwarza to możliwości prowadzenia właściwych
działań serwisowych wobec silników. Autor uważa, że w warunkach przemysłu
krajowego pomiary wnz on-line silników elektrycznych WN mające na celu
określenie stanu ich izolacji są technicznie i ekonomicznie uzasadnione, oraz
logistycznie i technicznie możliwe.
LITERATURA
[1] ADWEL: PD monitoring. Nota Aplikac. 2003.
[2] Bertenshaw D., Sasic M.: On-line Partial Discharge Monitoring on MV motors-Case studies on
Improved Sensitivity Couplers. Nota Aplikacyjna firmy ADWEL International Canada, 2002.
[3] Blokhintsev, M. Golovkov, A. Golubev, C. Kane: Field Experiences on the Measurement of Partial
Discharges on Rotating Equipment, IEEE PES’98, February 1–5, Tampa.
[4] Florkowska B, Florkowski M., Włodek R., Zydroń P.: Mechanizmy, pomiary i analiza wyładowań
niezupełnych w diagnostyce układów izolacyjnych wysokiego napięcia. Wyd. IPPT PAN,
Warszawa 2001.
[5] Glinka T.: Badania diagnostyczne maszyn elektrycznych w przemyśle. Wyd. BOBRME, Katowice 1998.
[6] Golubev A, Paoletti G.: Partial Discharge Theory and Technologies related to Medium Voltage
Electrical Equipment. 2000 IEEE. Reprinted, with permission, from Paper 99–25 presented at the IAS
34th Annual Meeting, Oct 3–7, ‘99, Phoenix, AZ.
497
[7] Gulski E.: Diagnozowanie wyładowań niezupełnych w urządzeniach wysokiego napięcia w eksploatacji. Wyd. Polit. Warszawskiej, Warszawa 2003.
[8] Holbøll J. T., Henriksen M., Jensen A.: Motor insulation diagnostics by high frequency PD
detection. Asnaes Power Station SK Power Company, Kalundborg, Denmark 1994.
[9] Hoof, M., Lanz, S.. PD Diagnostics on Rotating Machines – Possibilities and Limitations. Electrical
Insulation Conf., Cincinnati, October 26–28, 1999.
[10] Kane C., Pozonsky J., Carney S., Blokhintsev I.: Advantages of Continuous Monitoring of Partial
Discharges in Rotating Equipment and Switchgear. 2003 AISE Meeting, Pittsburgh, PA, Sept. 2003.
[11] Kouadria D., Ryder D. M., Miller R., Thompson A. I.: On-site application of a computer aided
system for PD measurement and interpretation in electrical machines. 9th Intern. Conf. on
Condition Monitoring and Diagnostic Engineering and Management (COMADEM), Sheffield
University, UK 1996.
[12] PN-EN 60270. Wysokonapięciowa technika probiercza. Pomiary wyładowań niezupełnych.
[13] Sasic M., Bertenshaw D.: On-line Partial Discharge Monitoring on MV Motors –Case Studies on
Improved Sensitivity Couplers and Interpretation Methods, SDEMPED, ITALY 1–3 Sept. 2001
pp. 1–5.
[14] Sasic M.: Partial discharge measurement on rotating machines. 9th National Congress of Electric
Rotating Machinery September 29 to October 2, 1999, Veracruz, Mexico.
[15] Stone G.C., Boulter E.A., Culbert I., Dhirani H.: Electrical insulation for rotating machines. IEEE
PRESS series on Power Engineering, USA, 2004.
[16] Szymaniec S.: Diagnostyka stanu izolacji uzwojeń i stanu łożysk silników indukcyjnych klatkowych
w warunkach przemysłowej eksploatacji. Studia i Monografie z. 193, Wyd. Politech. Opolskiej,
Opole 2006.
[17] Tułodziecka E., Andrzejewski K., Pietrzak K.: Monitorowanie układów izolacyjnych uzwojeń stojanów turbogeneratorów GTHW-360 w Elektrowni Bełchatów na podstawie pomiarów wnz w systemie off-line. XIV Konferencja Energetyki, Książ 7-9.09.2005, Materiały Konferencyjne, s. 331–350.
[18] Warren V.: Partial Discharge Testing: A Progress Report. Iris Rotating Machinery Conference,
USA, Santa Monica, June 2003, pp. 1–13.
ON-LINE DIAGNOSIS OF WINDING INSULATION
IN HIGH-VOLTAGE SQUIRREL-CAGE INDUCTION MOTORS
The paper presents basic issues related to diagnosis of winding insulation in electric machines, in
particular high-voltage squirrel-cage induction motors. This paper is the result of a long cooperation of
the author with domestic industry within the scope of electric machine diagnosis, including in particular
operating three-phase induction motors. The paper can be used for practical purposes. The presented
diagnostic methods developed by the author or other persons have been tested in laboratory conditions
and then verified in industrial environment.