Tadeusz GLINKA* STAN TECHNICZNY IZOLACJI UZWOJEŃ

Tadeusz GLINKA* STAN TECHNICZNY IZOLACJI UZWOJEŃ

Nr 48
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Studia i Materiały
Nr 20
Nr 48
2000
maszyny elektryczne,
diagnostyka izolacji uzwojeń
Tadeusz GLINKA*
STAN TECHNICZNY IZOLACJI UZWOJEŃ MASZYN ELEKTRYCZNYCH
I ICH PARAMETRY WYZNACZONE NAPIĘCIEM STAŁYM
Diagnostyka układu izolacyjnego uzwojeń maszyn elektrycznych napięciem stałym jest
najprostszą metodą oceny stanu technicznego izolacji. Metoda ta jest już na tyle upowszechniona i
uznana, że została wpisana do Polskiej Normy PN-E-04700 z 1998r.[1], na razie jako próba
nieobowiązkowa.
Pokazano, na przykładach dwóch wirników maszyn prądu stałego, jak stan techniczny izolacji
uzwojenia (tzn. stopień jej zużycia) wpływa na parametry elektryczne układu izolacyjnego
wyznaczone napięciem stałym. Tym samym chcemy wykazać, że parametry elektryczne układu
izolacyjnego wyznaczone napięciem stałym są parametrami kryterialnymi, według których można w
sposób jednoznaczny ocenić stan techniczny izolacji uzwojenia.
1. METODYKA POMIARÓW
Badanie układu izolacyjnego napięciem stałym, obejmuje trzy próby:
– wyznaczenie charakterystyki R60 = f(U), o ile jest to możliwe w przedziale napięcia
od zera do 2UN,
– zdjęcie przebiegu czasowego prądu upływu ip po skokowym załączeniu, na
całkowicie rozładowany układ izolacyjny, napięcia stałego o wartości znamionowej U0 = UN
bądź większej,
– naładowanie układu izolacyjnego do napięcia U0 ≥ UN (do stanu ustalonego),
następnie odłączenie napięcia zasilającego i zwarcie układu izolacyjnego na czas tz, po czym
rozwarcie układu izolacyjnego i zdjęcie przebiegu odbudowy napięcia na układzie
izolacyjnym Uod (t).
Pierwsze dwie próby były dotychczas stosowane w badaniach izolacji i są zalecane
w instrukcjach eksploatacji maszyn elektrycznych. Jednak zakres tych prób ograniczał się
zwykle do jednej wartości napięcia 2500 V bądź 1000 V. Próba trzecia jest próbą
zaproponowaną przez autora i jest najważniejszą dla diagnostyki stanu technicznego izolacji i
______________
* Politechnika
Śląska, Wydział
Przemysłowej,
44-100 Gliwice, ul. Akademicka 10.
Elektryczny,
Instytut
Elektrotechniki
Teoretycznej
i
270
oceny stopnia jej zużycia. Badania prowadzi się w układzie pomiarowym przedstawionym na
rys. 1.
Podstawowym elementem tego układu jest zasilacz Z napięcia stałego o wartości
regulowanej w przedziale od zera do 2 UN, mikroamperomierz i woltomierz elektrostatyczny
oraz wyłączniki K1 i K2 pozwalające realizować poszczególne próby. Należy zwrócić uwagę,
aby rezystancja izolacji wyłączników nie wpływała na wyniki pomiarów. Jeśliby tak było, to
lepiej wyłączników nie montować, a przełączenia wykonać ręcznie, w rękawicy izolacyjnej,
przenosząc zacisk przewodu wysokonapięciowego dołączonego do badanego uzwojenia z
zasilacza na uziemienie, powodując w ten sposób zwarcie układu izolacyjnego, a po czasie tz
przełączyć zacisk przewodu wysokonapięciowego na woltomierz elektrostatyczny, za
pomocą którego odczytuje się, w określonych przedziałach czasu, wartości odbudowującego
się na izolacji napięcia.
K1
U0
V
V1
K2
µA
Z
µA
Rys. 1. Schemat układu pomiarowego do badania izolacji napięciem stałym:
Z – zasilacz wysokonapięciowy, V1 – woltomierz elektrostatyczny.
Fig. 1. Measurement diagram for dc voltage testing of windings’ insulation:
Z – high voltage supply source, V1 – electrostatic voltmeter
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wyznacza się następujące charakterystyki i
parametry układu izolacyjnego [1, 2]
• wykres rezystancji izolacji R60 = f(U) w zakresie napięcia od 0 do 2UN, z którego
określa się rezystancję R60 dla UN,
• z ekstrapolacji krzywej R60 = f(U) poziom napięcia przebicia Up układu izolacyjnego,
• wykres odbudowy napięcia Uod (t) na układzie izolacyjnym, z którego odczytuje się
czas odbudowy tod i wartość maksymalną odbudowy napięcia Uod max,
• współczynnik absorbcji układu izolacyjnego ip15/ip60,
• poziom wahań prądu upływu Ip60 max i Ip60 min liczonym po czasie t > 60 s od chwili
załączenia napięcia (tzn. dla stanu ustalonego).
Wymienione parametry charakteryzują stan techniczny izolacji – tabela 1.
2. WYNIKI BADAŃ
271
Wartości liczbowe parametrów kryterialnych z tablicy 1 zostaną zaprezentowane
na przykładzie układu izolacyjnego uzwojenia dwóch identycznych wirników maszyny
prądu stałego. W każdym z tych wirników zostały sprawdzone dwa układy izolacyjne.
Tabela 1. Kryteria oceny wyników badań [1]
Lp. Parametr układu
izolacyjnego
Stan techniczny izolacji
dobry
1
2
3a
3b
3c
4
5
Napięcie przebicia Up/UN
Rezystancja R60N/UN przy UN
Czas zwarcia dla UN = 6 kV
tz[s]
dla UN<6 kV
Maksymalna wartość napięcia
odbudowanego
Uod max/U0
Czas odbudowy
dla Un= 6 kV
napięcia tod [s]
dla Un< 6kV
Wahania prądu upływu
I p 60 min − I p 60 min
dla U N
I p 60 sr
ip15/ip60=R60/R15
dostateczny
niedostateczny
izolacja
zużyta
izolacja
zawilgocona
>3
>10 kΩ/V
>30
>2
>1 kΩ/V
≈10
<1,5
>1 kΩ/V
1
≈1,5
<1 kΩ/V
0,1
>10
>0,1
≈5
>0
0,5
=0
0,1
=0
>60
≈30
0
0
>60
<1 + 0,5
≈15
<1 + 2
0
>1 + 5
0
1
>1,5
>1
≈1
=1
Dane znamionowe maszyny:
Typ: P-1780/10/320/01
2600 kW; 750 V; 3600 A; 500 obr./min.
Kl. izolacji B, rok produkcji: 1972.
Z dokumentacji producenta maszyny wynika, że uzwojenie wirnika miało izolację:
• przewodów – taśma mika szkło folia MTs GFt,
• cewek – taśma szklana JG 2597 opiekana folią epoksterm 5 lub 8.
Pierwsze badania prowadzono na oryginalnym (fabrycznym) układzie izolacyjnym,
który przepracował 27 lat. Wykresy rezystancji układu izolacyjnego tych wirników
przedstawiono na rys. 2.
Rezystancja izolacji uzwojeń jest zbliżona, jednak izolacja wirnika I ma wyraźnie mniejsze
napięcie przebicia, ok. 1800 V, podczas gdy w wirniku II napięcie przebicia jest znacznie
większe od 2000 V. Następne pomiary wykazały, że stopień zużycia izolacji tych dwóch
maszyn jest różny.
Na rysunku 3 przedstawiono wykres odbudowy napięcia na układzie izolacyjnym
wirnika II po wcześniejszym naładowaniu go do napięcia 1000 V, a następnie zwarciu
w czasie tz = 10 s i rozwarciu.
272
Napięcie na układzie izolacyjnym wirnika II odbudowało się do wartości 104 V, a czas
jego odbudowy wynosił 20 s. Ta sama próba przeprowadzona na wirniku I dała wynik
negatywny, napięcie nie odbudowało się. Eksperyment powtórzono przy czasie zwarcia tz = 1 s
także z wynikiem negatywnym. Wobec tego przeprowadzono kolejną próbę.
Rys. 2. Wykres rezystancji izolacji R60 = f(U)
Fig. 2. Insulation resistance graph R60 = f(U)
Rys. 3. Wykres odbudowy napięcia Uod(t)
Fig. 3. Rebuild voltage graph Uod(t)
Układ izolacyjny wirnika I naładowano do napięcia 1000 V i odłączono źródło
napięcia i obserwowano na woltomierzu elektrostatycznym zanikanie napięcia do zera.
Napięcie to zmniejszyło się do zera w czasie ok. 5 s.
Trzecia próba (sprawdzająca) obejmowała zarejestrowanie prądu upływu po
skokowym załączeniu, na rozładowany układ izolacyjny, napięcia stałego o wartości 1000
V. Wykresy prądu upływu przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4. Wykres prądu upływu ip = f (t)
Fig. 4. Leakage current graph ip = f (t)
Tabela 2. Wyznaczone parametry kryterialne układów izolacyjnych uzwojeń badanych wirników
Lp.
1.
2.
3.
4.
Parametr układu izolacyjnego
Izolacja uzwojenia twornika
Napięcie znamionowe uzwojenie
[kV]
Napięcie przebicia Up/UN
Rezystancja R60N/UN przy UN [kΩ
/V]
Odbudowa Czas zwarcia tz[s]
napięcia
Stara
0,75
Wirniki I
Nowa
0,75
Stara
0,75
Wirnik II
Po renowacji
0,75
2,4
>3
>3
>3
23
2670
33
26
1
10
10
10
273
5.
6.
Uod max/U0
Czas odbudowy tod[s]
Ip15/ip60
Wahania prądu upływu dla t>60s
przy UN
0
0
1,0
brak
0,26
330
2,5
brak
0,10
20
1,0
brak
0,25
50
2,0
brak
U [V]
300
250
II
200
I
150
100
50
0
0
Rys. 5. Wykres rezystancji izolacji R0 = f(U)
Fig. 5. Insulation resistance graph R0 = f(U)
50
100
150
200
250
300
350
400 t [s]
Rys. 6. Wykres odbudowy napięcia Uod (t)
Fig. 6. Rebuild voltage graph Uod(t)
W wirniku I otrzymuje się skok prądu, natomiast w wirniku II prąd ustala się
w czasie około 15 s. W tabeli 2 zestawiono parametry kryterialne układów izolacyjnych
uzwojeń tych dwóch wirników. Wyniki te dowodzą, że izolacja uzwojenia wirnika I jest
całkowicie zużyta i kwalifikuje się do wymiany. Izolacja uzwojenia wirnika II wykazuje
także znaczny stopień zużycia, na co wskazuje krótki czas odbudowy napięcia (20 s)
i krótki czas ustalania się prądu upływu (15 s). Z uwagi na potrzeby eksploatacyjne
zdecydowano się przeprowadzić regenerację tej izolacji przez nasycenie jej lakierem
impregnacyjnym PMR/F [3].
Badania izolacji uzwojeń wirników I i II powtórzono, przy czym wirnik I ma
wymienione uzwojenie na nowe. Izolacja wirnika I została wykonana w części żłobkowej:
epoksterm 4; 0,15 mm × 8; a w części czołowej – epoksterm 8 + 2× surowa taśma szklana.
Izolacja żłobkowa – NOMEX 0,2; międzywarstwowa – szkło epoksyd 0,5. Połączenia
wyrównawcze – podwójny oplot szkła i epoksterm 8. Izolacja komutatora nie była
zmieniana. Wirnik II ma izolację po regeneracji. Wyniki badań izolacji tych wirników
zamieszczono na rysunkach 5–7. Warunki wykonania pomiarów były takie same.
Zestawienie zbiorcze parametrów charakteryzujących układy izolacyjne zestawiono w tabeli
2.
Rys. 7. Wykres prądu upływu ip(t)
Fig. 7. Leakage current graph ip(t)
274
3. WNIOSKI
Przedstawiono wyniki badań napięciem stałym izolacji uzwojeń twornika dwóch
maszyn prądu stałego o czterech różnych stopniach zużycia, od izolacji nowej do całkowicie
zużytej. Uzyskane wyniki wykazały, że dla izolacji nowej parametry układu izolacyjnego są
bardzo dobre (tabela 2), mogą one być uważane jako podstawowe do oceny stanu
technicznego izolacji maszyny.
Stopień zużycia izolacji w sposób jednoznaczny charakteryzuje przebieg czasowy
odbudowy napięcia na układzie izolacyjnym – rys. 3 i rys. 6. Parametry odczytane z tego
wykresu tod i Uod max są parametrami kryterialnymi.
Metoda diagnozowania izolacji uzwojeń napięciem stałym wydaje się być najprostszą
ze znanych metod diagnostyki [4, 5]
LITERATURA
[1] Polska Norma PN-E-04700, 1998 r. Urządzenia i układy elektryczne w obiektach elektroenergetycznych.
Wytyczne przeprowadzenia pomontażowych badań odbiorczych.
[2] GLINKA T., Badania diagnostyczne maszyn elektrycznych w przemyśle, Wyd. BOBRME Komel, 1998,
ISBN 83-910585-0-6.
[3] Norma Zakładowa ZN-93/MP-F1-3542, Polifarb Wrocław. Lakier poliestrowy modyfikowany
rozpuszczalnikowy elektroizolacyjny do nasycenia uzwojeń.
[4] DROZDOWSKI P., PETRYNA J., WEINREB K., Interakcja efektów elektrycznych, magnetycznych
oraz mechanicznych w silnikach indukcyjnych w aspekcie diagnostyki. Zeszyty Problemowe, Maszyny
Elektryczne. BOBRME Komel, nr 54, 1997, s. 109–116.
[5] TUŁODZIECKA E., ANDRZEJEWSKI K., Komputerowa diagnostyka izolacji maszyn elektrycznych
wysokiego napięcia metodą pomiaru wyładowań niezupełnych. Zeszyty Problemowe, Maszyny
Elektryczne, BOBRME Komel, nr 50, 1995, s. 65–73
TECHNICAL CONDITION OF ELECTRICAL MACHINES WINDINGS’
INSULATION AND INSULATION’S PARAMETERS DETERMINED WITH DC VOLTAGE
The diagnostics of electrical machines windings’ insulation with dc voltage is the simplest method of
assessing the insulation’s technical condition. The method has been widely disseminated and it has been
included into the Polish Standard PN-E-04700 of 1998 [1] as an optional test. The paper presents the results
of diagnostic tests of insulation of four armature windings of dc machine rated at 2600 kW, 750 volts dc.
The technical condition of these windings’ insulation ranges from new insulation to insulation totally worn
out. The results, presented in Table 1 and Figs 2 to 6 have proven that the parameters of he insulation system
determined with the help of dc voltage make possible an unequivocal assessment of the technical condition
of windings’ insulation.