Электромонтеров, отвечающих за эксплуатацию и техническое обслуживание электродвигателей, часто беспокоит использование испытательных напряжений для диагностики состояния изоляции обмоток статора, напряжение которых выше номинального уровня рабочего напряжения.
Например, им кажется нелогичным испытывать двигатель на 380 В испытательным напряжением 1000 В и более. Ведь это паспортные данные двигателя, так зачем их превышать при испытаниях?
Некоторые специалисты могут даже иметь непосредственный опыт пробоя изоляции обмотки статора во время испытания выдерживаемым напряжением или во время ударного испытания, что могло усугубить их сомнения в пригодности использования высоких напряжений при испытании изоляции статора электродвигателя.
Итак, давайте сначала посмотрим на нагрузку, которой подвергается изоляция обмотки статора при нормальной работе, а затем познакомимся с механизмами постепенной деградации изоляции, вплоть до аварийного состояния.
Наконец, я покажу вам функции безопасности, встроенные в современные анализаторы двигателей, которые делают безопасным применение высоковольтных методов.
1. Важность значений паспортных параметров
Каждый электродвигатель имеет паспортные параметры, для которых он был разработан. Эти параметры паспортной таблички определяют надлежащие рабочие характеристики двигателя.
Важно гарантировать, что значения напряжения и тока постоянно находятся в диапазоне, указанном параметрами паспортной таблички.
Например, повышение номинального напряжения может привести к магнитному насыщению железного сердечника статора и, как следствие, чрезмерному перегреву системы изоляции обмотки статора, что значительно ускорит деградацию изоляции и повысит риск выхода из строя двигателя.
С другой стороны, пониженное напряжение приведет к большему току, необходимому для достижения требуемой механической мощности на валу двигателя. Это дополнительно приводит к чрезмерному перегреву статора и, как следствие, к значительно ускоренному износу изоляции обмотки статора.
Оба сценария имеют такое же негативное влияние на срок службы изоляции, как и перегрузка двигателя и связанный с этим перегрев обмоток. По этим причинам очень важно, чтобы во время работы обеспечивалась стабильность напряжения питания, максимально приближенная к маркировке.
2. Правильная интерпретация значения напряжения
Важно отметить, что номинальное напряжение двигателя, указанное на паспортной табличке, не является уровнем изоляции изоляции статора.
Уровень изоляции или напряжение пробоя изоляции – это напряжение, при котором система изоляции уже не в состоянии выдерживать нагрузку по напряжению, ее сопротивление снижается до нуля и протекает значительный ток замыкания, т. е. пробоя.
Системы изоляции двигателей спроектированы таким образом, что напряжение пробоя изоляции значительно превышает номинальное напряжение питания.
Основной причиной такого правила при проектировании изоляции электрических двигателей является тот факт, что напряжения, которым подвергается изоляция при нормальной эксплуатации (особенно при пусках двигателей), могут достигать четырехкратного номинального значения питающего напряжения.
Поэтому, если бы системы изоляции статора были спроектированы с напряжением пробоя, равным напряжению, указанному на паспортной табличке, нарушение изоляции произошло бы вскоре после ввода машины в эксплуатацию.
Доступен ряд исследований, подтверждающих, что напряжения, индуцируемые в обмотках статора во время переходных процессов переключения (вкл./выкл.), могут в четыре раза превышать номинальное значение напряжения.
3. Напряжение пробоя изоляции
В начале срока службы изоляция обмотки статора имеет очень высокое значение напряжения пробоя.
Например, недавно изготовленная система изоляции двигателя на 380 В имеет напряжение пробоя около 28000 В на землю и 16800 В между витками.
Таким образом, система изоляции имеет большой резерв для постепенной деградации в течение срока службы без нарушения целостности изоляции или надежности работы.
В процессе эксплуатации двигатель подвергается воздействию различных факторов окружающей среды, в том числе механического износа, химических воздействий и тепловых нагрузок.
Эти нагрузки приводят к тому, что изоляция со временем разрушается. Скорость деградации зависит от интенсивности упомянутых напряжений, при этом главную роль играют термические напряжения.
Как только напряжение пробоя изоляции падает ниже предела максимального напряжения нагрузки при нормальной работе (которое может в несколько раз превышать номинальное напряжение питания), система изоляции двигателя находится на завершающем этапе жизни и больше не гарантирует надежной работы.
На этом этапе диэлектрические свойства большей части изоляции ухудшились из-за деградации, поэтому необходимо запланировать ремонт или замену двигателя как можно скорее.
Рекомендуемые испытательные напряжения для испытаний изоляции обмоток статора (испытание выдерживаемым напряжением, испытание ступенчатым напряжением, испытание на удар) находятся на уровне 2Uн + 1000 В, где Uн - номинальное напряжение питания обмотки статора.
Только наблюдая за этими испытательными напряжениями, можно точно смоделировать нагрузки по напряжению системы изоляции при нормальной работе и, таким образом, вовремя обнаружить ухудшение состояния изоляции.
Из вышеизложенного следует, что такая кратковременная нагрузка напряжением при испытании никак не вредит здоровой изоляции.
4. Важность испытаний состояния изоляции обмотки статора высоковольтными испытаниями
Для обеспечения надежной работы электродвигателей, приводов, генераторов, критически важных для их операторов с точки зрения важности для работы операционной системы, регулярная проверка состояния изоляции обмотки статора является абсолютной необходимостью.
Исследования и статистика показывают, что на отказы, вызванные выходом из строя системы изоляции обмотки статора, приходится до 25 % всех отказов в случае двигателей с напряжением питания до 1 кВ и до 60 % всех отказов двигателей с питающим напряжением свыше 1 кВ.
Эти проблемы с изоляцией обмотки статора не могут быть выявлены с помощью вибродиагностики, и единственным способом своевременного выявления ухудшения изоляции являются так называемые испытания, важной частью которых являются высоковольтные испытания, в том числе так называемые ударные испытания.
Цель этого набора испытаний заключается в обнаружении проблемы с изоляцией в рамках профилактического обслуживания двигателя еще до того, как двигатель внезапно выйдет из строя во время работы.
Если ограничиться низковольтными испытаниями, такими как измерение сопротивления изоляции обмотки статора мегаомметром, невозможно выявить многие проблемы с изоляцией на ранней стадии, например, ухудшение состояния межвитковой изоляции. Их можно обнаружить с помощью одного испытания, а именно так называемого испытания на удар.
5. Измерение сопротивления изоляции
Система изоляции обмотки статора электродвигателя состоит из двух основных компонентов: основной изоляции и межвитковой изоляции.
Измерение сопротивления изоляции является основным измерением, с которого обычно начинается последовательность испытаний электродвигателя.
Однако следует отметить, что измерение сопротивления изоляции покажет только состояние изоляции цепи фаза-земля, но ничего не говорит о состоянии межвитковой изоляции (при измерении состояния изоляции, все витки обмотки статора имеют одинаковый потенциал).
Рекомендуется измерять сопротивление изоляции в течение 1 минуты и учитывать значение, измеренное сразу после того, как прошла одна минута.
Если состояние изоляции измеряется в рамках программы профилактического обслуживания с целью отслеживания изменения этого параметра в течение срока службы изоляции, необходимо сделать температурную коррекцию измеренного значения сопротивления изоляции на температуру 40 °С и следить за тенденцией, учитывать эти скорректированные по температуре значения.
Сопротивление изоляции зависит от температуры изоляции, поэтому мы будем измерять разные значения при повторных измерениях при разных температурах обмотки, даже если состояние изоляции не изменилось.
Подходящие тестеры двигателей после измерения и ввода температуры обмотки автоматически рассчитывают сопротивление изоляции с поправкой на 40 °C с учетом материала изоляции - термопласта или реактивного пластика.
Рекомендуемое удовлетворительное значение для хорошей изоляции составляет не менее 50 МОм (значение с поправкой на 40 °C после 1 минуты измерения).
6. Испытание на выдерживаемое напряжение или тест ступенчатого напряжения
Следующим испытанием в последовательности испытаний электродвигателей вляется либо испытание выдерживаемым напряжением с рекомендуемой величиной испытательного напряжения постоянного тока 2Un + 1000 В (где U n — номинальное напряжение питания двигателя) в течение 1 минуты, либо испытание ступенчатым напряжением с напряжением 5 шагов через 1 минуту до максимального напряжения 2Un + 1000 В.
Для новых электрических двигателей обычно требуется испытание выдерживаемым напряжением, а испытание ступенчатым напряжением рекомендуется для целей профилактического обслуживания в течение срока службы двигателя.
Преимущество ступенчатого теста состоит в том, что можно контролировать зависимость тока утечки от испытательного напряжения, при этом нелинейный ход тока утечки (скачковое нарастание тока утечки при напряжении выше определенного уровня) показатель преждевременной деградации основной (пазовой) изоляции.
К испытанию выдерживаемым напряжением и испытанию ступенчатым напряжением применяется то же самое, что и к измерению сопротивления изоляции: эти испытания дают информацию только о состоянии изоляции пазов (фаза-земля), но ничего не говорят о состоянии межвитковой изоляции.
Однако, по сравнению со стандартным измерением сопротивления изоляции, в этих испытаниях используется более высокое напряжение, поэтому они также могут выявить ухудшение состояния изоляции.
Если испытание прерывается из-за перегрузки по току или пробоя во время этих испытаний, это означает, что изоляция больше не может гарантировать надежную работу при обычно возникающих кратковременных перенапряжениях и машина созрела для ремонта или замены.
Анализатор двигателя Megger Baker DX
7. Испытание на удар
Наиболее слабым звеном в системе изоляции обмотки статора электродвигателя является межвитковая изоляция (изоляция между витками катушки или между витками соседних катушек, или в местах соприкосновения отдельных фаз обмотки друг с другом).
Из исследований и статистики известно, что большинство проблем с изоляцией начинаются с ухудшения состояния изоляции между витками.
На следующем этапе происходит постепенная дальнейшая деградация в результате пиков напряжения при переключениях, что вызывает образование дефекта изоляции фазы на землю - и на конечном этапе приводит к пробою.
Во время указанных пиков напряжения, которые обычно во много раз превышают номинальное напряжение питания, межвитковая изоляция подвергается напряжению за счет индукции.
Падение напряжения между витками распределено нелинейно, поэтому наиболее нагружены участки межвитковой изоляции, расположенные ближе к силовым зажимам.
Это может привести к короткому замыканию нескольких витков с течением времени, вызывая большие наведенные токи в этих местах обмотки, и это только вопрос времени, когда разрушение изоляции приведет к пробою на землю.
Повреждения изоляции относительно земли (пробой изоляции пазов) или между фазами очень часто происходят из-за ухудшения состояния изоляции между витками и, возможно, впоследствии из-за межвитковых коротких замыканий.
Поэтому в интересах каждого электромонтера ответственного за работоспособность электродвигателя иметь доступный метод диагностики, который может определить состояние ослабленной изоляции межвитковой изоляции на ранней стадии, когда напряжение пробоя еще в несколько раз превышает номинальное напряжение питания.
В таких случаях слабое место проявляется искрением только в течение короткого времени во время пика напряжения, но двигатель на этом этапе еще работает без сбоев.
Единственным таким методом диагностики является ударное испытание, при котором в обмотку вводятся малоэнергетические ударные импульсы с коротким временем нарастания. Это точно имитирует нагрузку на межвитковую изоляцию во время коммутационных пиков напряжения, Uн + 1000 В, где Uн - номинальное напряжение питания двигателя.
В связи с тем, что при испытании на удар создается разность потенциалов между витками, при ухудшении состояния изоляции межвитковой изоляции с напряжением пробоя до 2Uн + 1000 В возможен скачок между повороты возникнут в момент удара в месте ослабления изоляции.
Качественный анализатор двигателя оценивает результаты испытаний на основе анализа ударных волн и может надежно обнаруживать проблемы с межвитковой изоляцией на ранней стадии ухудшения изоляции неразрушающим образом.
Таким образом, шоковый метод не является чем-то новым. Старые поколения анализаторов зависели от оптического наблюдения оператором кривой и ручного прекращения теста, когда наблюдалось изменение ударной кривой.
Однако современный анализатор двигателя способен выявить даже минимальные изменения ударной кривой, поскольку в случае скачка дуги между витками индуктивность обмотки кратковременно уменьшится, что вызовет сдвиг кривой удара.
При превышении установленного порога отклонения ударной кривой прибор автоматически отключается и завершает испытание для предотвращения нежелательного обугливания изоляции в месте ослабления изоляции.
Таким образом, испытание на удар становится высоконадежным и в то же время неразрушающим способом определения ухудшения состояния изоляции между витками обмотки двигателя.
8. Разрушительны ли испытания на выносливость (ступенчатое) напряжением и испытания на удар?
Часто задаваемый вопрос заключается в том, разрушают ли изоляцию высоковольтные испытания обмотки статора, такие как испытание выдерживаемым (или ступенчатым) напряжением или ударное испытание.
Ответ - нет. Как уже было сказано, испытания электродвигателя высоким напряжением (ВН) имитируют нагружение основной и межвитковой изоляции в нормальных условиях эксплуатации, поэтому эти испытания не оказывают разрушающего действия на недеградировавшую здоровую изоляцию.
При локальном разрушении изоляции (а это именно то, что ВН-тесты пытаются выявить на ранней стадии, когда двигатель еще работает), возможно частичное дополнительное обугливание в месте ослабления изоляции из-за скачка дуги во время ВН-тестов.
Однако это обугливание минимально при использовании современного анализатора с чувствительным детектированием, которое немедленно останавливает испытание при пересечении дуги.
Таким образом, испытание ВН выявит деградацию изоляции, напряжение пробоя которой выше уровня рабочего напряжения, поэтому двигатель может продолжать работать после испытания, но в зависимости от высоты напряжения пробоя, меры в форма ремонта или замены двигателя должна быть запланирована.
Чрезмерные скачки пускового напряжения, а также неудовлетворительное качество электроэнергии (например, асимметрия напряжения) и перегрузка двигателя являются контролируемыми величинами, которые оказывают гораздо большее разрушающее воздействие на изоляцию статора, чем испытания высоким напряжением.
Регулярные испытания изоляции обмотки статора, выполняемые современными анализаторами с точным контролем испытательного напряжения и с пониженным энергопотреблением, являются наименее стрессовым фактором, которому подвергаются двигатели в течение срока их службы.
Следует отметить, что если место ослабленной изоляции подвергается воздействию наведенных бросков напряжения при коммутационных процессах, то вся энергия системы распределения электроэнергии вызывает обугливание обмотки в момент скачка между витками.
Если проводится испытание выдерживаемым напряжением или испытание на удар с помощью подходящего анализатора, Хотя многие этого не осознают, электродвигатели подвергаются «испытаниям на стойкость к перенапряжению» и «испытаниям на удар» при нормальной эксплуатации гораздо чаще, чем они думают.
Каждый пуск и останов двигателя фактически приравнивается к испытанию на выдерживаемое напряжение и испытанию на неограниченный энергетический удар, вызывающий ухудшение изоляции.
Проведение предупредительных испытаний изоляции обмотки статора эквивалентно моделированию этой нагрузки с гораздо меньшей энергией и точно контролируемым образом.
В то время как проверка низковольтной изоляции, такая как измерение сопротивления изоляции, является важным средством профилактического обслуживания, ее абсолютно недостаточно для оценки целостности и надежности системы изоляции вращающихся машин.
Учитывая все факты, представленные в этой статье, легко понять важность испытаний высоким напряжением для обеспечения максимальной эксплуатационной надежности вращающихся электрических машин.
Смотрите дальше: Что такое прогностическое обслуживание электрооборудования
Яков Кузнецов
