1. METODYKA POMIARÓW

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 48 Politechniki Wrocławskiej Nr 48 Studia i Materiały Nr 2 2 Tadeusz GLINKA * maszyny elektryczne, diagnostyka izolacji uzwojeń 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-47 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 R 6 = f(u), o ile jest to możliwe w przedziale napięcia od zera do 2U N, zdjęcie przebiegu czasowego prądu upływu i p po skokowym załączeniu, na całkowicie rozładowany układ izolacyjny, napięcia stałego o wartości znamionowej U = U N bądź większej, naładowanie układu izolacyjnego do napięcia U U N (do stanu ustalonego), następnie odłączenie napięcia zasilającego i zwarcie układu izolacyjnego na czas t z, po czym rozwarcie układu izolacyjnego i zdjęcie przebiegu odbudowy napięcia na układzie izolacyjnym U od (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 25 V bądź 1 V. Próba trzecia jest próbą zaproponowaną przez autora i jest najważniejszą dla diagnostyki stanu technicznego izolacji i * Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektrotechniki Teoretycznej i Przemysłowej, 44-1 Gliwice, ul. Akademicka 1.

2 27 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 U N, mikroamperomierz i woltomierz elektrostatyczny oraz wyłączniki K 1 i K 2 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 t z przełączyć zacisk przewodu wysokonapięciowego na woltomierz elektrostatyczny, za pomocą którego odczytuje się, w określonych przedziałach czasu, wartości odbudowującego się na izolacji napięcia. K 1 U V V 1 K 2 µa Z µa Rys. 1. Schemat układu pomiarowego do badania izolacji napięciem stałym: Z zasilacz wysokonapięciowy, V 1 woltomierz elektrostatyczny. Fig. 1. Measurement diagram for dc voltage testing of windings insulation: Z high voltage supply source, V 1 electrostatic voltmeter Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wyznacza się następujące charakterystyki i parametry układu izolacyjnego [1, 2] wykres rezystancji izolacji R 6 = f(u) w zakresie napięcia od do 2U N, z którego określa się rezystancję R 6 dla U N, z ekstrapolacji krzywej R 6 = f(u) poziom napięcia przebicia U p układu izolacyjnego, wykres odbudowy napięcia U od (t) na układzie izolacyjnym, z którego odczytuje się czas odbudowy t od i wartość maksymalną odbudowy napięcia U od max, współczynnik absorbcji układu izolacyjnego i p15 /i p6, poziom wahań prądu upływu I p6 max i I p6 min liczonym po czasie t > 6 s od chwili załączenia napięcia (tzn. dla stanu ustalonego). Wymienione parametry charakteryzują stan techniczny izolacji tabela WYNIKI BADAŃ

3 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] 271 Lp. Parametr układu izolacyjnego Stan techniczny izolacji dobry dostateczny niedostateczny izolacja zużyta izolacja zawilgocona 1 Napięcie przebicia U p /U N >3 >2 <1,5 1,5 2 Rezystancja R 6N /U N przy U N >1 kω/v >1 kω/v >1 kω/v <1 kω/v 3a Czas zwarcia dla U N = 6 kv t z [s] dla U N <6 kv >3 > ,5,1,1 3b Maksymalna wartość napięcia odbudowanego U od max /U >,1 > = = 3c Czas odbudowy dla U n = 6 kv >6 3 napięcia t od [s] dla U n < 6kV > Wahania prądu upływu I p6 min I p6 min dla U N I <1 +,5 <1 + 2 > p6sr 5 i p15 /i p6 =R 6 /R 15 >1,5 >1 1 =1 Dane znamionowe maszyny: Typ: P-178/1/32/1 26 kw; 75 V; 36 A; 5 obr./min. Kl. izolacji B, rok produkcji: 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. 18 V, podczas gdy w wirniku II napięcie przebicia jest znacznie większe od 2 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 1 V, a następnie zwarciu w czasie t z = 1 s i rozwarciu.

4 272 Napięcie na układzie izolacyjnym wirnika II odbudowało się do wartości 14 V, a czas jego odbudowy wynosił 2 s. Ta sama próba przeprowadzona na wirniku I dała wynik negatywny, napięcie nie odbudowało się. Eksperyment powtórzono przy czasie zwarcia t z = 1 s także z wynikiem negatywnym. Wobec tego przeprowadzono kolejną próbę. Rys. 2. Wykres rezystancji izolacji R 6 = f(u) Fig. 2. Insulation resistance graph R 6 = f(u) Rys. 3. Wykres odbudowy napięcia U od (t) Fig. 3. Rebuild voltage graph U od (t) Układ izolacyjny wirnika I naładowano do napięcia 1 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 1 V. Wykresy prądu upływu przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Wykres prądu upływu i p = f (t) Fig. 4. Leakage current graph i p = f (t) Tabela 2. Wyznaczone parametry kryterialne układów izolacyjnych uzwojeń badanych wirników Lp. Parametr układu izolacyjnego Wirniki I Wirnik II Izolacja uzwojenia twornika Stara Nowa Stara Po renowacji 1. Napięcie znamionowe uzwojenie,75,75,75,75 [kv] 2. Napięcie przebicia U p /U N 2,4 >3 >3 >3 3. Rezystancja R 6N /U N przy U N [kω /V] Odbudowa napięcia Czas zwarcia t z [s]

5 273 U od max /U,26,1,25 Czas odbudowy t od [s] I p15 /i p6 1, 2,5 1, 2, 6. Wahania prądu upływu dla t>6s przy U N brak brak brak brak U [V] II I Rys. 5. Wykres rezystancji izolacji R = f(u) Fig. 5. Insulation resistance graph R = f(u) t [s] Rys. 6. Wykres odbudowy napięcia U od (t) Fig. 6. Rebuild voltage graph U od (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 (2 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;,15 mm 8; a w części czołowej epoksterm surowa taśma szklana. Izolacja żłobkowa NOMEX,2; międzywarstwowa szkło epoksyd,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 i p (t) Fig. 7. Leakage current graph i p (t)

6 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 t od i U od 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-47, 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 [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 [5] TUŁODZIECKA E., ANDRZEJEWSKI K., Komputerowa diagnostyka izolacji maszyn elektrycznych wysokiego napięcia metodą pomiaru wyładowań niezupełnych. Zeszyty Problemowe, Maszyny Elektryczne, BOBRME Komel, nr 5, 1995, s 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-47 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 26 kw, 75 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.