POMIARY ON-LINE STANU IZOLACJI UZWOJEŃ SILNIKÓW WYSOKONAPIĘCIOWYCH INDUKCYJNYCH KLATKOWYCH

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/ Sławomir Szymaniec Politechnika Opolska, Opole POMIARY ON-LINE STANU IZOLACJI UZWOJEŃ SILNIKÓW WYSOKONAPIĘCIOWYCH INDUKCYJNYCH KLATKOWYCH ON-LINE MEASUREMENT OF THE CONDITION OF WINDING INSULATION OF HIGH-VOLTAGE SQUIRREL-CAGE INDUCTION MOTORS Abstract: 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. 1. Wstęp Złożona struktura materiałów izolacyjnych stosowanych w silnikach indukcyjnych WN i specyfika procesu technologicznego ich układu izolacyjnego [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 18] 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, co powoduje, że w czasie eksploatacji maszyn powiększają się defekty już istniejące oraz powstają nowe. Procesowi starzenia się izolacji towarzyszy zjawisko wyładowań niezupełnych. 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]. Są one ogólnie uważane za wyładowania lokalne w izolacji i w wielu przypadkach ze znacznym wyprzedzeniem poprzedzają całkowite przebicie izolacji [1, 4, 7, 15]. Ogólnie mają zwykle postać impulsów o czasie trwania krótszym od 1µs [7]. Jeżeli lokalne pole elektryczne przekroczy określoną granicę inicjacji wyładowania (np. dla powietrza E 3 kv/mm [5]) w obecności elektronu startowego formuje się lawina elektronów [7]. Zjawisko to jest ograniczone w przestrzeni i ma charakter przejściowy [7]. Skutkiem oddziaływania tego typu zjawisk na układ izolacyjny jest stopniowe jego osłabienie, w szczególności w wyniku kumulowania się uszkodzeń przy niegasnących [7]. Jest to składnik starzenia eksploatacyjnego izolacji. Jak wynika z badań [4, 6, 7, 10, 15, 17], są głównym objawem uszkodzenia izolacji wywołanego jej zestarzeniem. Z tego powodu detekcja izolacji jest ważnym elementem oceny jej stanu [15, 16, 18]. Na izolację uzwojeń maszyn elektrycznych dobiera się materiały, które cechuje duża odporność na. Materiałem takim jest np. mika. Jak wykazują badania [15], maszyny elektryczne w tym silniki WN mające izolację na bazie miki mogą pracować przy ładunku rzędu tysięcy pc. Pomimo swej lokalnej natury, są zjawiskiem niezwykle złożonym, wykazują zachowania chaotyczne, niestacjonarne [4, 6, 7, 15]. Złożoność tego zjawiska wynika z dużej liczby i różnorodności warunków geometrycznych i materiałowych w których mogą zaistnieć. W ostatnich kilku latach obserwuje się coraz częściej wykorzystywanie do diagnostyki stanu izolacji maszyn elektrycznych WN, głównie dzięki szybkiemu rozwojowi techniki cyfrowej, która może przetwarzać i analizować informacje z pomiarów [1, 4, 6, 7, 15, 16]. 2. Uszkodzenia izolacji uzwojeń Z przeprowadzonych badań eksperymentalnych [1, 2, 6, 7, 15] wynika, że: typowe uszkodzenia izolacji maszyn elektrycznych znajdują swoje odbicie w sygnale i w charakterystyczny sposób różnicują go w zależności od miejsca wystąpienia: - Szczelina powietrzna pomiędzy miedzią uzwojenia a izolacją, szczelina przy miedzi uzwojenia. Charakterystyczną cechą dla takiego defektu jest większa intensywność w dodatniej

2 92 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 połówce napięcia probierczego niż w połówce ujemnej rys. 2, jednocześnie q max+ >q max-, inny zapis PD + <PD -. U dodatnia połówka napięcia probierczego + - czas ujemna połówka napięcia probierczego Miedź uzwojenia Rdzeń stojana q max przy miedzi uzwojenia q max+ >q max- wewnątrz izolacji q max+ ~ q max- przy rdzeniu stojana q max+ < q max- PD - ujemna (negatywna) polaryzacja impulsu PD + czas dodatnia (pozytywna) polaryzacja impulsu przy miedzi uzwojenia q max+ >q max- wewnątrz izolacji q max+ ~ q max- Miedź uzwojenia Rdzeń stojana Rys. 1. Polaryzacja impulsów oraz typowe uszkodzenia izolacji maszyn elektrycznych [16] n liczba impulsów /s przy rdzeniu stojana q max+ < q max- Ο - ujemna polaryzacja impulsów - dodatnia polaryzacja impulsów PD + <PD - izolacja - Szczelina powietrzna, pęknięcie wewnątrz izolacji. Charakterystyczną cechą dla takiego defektu jest podobna intensywność w dodatniej i ujemnej połówce napięcia probierczego rys. 3. jednocześnie q max+ q max- inny zapis PD + PD -. n liczba impulsów /s Ο - ujemna polaryzacja impulsów - dodatnia polaryzacja impulsów Rys. 3. Częstotliwość impulsów w funkcji amplitudy wyładowań przy podobnej intensywności impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej, defekt typu, pęknięcie wewnątrz izolacji [16] - Szczelina powietrzna pomiędzy izolacją a rdzeniem stojana, nieskuteczna ochrona przeciwjarzeniowa żłobka, wyładowania na czołach uzwojenia. Charakterystyczną cechą dla takiego defektu jest większa intensywność w ujemnej połówce napięcia probierczego niż w połówce dodatniej rys. 4, q max+ < q max-, inny zapis PD + >PD -. n liczba impulsów /s PD + PD - Amplituda wyładowań [mv] Ο - ujemna polaryzacja impulsów - dodatnia polaryzacja impulsów PD + > PD - Amplituda wyładowań [mv] Rys. 2. Częstotliwość impulsów w funkcji amplitudy wyładowań przy przewadze impulsów o polar. ujemnej, defekt typu szczelina powietrzna pomiędzy miedzią uzwojenia, a izolacją [16] Amplituda wyładowań [mv] Rys. 4. Częstotliwość impulsów w funkcji amplitudy wyładowań przy przewadze impulsów o polaryzacji dodatniej, defekt typu, pomiędzy izolacją a rdzeniem stojana [16]

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/ Uszkodzona powłoka przeciwjarzeniowa czołowa; q max+ <q max-, inny zapis PD + >PD - przy koncentracji ładunków maksymalnych dla kąta fazowego ϕ= o. Generalnie mierzony poziom on-line silników zależy przede wszystkim od stanu izolacji, stopnia degradacji, obciążenia silnika, temperatury uzwojeń, wilgotności, rodzaju czujników, ich charakterystyki oraz od aparatury analizującej (zakres mierzonych częstotliwości). Autor nie stwierdził wyraźnej zależności mierzonego poziomu online od miejsca położenia czujników (w żłobkach lub na czołach). Dla ilustracji jak mierzony poziom zależy od rodzaju czujnika na rys. 5 przedstawiono porówna- RTD, U PEAK =90 mv Elastyczna cewka Rogowskiego, U PEAK =2 mv Kondensator 500 pf, U PEAK =900 mv Sztywna cewka Rogowskiego której do badań nie użyto ma czułość co najmniej 10 krotnie większą od cewki elastycznej. Przy zamontowaniu termorezystora w żłobku i wyposażeniu go w układ antenowy, układ taki posiada dobrą czułość dla obszaru w strefie ±15º (spadek o 20 db), a mierzy w strefie ±30º(spadek o 40 db). Ważnym uzupełnieniem termorezystorów zainstalowanych fabrycznie mogą być termorezystory zainstalowane dodatkowo od strony napędowej i przeciwnapędowej silnika w obszarach najbliższych części czołowej uzwojeń. Szczególnie ważny jest obszar początków uzwojeń fazowych, połączeń międzycewkowych, międzygrupowych [16]. Zespół czujników oparty na wykorzystaniu termorezystorów można dodatkowo uzupełnić czujnikami antenowymi typu długi przewód (L>>d), ulokowanymi wokół czół w postaci elementów typu pętla, bądź fragment pętli. Ten rodzaj czujnika jest szczególnie interesujący bo przy sprzyjających okolicznościach (możliwość nawinięcia wokół czół pełnej wielokrotnej pętli) ma strefę widzenia pełne Oznacza to możliwość mierzenia wszystkich wyładowań w strefie czół [16]. Anteny do pomiarów na bazie termorezystorów Pt100 można zainstalować w każdym silniku który już posiada w uzwojeniach stojana termorezystory. Do ich podłączenia nie jest konieczne zatrzymywanie silnika. Przykład takiego pomiaru przedstawiono na rys. 6. RFCT, U PEAK =9mV Rys. 5. Porównanie wyników pomiarów wyładowania różnymi czujnikami nie wyników pomiarów wykonanych różnymi czujnikami w tym samym czasie, wyładowania dla przykładowego silnika. Czujniki umieszczono możliwie obok siebie. Porównanie wzajemne czułości czujników w tym konkretnym przypadku wskazuje na następujące relacje: Elastyczna cewka Rogowskiego - l RFCT - 4,5 RTD - 45 Kondensator 500 pf Rys. 6. Przykład pomiarów silnika o mocy 2,6 MW z wykorzystaniem fabrycznie zamontowanych w silniku termorezystorów Pt100, instalacja aparatury pomiarowej bez zatrzymywania silnika

4 94 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 W nowo budowanych silnikach dla zapewnienia pomiaru temperatury i pomiarów silnika, konieczne jest umieszczenie w uzwojeniach w żłobkach, termorezystorów RTD w możliwie dużej liczbie, umieszczonych symetrycznie w poszczególnych uzwojeniach fazowych. Korzystne jest ulokowanie 6 lub nawet 12 termorezystorów z każdej strony silnika. Im większy silnik tym większa powinna być liczba RTD. Wskazane jest umieszczenie RTD na początku każdego uzwojenia fazowego. Pomiar przez poszczególne RTD umieszczone w silniku daje możliwość pomiaru temperatury i lokalizowania miejsc generowania. Na rys. 7 przedstawiono szkic rozmieszczenia termo-rezystorów w nowo wykonanym silniku o mocy 1.4 MW. Autor zaprojektował w nim rozmieszczenie 18 termorezystorów wyposażo- Na rys. 11 przedstawiono zamontowany przez autora na stojanie silnika o mocy 4,4 MW czujnik Pt 100 wyposażony w zespół antenowy. Autor wykorzystywał czujnik do pomiarów temperatury na czołach oraz do pomiarów czół uzwojenia. Rys. 8. Stojan silnika o mocy 1,4 MW Czujnik wilgotności Rys. 7. Szkic rozmieszczenia 18 termorezystorów w stojanie silnika o mocy 1,4 MW nych w zespoły antenowe oraz antenę dookólną na czołach. Na rys. 8. przedstawiono nowo wyko-nany stojan silnika o mocy 1,4 MW przed kalibracją. Rys. 9 przedstawia wnętrze stojana silnika o mocy 1,4 MW z fragmentem anteny pętlowej dookólnej i czujnikiem wilgotności. Na rys. 10 przedstawiono przygotowany do kalibracji torów pomiarowych stojan silnika o mocy 1,4 MW. Sama kalibracja jest bardzo żmudnym i czasochłonnym przedsięwzięciem [16]. Bardzo korzystnym z punktu widzenia diagnostycznego jest umieszczenie czujników bezpośrednio na czołach uzwojenia silnika. Jest to bardzo trudne przedsięwzięcie z punktu widzenia logistycznego i technicznego. Antena pętlowa dookólna Rys. 9. Stojan z fragmentem anteny pętlowej dookólnej oraz czujnikiem wilgotności

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/ Rys. 10. Stojan silnika o mocy 1,4 MW przygotowany do kalibracji Rys. 11. Stojan silnika o mocy 4,4 MW wyposażony w czujnik Pt100 na czołach 3. Uwagi końcowe W ocenie autora procesy starzeniowe w izolacji silników elektrycznych wywołane nie w pełni są wyjaśnione. Jednak zgromadzony w trakcie eksploatacji i badań silników materiał doświadczalny przede wszystkim o charakterze jakościowym pozwala na istotne wzbogacenie diagnostyki stanu izolacji o diagnostykę online, bardzo użyteczną praktycznie. Należy podkreślić, że stało się to możliwe dzięki rozwojowi informatyki i elektroniki, zwłaszcza cyfrowej oraz metrologicznemu uporaniu się z negatywnym wpływem zakłóceń na wyniki pomiarów (standard PDA) [1, 15, 16]. Prowadząc badania on-line stanu izolacji uzwojeń silników, autor opracował i wykonał czujniki pomiarowe oraz układy pomiarowe i zestaw aparaturowy służące do diagnostyki silników. Inspiracją do tych prac była chęć wykonania badań stanu izolacji uzwojeń silników w warunkach ich normalnej eksploatacji [16]. Pracy silników elektrycznych towarzyszą wyładowania niezupełne. Charakter jest bardzo złożony. W miarę upływu czasu eksploatacji silników, obserwuje się zmianę intensywności przy charakterystycznych rozkładach fazowo-rozdzielczych. Zmiany intensywności przedstawione w charakterystykach typu trend, zmiany charakterystyk fazowo-rozdzielczych mogą być wykorzystane do diagnostyki on-line stanu izolacji uzwojeń silników w tym do lokalizacji miejsca występowania [1, 15, 16]. Autor na podstawie swoich dotychczasowych doświadczeń uważa, że badania i diagnostyka on-line stanu izolacji silników elektrycznych w oparciu o pomiar w warunkach przemysłu krajowego jest celowy i technicznie możliwy. Diagnostykę można prowadzić w oparciu o wszystkie dostępne czujniki w szczególności w oparciu o zamontowane fabrycznie w silnikach termorezystory Pt100 wyposażone dodatkowo w zespoły antenowe. Proponowane przez autora własne rozwiązania czujników do pomiarów w maszynach elektrycznych w warunkach przemysłowych sprawdziły się [16]. Wyniki pomiarów silników zależą od: stanu ich izolacji, obciążenia silnika, temperatury uzwojeń, wilgotności, poziomu zakłóceń zewnętrznych oraz od charakterystyki czujników i aparatury analizującej [16]. 4. Literatura [1]. ADWEL: PD monitoring. Nota Aplikac [2]. Bertenshaw D., Sasic M.: On-line Partial Discharge Monitoring on MV motors-casestudies

6 96 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 on Improved Sensitivity Couplers. Nota Aplikacyjna firmy ADWEL International Canada, [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 [5]. Glinka T.: Badania diagnostyczne maszyn elektrycznych w przemyśle. Wyd. BOBRME, Katowice [6]. Golubev A, Paoletti G.: Partial Discharge Theory and Technologies related to Medium Voltage Electrical Equipment IEEE. Reprinted, with permission, from Paper presented at the IAS 34 th Annual Meeting, Oct 3-7, 99, Phoenix, AZ. [7]. Gulski E.: Diagnozowanie wyładowań niezupełnych w urządzeniach wysokiego napięcia w eksploatacji. Wyd. Polit. Warszawskiej, Warszawa [8]. Holbøll J. T., Henriksen M., Jensen A.: Motor insulation diagnostics by high frequency PD detection. Asnaes Power Station SK Power Company, Kalundborg, Denmark [9]. Hoof, M., Lanz, S.. PD Diagnostics on Rotating Machines Possibilities and Limitations. Electrical Insulation Conf., Cincinnati, October 26-28, [10]. Kane C., Pozonsky J., Carney S., Blokhintsev I.: Advantages of Continuous Monitoring of Partial Discharges in Rotating Equipment and Switchgear AISE Meeting, Pittsburgh, PA, Sept [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 [12]. PN-EN 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 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, [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 [17]. Tułodziecka E., Andrzejewski K., Pietrzak K.: Monitorowanie układów izolacyjnych uzwojeń stojanów turbogeneratorów GTHW-360 w Elektrowni Bełchatów na podstawie pomiarów w systemie off-line. XIV Konferencja Energetyki, Książ , Materiały Konferencyjne, str [18]. Warren V.: Partial Discharge Testing: A Progress Report. Iris Rotating Machinery Conference, USA, Santa Monica, June 2003, pp Autor Dr hab. inż. Sławomir Szymaniec prof. PO Politechnika Opolska. Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki. Instytut Układów Elektromechanicznych i Elektroniki Przemysłowej Opole ul. Luboszycka 7. s.szymaniec@po.opole.pl