DIAGNOSTYKA BADANIA STANU IZOLACJI GRUPY SILNIKÓW INDUKCYJNYCH WN 1. WSTĘP 2. BADANIA IZOLACJI GRUPY SILNIKÓW INDUKCYJNYCH WN

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 49 Politechniki Wrocławskiej Nr 49 Studia i Materiały Nr 2 2 Jerzy HICKIEWICZ*, Zbigniew ŁWROWSKI** elektrotechnika, silniki indukcyjne, izolacja DIGNOSTYK DNI STNU IZOLCJI GRUPY SILNIKÓW INDUKCYJNYCH WN Przedstawiono zasady pomiarów stanu izolacji silników indukcyjnych WN napięciem stałym. adaniami diagnostycznymi objęto grupę kilkudziesięciu silników indukcyjnych WN, pracujących w układach napędowych potrzeb własnych bloków energetycznych elektrowni. Wybrano pewne wielkości pomiarowe, które przyjęto jako wskaźniki charakteryzujące stan izolacji uzwojeń stojana. Przytoczono wyniki pomiarów diagnostycznych grupy kilkudziesięciu silników napędów potrzeb własnych. Wykonano próbę oceny jakościowej stanu izolacji uzwojeń stojana. Przedstawiono wyniki badań diagnostycznych izolacji uzwojeń stojana, które uległy zalaniu podczas powodzi. We wnioskach przeprowadzono próbę oceny przydatności w energetyce i przemyśle badań diagnostycznych napięciem stałym stanu izolacji uzwojeń silników.. WSTĘP Diagnostyka uzwojeń stojanów silników indukcyjnych wysokiego napięcia stanowi ważne zagadnienie praktyczne ze względu na występujące w praktyce przemysłowej uszkodzenia izolacji uzwojeń. Istnieją rożne metody [, 4, 6] oceny stanu izolacji: metoda badania napięciem stałym, prądem przemiennym, metoda wyładowań niezupełnych itd. Metoda badań napięciem stałym jest metodą nie wymagającą nadzwyczaj drogiej aparatury, nie stwarza wielkich trudności w zastosowaniach przemysłowych, jest metodą nie niszczącą, a co najważniejsze najwyższa wartość napięcia pomiarowego może być dostosowana do stanu izolacji badanej maszyny. 2. DNI IZOLCJI GRUPY SILNIKÓW INDUKCYJNYCH WN Metoda diagnozowania uzwojeń stojanów maszyn indukcyjnych WN napięciem stałym jest stosunkowo starą metodą, która została rozszerzona o pomiar przebiegu * Politechnika Opolska, ul. Luboszycka 7, Opole. ** Elektrownia Opole S.., 45-2 rzezie k. Opola.

2 odbudowy napięcia [2]. Polega ona na pomiarach charakterystyk i przebiegów czasowych. Stosuje się układ pomiarowy podany na rys.. Mierzone są charakterystyki: charakterystyka R 6 = f(u), charakterystyka prądu upływu I 5 = f(u) oraz przebiegi czasowe: prądu upływu I p = f(t), odbudowy napięcia U od =f(t). 5 W2 U V2 V U2 W Zasilacz prądu stałego µ 2 3 V Rys.. Układ pomiarowy Fig.. The scheme of measurement system W opracowaniu przedstawiono wnioski wynikające z pomiarów napięciem stałym izolacji uzwojeń stojanów silników indukcyjnych wysokiego napięcia, napędów potrzeb własnych elektrowni. W tym celu wytypowano grupę 8 sztuk silników o napięciu znamionowym 6 kv w przedziale mocy od 2 kw do 63 kw i prędkościach znamionowych od 37 do 297 obr/min. Grupa tych silników od chwili wyprodukowania była składowana w różnych warunkach klimatycznych do czasu pierwszego uruchomienia przez okres od roku do 5 lat. Po okresie składowania wszystkie te silniki były suszone i poddawane badaniom diagnostycznym, a następnie przeprowadzano ich przeglądy, ewentualne remonty i ponownie badano. Wszystkie pomiary zostały wykonane w podobnych warunkach otoczenia. W trakcie pomiaru temperatura otoczenia wahała się w granicach 7 2 C, a wilgotność względna powietrza zawierała się w przedziale 4 45%. Na podstawie wykonanych pomiarów można było dojść do następujących wniosków: Pomiar charakterystyki R 6 = f(u) przeprowadza się w zakresie napięć od zera do 2, a w niektórych przypadkach szczególnie dobrego stanu izolacji dochodzącym nawet do 3. Mierzy się prąd upływu po czasie równym 6 s i wyznacza wartość R 6. Można rozróżnić trzy charakterystyczne kształty tych charakterystyk. Na rysunku 2 przedstawiono obszar charakterystyk o niewyznaczalnym hipotetycznym napięciu przebicia silników o bardzo dobrym stanie izolacji.

3 6 7 R 6 [GΩ] 7 R 6 (U)[GΩ] 2,5 U U Rys. 2. Charakterystyki R 6 = f(u) silników o bardzo dobrej izolacji Fig. 2. The curves R 6 = f(u) of induction motors with very good isolation Rys. 3. Charakterystyki R 6 = f(u) silników o dobrej izolacji Fig. 3. The curves R 6 = f(u) of induction motors with good isolation W silnikach o dobrym stanie izolacji (rys. 3) istnieje możliwość wyznaczenia hipotetycznego napięcia przebicia, przy czym wartość tego napięcia przekracza trzykrotną wartość napięcia znamionowego. Na rys. 4 podano obszar charakterystyk silników o słabej izolacji. W tym przypadku wartość hipotetycznego napięcia przebicia nie przekracza 3. Charakterystyki prądu upływu mierzonego na rozładowanym układzie izolacyjnym po czasie 5 s, w funkcji napięcia, mają kształt podany na rysunku 5. 2,5 R[GΩ] I 5 C, U U Rys. 4. Charakterystyki R 6 = f(u) silników o słabej izolacji Fig. 4. The curves R 6 = f(u) of motors with not very good isolation Rys. 5. Charakterystyki I 5 = f(u) Fig. 5. Curves I 5 = f(u) W przypadku silników o bardzo dobrym stanie izolacji charakterystyka jest zwykle linią prostą. W silnikach o izolacji zawilgoconej lub zabrudzonej charakterystyka zakrzywia się. Im stan izolacji jest gorszy, tym bardziej charakterystyka przybiera kształt zbliżony do krzywej C. Przebiegi czasowe prądu upływu I p = f(t), mierzy się po skokowym załączeniu napięcia stałego o wartości znamionowej na całkowicie rozładowany układ izolacyjny. Przebiegi te, odpowiadające silnikom o dobrym stanie izolacji, podane są na rysunku 6, a na rysunku 7 odpowiadające silnikom o izolacji uzwojeń stojanów mokrej i zabrudzonej powierzchniowo. Im bardziej izolacja jest zawilgocona lub zabrudzona, tym bardziej

4 przebiegi są zbliżone do krzywej. Ważną wartością tych charakterystyk jest czas, po którym ustala się prąd upływu. Im dłuższy jest czas, po którym ustala się przebieg, tym stan izolacji jest lepszy. 7 I p [ µ ] I p [µ],5, 2 4 t[s],5 5 2 t[s] Rys. 6. Przebiegi prądu ładowania I p = f(t) silników o izolacji dobrej Fig. 6. The earth fault current I p = f(t) of induction motors with good isolation Rys. 7. Przebiegi czasowe I p (t) silników o izolacji słabej Fig. 7. The earth fault currents I p (t) of induction motors with not very good isolation Ważnymi dla oceny stanu izolacji są przebiegi odbudowy napięcia na układzie izolacyjnym U od = f(t). Pomiar tych przebiegów wykonuje się w ten sposób, że po naładowaniu układu izolacyjnego przez załączenie napięcia stałego o wartości znamionowej, dokonuje się krótkotrwałego zwarcia układu izolacyjnego (przez czas od do s, w zależności od stanu izolacji), a następnie po rozwarciu układu izolacyjnego mierzy się przebieg odbudowy napięcia na układzie izolacyjnym. Przebiegi czasowe można podzielić na trzy grupy w zależności od stanu izolacji silników. Na rysunku 8 podano obszar przebiegów odbudowy napięcia silników o dobrym stanie izolacji. Przez t od oznaczono czas odbudowy napięcia, a przez t 2 czas utrzymywania się napięcia. W silnikach o izolacji niezawilgoconej czasy t od na ogół przekraczają wartość 2 s, a czasy t 2 s.,2 U od,5 Uod,8,3 t od t 2 t[s] t[s] Rys. 8. Przebiegi U od (t) silników o dobrej izolacji Fig. 8. The recovery voltage U od (t) of induction motors with good isolation Rys. 9. Przebiegi U od (t) silników o izolacji zawilgoconej i zabrudzonej Fig. 9. The recovery voltage U od (t) of induction motors with wet and dirty isolation Rysunek 9 przedstawia obszar przebiegów czasowych odbudowy napięcia drugiej grupy przebiegów, głównie charakteryzujących izolację mokrą, zabrudzoną powierzchniowo.

5 8 W przypadku izolacji bardzo zawilgoconej napięcie odbudowuje się w stosunkowo krótkim czasie (2 5 s) i co jest bardzo charakterystyczne utrzymuje się również krótko w granicach 2 3 s. Wartość odbudowanego napięcia jest niższa niż w silnikach o izolacji dobrej, i jest tym niższa, im izolacja jest bardziej zawilgocona.,47,37 U od C, t[s] Rys.. Uogólniony obszar charakterystyk U od (t) o obniżonych parametrach i dużych pojemnościach wewnętrznych Fig.. The recovery voltage U od (t) of induction motors with not very good isolation and big internal capacity Rysunek przedstawia trzecią grupę przebiegów odbudowy napięcia w przypadku izolacji o dużych pojemnościach wewnętrznych. Charakterystyki zawierające się w obszarze między krzywymi i spotyka się w silnikach, w których pojemności wewnętrzne izolacji są duże, jednocześnie izolacja ich jest zawilgocona i zabrudzona. Charakterystyki zawierające się w obszarze między krzywymi i C charakteryzują izolację silników o dużych pojemnościach wewnętrznych, jednocześnie w miarę suchą i niezabrudzoną. Przebieg C przedstawia izolację o bardzo dużych pojemnościach wewnętrznych; przebieg ten otrzymuje się bezpośrednio po wysuszeniu izolacji i przewentylowaniu silnika, natomiast po dłuższym postoju silnika stan izolacji pogarsza się i przebieg odbudowy napięcia powraca do kształtu z obszaru między krzywymi i C. adane silniki podzielono na trzy grupy, kierując się hipotetyczną wartością napięcia przebicia wyznaczoną na podstawie charakterystyki R 6 = f(u). Pierwsza grupa to silniki o niewyznaczalnym napięciu przebicia, druga to silniki, których napięcie przebicia przekracza 3; są to silniki o bardzo dobrej lub dobrej izolacji. Trzecią grupę stanowią silniki, których napięcie przebicia nie przekracza 3; są to silniki o gorszym stanie izolacji. Stan izolacji uzwojeń stojanów silników indukcyjnych można scharakteryzować pewnymi charakterystycznymi wartościami: ustaloną wartością prądu upływu I p, maksymalną wartością odbudowanego napięcia U odm, czasem odbudowy napięcia t od. W tabeli podano, jakie wartości przybrały średnie wartości oraz odchylenia standardowe: prądu upływu, maksymalnej wartości odbudowanego napięcia i czasu odbudowy napięcia, w poszczególnych grupach silników. Tabela I par S(I p ) U odmar S(U odm ) t odar S(t od ) µ µ V V s s I grupa,34, II grupa,83,

6 9 III grupa 4,58 2, ,5 3 U odm / I p [µ ] 25 2, t od [s] Rys.. Zależność U od = f (t od ) dla poszczególnych grup silników: silniki o hipotetycznym napięciu przebicia powyżej 3 silniki o niewyznaczalnym napięciu przebicia silniki o hipotetycznym napięciu przebicia poniżej 3 Fig.. Characteristic U od = f(t od ) for thre different groups of motors: The distruptive voltage obove 3 The immeasurable distruptive voltage The distruptive voltage belov odb t od [s] Rys. 2. Zależność I p = f (t od ) dla poszczególnych grup silników: silniki o hipotetycznym napięciu przebicia powyżej 3 silniki o niewyznaczalnym napięciu przebicia silniki o hipotetycznym napięciu przebicia poniżej 3 Fig. 2. Characteristic U od = f(t od ) for thre different groups of motors: The distruptive voltage obove 3 The immeasurable distruptive voltage The distruptive voltage belov 3 Na rysunku przedstawiona jest zależność największej wartości odbudowanego napięcia od czasu, w którym się to napięcie odbudowało, dla całej grupy 8 silników, która została poddana analizie. Można wyraźnie zauważyć, jak pogrupowały się silniki poszczególnych wyodrębnionych grup. Grupa silników pierwsza i druga o izolacji bardzo dobrej i dobrej stanowi w zasadzie jedną grupę. Trzecia grupa silników z izolacją o gorszych parametrach, która wyraźnie wyodrębnia się na rys., cechuje się przede wszystkim stosunkowo krótkimi czasami odbudowy, natomiast napięcia odbudowy są różne i mogą osiągnąć duże wartości. Rysunek 2 przedstawia zależność ustalonego prądu upływu grupy 8 silników od czasu odbudowy napięcia tych silników. Układ punktów na rysunku jest bardzo podobny do układu punktów na rysunku, może nawet bardziej wyrazisty. Silniki podzielone na grupy według hipotetycznego napięcia przebicia izolacji z grupy pierwszej i drugiej tworzą w zasadzie jedną grupę, a silniki z trzeciej tworzą drugą grupę. Widać na tym wykresie wzajemną zależność wartości ustalonej prądu upływu układu izolacyjnego od czasu odbudowy napięcia poszczególnych silników. Wzrost czasu odbudowy napięcia wiąże się jednocześnie z małymi wartościami ustalonego prądu upływu. Porównywanie charakterystyk i przebiegów zmierzonych w różnych terminach bardzo ułatwia postawienie trafnej diagnozy. adania okresowe stanu izolacji [3] pozwalają w praktyce przemysłowej uniknąć niespodziewanych wyłączeń napędów spowodowanych awarią. W warunkach ekstremalnych, które stworzyła powódź [5] takie właśnie porównania wyników badań przed i po powodzi pozwoliły na praktycznie bezbłędne diagnozy. Na

7 rysunkach 3 i 4 porównano przebiegi prądu upływu i odbudowy napięcia, zmierzone przed i po powodzi, silnika o mocy kw, 6 kv o izolacji tradycyjnej. Mimo starannego suszenia izolacja silnika po powodzi nie powróciła do dobrego stanu. Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono podobne porównanie wyników badań silnika kw, 6 kv o izolacji impregnowanej metodą próżniowo-ciśnieniową VPI I ład,9,8,7 U odb [kv] po powodzi przed powodzią t [s] ,6.,5 po powodzi,4 przed powodzią,3,2, t [s] Rys. 3. Przebieg prądu upływu I p (t): przed powodzią, po powodzi i suszeniu Fig. 3. The earth fault current I p (t): before flood, after flood and after drying Rys. 4. Przebieg odbudowy napięcia U od (t): przed powodzią, po powodzi i suszeniu Fig. 4. The recovery voltage U od (t): before flood, after flood and after drying 8 7 I ład,9 U odb [kv] 6 5 po powodzi przed powodzią.,8,7,6 4,5 3 2 t [s] Rys. 5. Przebieg prądu upływu I p (t): przed powodzią, po powodzi i suszeniu Fig. 5. The earth fault current I p (t): before flood, after flood and after drying,4,3,2, po powodzi przed powodzią t [s] Rys. 6. Przebieg odbudowy napięcia U od (t): przed powodzią, po powodzi i suszeniu Fig. 6. The recovery voltage U od (t): before flood, after flood and after drying Metody badań diagnostycznych maszyn elektrycznych dają szczególne korzyści, gdy są wdrożone do systematycznej praktyki przemysłowej. Przykładowo [3] wdrożony na Stacji Prób i Pomiarów Elektrycznych w Elektrowni Opole we współpracy z Katedrą utomatyzacji i Diagnostyki Układów Elektromechanicznych Politechniki Opolskiej system diagnozy silników napędów potrzeb własnych, sprawdził się w ciągu kilku lat pracy, a w szczególności w ekstremalnych warunkach powodziowych w 997 roku [5]. Po powodzi zachodziła potrzeba szybkiego uruchomienia Elektrowni Opole, a więc

8 szybkiego i pewnego przywrócenia silników indukcyjnych do pracy. Zatopione podczas powodzi silniki poddawano myciu, przeglądowi i szybkiemu suszeniu (nie zawsze z zachowaniem wszelkich reguł czasowych), a następnie ocenie stanu izolacji. W ekstremalnie trudnych warunkach metoda oceny stanu izolacji napięciem stałym okazała się niezawodna. Żaden z silników oceniony dodatnio nie uległ uszkodzeniu. LITERTUR [] GLINK T., adania diagnostyczne maszyn elektrycznych w przemyśle. OR ME, KN, Katowice 998. [2] GLINK T., Diagnostyka izolacji uzwojeń maszyn elektrycznych dużej mocy. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Elektryka, z. 3, 992, s [3] HICKIEWICZ J., (kierownik tematu) i inni: Praca naukowo-badawcza pt. Opracowanie metody i technologii diagnozowania stanu izolacji silników indukcyjnych WN, Praca dla Elektrowni Opole, czerwiec 992. [4] ŁWROWSKI Z., Diagnostyka silników klatkowych wysokiego napięcia w energetyce na przykładzie Elektrowni Opole. Rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice 999. [5] ŁWROWSKI Z., Doświadczenia powodziowe dotyczące stanu izolacji silników wysokiego napięcia. Materiały konferencyjne 4SPE-98, Wiadomości Elektrotechniczne, 998, nr 4, s [6] PRZYYSZ J., Turbogeneratory eksploatacja i diagnostyka, Warszawa, WNT, 99. DIGNOSTIC TESTING OF ISOLTION IN GROUP OF HIGH VOLTGE INDUCTION MOTORS The paper presents the outline of testing the isolation of induction motors winding, using a direct current. The group of common-bus drives in a power plant was tested. Some characteristic indicators were chosen to describe a state of isolation. The results of testing the induction motors which had been covered by water during the flood, are presented. It is stated that this method of testing can be used practically in power plants and other industrial factories.