Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 62 Politechniki Wrocławskiej Nr 62 Studia i Materiały Nr 28 2008 izolacja uzwojeń silników WN indukcyjnych klatkowych, diagnostyka on-line stanu izolacji uzwojeń, wyładowania niezupełne Sławomir SZYMANIEC* DIAGNOSTYKA ON-LINE STANU IZOLACJI UZWOJEŃ W SILNIKACH WYSOKONAPIĘCIOWYCH INDUKCYJNYCH KLATKOWYCH W pracy przedstawiono podstawowe zagadnienia z zakresu diagnostyki izolacji uzwojeń maszyn elektrycznych w szczególności silników indukcyjnych klatkowych WN. Przedstawiona praca wynika z wieloletniej współpracy autora z przemysłem krajowym w zakresie diagnostyki maszyn elektrycznych w szczególności w obszarze eksploatacji silników indukcyjnych trójfazowych. Praca ma przede wszystkim walor użyteczności praktycznej. Przedstawione metody diagnostyczne własne bądź autorstwa innych, zostały przez autora sprawdzone w warunkach laboratoryjnych, a następnie zweryfikowane w warunkach przemysłowych. 1. WSTĘP Złożona struktura materiałów izolacyjnych stosowanych w silnikach indukcyjnych WN i specyfika procesu technologicznego układu izolacyjnego [1, 2, 3, 5, 6, 7, 15] 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 [1, 15, 16], co powoduje, że w czasie eksploatacji maszyn powiększają się defekty już istniejące oraz powstają nowe. Procesowi starzenia się izolacji towarzyszy zjawisko wyładowań niezupełnych wnz [1, 3, 6, 7, 15]. 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]. * Politechnika Opolska, s.szymaniec@po.opole.pl
493 Są one ogólnie uważane za wyładowania lokalne i w wielu przypadkach ze znacznym wyprzedzeniem poprzedzają całkowite przebicie izolacji [1, 4, 6, 7, 15]. Ogólnie wnz stanowią skutek miejscowej koncentracji naprężeń w izolacji lub na jej powierzchni. Mają zwykle postać impulsów o czasie trwania krótszym od 1µs [7]. Jeżeli lokalne pole elektryczne przekroczy określoną granicę inicjacji wyładowania (np. dla po-wietrza E 3 kv/mm [14]) w obecności elektronu startowego formuje się lawina elektronów. Zjawisko to jest ograniczone w przestrzeni i ma charakter przejściowy [4, 6]. Skutkiem oddziaływania tego typu zjawisk na układ izolacyjny jest stopniowe jego osłabienie, w szczególności w wyniku kumulowania się uszkodzeń przy nie-gasnących wnz [4, 7, 15]. Jest to składnik starzenia eksploatacyjnego izolacji. Jak wynika z badań [1, 2, 3, 4, 6, 7, 15], wnz są głównym objawem uszkodzenia izolacji wywołanego jej zestarzeniem. Z tego powodu detekcja wnz izolacji jest ważnym elementem oceny jej stanu [15]. Pomimo swej lokalnej natury, wnz są zjawiskiem niezwykle złożonym, wykazują zachowania chaotyczne, niestacjonarne [4]. Złożoność tego zjawiska wynika z dużej liczby i różnorodności warunków geometrycznych i materiałowych w których wnz mogą zaistnieć. 2. POMIARY WNZ W ostatnich kilku latach obserwuje się coraz częściej wykorzystywanie wnz do diagnostyki stanu izolacji maszyn elektrycznych WN, głównie dzięki szybkiemu rozwojowi techniki cyfrowej, która może przetwarzać i analizować informacje z pomiarów wnz [1, 4, 15, 16]. Zagadnienie wykorzystania wnz do diagnostyki stanu izolacji uzwojeń maszyn elektrycznych off-line jest przedstawione w literaturze [4, 6, 16, 17]. Jak do tej pory nie ma polskiej normy dotyczącej wnz w izolacji uzwojeń silników. W ocenie autora jednolitych norm w tym zakresie nie ma również na świecie. Znane światowe firmy produkujące uzwojenia maszyn elektrycznych stosują własne, fabryczne normy, wprowadzając kryteria dotyczące intensywności wnz głównie dla uzwojeń generatorów. W kraju Instytut Energetyki w Poznaniu doprowadził do wprowadzenia krajowych kryteriów diagnozowania układów izolacyjnych prętów generatorów przez pomiar intensywności wnz metodą off-line [17]. Wnz w układzie izolacyjnym uzwojeń towarzyszą różne zjawiska fizyczne, których obserwacja oraz pomiary mogą być wykorzystane do detekcji wnz i następnie do wyznaczenia wartości parametrów opisujących wnz. Zjawiskami tymi są między innymi [1, 3, 4, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15]: występowanie impulsu prądowego, emisja fal elektromagnetycznych, zmiany strat dielektrycznych, reakcje chemiczne, udarowe odkształcenia sprężyste i towarzysząca im emisja fali akustycznej.
494 W zależności od układu izolacyjnego uzwojeń, rodzaju dielektryka oraz typu wnz, poszczególne efekty mogą występować z różnym nasileniem. Opisując podstawowe wielkości charakteryzujące wnz należy przywołać definicje zawarte w stosownej normie krajowej PN-EN60270 [12] i międzynarodowej IEC 60270:2000 [15]. Podstawowymi wielkościami dla wnz są [12]: ładunek pozorny q, częstość powtarzania impulsów n, średni prąd wyładowań I, wskaźnik kwadratowy D, moc wyładowań P, napięcie początkowe wyładowań U i, napięcie gaśnięcia U e,, kąt fazowy ϕ i oraz chwila wystąpienia impulsu wyładowania t i. Bardzo często wielkościami charakteryzującymi wnz w czasie pomiarów są: ładunek maksmalny wyładowań q max, parametr PDI (Partial Discharge Intensity) [15]. Jest to moc wyładowań, liczona dla rzeczywistych wartości napięć, jednakowych dla wszystkich impulsów, a nie chwilowych, indywidualnych napięć u i (dla każdego ładunku q i ). Jednostką PDI są mw. Coraz częściej w pomiarach wnz stasuje się współczynniki normalizujące: a) Współczynniki Q m ; są definiowane jako amplituda wnz odpowiadająca występowaniu 10 impulsów na sekundę. Przy danej polaryzacji impulsów, Q m określa jak głęboka jest degradacja izolacji w najgorszym miejscu uzwojenia [1]. Q m wyznacza się oddzielnie dla dodatniej i ujemnej polaryzacji impulsów Q m+ i Q m. Współczynniki Q m są przez niektórych producentów aparatury diagnostycznej (np. ADWEL, CUTLER HAMMER) oznaczane symbolem Q max. b) Współczynniki NQN (Normalized Quantity Number)); jest to całkowita aktywność wnz przy danej polaryzacji impulsów. Określa ją dla danej polaryzacji impulsów całkowita liczba impulsów. NQN jest proporcjonalna do całkowitej ilości miejsc o pogorszonych właściwościach izolacyjnych, monitorowanych podczas pomiarów [1]. NQN wyznacza się oddzielnie dla dodatniej i ujemnej polaryzacji impulsów: NQN+ i NQN. Aparatura diagnostyczna czołowych amerykańskich i kanadyjskich firm zajmujących się pomiarami wnz obok pomiarów współczynników normalizujących proponuje zawsze opcje pomiarowe typu: Analiza wielkości impulsów wnz; jest to dwuwymiarowy wykres, który przedstawia liczbę n wyładowań wnz w ciągu 1s w funkcji ich amplitudy dla danej polaryzacji impulsów wnz. Gdy zachodzi możliwość kalibracji toru pomiarowego (konieczność demontażu silnika) amplitudę wnz wyraża się w [pc]. Przy braku możliwości kalibracji (w praktyce przypadek najczęstszy) amplitudę wnz wyraża się w [mv] [1]. Analiza fazy impulsów wnz; jest to trójwymiarowy wykres, który przedstawia liczbę wyładowań n wnz w ciągu 1s w zależności od kąta napięcia zasilania dla danej fazy maszyny oraz w zależności od amplitudy wnz [mv] dla danej polaryzacji impulsów wnz [1]. Analiza trendów zmian wymienionych wcześniej wielkości w funkcji czasu przy uwzględnieniu temperatury, wilgotności, obciążenia. Należy zauważyć, że w trakcie pomiarów wnz nie mierzy się rzeczywistego lokalnego wyładowania ale ładunek indukowany tym wyładowaniem na sąsiadujących elektrodach zaciskach układu
495 pomiarowego. W badaniach przemysłowych przy pomiarach on-line jest to zmiana napięcia wyrażona w [mv]. Oznacza to, że mierzy się falę wędrującą od płynącego ładunku do układu pomiarowego [1, 6]. W ramach badań własnych autor zbudował przenośny zestaw aparatury do pomiarów wnz silników off-line i on-line [16]. Zestaw aparaturowy może współpracować z dowolnymi czujnikami wnz typu: kondensatory sprzęgające, termorezystor RTD, czujniki RFCT, cewki Rogowskiego tak sztywne jak i elastyczne. Korzystając z przedstawionego wyżej zestawu aparaturowego autor wykonał badania stanu izolacji on-line na kilkunastu silnikach WN pracujących w przemyśle krajowym. Badano silniki o mocach: 1,0 MW, 1,4 MW, 2,4 MW, 4,4 MW z izol. klasy F. Jednym z ciekawszych wydaje się przypadek silnika o mocy 2,4 MW. Na rys. 1 przedstawiono wyniki 3-miesięcznych pomiarów wnz silnika. Wnz mierzono a) b) Rys.1. Pomiary parametru Q max, silnik o mocy 2,4 MW, 6 kv, pomiary wnz przy użyciu RTD : : a) przed oczyszczeniem uzwojenia, b) po oczyszczeniu uzwojenia. Fig.1. Measurements of parameters Q max for 2.4 MW 6kV motor of PD methods using RTD: a) before cleaning the winding, b) after cleaning the winding przy pomocy 12 czujników RTD. Z czego: RTD01 RTD06 znajdowały się od strony napędowej, a RTD07 RTD12 od strony przeciwnapędowej. Od strony napędowej wnz były zdecydowanie większe niż od strony przeciwnapędowej. W miarę upływu czasu zaobserwowano intensywny wzrost wnz, w szczególności przy pomiarze RTD03. Q max wzrosło z 475 mv do 955 mv, wzrost przeszło 2 krotny - rys.1. Silnik w zakładzie należy do grupy maszyn krytycznych nie mających dublera. W związku ze wzrostem wnz autor zaproponował zatrzymanie napędu i przegląd uzwojenia silnika. Pod koniec listopada zaplanowano przerwę produkcyjną w zakładzie. W tym czasie dokładnie oczyszczono uzwojenia silnika, poddano je zabiegom konserwacyjnym. Następnie wykonano pomiary off-line. Test Meggera i test impulsowy wykazał dobry stan izolacji silnika [16]. Po uruchomieniu silnika przeprowadzono pomiary kontrolne wnz. Pomiary wykazały wyraźny spadek aktywności wnz silnika, spadek Q max nawet 9 krotny rys. 1.
496 3. WNIOSKI KOŃCOWE Z wykonanych przez autora badań wynikają następujące wnioski natury ogólnej: 1. Pracy silników elektrycznych towarzyszą wyładowania niezupełne. Sekwencje impulsów wnz są zdarzeniami losowymi, charakteryzującymi się znacznym rozrzutem wielkości amplitudowych i fazowych. Można je scharakteryzować przy pomocy wielkości takich jak; n, q, ϕ, Q max (Q m, ), PDI, NQN+, NQN. Są to wielkości opisujące intensywność wnz, częstotliwość występowania wnz oraz kąt fazowy rozkłady fazowo-rozdzielcze. 2. Charakter wnz towarzyszących pracy silników elektrycznych jest bardzo złożony. Pomiary on-line wymagają specjalistycznych czujników wnz oraz aparatury analizującej sygnały wnz. Analiza sygnałów dla celów diagnostycznych powinna być prowadzona z uwzględnieniem rozkładów fazowo-rozdzielczych. W miarę upływu czasu eksploatacji silników, obserwuje się zmianę intensywności wnz przy charakterystycznych rozkładach fazowo-rozdzielczych. Zmiany intensywności wnz przedstawione w charakterystykach typu trend, zmiany charakterystyk fazoworozdzielczych mogą być wykorzystane do diagnostyki on-line stanu izolacji silników. 3. Pomiar wnz on-line silników oraz monitoring stanu izolacji ułatwia racjonalną ich eksploatację w odniesieniu do układu izolacyjnego. Zmiana wielkości charakteryzujących wnz obok informacji o stanie izolacji, o pogłębiającym się zużyciu izolacji uzwojenia silnika, dostarcza dodatkowych informacji np. o ewentualnym zabrudzeniu uzwojenia silnika. Stwarza to możliwości prowadzenia właściwych działań serwisowych wobec silników. Autor uważa, że w warunkach przemysłu krajowego pomiary wnz on-line silników elektrycznych WN mające na celu określenie stanu ich izolacji są technicznie i ekonomicznie uzasadnione, oraz logistycznie i technicznie możliwe. LITERATURA [1] ADWEL: PD monitoring. Nota Aplikac. 2003. [2] Bertenshaw D., Sasic M.: On-line Partial Discharge Monitoring on MV motors-case studies on Improved Sensitivity Couplers. Nota Aplikacyjna firmy ADWEL International Canada, 2002. [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 2001. [5] Glinka T.: Badania diagnostyczne maszyn elektrycznych w przemyśle. Wyd. BOBRME, Katowice 1998. [6] Golubev A, Paoletti G.: Partial Discharge Theory and Technologies related to Medium Voltage Electrical Equipment. 2000 IEEE. Reprinted, with permission, from Paper 99 25 presented at the IAS 34 th Annual Meeting, Oct 3 7, 99, Phoenix, AZ.
497 [7] Gulski E.: Diagnozowanie wyładowań niezupełnych w urządzeniach wysokiego napięcia w eksploatacji. Wyd. Polit. Warszawskiej, Warszawa 2003. [8] Holbøll J. T., Henriksen M., Jensen A.: Motor insulation diagnostics by high frequency PD detection. Asnaes Power Station SK Power Company, Kalundborg, Denmark 1994. [9] Hoof, M., Lanz, S.. PD Diagnostics on Rotating Machines Possibilities and Limitations. Electrical Insulation Conf., Cincinnati, October 26 28, 1999. [10] Kane C., Pozonsky J., Carney S., Blokhintsev I.: Advantages of Continuous Monitoring of Partial Discharges in Rotating Equipment and Switchgear. 2003 AISE Meeting, Pittsburgh, PA, Sept. 2003. [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 1996. [12] PN-EN 60270. 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. 2001 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, 2004. [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 2006. [17] Tułodziecka E., Andrzejewski K., Pietrzak K.: Monitorowanie układów izolacyjnych uzwojeń stojanów turbogeneratorów GTHW-360 w Elektrowni Bełchatów na podstawie pomiarów wnz w systemie off-line. XIV Konferencja Energetyki, Książ 7-9.09.2005, Materiały Konferencyjne, s. 331 350. [18] Warren V.: Partial Discharge Testing: A Progress Report. Iris Rotating Machinery Conference, USA, Santa Monica, June 2003, pp. 1 13. ON-LINE DIAGNOSIS OF WINDING INSULATION IN HIGH-VOLTAGE SQUIRREL-CAGE INDUCTION MOTORS 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.