Citlivost diagnostických metod pro izolační systémy elektrických strojů

Doc. Ing. Miloš Hammer, CSc.,
Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky – odbor elektrotechniky,
Fakulta strojního inženýrství, VUT Brno

Citlivost diagnostických metod pro izolační systémy elektrických strojů

U nás i v zahraničí se některá pracoviště zabývají diagnostikou izolačních systémů elektrických strojů točivých. Tato diagnostika je zaměřena především na získání informací o reálném stavu izolačního systému. Protože funkčnost izolace vinutí elektrických strojů se ztrácí jejím průrazem, jsou hledány diagnostické veličiny, které by nedestruktivním způsobem o průrazném napětí vypovídaly. Proto jsou zaznamenány snahy o vývoj nových věrohodnějších diagnostických metod, které by vycházely ze znalosti fyzikálních dějů provázejících průraz a které by i naznačily prognózu zbývající životnosti izolačních materiálů. Předkládaný příspěvek je zaměřen na určení citlivosti perspektivní diagnostické metody, která byla námi již úspěšně verifikována v laboratorních podmínkách i na izolačních systémech statorů trojfázových asynchronních motorů.

Obr. 1.

Obr. 1. Specifikace narušení vzorků materiálu Vetronit EP G-11 pro určení citlivosti metody aktivační energie vodivostních dějů

V [1], [2], [3] je popsána a verifikována diagnostická metoda aktivační energie vodivostních dějů. Je konstatováno, že by metoda byla vhodná pro diagnostické účely izolačních materiálů vinutí elektrických strojů točivých. Proto nás v další fázi zajímala citlivost této metody. V předkládaném článku je nejprve pro naše účely citlivost metody aktivační energie definována, k jejímu bližšímu určení je realizován laboratorní experiment na vzorcích izolačního materiálu a nakonec jsou získané výsledky vyhodnoceny.

Metoda aktivační energie vodivostních dějů vychází ze zjednodušeného výrazu pro teplotní závislost vnitřní vodivosti

g = A exp (–B_V/T) (1)

kde
A je konstanta,
T teplota,
B_V činitel reprezentující aktivační energii vodivostních dějů.

Obecně citlivostí budeme definovat schopnost vyhodnocované diagnostické veličiny reagovat na simulované změny, které budou ve sledovaném diagnostickém objektu představovat následky působení degradačních činitelů. Konkrétně v uvažovaném případě lze citlivost vyjádřit matematickým vztahem

c = B_V/V (2)

kde V je zbývající část (bez simulovaných mechanických narušení) objemu materiálu vzorku.

Obr. 2.

Obr. 2. Závislost činitele B_V na zbývajícím objemu materiálu vzorku pro vybrané dny stárnutí

Pro bližší určení citlivosti metody aktivační energie vodivostních dějů jsme realizovali experiment, který spočíval v simulovaném mechanickém narušení vzorků izolačního materiálu Vetronit EP G-11. Narušení vycházelo z představy, že v provozních podmínkách bývá izolace často vystavena značným přehřátím, která mohou mít za následek zvýšenou lokální degradaci a v extrémních případech až uhelnatění povrchu izolace. Podobné účinky mohou vznikat i působením částečných výbojů v dutinkách izolace nebo vlivem povrchových drážkových výbojů. Vybrané vzorky materiálu Vetronit EP G-11 jsme narušili odfrézováním do hloubky 0,07 mm nebo 0,12 mm (celková tloušťka vzorků činila 0,20 mm), přičemž plochy odstranění materiálu jsme volili 110, 230, 380, 780 mm² (celková plocha vzorků byla 1 963 mm²). Odfrézované části jsme vyplnili grafitovým lakem SIB 643. Podrobnosti o přípravě vzorků k experimentu lze sledovat na obr. 1 a v tab. 1.

Takto připravené vzorky materiálu Vetronit EP G-11 jsme podrobili stárnutí v horkovzdušném sterilizátoru při teplotě 180 °C. V nestárnutém stavu a po 8, 16, 24, 33 a 40 dnech stárnutí jsme měřili klasickou metodou absorpční proud při napětí 200 V v teplotním rozsahu 23 až 120 °C. Pro každou dobu stárnutí (t_S) bylo k dispozici pět vzorků. V závěru experimentu jsme u každého vzorku stanovili průrazné napětí (U_p) plynule se zvyšujícím stejnosměrným napětím od nuly do průrazu. Aritmetický průměr průrazného napětí v závislosti na době stárnutí, ploše a hloubce narušení je uveden v tab. 2.

Obr. 3.

Obr. 3. Poměrné změny veličin B_V a U_p v závislosti na době stárnutí pro narušení 4

Další postup spočíval v určení činitele B_V, který reprezentuje aktivační energii vodivostních dějů. K tomuto účelu byly využity výsledky měření absorpčního proudu a podle vztahu (1) byl činitel B_V pro jednotlivé vzorky získán. Aritmetický průměr činitele B_V pro příslušné doby stárnutí a zkoumaná narušení jsou uvedeny v tab. 3. Tyto údaje byly podrobeny statistickým testům, např. testu o rovnosti dvou středních hodnot.

Podle rovnice (2) byla pro každé narušení a dobu stárnutí vypočtena citlivost. Výsledky lze sledovat v tab. 4.

Vyhodnocení experimentu pokračuje na obr. 2, v němž je graficky znázorněna závislost činitele B_V na zbývajícím objemu materiálu (V) pro vybrané doby stárnutí. Podobný průběh by bylo možné sledovat i pro ostatní doby stárnutí. Tuto grafickou závislost doplňuje i tab. 5, v níž jsou uvedeny všechny hodnoty korelačních koeficientů zmíněné závislosti.

Hodnoty korelačních koeficientů byly podrobeny statistickému testu o existenci statisticky významné korelační závislosti.

Na obr. 3 a 4 jsou zachyceny poměrné změny veličiny B_V vůči počáteční hodnotě (B_V/B_V0) v závislosti na době stárnutí pro některá narušení a tyto průběhy jsou porovnávány s poměrnými změnami průrazného napětí (U_p/U_p0).

Obr. 4.

Obr. 4. Poměrné změny veličin B_V a U_p v závislosti na době stárnutí pro narušení 7

V tab. 6 jsou uvedeny hodnoty koeficientů korelace mezi veličinou B_A a průrazným napětím při jednotlivých narušeních.

Závěr
Citlivost veličiny B_V dosahuje u všech narušení materiálu přibližně stejné hodnoty, se vzrůstající dobou stárnutí klesá. Závislost veličiny B_V na zbývajícím objemu materiálu je poměrně dobrá, což potvrdily statistické testy. Z nich vyplývá existence lineární korelační závislosti mezi veličinou B_V a zbývajícím objemem materiálu při přibližně stejné těsnosti. Bylo dokázáno, že objem narušení rovný 28 mm³ (tj. 7 % z celkového objemu vzorku) má statisticky významný vliv na změnu veličiny B_V, a to pro všechny doby stárnutí. Pro některé doby stárnutí se statisticky významný vliv objevuje již při nižších hodnotách objemu narušení. Dále lze sledovat horší souvislost veličiny B_V s průrazným napětím při nižších dobách stárnutí, což je možné vysvětlit ještě probíhajícími procesy vlivem vytvrzování epoxidové pryskyřice ve zvoleném izolačním materiálu. I přes toto konstatování lze na hladině významnosti a=0,05 dokázat existenci lineární korelační závislosti mezi veličinou B_V a průrazným napětím pro všechna narušení.

Uvedené výsledky znovu potvrdily reálnou možnost použití metody aktivační energie vodivostních dějů k diagnostice izolačních materiálů vinutí elektrických strojů. Byla blíže specifikována citlivost metody, což je přínosem pro její aplikaci v průmyslové praxi.

Literatura:

[1] HAMMER ,M.: Nové pohledy na diagnostiku izolačních systémů elektrických strojů točivých. ELEKTRO, 7, 1997, č. 3, s. 83–84.

[2] HAMMER, M.: Diagnostika provozně zestárlých izolačních systémů elektrických strojů. ELEKTRO, 7, 1997, č. 5, s.160–162.

[3] HAMMER, M.: Non-traditional Evaluation of Diagnostic Results of Insulation Materials for Winding in Electrical Machinery. In: Mezinárodní konference DISEE 98 (Dielectric and Insulating Systems in Electrical Engineering ). Bratislava a Častá- Píla 1998, s. 96–98.

[4] HAMMER, M.: Electrical Machinery Insulation System Diagnostics for the Purposes of Power Engineering. In: Mezinárodní konference DISEE 98. Bratislava a Častá-Píla 1998, s. 155–158.

[5] HAMMER, M.: Hard Degradation Products Method in Insulation Materials Diagnostics. In: Mezinárodní konference Diagnostika 97. Plzeň 1997, s. 256–258.

[6] HAMMER, M.: Conductivity Processes Activation Energy Method in Insulation Materials Diagnostics. In: Mezinárodní konference Diagnostika 97. Plzeň 1997, s. 259–261.

Tab. 1. Specifikace narušení vzorků materiálu Vetronit EP G-11 pro určení citlivosti metody aktivační energie vodivostních dějů

Narušení vzorku				Zbývající část vzorku
Označení	Plocha (mm²)	Hloubka (mm)	Objem (mm³)	Objem (mm³)	K celkovému objemu (%)
1	110	0.07	8	385	98
2	230	0.07	16	377	96
3	380	0.07	27	367	93
4	780	0.07	55	339	86
5	110	0.12	13	380	97
6	230	0.12	28	365	93
7	380	0.12	45	348	89
8	780	0.12	94	299	76

Tab. 2. Aritmetický průměr průrazného napětí v závislosti na době stárnutí, ploše a hloubce narušení

t_s (dny)	Narušení 1 až 4	Narušení 5 až 8
t_s (dny)	U_p (kV)	U_p (kV)
0	16.1	12.5
8	13	11
16	11.2	7.7
24	8.7	6.5
33	7.2	5.5
40	4	3.3

Tab. 3. Aritmetický průměr činitele B_V závislosti na době stárnutí a druhu narušení

t_s (dny)	Narušení
t_s (dny)	1	2	3	4	5	6	7	8
0	8933	8752	8251	7865	8502	8662	8075	6938
8	2909	2790	2810	2610	2960	2763	2721	2301
16	3262	3215	3135	2891	3261	3125	2899	2775
24	4251	4148	4038	3853	4182	4029	4121	3295
33	3950	3852	3775	3472	3879	3700	3554	3118
40	2419	2375	2305	1808	2369	2268	2018	1782

Tab. 4. Citlivost činitele B_V pro jednotlivé doby stárnutí a druhy narušení

t_s (dny)	Narušení
t_s (dny)	1	2	3	4	5	6	7	8
0	23.2	23.2	23.2	23.2	22.4	23.7	23.2	23.2
8	7.6	7.4	7.7	7.7	7.8	7.6	7.8	7.7
16	8.5	8.5	8.5	8.5	8.6	8.6	8.3	9.3
24	11	11	11	11.4	11	11	11.8	11
33	10.3	10	10.3	10.2	10.2	10.1	10.2	10.4
70	6.3	6.3	6.3	5.3	6.2	6.2	5.8	6

Tab. 5. Hodnoty korelačních koeficientů závislosti činitele B_V na zbývajícím objemu materiálu vzorku pro všechny doby stárnutí

t_s (dny)	Koeficient korelace
0	0.98
8	0.97
16	0.95
24	0.91
33	0.99
40	0.93

Tab. 6. Korelační koeficienty mezi veličinami B_V a U_p při jednotlivých narušeních

Narušení	Koeficient korelace
1	0.87
2	0.87
3	0.87
4	0.88
5	0.93
6	0.93
7	0.92
8	0.94