Škodí elektromotorům zkoušky vysokým napětím?

Technici, kteří mají na starosti provoz a údržbu elektromotorů, mají často obavy z použití testovacích napětí pro diagnostiku izolačního stavu statorového vinutí, která jsou nad úrovní jmenovitého provozního napětí. Zdá se jim nelogické testovat motor s napájecím napětím 400 V testovacím napětím 2 000 V nebo motor s napájecím napětím 4 160 V testovat napětím 9 320 V. Vždyť toto jsou štítkové hodnoty motoru, tak proč je během testování překračovat? Někteří technici mohou mít dokonce vlastní zkušenosti s průrazem izolace statorového vinutí během zkoušky výdržným napětím (tzv. Hipot test) nebo během rázové zkoušky, což mohlo ještě prohloubit jejich pochybnosti o vhodnosti použití vysokých napětí při testování izolace statoru. Podívejme se tedy především na zátěž, které je vystavena izolace statorového vinutí během běžného provozu, a poté se seznámíme s mechanismy postupné degradace izolace, až po poruchový stav. Na závěr si ukážeme na bezpečnostní prvky integrované do moderních analyzátorů motorů, které dělají aplikaci vysokonapěťových metod bezpečnou.

1. Důležitost štítkových hodnot

Každý elektromotor instalovaný v průmyslové aplikaci má své štítkové parametry, na které byl navržen. Tyto štítkové parametry určují správné provozní charakteristiky motoru. Je důležité zaručit, aby hodnoty napětí a proudů byly trvale v rámci rozsahu stanoveného štítkovými parametry. Například přepětí o velikosti 115 % jmenovitého napětí může vést k magnetickému nasycení železného jádra statoru a v důsledku toho k nadměrnému přehřívání izolační soustavy statorového vinutí, což výrazně zrychlí degradaci izolace a zvýší riziko provozní poruchy motoru.

Na druhé straně – podpětí bude mít za důsledek větší proud potřebný pro dosažení požadovaného mechanického výkonu na hřídeli motoru. To má dále za následek nadměrné přehřívání statoru a z toho vyplývající výrazně zrychlenou degradaci izolace statorového vinutí.

Oba uvedené scénáře mají stejně negativní vliv na životnost izolace jako přetěžování motoru a z toho vyplývající přehřívání vinutí. Z těchto důvodů je velmi důležité, aby při provozu byla zajištěna stabilita napájecího napětí co nejblíže štítkové hodnotě.

2. Správná interpretace štítkové hodnoty napětí

Je důležité si uvědomit, že štítková hodnota napětí motoru není izolační hladina statorové izolace. Izolační hladina neboli průrazné napětí izolace je napětí, při které izolační systém již není schopen odolávat napěťovému zatížení, jeho odpor se sníží na nulu a dojde k toku značného poruchového proudu, tedy k průrazu.

Izolační systémy motorů jsou navrženy tak, aby průrazné napětí izolace bylo výrazně vyšší, než je jmenovité napájecí napětí. Hlavním důvodem takového pravidla při návrhu izolačních systémů je skutečnost, že napěťové namáhání, kterému je izolace vystavena v běžném provozu (zejména při náběhů motorů) může dosahovat až čtyřnásobku jmenovité hodnoty napájecího napětí. Kdyby tedy byly izolační systémy statoru navrhovány s průrazným napětím rovnajícím se štítkové hodnotě napětí, docházelo by k poruchám izolace krátce po uvedení stroje do provozu (tab. 1).

Je k dispozici řada studií, které potvrzují, že napětí indukované do statorových vinutí během spínacích přechodných jevů (náběh/ vypínání) mohou dosahovat až čtyřnásobek štítkové hodnoty napětí.

Tab. 1. Příklady skutečného maximálního napěťového namáhání statorové izolace v porovnání s jmenovitým napájecím napětím

3. Průrazné napětí izolace

Na začátku technického života má izolace statorového vinutí velmi vysokou hodnotu průrazného napětí. Například nově vyrobený izolační systém motoru s napájecím napětím 460 V má průrazné napětí kolem 28 000 V proti zemi a 16 800 V mezi závity. Izolační systém má tedy velkou rezervu pro postupnou degradaci během technického života, bez narušení integrity izolace nebo spolehlivosti provozu.

Během života je motor vystaven různým environmentálním faktorům, včetně mechanického opotřebení, chemických vlivů a tepelného zatížení. Tyto zátěže způsobují degradaci izolace v čase. Míra degradace závisí na intenzitě uvedených namáhání, přičemž primární roli hraje tepelné namáhání (obr. 1).

Obr. 1. Křivka životnosti izolace

Jakmile průrazné napětí izolace klesne pod hranici maximálního napěťového zatížení v běžném provozu (které může být několikanásobně vyšší než jmenovité napájecí napětí), izolační systém motoru se nachází ve svém finálním stádiu životnosti a již negarantuje spolehlivý provoz. V tomto stádiu má většina izolace narušené dielektrické vlastnosti v důsledku degradace a provozovatel by měl co nejdříve naplánovat opravu nebo výměnu motoru.

Jak je popsáno dále, doporučené zkušební napětí pro vn zkoušky izolace statorových vinutí (zkouška výdržným napětím; zkouška stupňovitým napětím; rázová zkouška) jsou na úrovni 2U_n + 1 000 V, kde U_n je jmenovité napájecí napětí motoru. Jen při dodržení těchto zkušebních napětí je možné věrně simulovat napěťové zátěže izolačního systému v běžném provozu, a tak včas odhalit zhoršující se stav izolace. Z uvedeného vyplývá, že takové krátkodobé napěťové zatížení během zkoušky nijak neškodí zdravé izolaci.

4. Důležitost statického testování izolačního stavu statorového vinutí VN-zkouškami

Pro zajištění spolehlivého provozu elektromotorů, pohonů, generátorů, které jsou pro jejich provozovatele kritické z hlediska důležitosti pro chod provozovaného systému, je pravidelné testování izolačního stavu statorového vinutí naprostou nezbytností. Studie a statistiky ukazují, že poruchy způsobené selháním izolačního systému statorového vinutí představují až 25 % všech poruch v případě motorů s napájecím napětím do 4 kV a až 60 % všech poruch na motorech s napájecím napětím nad 4 kV. Tyto izolační problémy statorového vinutí nelze identifikovat vibrodiagnostikou a jediný způsob, jak včas odhalit degradaci izolace, je tzv. statické testování, jehož významnou součástí jsou zkoušky vysokým napětím, včetně tzv. rázové zkoušky. Cílem tohoto souboru testů, který se souhrnně nazývá statické testování elektrických točivých strojů, je odhalit izolační problém v rámci preventivní údržby motoru ještě dříve, než dojde k nenadálému výpadku motoru během provozu. Jestliže se omezí jen na nízkonapěťové testy, jako je měření izolačního odporu statorového vinutí, není možné v raném stádiu identifikovat velkou část izolačních problémů, jako např. snížené izolační stavy mezizávitové izolace. Ty může odhalit jediná zkouška, a to tzv. rázová zkouška, popsaná v odst. 7.

5. Měření izolačního odporu

Izolační systém statorového vinutí elektromotoru má dvě základní složky: hlavní (neboli drážkovou) izolaci a mezizávitovou izolaci. Měření izolačního odporu je základní měření, kterým obvykle začíná testovací sekvence statického testování. Je ovšem třeba si uvědomit, že měření izolačního odporu ukáže pouze izolační stav hlavní drážkové izolace (fáze proti zemi), ale nic nevypovídá o izolačním stavu mezizávitové izolace (při měření izolačního stavu jsou totiž všechny závity statorového vinutí na stejném potenciálu). Měření izolačního odporu se doporučuje provádět po dobu 1 minuty a vzít v úvahu hodnotu naměřenou právě po uplynutí jedné minuty. Měří-li se izolační stav v rámci programu preventivní údržby s cílem sledovat trend tohoto parametru v průběhu technického života izolace, je nutné dělat teplotní korekci naměřené hodnoty izolačního odporu na teplotu 40 °C a pro sledování trendu brát v úvahu tyto teplotně korigované hodnoty. Izolační odpor je totiž závislý na teplotě izolace, takže při opakovaných měřeních při různých teplotách vinutí bychom naměřili odlišné hodnoty, přestože se stav izolace nezměnil.

Vhodné testery motorů po změření a zadání teploty vinutí automaticky vypočítají izolační odpor korigovaný na 40 °C, a to s ohledem na izolační materiál – termoplast nebo reaktoplast. Doporučená vyhovující hodnota pro dobrou izolaci je alespoň 50 MΩ (hodnota korigovaná na 40 °C, po 1 minutě měření). Tabulka 2 uvádí doporučená testovací napětí pro měření izolačního odporu.

V praxi se zpravidla na vn motorech a generátorech (a také na nn motorech se jmenovitým výkonem 500 kW a výše) doporučuje měření izolačního odporu doplnit o měření činitele dielektrické absorpce (DAR), popř. polarizačního indexu (PI):
DAR = izolační odpor ve 3. minutě / izolační odpor po 30 sekundách,
PI = izolační odpor v 10. minutě / izolační odpor v 1. minutě.

Tyto přídavné diagnostické ukazatele mohou dát přídavnou výpověď o kontaminaci, popřípadě o vlhkosti izolace, jakož i o zestárnutí a degradaci dielektrika. Doporučené mezní hodnoty pro dobrou izolaci jsou DAR> 1,3 a PI> 2.

Tab. 2. Doporučená testovací napětí pro měření izolačního odporu v závislosti na jmenovitém napájecím napětí motoru

6. Zkouška výdržným napětím (Hipot Test), popř. zkouška stupňovitým napětím (Step Voltage Test)

Dalším zkouškou ve statické testovací sekvenci je buď zkouška výdržným napětím s doporučenou velikostí stejnosměrného zkušebního napětí 2U_n + 1 000 V (kde U_n je jmenovité napájecí napětí motoru) po dobu 1 minuty nebo zkouška stupňovitým napětím s 5 napěťovými stupni po 1 minutě až po maximální napětí 2 U_n + 1 000 V. U nových motorů se obvykle vyžaduje zkouška výdržným napětím, zatímco pro účely preventivní údržby v průběhu životnosti motoru se doporučuje používat test stupňovitým napětím. Výhodou stupňovitého testu je, že je možné sledovat závislost svodového proudu na zkušebním napětí, přičemž nelineární průběh svodového proudu (skokové zvýšení svodového proudu při napětí nad určitou úrovní) je indikátorem pokročilé degradace hlavní (drážkové) izolace. Pro zkoušku výdržným napětím a zkoušku stupňovitým napětím platí totéž, jako pro měření izolačního odporu: tyto testy dávají informaci jen o stavu drážkové izolace (fáze proti zemi), ale nevypovídají nic o stavu mezizávitové izolace. Ve srovnání se standardním měřením izolačního odporu ovšem tyto testy používají vyšší napětí, takže dokážou identifikovat i zhoršené izolační stavy, které měření izolačního odporu neodhalí.

Pokud by při vn zkouškách došlo k ukončení zkoušky z důvodu nadproudu nebo průrazu, znamená to, že izolace už nemůže zaručit spolehlivý provoz při běžně se vyskytujících krátkodobých přepětích a stroj je zralý na opravu nebo výměnu.

7. Rázová zkouška

Nejslabším článkem izolačního systému statorového vinutí je mezizávitová izolace (izolace mezi závity cívky nebo mezi závity na sebe přiléhajících cívek, popř. v místech vzájemných dotyků jednotlivých fází vinutí). Ze studií a statistik je známo, že většina izolačních problémů začíná jako zhoršený izolační stav mezi závity. V dalším stádiu nastává postupná další degradace důsledkem napěťových špiček při spínacích dějích, která způsobí vznik izolační vady fáze proti zemi – a v konečném stádiu vede k průrazu.

Během zmíněných napěťových špiček, běžně překračujících jmenovité napájecí na - pětí až mnohonásobně, je mezizávitová izolace namáhána v důsledku indukce. Pokles napětí mezi závity je nelineárně rozložen, takže nejvíce jsou namáhány části mezizávitové izolace blíže k napájecím svorkám. To může časem vést k vyzkratování několika závitů, což způsobí velké indukované proudy v těchto místech vinutí a je jen otázkou času, kdy degradace izolace dospěje k průrazu proti zemi.

Izolační poruchy proti zemi (průraz dráž - kové izolace) nebo mezi fázemi mají velmi často původ ve zhoršeném izolačním stavu mezi závity a popřípadě následně v mezizávitových zkratech. Je tedy v zájmu každého provozovatele kritického motoru mít k dispozici diagnostickou metodu, která dokáže od - halit snížený izolační stav mezizávitové izolace v raném stádiu, když přeskokové napětí je stále ještě několikanásobně vyšší než jmenovité napájecí napětí. V takových případech se slabé místo projeví přeskočením oblouku vždy jen krátkodobě při napěťové špičce, ale motor v tomto stádiu ještě pracuje bez poruchy. Jedinou takovou diagnostickou metodou je rázová zkouška, při níž se do vinutí pouštějí nízkoenergetické rázové impulzy s krátkým časem náběhu. Tím se věrně simuluje namáhání mezizávitové izolace při spínacích napěťových špičkách, přičemž maximální doporučená amplituda rázů je stejně jako při zkoušce stupňovitým napětím 2 U_n + 1 000 V, kde U_n je jmenovité napájecí napětí motoru. Díky tomu, že při rázové zkoušce se vytvoří potenciálový rozdíl mezi závity, v případě zhoršeného izolačního stavu mezizávitové izolace s přeskokovým napětím do 2U_n + 1 000 V nastane v okamžiku rázu přeskok mezi závity v místě oslabené izolace. Kvalitní analyzátor motorů vyhodnotí výsledky zkoušky na základě analýzy rázové vlny, a spolehlivě tak dokáže nedestruktivním způsobem odhalit mezizávitový izolační problém v rané fázi degradace izolace.

Rázová metoda jako taková není ničím novým. Starší generace statických analyzátorů byly závislé na optickém pozorování křivky obsluhou a manuálním ukončení zkoušky při zpozorování změny rázové křivky. Ovšem moderní statický analyzátor motorů (obr. 2) je schopen identifikovat i minimální změny rázové křivky, protože v případě přeskočení oblouku mezi závity se krátkodobě zmenší indukčnost vinutí, což způsobí posun rázové křivky. Při překročení nastavené prahové odchylky rázové křivky se přístroj automaticky vypne a ukončí zkoušku, aby nedocházelo k nežádoucí karbonizaci izolace v místě oslabené izolace. Rázová zkouška se tak stává vysoce spolehlivým a zároveň nedestruktivním způsobem identifikace zhoršených izolačních stavů mezi závity.

Obr. 2. Statický analyzátor motorů Megger Baker „DX“

8. Jsou zkoušky výdržným (stupňovitým) napětím a rázové zkoušky destruktivní?

Často kladenou otázkou je, zda vysokonapěťové zkoušky statorového vinutí, jako zkouška výdržným (nebo stupňovitým) napětím nebo rázová zkouška, jsou destruktivní pro izolaci. Odpověď zní: NE.

Jak již bylo zmíněno, vn zkoušky simulují zatížení hlavní a mezizávitové izolace v běžných provozních poměrech, a proto tyto zkoušky nijak nepůsobí destruktivně na nedegradovanou zdravou izolaci. Je-li izolace lokálně degradována (a to je právě snaha vn zkouškami identifikovat v rané fázi, kdy motor ještě funguje), může dojít v důsledku přeskoku oblouku při vn zkouškách k částečné přídavné karbonizaci v místě oslabení izolace. Avšak tato karbonizace je minimální v případě použití moderního statického analyzátoru s citlivou detekcí, který zkoušku ihned při přeskoku oblouku odstaví. VN zkouška tedy odhalí degradaci izolace, jejíž přeskokové napětí je nad úrovní provozního napětí, motor tedy po zkoušce může být dále provozován, ale v závislosti na výšce přeskokového napětí je třeba naplánovat opatření v podobě opravy nebo výměny motoru. Degradace izolace způsobená samotnou zkouškou není při použití vhodného statického analyzátoru o nic větší, než degradace způsobená jednou napěťovou špičkou při náběhu motoru v běžném provozu.

Nadměrné startovací napěťové špičky, jakož i nedostatky na straně kvality napájení (např. napěťová nerovnováha) a přetěžování motoru jsou kontrolovatelné veličiny, které mají daleko větší destruktivní efekt na statorové izolaci, než vysokonapěťové testy. Pravidelné testy izolace statorového vinutí prováděny moderními analyzátory, jako jsou analyzátory Megger Baker, s precizní kontrolou zkušebního napětí a s redukovanou energií, jsou tím nejméně zatěžujícím faktorem, kterému jsou motory vystaveny během jejich životnosti. Je třeba si uvědomit, že pokud je místo oslabené izolace namáhané indukovanými napěťovými rázy během spínacích procesů, celá energie napájecího distribučního systému způsobuje karbonizaci vinutí v okamžiku přeskoku mezi závity. Pokud se provádí zkouška výdržným napětím nebo rázová zkouška vhodným statickým analyzátorem, vinutí je vystaveno jen zlomku energie ve srovnání s energiemi při spínacích procesech v běžném provozu.

I když si to mnozí neuvědomují, elektromotory jsou v běžném provozu vystaveny „zkouškám výdržným napětím“ a „rázovým zkouškám“ mnohem častěji, než si myslí. Každý náběh a vypnutí motoru se efektivně rovná zkoušce výdržným napětím a rázové zkoušce s neomezenou energií způsobující degradaci izolace. Provádění preventivních statických zkoušek izolace statorového vinutí se rovná simulaci tohoto namáhání s mnohem nižší energií a precizně řízeným způsobem.

Zatímco nízkonapěťové testování izolace, jako např. měření izolačního odporu, je důležitým nástrojem preventivní údržby, je absolutně nedostačující pro vyhodnocení integrity a spolehlivosti izolačního systému točivých strojů. Při zohlednění všech faktů uvedených v tomto článku, je snadné pochopit důležitost vysokonapěťových statických zkoušek pro garantování maximální provozní spolehlivosti točivých strojů.

www.megger.cz

www.megger.sk