Statické elektrické testování točivých strojů – nezbytný nástroj profylaktické údržby

Točivé stroje, jako např. elektromotory, generátory, čerpadla apod. jsou v dnešní době významnými komponentami infrastruktury téměř ve všech odvětvích – od energetiky, přes průmyslovou výrobu, až po dopravní systémy. Točivé stroje přitom často z pohledu spolehlivého a bezporuchového fungování celých systémů sehrávají natolik klíčovou úlohu, že jejich závady mohou mít pro provozovatele fatální následky s nezanedbatelnými bezpečnostními a finančními důsledky. Čím významnější úlohu sehrává točivý stroj v daném systému, tím by se jeho provozovatel měl intenzivněji věnovat jeho diagnostice a profylaktické údržbě.

Obr. 1. Statické testování elektromotoru pomocí analyzátoru Megger Baker DX

Mnoho provozovatelů točivých strojů používá jako jedinou diagnostickou metodu vibrodiagnostiku a neuvědomuje si při tom jeden zásadní fakt. Ze statistiky je známo, že více než 50 % všech závad točivých strojů vzniká v důsledku elektrických izolačních problémů ve vinutích, které nelze odhalit vibrodiagnostikou. Jediným účinným nástrojem k odhalení takových izolačních problémů je statické elektrické testování izolačních systémů točivých strojů.

Společnost Megger, jako univerzální výrobce a dodavatel diagnostické techniky pro energetiku a průmysl, v roce 2018 akvizicí společnosti Baker – specialisty na diagnostiku točivých strojů – rozšířila své portfolio diagnostických řešení o testery pro statické zkoušky točivých strojů. Podobně, jako je slovo Megger mezi elektrotechniky na celém světě synonymem měření izolačního odporu, je slovo Baker nebo Baker test mezi specialisty na diagnostiku točivých strojů synonymem pro tzv. rázovou zkoušku, která hraje významnou roli ve statickém testování. Pokud hovoříme o statickém testovaní točivých strojů, máme na mysli testování ve vypnutém stavu, ať už v rámci plánované profylaktické diagnostiky nebo v rámci výstupních testů po provedení opravy.

Komplementárním přístupem ke statickému testování je tzv. dynamické testování celého systému napájení – motor – zátěž za provozu, kterému se Megger Baker také věnuje, a které dokáže odhalit i problémy, které nejsou způsobeny samotným točivým strojem. Dynamické testování není předmětem tohoto článku.

Obr. 2. Statické testování trakčního motoru lokomotivy pomocí analyzátoru Megger Baker

Statické zkoušky

Statické testování točivých strojů by mělo sestávat z následujícího souboru testů:

• měření odporu vinutí a přívodů,
• měření izolačního odporu (vinutí – kostra),
• měření polarizačního indexu PI a absorpčního poměru DAR (pro vn motory),
• test stupňovitým napětím (DC Step Voltage Test),
• rázová zkouška (jako jediná odhalí mezizávitové a mezifázové izolační problémy)

Doplňkovými testy pro některé aplikace mohou být:

• měření indukčnosti a kapacity vinutí,
• měření částečných výbojů (odhalení degradace izolace v počátečním stádiu).

Pro speciální aplikace, jako je např. testování DC motorů, mají analyzátory Megger Baker k dispozici vhodné modifikace testů a testovací přípravky (např. pro mezilamelovou rázovou zkoušku komutátorů DC motorů).

Tab. 1. poskytuje shrnutí všech uvedených testů a k nim příslušejících typů závad, které daný test umožňuje identifikovat. Zároveň uvádí doporučené testovací napětí, posuzovací kritéria a mezní hodnoty pro jednotlivé parametry, vyplývající z mezinárodně platných norem i z mnohaletých praktických zkušeností společnosti Megger Baker.

Tab. 1. Shrnutí jednotlivých statických testů točivých strojů, s doporučenými testovacími napětími a hraničními hodnotami pro jednotlivé parametry. Všechny uvedené testy jsou integrovány v statických analyzátorech Megger Baker, které tak umožňují rychlé provedení celé statické testovací procedury, s uložením výsledků, přenosem výsledků přes USB a s následným automatickým vygenerováním testovacího protokolu na počítači.

Významnou roli v uvedeném souboru testů hraje tzv. rázová zkouška, při níž se do vinutí přivádějí vysokonapěťové rázové impulzy. Díky skutečnosti, že jen při této zkoušce se vytvoří potenciálový rozdíl mezi vinutími, stejně jako mezi cívkami jednotlivých fází, dokáže rázová zkouška jako jediná odhalit právě mezizávitové a mezifázové izolační problémy. Ty jsou velmi častými případy izolačních problémů, vedoucích v konečném důsledku k průrazu a k výpadku motoru. Klasické měření izolačního odporu dokáže odhalit jen snížený izolační stav vinutí proti kostře, protože vinutí jsou na stejném potenciálu. Velmi častým jevem je, že motor vykazuje vysoké, vyhovující hodnoty izolačního odporu a mohli bychom se tedy mylně domnívat, že izolace nemá žádné slabé místo. Přesto se při rázové zkoušce může projevit přeskok mezi závity dané fáze nebo mezi cívkami fází.

Test stupňovitým napětím (Step Voltage Test), při kterém se v pěti stupních postupně zvyšuje zkušební napětí až po cílovou hodnotu (která je typicky 2× U_n + 1 kV, přičemž U_n = jmenovité napájecí napětí motoru), má zase oproti klasickému měření izolačního odporu tu výhodu, že se aplikuje vyšší testovací napětí a dají se tak identifikovat i izolační problémy vinutí proti kostře, které se při nižším napětí neprojeví. Navíc je možné na základě sledování linearity svodového proudu identifikovat napěťově závislé izolační problémy.

Provozovatelé točivých strojů často nechápou, proč normy doporučují při vn testech (test stupňovitým napětím a rázová zkouška) úroveň zkušebního napětí odpovídající více než dvojnásobku jmenovitého napájecího napětí a mají obavu, zda takové zkoušení nemůže mít destruktivní účinek na stav izolace. Neuvědomují si však při tom zásadní fakt, že elektromotory jsou v běžném provozu vystavované takovým a vyšším přepětím – zejména při nábězích. Vysokonapěťovými zkouškami tedy jen simulujeme takové provozní podmínky a testujeme, zda izolační systém zvládá i takovou zátěž. Zdravé části izolace přitom nemůže taková hodnota zkušebního napětí v žádném případě uškodit. Pro moderní typy izolací (tepelná třída izolace F a H) doporučuje dokonce norma IEC 60034-1 zkušební napětí pro zkoušku stupňovitým napětím (resp. zkoušku elektrické odolnosti) až (2U_n + 1 000 V)× 1,4 pro preventivní provozní testy motorů a až (2U_n + 1 000 V) × 1,7 pro testy nových motorů.

Obr. 3. Rázová zkouška prováděná na motoru pomocí analyzátoru Megger Baker DX

Závěr

Statické elektrické testování izolačního stavu točivých strojů je vedle vibrodiagostiky, postihující mechanické problémy a efekty (většinou způsobené ložisky), nezbytným nástrojem preventivní údržby, jakož i výstupní kontroly po opravách. Důsledným aplikováním uvedených statických testovacích procedur je možné účinně identifikovat degradační procesy izolace ještě dříve, než vedou k provozní poruše točivého stroje s dalekosáhlými následky. Analyzátory Baker slučují v kompaktní podobě všechny statické testy v jedné jednotce a umožnují rychlé a efektivní testování s elektronickým protokolováním, přičemž jsou konfigurovatelné z hlediska maximální výšky zkušebního napětí a z hlediska přídavných testovacích funkcí (např. pro DC motory).

www.megger.cz  www.megger.sk