Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 91

Sławomir Szymaniec Politechnika Opolska, Opole

POMIARY ON-LINE STANU IZOLACJI UZWOJEŃ SILNIKÓW WYSOKONAPIĘCIOWYCH INDUKCYJNYCH KLATKOWYCH

ON-LINE MEASUREMENT OF THE CONDITION OF WINDING INSULATION

OF HIGH-VOLTAGE SQUIRREL-CAGE INDUCTION MOTORS

Abstract: 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.

1. Wstęp Złożona struktura materiałów izolacyjnych sto-

sowanych w silnikach indukcyjnych WN i spe-

cyfika procesu technologicznego ich układu

izolacyjnego [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13,

14, 15, 18] mogą być przyczynami powstania

wewnętrznych defektów – najczęściej w posta-

ci; wtrącin powietrznych, obszarów o zmiennej

przenikalności dielektrycznej, ostrych mikro-

nierównomierności powierzchniowych, itp.

Układy izolacyjne silników WN pracują w wa-

runkach wieloczynnikowego narażenia, co po-

woduje, że w czasie eksploatacji maszyn po-

większają się defekty już istniejące oraz pow-

stają nowe. Procesowi starzenia się izolacji to-

warzyszy zjawisko wyładowań niezupełnych –

wnz. Wyładowania niezupełne (Partial Dischar-

ge – PD) są wyładowaniami występującymi

wewnątrz układu izolacyjnego, które tylko czę-

ściowo zwierają izolację między przewod-

nikami, które mogą być przyległe lub nie do

przewodnika [7]. Są one ogólnie uważane za

wyładowania lokalne w izolacji i w wielu przy-

padkach ze znacznym wyprzedzeniem poprze-

dzają całkowite przebicie izolacji [1, 4, 7, 15].

Ogólnie wnz mają zwykle postać impulsów

o czasie trwania krótszym od 1µs [7]. Jeżeli

lokalne pole elektryczne przekroczy określoną

granicę inicjacji wyładowania (np. dla powiet-

rza E ≥ 3 kV/mm [5]) w obecności elektronu

startowego formuje się lawina elektronów [7].

Zjawisko to jest ograniczone w przestrzeni i

ma charakter przejściowy [7]. Skutkiem od-

działywania tego typu zjawisk na układ

izolacyjny jest stopniowe jego osłabienie,

w szczególności w wyniku kumulowania się

uszkodzeń przy niegasnących wnz [7]. Jest to

składnik starzenia eksploatacyjnego izolacji.

Jak wynika z badań [4, 6, 7, 10, 15, 17], wnz są

głównym objawem uszkodzenia izolacji wywo-

łanego jej zestarzeniem. Z tego powodu detek-

cja wnz izolacji jest ważnym elementem oceny

jej stanu [15, 16, 18]. Na izolację uzwojeń ma-

szyn elektrycznych dobiera się materiały, które

cechuje duża odporność na wnz. Materiałem

takim jest np. mika. Jak wykazują badania [15],

maszyny elektryczne w tym silniki WN mające

izolację na bazie miki mogą pracować przy

ładunku wnz rzędu tysięcy pC. Pomimo swej

lokalnej natury, wnz są zjawiskiem niezwykle

złożonym, wykazują zachowania chaotyczne,

niestacjonarne [4, 6, 7, 15]. Złożoność tego zja-

wiska wynika z dużej liczby i różnorodności

warunków geometrycznych i materiałowych w

których wnz mogą zaistnieć.

W ostatnich kilku latach obserwuje się coraz

częściej wykorzystywanie wnz do diagnostyki

stanu izolacji maszyn elektrycznych WN, głów-

nie dzięki szybkiemu rozwojowi techniki cyfro-

wej, która może przetwarzać i analizować infor-

macje z pomiarów wnz [1, 4, 6, 7, 15, 16].

2. Uszkodzenia izolacji uzwojeń Z przeprowadzonych badań eksperymentalnych

[1, 2, 6, 7, 15] wynika, że: typowe uszkodzenia

izolacji maszyn elektrycznych znajdują swoje

odbicie w sygnale wnz i w charakterystyczny

sposób „różnicują go” w zależności od miejsca

wystąpienia: - Szczelina powietrzna pomiędzy miedzią uzwo-

jenia a izolacją, szczelina przy miedzi uzwoje-

nia. Charakterystyczną cechą dla takiego defek-

tu jest większa intensywność wnz w dodatniej

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 92

połówce napięcia probierczego niż w połówce

ujemnej – rys. 2, jednocześnie qmax+>qmax-, inny

zapis PD+<PD

-.

Rys. 1. Polaryzacja impulsów wnz oraz typowe

uszkodzenia izolacji maszyn elektrycznych [16]

Rys. 2. Częstotliwość impulsów wnz w funkcji

amplitudy wyładowań przy przewadze impul-

sów wnz o polar. ujemnej, defekt typu szczeli-

na powietrzna pomiędzy miedzią uzwojenia, a

izolacją [16]

- Szczelina powietrzna, pęknięcie wewnątrz

izolacji. Charakterystyczną cechą dla takiego

defektu jest podobna intensywność wnz w do-

datniej i ujemnej połówce napięcia probier-

czego – rys. 3. jednocześnie qmax+≈ qmax- inny

zapis PD+≈PD

-.

Rys. 3. Częstotliwość impulsów wnz w funkcji

amplitudy wyładowań przy podobnej intensyw-

ności impulsów wnz o polaryzacji dodatniej i

ujemnej, defekt typu szczelina powietrzna,

pęknięcie wewnątrz izolacji [16]

- Szczelina powietrzna pomiędzy izolacją a

rdzeniem stojana, nieskuteczna ochrona prze-

ciwjarzeniowa żłobka, wyładowania na czołach

uzwojenia. Charakterystyczną cechą dla takiego

defektu jest większa intensywność wnz w ujem-

nej połówce napięcia probierczego niż w po-

łówce dodatniej – rys. 4, qmax+< qmax-, inny zapis

PD+>PD

-.

Rys. 4. Częstotliwość impulsów wnz w funkcji

amplitudy wyładowań przy przewadze impulsów

wnz o polaryzacji dodatniej, defekt typu

szczelina powietrzna, pomiędzy izolacją a rdzeniem stojana [16]

+

- czas

U

dodatnia połówka

napięcia probierczego

ujemna połówka

napięcia probierczego

qmax

PD-

PD+ czas

dodatnia (pozytywna)

polaryzacja impulsu

ujemna (negatywna)

polaryzacja impulsu

Miedź

uzwojenia

Rdzeń

stojana

szczelina powietrzna

przy miedzi uzwojenia

qmax+ >qmax-

szczelina powietrzna

wewnątrz izolacji qmax+ ~ qmax-

szczelina powietrzna przy miedzi uzwojenia

qmax+ >qmax-

Miedź

uzwojenia

Rdzeń stojana

szczelina powietrzna

wewnątrz izolacji qmax+ ~ qmax-

szczelina powietrzna przy rdzeniu stojana

qmax+ < qmax-

izolacja

szczelina powietrzna

przy rdzeniu stojana

qmax+ < qmax-

Amplituda wyładowań [mV]

PD+<PD

-

Ο - ujemna polaryzacja impulsów

wnz

- dodatnia polaryzacja impulsów wnz

n liczba impulsów wnz/s

Amplituda wyładowań [mV]

PD+ ≈ PD

-

Ο - ujemna polaryzacja impulsów

wnz

- dodatnia polaryzacja impulsów

wnz

n liczba impulsów wnz/s

Amplituda wyładowań [mV]

PD+ > PD

-

Ο - ujemna polaryzacja impulsów

wnz

- dodatnia polaryzacja impulsów

wnz

n liczba impulsów wnz/s

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 93

- Uszkodzona powłoka przeciwjarzeniowa czo-

łowa; qmax+<qmax-, inny zapis PD+>PD

- przy

koncentracji ładunków maksymalnych dla kąta

fazowego ϕ= 225÷250o.

Generalnie mierzony poziom wnz on-line silników

zależy przede wszystkim od stanu izolacji, stopnia

degradacji, obciążenia silnika, temperatury uzwo-

jeń, wilgotności, rodzaju czujników wnz, ich cha-

rakterystyki oraz od aparatury analizującej (zakres

mierzonych częstotliwości). Autor nie stwierdził

wyraźnej zależności mierzonego poziomu wnz on-

line od miejsca położenia czujników (w żłobkach

lub na czołach).

Dla ilustracji jak mierzony poziom wnz zależy od

rodzaju czujnika na rys. 5 przedstawiono porówna-

Rys. 5. Porównanie wyników pomiarów „wyła-

dowania” różnymi czujnikami wnz

nie wyników pomiarów wykonanych różnymi

czujnikami w tym samym czasie, „wyładowania”

dla przykładowego silnika. Czujniki umieszczono

możliwie obok siebie. Porównanie wzajemne

czułości czujników w tym konkretnym przy-

padku wskazuje na następujące relacje: Elastyczna cewka Rogowskiego - l

RFCT - 4,5

RTD - 45

Kondensator 500 pF - 450

Sztywna cewka Rogowskiego której do badań

nie użyto ma czułość co najmniej 10 krotnie

większą od cewki elastycznej.

Przy zamontowaniu termorezystora w żłobku

i wyposażeniu go w układ antenowy, układ taki

posiada dobrą czułość dla obszaru w strefie

±15º (spadek o 20 dB), a mierzy wnz w strefie

±30º(spadek o 40 dB). Ważnym uzupełnieniem

termorezystorów zainstalowanych fabrycznie

mogą być termorezystory zainstalowane dodat-

kowo od strony napędowej i przeciwnapędowej

silnika w obszarach najbliższych części czoło-

wej uzwojeń. Szczególnie ważny jest obszar

początków uzwojeń fazowych, połączeń mię-

dzycewkowych, międzygrupowych [16]. Zespół

czujników oparty na wykorzystaniu termo-

rezystorów można dodatkowo uzupełnić czuj-

nikami antenowymi typu długi przewód

(L>>d), ulokowanymi wokół czół w postaci

elementów typu pętla, bądź fragment pętli. Ten

rodzaj czujnika jest szczególnie interesujący bo

przy sprzyjających okolicznościach (możliwość

nawinięcia wokół czół pełnej wielokrotnej

pętli) ma strefę widzenia wnz pełne 3600.

Oznacza to możliwość mierzenia wszystkich

wyładowań w strefie czół [16].

Anteny do pomiarów wnz na bazie termore-

zystorów Pt100 można zainstalować w każdym

silniku który już posiada w uzwojeniach stojana

termorezystory. Do ich podłączenia nie jest ko-

nieczne zatrzymywanie silnika. Przykład takie-

go pomiaru przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Przykład pomiarów wnz silnika o mocy

2,6 MW z wykorzystaniem fabrycznie zamonto-

wanych w silniku termorezystorów Pt100, insta-

lacja aparatury pomiarowej bez zatrzymywania

silnika

RTD, UPEAK=90 mV

Elastyczna cewka

Rogowskiego,

UPEAK=2 mV

Kondensator 500 pF,

UPEAK=900 mV

RFCT, UPEAK=9mV

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 94

W nowo budowanych silnikach dla zapew-

nienia pomiaru temperatury i pomiarów wnz

silnika, konieczne jest umieszczenie w uzwo-

jeniach w żłobkach, termorezystorów RTD w

możliwie dużej liczbie, umieszczonych symet-

rycznie w poszczególnych uzwojeniach fazo-

wych. Korzystne jest ulokowanie 6 lub nawet

12 termorezystorów z każdej strony silnika. Im

większy silnik tym większa powinna być liczba

RTD. Wskazane jest umieszczenie RTD na po-

czątku każdego uzwojenia fazowego. Pomiar

wnz przez poszczególne RTD umieszczone w

silniku daje możliwość pomiaru temperatury

i lokalizowania miejsc generowania wnz. Na

rys. 7 przedstawiono szkic rozmieszczenia

termo-rezystorów w nowo wykonanym silniku

o mocy 1.4 MW. Autor zaprojektował w nim

rozmieszczenie 18 termorezystorów wyposażo-

Rys. 7. Szkic rozmieszczenia 18 termore-

zystorów w stojanie silnika o mocy 1,4 MW

nych w zespoły antenowe oraz antenę dookólną

na czołach. Na rys. 8. przedstawiono nowo

wyko-nany stojan silnika o mocy 1,4 MW przed

kalibracją.

Rys. 9 przedstawia wnętrze stojana silnika o

mocy 1,4 MW z fragmentem anteny pętlowej

dookólnej i czujnikiem wilgotności.

Na rys. 10 przedstawiono przygotowany do

kalibracji torów pomiarowych wnz stojan

silnika o mocy 1,4 MW. Sama kalibracja jest

bardzo żmudnym i czasochłonnym przedsię-

wzięciem [16].

Bardzo korzystnym z punktu widzenia

diagnostycznego jest umieszczenie czujników

wnz bezpośrednio na czołach uzwojenia silnika.

Jest to bardzo trudne przedsięwzięcie z punktu

widzenia logistycznego i technicznego.

Na rys. 11 przedstawiono zamontowany przez

autora na stojanie silnika o mocy 4,4 MW

czujnik Pt 100 wyposażony w zespół antenowy.

Autor wykorzystywał czujnik do pomiarów

temperatury na czołach oraz do pomiarów wnz

czół uzwojenia.

Rys. 8. Stojan silnika o mocy 1,4 MW

Rys. 9. Stojan z fragmentem anteny pętlowej

dookólnej oraz czujnikiem wilgotności

Czujnik

wilgotności

Antena pętlowa

dookólna

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 95

Rys. 10. Stojan silnika o mocy 1,4 MW przy-

gotowany do kalibracji

Rys. 11. Stojan silnika o mocy 4,4 MW

wyposażony w czujnik Pt100 na czołach

3. Uwagi końcowe W ocenie autora procesy starzeniowe w izolacji

silników elektrycznych wywołane wnz nie w

pełni są wyjaśnione. Jednak zgromadzony w

trakcie eksploatacji i badań silników materiał

doświadczalny przede wszystkim o charakterze

jakościowym pozwala na istotne wzbogacenie

diagnostyki stanu izolacji o diagnostykę on-

line, bardzo użyteczną praktycznie. Należy pod-

kreślić, że stało się to możliwe dzięki rozwo-

jowi informatyki i elektroniki, zwłaszcza

cyfrowej oraz metrologicznemu uporaniu się z

negatywnym wpływem zakłóceń na wyniki

pomiarów wnz (standard PDA) [1, 15, 16].

Prowadząc badania on-line stanu izolacji

uzwojeń silników, autor opracował i wykonał

czujniki pomiarowe oraz układy pomiarowe

i zestaw aparaturowy służące do diagnostyki

silników. Inspiracją do tych prac była chęć

wykonania badań stanu izolacji uzwojeń

silników w warunkach ich normalnej

eksploatacji [16].

Pracy silników elektrycznych towarzyszą wyła-

dowania niezupełne. Charakter wnz jest bardzo

złożony. W miarę upływu czasu eksploatacji

silników, obserwuje się zmianę intensywności

wnz przy charakterystycznych rozkładach fazo-

wo-rozdzielczych. Zmiany intensywności wnz

przedstawione w charakterystykach typu trend,

zmiany charakterystyk fazowo-rozdzielczych

mogą być wykorzystane do diagnostyki on-line

stanu izolacji uzwojeń silników w tym do

lokalizacji miejsca występowania wnz [1, 15,

16].

Autor na podstawie swoich dotychczasowych

doświadczeń uważa, że badania i diagnostyka

on-line stanu izolacji silników elektrycznych w

oparciu o pomiar wnz w warunkach przemysłu

krajowego jest celowy i technicznie możliwy.

Diagnostykę można prowadzić w oparciu o

wszystkie dostępne czujniki wnz w szcze-

gólności w oparciu o zamontowane fabrycznie

w silnikach termorezystory Pt100 wyposażone

dodatkowo w zespoły antenowe. Proponowane

przez autora własne rozwiązania czujników do

pomiarów wnz w maszynach elektrycznych w

warunkach przemysłowych sprawdziły się [16].

Wyniki pomiarów wnz silników zależą od:

stanu ich izolacji, obciążenia silnika,

temperatury uzwojeń, wilgotności, poziomu

zakłóceń zewnętrznych oraz od charakterystyki

czujników wnz i aparatury analizującej wnz

[16].

4. Literatura

[1]. ADWEL: PD monitoring. Nota Aplikac. 2003.

[2]. Bertenshaw D., Sasic M.: On-line Partial

Discharge Monitoring on MV motors-Casestudies

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 79/2008 96

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 wyłado-

wań niezupełnych w diagnostyce układów izola-

cyjnych 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

34th Annual Meeting, Oct 3-7, ‘99, Phoenix, AZ.

[7]. Gulski E.: Diagnozowanie wyładowań niezupeł-

nych w urządzeniach wysokiego napięcia w eksplo-

atacji. 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 Di-

scharge 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 klat-

kowych 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 stoja-

nów turbogeneratorów GTHW-360 w Elektrowni

Bełchatów na podstawie pomiarów wnz w systemie

off-line. XIV Konferencja Energetyki, Książ 7-9.09.2005, Materiały Konferencyjne, str. 331-350.

[18]. Warren V.: Partial Discharge Testing: A

Progress Report. Iris Rotating Machinery Confe-

rence, USA, Santa Monica, June 2003, pp. 1-13.

Autor Dr hab. inż. Sławomir Szymaniec prof. PO

Politechnika Opolska.

Wydział Elektrotechniki, Automatyki

i Informatyki.

Instytut Układów Elektromechanicznych

i Elektroniki Przemysłowej.

45-951 Opole ul. Luboszycka 7.

s.szymaniec@po.opole.pl