Kontrola jakości izolacji elementarnych

Autor:

mgr inż. Henryk Borecki
ZPBE Energopomiar-Elektryka Gliwice

Streszczenie

Metodyka badań izolacji elementarnych przewodów nie jest jednoznacznie określona. Polskie normy w tym temacie są liberalne i odsyłają do norm zakładowych. Izolacja przewodów jest główną przyczyną awarii maszyn, gdyż ulegając uszkodzeniu tworzy obwody pasożytnicze w których generują się dodatkowe straty mocy, zwłaszcza w miejscu zwarcia.
Temperatura lokalna, powiększająca się z czasem eksploatacji, degraduje izolację zwojową i główną uzwojenia. W czasie wszystkich operacji technologicznych wykonania uzwojenia, od profilowania i izolowania pojedynczych drutów do montażu, zwłaszcza ostatnich cewek pętlicowych lub prętowych, należy prowadzić kontrolę jakości izolacji. 
W artykule zwrócono uwagę na badania izolacji metodą wyładowań niezupełnych /wnz/, która jest dobra do oceny jakości wykonanego uzwojenia, natomiast jest mało przydatna, z uwagi na zakłócenia, do badań diagnostycznych maszyn w warunkach eksploatacyjnych. W badaniach diagnostycznych poleca się metodę prądu stałego.

Słowa kluczowe: izolacja uzwojenia, badania wnz, badania napięciem stałym, uzwojenia cewkowe, uzwojenia prętowe. 

Wstęp

Ciągle aktualny jest temat poprawy jakości izolacji przewodów elementarnych z których składa się uzwojenie maszyn elektrycznych, oraz poprawa technologii wytwarzania i montażu uzwojeń.
Celowi temu służą także badania prowadzone w procesie produkcyjnym uzwojeń. Badania te są szczególnie rozbudowane przy wykonywaniu uzwojeń generatorów synchronicznych, obejmują bowiem:

• próby izolacji pojedynczych przewodów,
• próbę napięciową izolacji zwojowej,
• kontrolę sklejenia izolacji żłobkowej w splocie przewodów,
• kontrolę stopnia zahartowania i wysuszenia izolacji żłobkowej,
• kontrolę wytrzymałości elektrycznej izolacji w stanie gorącym,
• kontrolę termiczną stabilności sklejenia,
• badanie napięciowe izolacji żłobkowej w temperaturze otoczenia,
• kontrolę wyładowań niezupełnych w części żłobkowej i przy wyjściu ze żłobka,
• kontrolę wymiarów mechanicznych,
• kontrolę cieplnej klasy zastosowanych materiałów izolacyjnych,
• analizę warunków gwarancyjnych.

W interesie odbiorcy maszyny leży sprawowanie nadzoru nad poszczególnymi procedurami wytwarzania prętów uzwojenia, ponieważ po wlutowaniu skuwek na końce półprętów nie ma już możliwości przeprowadzenia prób napięciowych między pojedynczymi przewodami. Tym bardziej, że okres życia nowoczesnej maszyny szacowany jest na około 40 lat, natomiast gwarancja obejmuje nie więcej niż 3 lata. Niniejszy artykuł służy jako głos w dyskusji nad normami dotyczącymi kontroli jakości izolacji nowych uzwojeń stojanów maszyn elektrycznych, a w szczególności generatorów.

1.  Próby izolacji pojedynczych przewodów.
   • próby napięciowe
   • badania diagnostyczne.

Badania izolacji uzwojeń maszyn elektrycznych dzieli się na [1]:

• Próbę napięciową przeprowadza się zgodnie z normą PN-88/E-06701. Celem jej jest potwierdzenie poprawności wykonania układu izolacyjnego maszyny. Ponadto próba napięciowa jest próbą bezpieczeństwa dla osób stykającymi się z urządzeniami elektrycznymi. Przeprowadza się ją napięciem zmiennym o częstotliwości przemysłowej, u nas 50Hz.
• Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń wykonuje się dla maszyn dużej mocy bądź napędzających szczególnie ważne urządzenia. Badania diagnostyczne, w zależności od zastosowanej metodyki, można przeprowadzić napięciem stałym bądź przemiennym. Diagnostyka układu izolacyjnego napięciem stałym jest najprostszą metodą oceny stanu technicznego izolacji. Metoda ta jest już na tyle upowszechniona i uznana, że została wpisana do Polskiej Normy PN-E-04700 z 1998r. jako próba nieobowiązkowa.
• Próby te dotyczą izolacji głównej; natomiast badaniom nie jest poddawana izolacja zwojowa i prętowa.
• Izolacja zwojowa i prętowa powinna być badana w czasie wykonywania uzwojenia.
• Wymagania odbiorców maszyn dotyczące wytrzymałości napięciowej izolacji między sąsiednimi elementarnymi przewodami określają wartość napięcia próby równą 100V. Dla uzwojeń prętowych jest to próba kilka razy większa od napięć mogących wystąpić podczas pracy maszyny (kilka do kilkunastu woltów). Wydawało by się więc, że zwarcie między pojedynczymi przewodami , z punktu widzenia wielkości napięcia w obwodzie zamkniętym w czasie normalnej eksploatacji nie może wystąpić, nie wpływa zatem na trwałość izolacji. Opinie są jednak podzielone; z doświadczeń autora wynika, że większość awarii uzwojeń ma początek w zwarciach zwojowych, które doprowadzają do topienia się miedzi włącznie. Częstość występujących zwarć pojedynczych przewodów jest miarą jakości wytwarzania cewek i ich montażu.
• W maszynach dużej mocy (kilkadziesiąt do kilkaset MW) uzwojenia mają w części prostej lub czołowej przeplecenia Roebla, - w tego typu uzwojeniach zwarcia przewodów elementarnych występują zwykle między dwoma krzyżującymi się przewodami w miejscu przeplotu Roebla, bądź między dwoma przewodami biegnącymi równolegle.
• Maksymalne napięcie między dwoma sąsiednimi przewodami w prętach z przeplotem Roebla występują w górnej warstwie pręta stojana. W przypadku zwarcia między pojedynczymi przewodami w obwodzie płynie prąd, który generuje straty mocy równe od kilku do kilkaset watów. Nawet przy średniej wielkości hydrogeneratorów z bardzo krótkim pakietem żelaza czynnego, straty te osiągają wartość powyżej 100W.
• W stanach nieustalonych, np. przy chwilowej wartości prądu równym dwukrotnej wartości prądu nominalnego, napięcie obwodu pasożytniczego jest dwukrotnie większe, a moc wydzielona w miejscu zwarcia 4 krotnie większa.
• Na podstawie badań modelowych przeprowadzonych w firmie ABB ustalono, że straty w uszkodzonym miejscu poniżej 20 W nie powodują trwałego uszkodzenia (przegrzania) izolacji głównej. Przy większych stratach mocy istnieje niebezpieczeństwo uszkodzenia izolacji głównej przez nadmierny wzrost temperatury.

Konkluzja

Z doświadczeń eksploatacyjnych i analizy wielu przypadków awarii uzwojeń maszyn elektrycznych dużej mocy wynika, że większość z nich bierze swój początek w zwarciach zwojowych lub zwarciach między pojedynczymi przewodami w prętach typu Roebla.

 W trakcie składania wiązki przewodów należy zwrócić szczególną uwagę na jakość izolacji pojedynczych przewodów, uszkodzenia izolacji na tym etapie produkcji mogą być łatwo znalezione i naprawione. Na gotowym uzwojeniu przy uzwojeniach prętowych nie można już zlokalizować zwarć zwojowych w uzwojeniach prętowych.

Kontrola przestrzeni gazowych między izolacją główną żłobkową i zwojową przewodów

Technologia bezpróżniowego przesycania poszczególnych warstw izolacji w termoprasie, ma nazwę RRC- Resin Rich Compact, wprowadzona została w początku lat 90- tych w krajowej firmie Energoserwis pod nadzorem autora i zdała pomyślny egzamin na 4 hydrogeneratorach ZEW Porąbka Żar. Jest to niewątpliwie nowoczesny układ izolacyjny klasy F wykonany z materiałów najwyższej jakości, który charakteryzuje się wysoką skutecznością ochrony przeciwjarzeniowej oraz niskim poziomem intensywności wyładowań niezupełnych. Wykonane tą technologią cewki, pręty uzwojenia wyróżniają się szybkością produkcji, dużą jednorodnością, powtarzalnością, przede wszystkim względnie niskim kosztem wytwarzania. Zewnętrzna ochrona przeciwjarzeniowa wykonana jest ze specjalnie dobranych, nienasyconych żywicą taśm: przewodzącej w części żłobkowej i półprzewodzącej na czołach /produkcji IE Poznań/. Taśmy ochrony przeciwjarzeniowej nakładane są przed procesem termicznego prasowania prętów i cewek. Dzięki zastosowaniu taśmowej powłoki przeciwjarzeniowej układ izolacyjny po zaprasowaniu nie może i nie wymaga dodatkowej obróbki mechanicznej przed umieszczeniem prętów w żłobkach stojana.
Nie da się jednak wykluczyć całkowicie grubszych lub cieńszych szczelin z zawartością powietrza, mimo, że przez ciśnienie i temperaturę izolacja została do miedzi doprasowana. Wtrąciny powietrzne lokalizują się zwłaszcza na przeplotach elementarnych przewodów, czasami ciągną się wzdłuż tych przewodów. Jako następstwo ograniczonej zdolności sklejania pojedynczych przewodów w określoną wiązkę i ograniczoną termoplastyczność lepiszcza, wtrąciny powietrzne mogą zmieniać swoje wymiary, ale również mogą na nowo powstawać w innych miejscach zwłaszcza podczas eksploatacji wieloletniej. Są więc wielkościami, których nie można jednoznacznie wykluczyć. Istnieje zależność proporcjonalna między współczynnikiem strat dielektrycznych a wielkością i ilością pustych przestrzeni między izolacjami przewodów. Zdarzają się wtrąciny powietrzne o względnie dużych wymiarach, gdzie przy napięciu zbliżonym do Un powstaną w tych przestrzeniach wyładowania żarzące, degradujące izolację elementarnych przewodów.
Nieco inne zjawiska występują w technologii produkcji izolacji metodą próżniową VPI, która na bazie wysokiej klasy materiałów klasy F ma bardziej budowę monolityczną od RRC. Największe zastosowanie znalazła w uzwojeniu twardym, gdzie prętowe cewki uzwojenia stojana osadzone są w „koszu” połączeń czołowych z możliwością dylatacji wzdłużnej całego stożka czołowego. Nie ma więc obawy o narażenia w strefie wyjścia ze żłobka. Zastosowanie tej technologii w silnikach nie daje jednak gwarancji długiej żywotności, ponieważ strefa czołowa jest ściśle związana z korpusem, nie ma możliwości swobodnych ruchów osiowych, wywołanych zmianą temperatury uzwojenia. Awaryjność silników z tą izolacją jest podobna do awaryjności silników wykonanych w technologiach tradycyjnych z izolacją mieszaną. Mankamentem technologii VPI jest również to, że praktycznie nie istnieje możliwość wymiany jednej cewki w przypadku uszkodzenia lokalnego. W izolacji VPI występuje jeszcze jedno niekorzystne zjawisko, a mianowicie w pustych przestrzeniach izolacji, w pierwszym okresie istnieje podciśnienie które niweluje wolne przestrzenie między miedzią a izolacją. Wielkość wyładowań niezupełnych, mierzonych podczas próby wyrobu jest mała, proporcjonalna do iloczynu grubości pustego miejsca i podciśnienia gazu. Wyładowania niezupełne znacznie wzrastają po pewnym okresie eksploatacji, gdy ciśnienie w nieciągłościach izolacji wyrówna się z otoczeniem. Przewód nawojowy twornika maszyny wirującej, to drut miedziany okrągły lub profilowany w izolacji emaliowanej, z włókna szklanego, lub izolacji złożonej- emalia i materiał włóknisty. Najważniejszym i najszerzej stosowanym rodzajem przewodów nawojowych są przewody emaliowane, ponieważ posiadają bardzo dobre właściwości elektryczne, fizyko- chemiczne i termiczne oraz stosunkowo małą grubość izolacji.
Próby elektryczne izolacji elementarnych przewodów nie są normalnie uważane za konieczne, ale mogą być wykonane, jeśli tak przedstawiono w normie przedmiotowej lub uzgodniono między wytwórcą a zamawiającym. Większość producentów uzwojeń prętowych wykonuje próbę elektryczną między dwoma przewodami równoległymi napięciem zmiennym 230V przed zlutowaniem końców przewodów półpręta. W USA napięcie to jest połowę mniejsze. W nowym wydaniu normy PN-EN 60034-1 nie przewiduje się próby izolacji pojedynczych przewodów, norma zakłada bowiem, że izolacja ta jest poddana napięciu probierczemu przy próbie wytrzymałości izolacji głównej, co nie jest prawdą. Nawet badanie tgδ i wnz wszystkich prętów ze zlutowanymi skuwkami nie zlokalizuje nam jednoznacznie miejsca uszkodzonej izolacji elementarnych przewodów, które to uszkodzenie może powstać w czasie eksploatacji maszyny nawet po pozytywnej w/w próbie napięciem 230V.

Badania diagnostyczne izolacji metodą wyładowań niezupełnych

Izolacja maszyn wirujących, zwłaszcza generatorów narażonych na skoki temperatury, drgania i naprężenia mechaniczne, wymaga ciągłej lub okresowej kontroli stopnia niejednorodności. Zmiana niejednorodności izolacji jest równoważna wzrostowi liczby miejsc w których powstają wnz, co przyczynia się do zwiększenia strat mocy czynnej i powoduje szybką degradację izolacji. Miarą wzrostu stopnia niejednorodności może być także wzrost współczynnika stratności ∆tgδ na jednostkę przyrostu napięcia ∆U. Kryterium oceny stanu jednorodności izolacji jest warunek ∆tgδ/∆U < 0,006 kV-1. Jednak do wykrycia lokalnych defektów izolacji pomiary tgδ = f(U) nie są wystarczające. Wymagany jest dodatkowo pomiar ładunku pozornego wnz.
Pomiary wyładowań niezupełnych w warunkach eksploatacyjnych mogą być bardzo utrudnione lub wręcz niemożliwe z powodu zakłóceń. Zakłócenia związane z badaniem generatorów w trybie on-line można podzielić na sześć grup [2]: impulsy generowane przez tyrystory, sygnały radiowe, wyładowania ulotowe, przesłuchy, wyładowania niezupełne od innych urządzeń i impulsy przypadkowe nieznanego pochodzenia. Osoba oceniająca pomiary wykonywane w takich warunkach musi być zdolna do odróżnienia wyładowań niezupełnych występujących w badanej maszynie od zakłóceń.
Przeprowadzając regularne pomiary wnz w trybie on-line uzyskuje się możliwość wyznaczenia zmian poziomu wnz w czasie. Gwałtowne, trwałe zmiany poziomu wnz mogą wskazać na pojawiające się nowe uszkodzenie izolacji lub uaktywnienie „uśpionego” mechanizmu uszkodzenia. Zmiany poziomu wyładowań niezupełnych mierzonych w trybie off-line były analizowane w ubiegłych dziesięcioleciach.
Obciążenie i temperatura generatora wpływają znacząco na mierzony poziom wnz. W celu uzyskania optymalnych rezultatów pomiarów wnz w trybie on-line należy je wykonywać w takich samych warunkach. W praktyce może to być trudne w realizacji, ponieważ dopasowywanie parametrów pracy generatora do parametrów, które były w czasie poprzednich pomiarów nie zawsze jest możliwe.
W praktyce światowej istnieje wiele baz danych zawierających wyniki tysięcy pomiarów wnz przeprowadzonych w trybie on-line. Nowe uzyskane w tym trybie rezultaty można porównać się z zawartością tych baz danych. Ta praktyka jest przyjęta szczególnie w USA i Kanadzie. Jeśli nowe pomiary dotyczące poziomów wnz są większe od tych z baz danych, może to wskazywać na istnienie uszkodzenia izolacji.
Z czysto teoretycznego punktu widzenia nie jest to obiektywna metoda stwierdzenia, że generator jest w złym stanie, gdyż zmierzony poziom ładunku pozornego wnz nie jest poziomem ładunku rzeczywistego wnz układu izolacyjnego stojana. Nie ma jednoznacznego związku między rzeczywistym poziomem wnz wewnątrz układu izolacyjnego stojana i zmierzonym pozornym poziomem wnz. Ustalenie takiej zależności stanowi, zdaniem E. Gulskiego [2], otwarte pole dla porównywania pomiarów wnz w trybie off-line oraz on-line.
Wszelkie metody oceny wyników pomiarów dokonywanych w trybie on-line stwarzają możliwość błędu i należy dokładać starań, aby wybrać metodę oceny stanu izolacji najbardziej użyteczną.
Z praktycznego punktu widzenia badanie wnz on-line nie jest zalecane.
Według oceny autora, który często analizuje przyczyny awarii maszyn, najbardziej użyteczną w praktyce metodą oceny degradacji izolacji i jej stopnia zużycia są badania uzwojeń napięciem stałym.

Wnioski

Badanie izolacji uzwojeń maszyn wirujących napięciem stałym jest metodą nieniszczącą ponieważ w czasie badań nie powtarzają się wyładowania niezupełne jak przy napięciu przemiennym [4]. Metoda ta daje ponadto możliwość klasyfikacji stopnia zużycia izolacji, czego nie dają inne metody diagnostyczne, np. opisana wyżej metoda wyładowań niezupełnych.
Charakterystyka odbudowy napięcia układu izolacyjnego po wcześniejszym naładowaniu go do napięcia U0 równego napięciu znamionowemu Un i częściowym rozładowaniu poprzez zwarcie w przedziale czasu tz a następnie rozwarciu, jest podstawową charakterystyką kryterialną na podstawie której określa się stopień zużycia izolacji.
Badania napięciem stałym jest wyczerpująco opisane w książce Profesora dr hab. inż. Tadeusza Glinki [1].

Literatura

1. Glinka T. „Badania diagnostyczne maszyn elektrycznych w przemyśle”.
2. Wyd. BOBRME Komel Katowice (2002)
3. Gulski E. „Diagnozowanie wyładowań niezupełnych w urządzeniach WN w eksploatacji”. Wyd. Politechniki Warszawskiej (2003)
4. Borecki H. „Narażenia izolacji i innych elementów konstrukcyjnych maszyn elektrycznych” Zeszyty Problemowe Komel Nr 65/2003
5. Borecki H. „Rozwój lokalnych wyładowań elektrycznych w izolacji międzyzwojowej stojana hydrogeneratora” Zeszyty Problemowe Komel Nr 68/2004