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.