Większość uszkodzeń izolacji silników (statystycznie około 60%) wynika ze zbyt wysokiej temperatury uzwojeń, przekraczającej przyjęte w normalizacji poziomy dopuszczalne. Aby uniknąć tego rodzaju sytuacji, chroni się silnik przed przegrzaniem, stosując monitoring wartości prądu pobieranego przez silnik (zabezpieczenia przeciążeniowe, zwarciowe, czujnik zaniku fazy, zabezpieczenia podnapięciowe itd.) lub bezpośrednią kontrolę temperatury – w uzwojeniach (punkty o najwyższej temperaturze) bądź na obudowie silnika.
W każdym przypadku podstawą w eksploatacji jest znajomość temperatury dopuszczalnej związanej z klasą ciepłoodporności izolacji silnika oraz niedopuszczenie do jej przekroczenia. Dane podane w artykule zawierają wytyczne NEMA dla rynku amerykańskiego i dotyczą następujących klas temperaturowych:
• klasa A – temperatura pracy do 105°C,
• klasa B – temperatura pracy do 130°C,
• klasa F – temperatura pracy do 155°C,
• klasa H – temperatura pracy do 180°C,
• klasa R – temperatura pracy do 220°C
pochodzących z normy międzynarodowej IEC 60085 – Electrical Iinsulation – Thermal evaluation and designation.
Norma IEC 60085 została przywołana w krajach Unii Europejskiej dokumentem PN-EN 60085: 2008E – Izolacja elektryczna – Ocena termiczna i oznaczenia, w wersji angielskiej. W dokumencie tym podano kryteria oceny ciepłoodporności dla materiałów elektroizolacyjnych (EIM), układów elektroizolacyjnych (EIS) oraz wskazano sposoby wyznaczania klas ciepłoodporności. Norma PN-EN 60085 zestawia szereg klas od Y (90°C do R 250°C), dopuszczając również klasy niezdefiniowane literowo o wyższych temperaturach. Podane wytyczne są związane z szeregiem innych dokumentów, które podają zasady badania odporności materiałów lub systemów na różne narażenia – w tym cieplne:
• PN-EN 60216-1:2013-12E – Materiały elektroizolacyjne – Oznaczanie ciepłoodporności – Część 1: Procedury starzenia i ocena wyników badania,
• PN-EN 60216-5:2008E – Materiały elektroizolacyjne – Oznaczanie ciepłoodporności – Część 5: Wyznaczanie wskaźnika względnej odporności cieplnej (RTE) materiału elektroizolacyjnego,
• PN-EN 60505:2011E Ocena i kwalifikacja układów elektroizolacyjnych,
• PN-EN 61857-1:2009E – Układy elektroizolacyjne – Procedury oceny termicznej – Część 1: Wymagania ogólne – Niskie napięcie,
• PN-EN 61858:2008E – Układy elektroizolacyjne – Ocena termiczna modyfikacji do ustalonych uzwojeń EIS.
W podanych wyżej dokumentach do oceny narażeń cieplnych zakłada się zasadniczo zależność Arrheniusa, określającą długość czasu życia izolacji t od jej temperatury bezwzględnej T, według
poniższej zależności:
t = AeB/T
gdzie A i B są stałymi zależnymi od cech fizykochemicznych materiału.
Takie podejście jest słuszne dla materiałów, w których dominuje starzenie cieplne. Wówczas aproksymacja wyników badań w układzie współrzędnych ln t (1/T) jest linią prostą o współczynniku korelacji R bliskim 1. W przypadku występowania w badanym układzie przemian fazowych innych niż pierwszego rodzaju (tzn. takich, które nie mają związku z pochłanianiem lub wydzielaniem ciepła) wyniki badań odchylają się od linii prostej, gdyż nie spełniają założeń równania Arrheniusa.
W praktyce do wyznaczenia powyższej charakterystyki wystarcza wybranie 3 temperatur (procedura podana w PN-EN 60505), dla których wykonuje się badania starzeniowe, monitorując istotną dla wytrzymałości cechę materiału – może być to wytrzymałość mechaniczna, stopień polimeryzacji, czas do przebicia. Znajomość tego rodzaju wyników badań pozwala określić zachowanie się izolacji w stanach narażeń ekstremalnych lub na podstawie innych pomiarów o charakterze eksploatacyjnym prognozować czas życia układu izolacyjnego.
Autor: Marek Olesz, Katedra Mechatroniki i Inżynierii Wysokich Napięć, PG
