W wielu zakładach przemysłowych o ruchu ciągłym, w których wykorzystuje się du
że silniki elektryczne do napędu urządzeń, uznano metodę wyładowań niezupełnych PD za podstawową w długofalowej diagnostyce izolacji silników.
Wyładowanie koronowe na czołach uzwojeń silnika
Wyładowania niezupełne są fenomenem fizycznym odkrytym przy badaniu układów izolacyjnych. Po przyłożeniu wysokiego napięcia między elektrody, pomiędzy którymi umieszczono dielektryk, zauważono pojedyncze mikrowyładowania pomiędzy elektrodami, występujące w miejscach o słabszej wytrzymałości dielektrycznej.
Co to są wyładowania niezupełne?
Układ izolacyjny silników możemy przedstawić w uproszczeniu jako wielki kondensator, w którym jedną z elektrod stanowi miedź uzwojenia, drugą rdzeń, a dielektrykiem jest właśnie izolacja uzwojeń. Jest to wielkie uproszczenie.
W rzeczywistości w litej strukturze materiału izolacyjnego występują pory wypełnione powietrzem i wtedy nasz układ izolacyjny moglibyśmy przedstawić jako połączenie równoległe kondensatorów o różnej pojemności i różnej wytrzymałości dielektrycznej. Możemy łatwo sobie wyobrazić, co stanie się z takim układem kondensatorów po przyłożeniu wysokiego napięcia. Jedne kondensatory wytrzymają to napięcie, inne ulegną przebiciu.
W rzeczywistym układzie izolacyjnym mikrowyładowania występują wewnątrz izolacji w porach wypełnionych powietrzem. Te mikrowyładowania, niepowodujące trwałego uszkodzenia izolacji, to właśnie wyładowania niezupełne (ang. Partial Discharge).
Tym mikrowyładowaniom towarzyszy fala akustyczna/radiowa podobna do tej, jaka występuje po wyładowaniu pioruna podczas burzy, tylko o dużo mniejszym natężeniu.
Podczas pracy układ izolacyjny jest narażony na drgania mechaniczne, ścieranie izolacji, przegrzania termiczne, czynniki chemiczne i inne powodujące pogarszanie się stanu układu.
W miarę upływu czasu następuje starzenie się izolacji i pogarszanie się własności izolacyjnych dielektryka. Obserwując taką izolację pod mikroskopem, możemy zauważyć szczeliny i pęknięcia w jednorodnej strukturze materiału. Obserwuje się również, po przyłożeniu napięcia, wzrost liczby i wartości ładunku wyładowań niezupełnych. Wyładowania niezupełne są również obserwowane w postaci wyładowań koronowych lub wyładowań powierzchniowych.
Widoczne ślady wyładowań koronowych to biały proszek, występujący najczęściej na czołach uzwojeń maszyn. Wyładowania powierzchniowe pojawiają się w postaci śladów podobnych do drzewa lub poszarpanych linii. Najczęściej występują w rozdzielnicach i izolatorach szyn zasilających. Te małe wyładowania łukowe przyczyniają się do pogorszenia stanu izolacji.
Rozwijające się wyładowania koronowe i powierzchniowe są podstawowymi przyczynami uszkodzeń izolacji.
Pomiar wyładowań niezupełnych może być wskaźnikiem w ocenie stanu izolacji.
Przy pomiarach offline izolacji silników stosuje się układy pomiarowe, w których stosowana jest specjalistyczna aparatura. Pomiary te są skomplikowane i wymagają doświadczonego personelu do obsługi aparatury i interpretacji otrzymanych wyników. Na wyniki duży wpływ mają zakłócenia pochodzące z otoczenia, od innych urządzeń niezwiązanych z badanym silnikiem.
Pozbawiona tych niedogodności jest nowa metoda, oparta na monitoringu online wyładowań niezupełnych w silniku podczas normalnej jego pracy, wykorzystująca urządzenie o nazwie InsulGard. Umożliwia ono wykrywanie wyładowań niezupełnych, kiedy urządzenie jest pod napięciem, wykrywa i analizuje częstotliwości radiowe emitowane podczas wyładowań niezupełnych. Najbardziej pomocne w analizie są wyładowania z zakresu od 1 MHz do 20 MHz. Wykrycie wyładowań niezupełnych w układzie izolacyjnym umożliwia określenie słabych stron tego układu.
Bardzo użyteczne są informacje, które wiążą intensywność sygnału z różnymi stanami degradacji izolacji. Wiedza ta umożliwia podjęcie decyzji o stanie układu izolacyjnego w prewencyjnej diagnostyce urządzeń elektrycznych.
Jak działa InsulGard?
InsulGard składa się z czujników i jednostki monitorującej. Czujniki są montowane wewnątrz obudowy silnika. Konieczne jest zabudowanie kondensatorów sprzęgających, czujnika wilgotności, czujnika temperatury i przekaźnika prądowego. Sygnały z tych czujników podłączone są bezpośrednio do jednostki monitorującej.
W jednostce monitorującej sygnały te zapisywane są w postaci pakietów informacji lub też przesyłane za pomocą sygnału 4−20 mA lub też łącza RS485 do systemu nadrzędnego.
Jednostka monitorująca analizuje również na bieżąco dane i generuje alarm po przekroczeniu dopuszczalnego poziomu wyładowań niezupełnych.
Jednostkę monitorującą stanowi sterownik przemysłowy zaprogramowany pod kątem analizy gromadzenia i obróbki danych z czujników. Jednostka monitorująca może być użyta jako urządzenie samodzielne lub też stanowić część całego systemu jednostek podłączonych do sieci. Dzięki temu możliwe jest przesyłanie danych za pomocą Internetu do zespołu ekspertów posiadających duże doświadczenie w analizie wyładowań niezupełnych układów izolacyjnych maszyn elektrycznych.
Można również samodzielnie obserwować trendy wyładowań niezupełnych w odniesieniu do innych danych otrzymanych z czujników zabudowanych w silniku. Można porównywać przebiegi wyładowań niezupełnych w zależności od obciążenia, temperatury i wilgotności i na podstawie tego oceniać, co powoduje bezpośredni wzrost intensywności i wartości wyładowań niezupełnych w układzie izolacyjnym.
Oprogramowanie InsulGarda jest integralną częścią całego systemu. Umożliwia dogłębną analizę otrzymanych danych i tworzenie okresowych raportów stanu izolacji.
Kondensatory sprzęgające IPDS są bardzo czułe na wyładowania niezupełne występujące w izolacji urządzeń elektrycznych. Kondensatory te są podłączone pomiędzy wysokonapięciowe zaciski przyłączeniowe silnika a uziemiony zacisk w skrzynce przyłączeniowej. Strona wtórna (niskosygnałowa) podłączona jest ekranowanymi kablami z jednostką monitorującą.
IPDS przetwarza wysokoczęstotliwościowy sygnał elektryczny z wysokonapięciowych zacisków silnika na sygnał zapisywany w sterowniku jednostki monitorującej. IPDS-y są zaprojektowane na 4 poziomy napięć: 5 kV, 7,2 kV, 15 kV i 27 kV.
Listwa RTD jest specjalnie zaprojektowana do wykrywania wyładowań niezupełnych. Rezystancyjne czujniki temperatury zabudowane w uzwojeniach służą do pomiaru temperatury uzwojeń silnika.
Prąd płynący w obwodzie czujnika jest proporcjonalny do rezystancji czujnika zmieniającej się wraz z temperaturą.
Wyładowania niezupełne występujące w silniku generują fale radiowe, które z kolei indukują w czujnikach temperaturowych i ich obwodach zmienny sygnał proporcjonalny do wartości i intensywności wyładowań niezupełnych występujących w uzwojeniach silnika.
Czujniki RTD pełnią funkcję anteny częstotliwości radiowych umieszczonej w uzwojeniach.
Czujniki te są bardzo czułe na wysokie częstotliwości, będące składową wyładowań elektromagnetycznych towarzyszących wyładowaniom niezupełnym.
Czujniki RTD mają przewagę nad kondensatorami sprzęgającymi, które tylko identyfikują poziom wyładowań niezupełnych bezpośrednio na zaciskach poszczególnych faz silnika, kiedy czujniki RTD, umieszczone wewnątrz silnika w uzwojeniach, dostarczają dane o aktywności wyładowań niezupełnych w konkretnym obszarze silnika.
Jeżeli czujniki RTD są użyte łącznie z kondensatorami sprzęgającymi, wtedy strefa wykrywania wyładowań niezupełnych powiększa się o liczbę czujników RTD w silniku.
Listwa RTD umożliwia podłączenie 6 czujników RTD i jest tak zaprojektowana, aby nie zakłócać pomiarów temperatury. Zaprojektowano ją w ten sposób, że tłumi i filtruje szumy, a wzmacnia sygnał wyładowań niezupełnych przesyłany do sterownika jednostki monitorującej. Szumy mogą pochodzić m.in. z elektronicznego systemu pomiaru temperatury.
Listwa RTD zabudowywana jest w skrzynce połączeniowej czujników temperatury RTD silnika w miejsce istniejącej listwy zaciskowej. Strona wtórna obwodu pomiarowego RTD łączona jest kablem koncentrycznym z zaciskami jednostki monitorującej.
Czujnik temperatury, wilgotności i przekładnik prądowy to typowe urządzenia. Nie są specjalnie zaprojektowane do InsulGarda. Są zabudowywane w głównej skrzynce zaciskowej silnika. Proponowany przekładnik prądowy wykonany jest z giętkim rdzeniem i zabudowywany na jednym z kabli zasilających silnika. Czujnik temperatury, czujnik wilgotności i przekładnik prądowy są podłączane kablami dwużyłowymi do jednostki monitorującej.
Centralna jednostka monitorująca
Gdzie stosuje się InsulGardy?
Do tej pory przedstawiono zastosowanie InsulGardów do monitoringu wyładowań niezupełnych w urządzeniach napędowych. Można również stosować ten system do monitoringu układów izolacyjnych rozdzielnic i transformatorów wysokiego napięcia. Jednakże do tych urządzeń należy zastosować trochę inny zestaw czujników dołączanych do jednostki monitorującej.
Dla rozdzielnic oprócz kondensatorów sprzęgających należy zastosować napięciowy czujnik częstotliwości radiowych i transformatory prądowe częstotliwości radiowych. Kondensatory połączeniowe wykrywają wyładowania niezupełne w szafach rozdzielczych. Są zwykle instalowane za wyłącznikami głównymi rozdzielnicy lub na szynach głównych rozdzielnicy.
Napięciowy czujnik częstotliwości radiowych i transformatory prądowe częstotliwości radiowych spełniają podobną rolę jak czujniki temperatury RTD i listwa RTD, zabudowane w urządzeniach napędowych.
System InsulGard zabudowany w rozdzielnicach wykrywa wyładowania w izolacji, wyładowania powierzchniowe na izolatorach, problemy w kablach przyłączeniowych, luźne połączenia i uszkodzenia w przekładnikach prądowych i napięciowych.
Zastosowanie do monitoringu wyładowań niezupełnych transformatorów ograniczone jest do wysokości napięcia pierwotnego transformatora. Nie może ono przekraczać 13,8 kV.
Korzyści z zainstalowania InsulGardów
InsulGard umożliwia prowadzenie eksploatacji urządzeń elektrycznych opartej na analizie faktycznego stanu układu izolacyjnego maszyn i urządzeń elektrycznych bez konieczności wyłączania ich spod napięcia. Umożliwia prowadzenie przeglądów urządzeń wynikających z rzeczywistych potrzeb w przeciwieństwie do czasowych przeglądów zapobiegawczych, których zakres przeglądu często jest nieadekwatny do rzeczywistego stanu urządzenia.
UR
Mariusz Matuszek pracuje w BOC Gazy sp. z o.o. oddz. Kędzierzyn-Koźle, zajmuje się utrzymaniem ruchu – eksploatacją urządzeń elektrycznych.
Autor:
Mariusz Matuszek
