Deelontlading (PD) op wikkelingen van laagspanningsmotoren IEC 60034-18-41:2014

Introductie

De PD-meting heeft de laatste jaren zijn nut bewezen als een extra kwaliteitscontrole voor de controle van isolatie in laagspanningsmotoren en spoelen.

Met name de sterke toename van frequentiedrives en de toename van elektromotoren in de automobielindustrie heeft een extra impuls gegeven aan de ontwikkeling en kwalificatie van de deelontladingsmeting. De introductie van de IEC60034-18-41 geeft een extra richtlijn voor kwalificatie van roterende machines met een type I isolatiesysteem

Een type I isolatiesysteem is een systeem  geschikt voor een RMS spanning ≤ 700 V.

Dit artikel is bedoeld om het “licht te werpen” op de PD testen op laagspanningsmachines. Een algemene beschrijving van de testmethode en de toepassingen.

Wat is een partiële ontlading?

Als eerste stap graan we terug naar een klassieke hoogspanningstest. Het  voorbeeld hieronder illustreert een hoogspanningstest met wisselspanning (AC), ook wel omschreven als een doorslagvastheidsmeting of HiPot AC.

PD-1Afbeelding 1 – Beschadigde wikkeldraden dicht bij de blikpakket.

Elektromotoren worden doorgaans beoordeeld met het criterium: “De motor moet een overspanning kunnen weerstaan of er mag geen overmatige lekstroom aanwezig zijn.” De vraag: “Hoeveel is te veel stroom tijdens deze HV-test” is niet zo eenvoudig te beantwoorden.

PD-2Afbeelding 2 – Doorslag capacitieve lekstroom.

De maximaal toelaatbare lekstroom wordt bepaald en aangegeven door middel van vergelijkende metingen in een productieomgeving.
Echter, voor reparatiebedrijven en technici die normaal niet over deze grenswaarde beschikken is de grenswaarde nagenoeg niet te bepalen.

De lekstroom is afhankelijk van de capaciteit van de elektromotor (van de isolatie in de motor tussen de fase en ten opzichte van de massa/behuizing).

In kleinere elektrische motoren is de lekstroom doorgaans klein en in grotere machines zal ook een hogere capaciteit aanwezig zijn.

De ervaren engineer/monteur kan met behulp van zijn ervaring een beeld vormen of de lekstroom te hoog is of als hij geruis/gekraak hoort tijdens de hoogspanningstest geeft dit ook feedback over de kwaliteit van de machine.

Tijdens een verhoogde lekstroom (waar het niet tot een volle doorslag komt) kan men spreken van partiële ontlading (deelontlading). Onze taak is nu om de hoogte/sterkte te meten en dit effect te evalueren. Het woord deelontlading geeft al aan dat het effect in een deel van de isolatie aanwezig is.


PD-3Afbeelding 3 – deelontlading in een kleine luchtspleet.

PD-4Afbeelding 4 – deelontlading tussen windingen met direct contact.

Deze locatie heeft een zwakke isolatie. Het defect kan ontstaan zijn bij de vervaardiging van de statorwikkeling van de elektrische motor of generator.

PD-5Afbeelding 5 – Deelontlading in een isolator.

Deze zwakke plek in de isolatie zal worden belast tijdens het in bedrijf nemen of tijdens de HV-test. De zwakke plek kan de verhoogde stress niet weerstaan.  met gevolg dat er deelontlading ontstaan in deze locatie.

De resterende isolatie zal nog voldoende weerstand bieden aan de toegenomen spanning zodat er geen volledige doorslag zal ontstaan, na de hoogspanningstest kan men de motor als “in orde” kwalificeren.

De volgende afbeelding illustreert de voornaamste isolatieopbouw in een elektromotor. Twee elektrische geleiders (bijvoorbeeld wikkeling – wikkeling of wikkeling – blikpakket) met daartussen een isolatiemedium (impregneerhars – isolatiemateriaal).

PD-6Afbeelding 6 – Deelontlading toegelicht door middel van een vereenvoudigd schema.

De elektrische geleiders zijn van elkaar gescheiden door isolatiemateriaal. In een ideale toestand kan de isolatie worden vervangen door een grote condensator (Ciso). Vanwege een defect in de isolatie kunnen er delen in de isolatie ontstaan die lokaal door een hoge veldsterkte overbelast wordt. In dit overbelaste deel zal het sneller tot deelontlading komen.

Het gevolg van deze partiële ontlading is een langzame maar continue degradatie van het isolatiesysteem, gebaseerd op het concept “de druppel die de steen uitholt”.

Als eindresultaat verliest het isolatiemateriaal zijn isolerende eigenschappen en resulteert dit in een complete doorslag van het isolatiesysteem. De tijdsduur tot wanneer de machine doorslaat is afhankelijk van de sterkte en hoeveelheid van de deelontlading.

Partiële ontlading is een spannings-afhankelijk fysiek effect. Met een verhoogd spanningsniveaus zal partiële ontlading uiteindelijk plaatsvinden.
De vraag is wat de gewenste testspanning is om de beproevingen correct uit te voeren. Het antwoord ligt in de toepassing van de elektromotor.

Elektromotoren in industriële installaties zonder VFD

Een elektrische motor die direct verbonden is met de MCC zonder VFD wordt alleen in contact gebracht met de conventionele wisselspanning (50Hz) en ziet alleen pieken van het in en uitschakelen van de motor. Als gevolg hiervan heeft het geen zin voor deze toepassing de motor te beproeven met een hoge testspanningen om te controleren of het vrij is van een deelontlading.

Hoogspanningsmachines

Hoogspanningsmotoren vereisen een testspanning die overeenkomstig aangepast is aan de AC nominale spanning van de machine om te controleren of het is vrij van partiële ontladingen. Meestal hebben deze motoren een nominale spanning van> 5 kV.

De hoge werkspanning vereist een speciale hoogspanningsisolatiesysteem (type II). De metingen zijn beschreven in de norm IEC 60034-27 en worden niet besproken in deze opgave

Elektromotoren in industriële installaties met VFD

Elektromotoren die worden aangestuurd met een VFD moeten worden getest met een verhoogde testspanning om te controleren of ze vrij zijn van partiële ontladingen.
Waarom zou een motor met een VFD worden getest met een verhoogde testspanning? De vraag die velen stellen is: Hoe kan hoogspanning optreden bij een laagspanning elektromotor die wordt aangedreven door een VFD?

Het antwoord is te vinden in de fundamentele werkingsprincipe van de frequentieomvormer. Bij een VFD zal de één- of driefasige wisselspanning eerst worden gelijkgericht en daarna afgevlakt zodat er een gelijkspanning van √2 x de ingangsspanning ontstaat. Het niveau van de gelijkspanning is dus de piekwaarde van de effectieve waarde van de netspanning.

PD-7Afbeelding 7 – Principe van de frequentie-omvormer (VFD).

De opgeslagen gelijkspanning wordt weer omgezet in wisselspanning met behulp van vermogens halfgeleiders IGBT’s. Het resultaat is een niet uniforme sinus maar een signaalcombinatie van rechthoekige pulsen.

PD-8Afbeelding 8 – Sinus signaal gesimuleerd door rechthoekige pulsen.

De amplitude van het rechthoekige signaal kan niet worden gewijzigd. De IGBT’s zijn zeer snelle schakelaars met slechts twee toestanden: aan of uit.

Echter, kan de frequentieomvormer, de pulsduur (inschakelduur van de elektronische schakelaars) variëren. Door het variëren van de pulsbreedte wordt de sinus quasi gesimuleerd. Deze procedure wordt pulsbreedtemodulatie (PWM) genoemd.

De bijna rechthoekige pulsen hebben de afgelopen jaren een steeds grotere flankenstijlheid. Dit is een poging van de fabrikanten om tijdens het omschakelen het vermogensverlies in de schakelaar zo laag mogelijk te houden. De reden is dat de aanzienlijke verliezen (dat wil zeggen de opwarming van de halfgeleiders) altijd optreden tijdens de omschakeling-cyclus. Dit betekent dat hoe sneller de schakelaar schakelt des te lager de verliezen en hoe lager de noodzakelijke koeling in de frequentiedrive (kostenbesparing).

Dus de VFD fabrikant is van mening dat een snellere stijgtijd een kostenbesparing zal opleveren.

Vanuit het oogpunt van de motor fabrikanten is bovenstaand een groot probleem. De reden is dat deze spikes leiden tot spanningspieken tijdens de omschakeling cyclus.

PD-9_1Afbeelding 9 – Rechthoekige signalen met een hoge stijgtijd (spikes van 1350 Volt is het resultaat).

Dit komt door het feit dat in hoofdzaak rechthoekige signalen alleen bestaan op basis van gecombineerde sinus signalen met verschillende frequenties en verschillende amplitudes. Hoe steiler een rechthoekige rand hoe hoogfrequenter is het sinus signaal. Ook de amplitude van de sinus signalen nemen toe. De spanningspieken worden groter wanneer de elektromotor voorzien is van een lange voedingskabel.

Wanneer de signalen met een hoge flankensteilheid geschakeld wordt op een inductantie (d.w.z. de elektromotor) zal het hoogfrequente aandeel van de blokvorm quasi gefilterd worden door de inductie.

De hoogfrequente signalen worden gefilterd in de eerste paar windingen in een wikkeling van een spoel. Waardoor de windingen van de wikkeling aan het begin of nabij de aansluitklem intensief wordt belast door de spikes

De volgende grafiek toont duidelijk de verbinding tussen een hoge stijgtijd en de resulterende spanningsval over de wikkeling van een cyclus.

PD-10Afbeelding 10 – Spanningscyclus over de winding, afhankelijk van de stijgtijd.

Afbeelding 10 is een perfecte weergave van het spanningsverloop in de wikkeling.

Hier geeft men de samenhang weer van de stijgtijd, spike en het spanningsverloop in de wikkeling. De waarde van de ontstane spanningspiek kan als factor worden weergegeven. Deze factor moet worden vermenigvuldigd met de tussenkringspanning Udc van de VFD om de absolute waarde van de overspanning te bepalen. Afhankelijk van de stijgtijd worden er vier stressbegrippen gedefinieerd.

PD-11Afbeelding 11 – Stress range I – IV met overspanningsfactor afhankelijk van de stijgtijd.

Test methode: Stroomimpuls of hoogfrequente meting

In het begin hebben we al aangegeven dat partiële ontlading optreedt bij zwakke isolatie wanneer de lading in de zwakke plek te hoog wordt. Aangezien de lekstroom niet meetbaar wordt verhoogd bij een deelontlading kan de vraag worden gesteld: “Hoe kan deelontlading worden gemeten?”

Wanneer er een ontlading zal plaatsvinden en de spanning nog altijd op het object staat zal het direct weer tot een ontlading komen, hierdoor kan men de deelontlading meten.
De laadpuls bedraagt enkele nanoseconden, om deze zeer snelle hoogfrequente stroomimpuls te meten moet men speciale meettechniek toepassen.

PD-12_1Afbeelding 12 – Deelontlading test op een motor/stator met coupler voor de hoogfrequente stroompuls.

De PD-coupler is ofwel geïntegreerd in de tester of is geplaatst tussen de meetkabels naar de DUT.

Parallel aan de ontlading is er ook een elektromagnetische straling aanwezig na het ontladen.
Dit is vergelijkbaar met een elektrische vonk of ontlading. De vonk genereert een breedband hoogfrequent signaal dat hoofdzakelijk geïdentificeerd wordt door een speciale meetsonde direct aan de stator/spoel.

PD-13_1Foto 13 – Deel ontlading test op een stator met antenne voor de hoogfrequente stroomimpuls.

Beide metingen hebben voor- en nadelen. Je kan niet zeggen dat één meting procedure fundamenteel beter is ten opzicht van de ander, dit is afhankelijk van de opbouw van de DUT.

De werkwijze van de stroompuls meting heeft het nadeel dat het beïnvloed kan worden door externe verstoringen. Dit nadeel kan worden teruggebracht tot een hoge mate van speciale filters, maar kan niet volledig worden geëlimineerd.

De hoogfrequente meting van de elektromagnetische golf via een speciale antenne heeft het voordeel dat, afhankelijk van de geselecteerde hoge frequentiegebied er geen verstoringen van externe storingen meer zijn of dat de bijwerkingen zijn verminderd.

Logischerwijze moet men niet meten in gebieden waar bijvoorbeeld radiostations, radio-eenheden of mobiele telefoons bediend worden. Het nadeel van deze meetmethode is dat een volledig geïnstalleerde motor geen hoogfrequente signalen naar de buitenkant doorlaat (Faraday-kooi) voor de wikkelingen.

Als gevolg van bovenstaande gegevens adviseren wij beide meetprocedures.

High-voltage of surge-test voor de deelontladingstest

De PD-test kan worden uitgevoerd in combinatie met een hoogspanningstest of een surge-test. Beide proefmethoden dienen als fundamentele test voor het aantonen van deelontlading.
De hoogspanningstest met wisselspanning meet de diëlektrische sterkte en bovendien de partiële ontlading tussen de windingen en/of de windingen ten opzicht van de behuizing (massa).

De Surgetest “kijkt” in de eerste instantie direct in de wikkelingen (van windig naar winding) om zwakke isolatie plekken op te sporen. Daarnaast meet men ook de partiële ontlading.
Onder bepaalde voorwaarden zal de Surgetest de deelontlading niet optimaal meten tussen de fases onderling en/of wikkeling-behuizing. Een combinatie van beide procedures is het meest zinvol.

De fysieke unit pC (pico Coulomb)

De eenheid van lading of ontlading is pC. De vergelijking van lading  is: Q = C * U. Dus de lading is het product van de capaciteit (deze slaat de lading op) en de aangesloten spanning.

De partiële ontlading wordt gemeten in het traject van circa 1pC tot enkele 1000pC. 1pC is zeer, zeer klein. De spanning van 1 Volt en een capaciteit van 1 picoFarad resulteert in een 1 PicoCoulomb lading!

In de praktijk is het niet verplicht om testsystemen te voorzien van een picoCoulomb-weergave. Wij volstaan met het detecteren via een meettechniek. Of een deelontlading aanwezig is of niet.
Daarbij is het bepalen vanaf welk niveau de PD aanwezig is en op welk moment de deelontlading weer weg is belangrijker dan de absolute meetwaarde in Pico Coulomb.

Inception en Extinction Voltage

Voor de evaluatie van de deelontlading kunnen we de PDIV (partial discharge inception voltage) en PDEV (partial discharge extinction voltage) gebruiken.

Hierbij wordt de hoogspanning (ongeacht of HV-AC of surge) continu verhoogd van een beginwaarde tot een maximumwaarde. Zodra de partiële ontlading begint bij een bepaalde spanning, dan kan dit worden gedefinieerd als partial discharge inception voltage (PDIV). Daarna wordt de testspanning verlaagd tot de partiële ontlading verdwijnt. Deze waarde is de partial discharge extinction voltage (PDEV).

Foto 14 – Inception en Extinction Voltage

Afkorting PDIV: partial discharge inception voltage
Uitleg PDIV = Als één van de 10 surge impulsen deelontlading aangeeft.

Afkorting RPDIV: repetitive partial discharge inception voltage.
Uitleg RPDIV = Als ten minste 5 van de 10 surge impulsen deelontlading aangeven.

Max. waarde = Geleidelijk verhogen van de spanning in 100V stappen, tot 10 van de 10 Surge impulsen een deelontalding
aangeven.

Afkorting RPDEV: repetitive partial discharge extinction voltage
Uitleg RPDEV = Als 5 van de surge impulsen geen deelontlading aangeven.

Afkorting PDEV: partial discharge extinction voltage
Uitleg PDEV = Als er geen deelontlading meer optreedt bij 10 surge impulsen.

Een isolatiesysteem van goede kwaliteit wordt gekenmerkt door het feit dat beide spanningswaarden zich op een hoog niveau bevinden. In principe kun je zeggen: “Hoe hoger hoe beter”.

Voor meer informatie en berekeningen betreffende de PDIV verwijzen wij u naar de  IEC 60034-18-41.

Hoogspanningtester met AC bron en partiële ontlading

Deze meettechniek is reeds opgenomen in de SCHLEICH testers voor de automobielindustrie voor meer dan 10 jaar.

PD-15Foto 15 – Deelontlading bij de hoogspanningstest met wisselspanning.

Surge tester met deelontlading

Deze meettechniek is reeds opgenomen in de SCHLEICH testers voor de automobielindustrie voor meer dan 10 jaar.

PD-16_1Foto 16 – Surgetest met PDIV en PDEV.

PD-17Foto 17 – 150nS stijgtijd met capacitieve koppeling van de partiële ontlading.

PD-18Foto 18 – 150nS stijgen tijd met high-frequente antenne meting van de partiële ontlading.

Ervaringen en conclusie

Op basis van onze langdurige en gevarieerde ervaring met tal van autofabrikanten en fabrikanten van motoren over de hele wereld zijn wij zeer positief over de eindresultaten van de PD-meting op LV-machines.

Het is een testmethode die fabricagefouten op een nieuw niveau weergeeft. Daarom is deze testmethode van groot belang voor de productie als voor reparatie- en onderhoud faciliteiten.

De meting van de stroompuls in de meetkabels naar de elektromotor blijkt een zeer positief alternatief voor de hoogfrequente metingen (met antenne) indien de E-motoren zijn samengebouwd.
De stroompuls meting maakt het betrouwbaar uitvoeren van partiële ontlading bij gemonteerde elektromotoren mogelijk. De operator hoeft niet na te denken over de ideale plaatsing van de antenne.

SCHLEICH hanteert de volgende normeringen VDE 530-18-41, IEC 60034-18-41 en de IEC TS 61934.

Literatuur

Bronvermelding:

(1) Paper No. PCIC-2004-27: “PARTIAL DISCHARGE INCEPTION TESTING ON LOW VOLTAGE MOTORS”, IEEE, 2004

(2) IEC/TS 60034-18-41 ed1.0: “Rotating electrical machines – Part 18-41: Qualification and type tests for Type I electrical insulation systems used in rotating electrical machines fed from voltage converters”; 2006

(3) IEC/TS 60034-18-42 ed1.0: Rotating electrical machines – Part 18-42: Qualification and acceptenace tests for partial discharge resistant electrical insulation systems (Type II) used in rotating electrical machines fed from voltage converters”, 2008

(4) IEC/TS 60034-27: Off-line partial discharge measurements on the stator winding insulation of rotating elctrcial machines”, 2006

(5) IEC/TS 61934 ed 2.0: “Electrical insulating materials and systems – Electrical measurement of partial discharges (PD) under short rise time and repetitive voltage impulses”; 2011

(6) VDE 530-18-41: Drehende elektrische Maschinen Teil 18-41: Qualifizierung und Qualitätsprüfung für teilentladungsfreie elektrische Isoliersystem (Typ I) in drehenden elektrischen Maschinen, die von Spannungsumrichtern gespeist werden”; 2011

(7) VDE 530-18-42: “Drehende elektrische Maschinen Teil 18-42: Qualifizierungs- und Abnahmeprüfungen teilentladungsresistenter Isoliersysteme (Typ II) von drehenden elektrischen Maschinen, die von Spannungsumrichtern gespeist werden”; 2011

(8) VDE 530-27: “Drehende elektrische Maschinen Teil 27: Off-Line Teilentladungsmessungen an der Statorwicklungsisolation drehender elektrischer Maschinen”; 2011

(9)R.H.Rehder – W.J.Jackson-B.J.Moore; Designing Refiner Motors to Withstand Switching Voltage Transients

(10) T.Tozzi – A.Cavallani – G.C.Montanari; “Monitoring Off-Line and On-Line PD Under Impulsive Voltage on Induction Motors – Part 1: Standard Procedure”; 2010

(11)  T.Tozzi – A.Cavallani – G.C.Montanari; “Monitoring Off-Line and On-Line PD Under Impulsive Voltage on Induction Motors – Part 2: Testing”; 2010

(12) Dipl.-Ing. Jan-Philipp Lahrmann, Dipl.-Ing. Martin Lahrmann February 2012 – Website Schleich – Know-How