Analýza částečných výbojů ve vinutí elektrického stroje v prostředí se sníženým tlakem vzduchu

1. Úvod

Hlavní konstrukční částí statoru jsou statorové plechy, které jsou od sebe izolovány. V drážkách statoru je umístěna izolace (např. papírová nebo plastová) a do této drážky je pak uloženo vinutí, které je vyrobeno z lakovaného měděného drátu. To znamená, že izolační systém nízkonapěťových elektrických strojů se obvykle skládá z drážkové izolace a izolačního laku vodiče. Diagnostiku tohoto typu izolačního systému lze provést různými způsoby. Ve většině případů se měří izolační odpor [1]. Existují ale i jiné metody. Ztrátový činitel lze použít pro detekci poruchy izolace [2]. K detekci mezizávitového zkratu lze použít srovnávací impulsní zkouška [3]. Mezizávitový zkrat lze také detekovat i z axiální složky magnetického pole [4].

Vzduch sice není hlavní součástí izolačního systému, ale přesto na něj má značný vliv, protože styk různých částí není dokonalý a obsahuje mezery, vyplněné vzduchem. Pokud se tedy tlak sníží, měly by se snížit i izolační schopnosti elektrického stroje. Nižší tlak vzduchu může také vést k přehřátí stroje, protože v poklesne množství tepla, odvedeného ze stroje konvekcí [5]. 

Všechny tyto faktory hrají velkou roli při konstrukci elektrických strojů do extrémních podmínek, zejména pro letecký průmysl.

V současnosti probíhá snaha o elektrifikaci co největší části leteckých komponentů a také o zvýšení napětí, které lze použít pro napájení těchto motorů. Částečné výboje jsou jednou z nejdůležitějších otázek, pokud jde o elektrická zařízení v leteckém průmyslu, protože mohou představovat hrozbu pro spolehlivost stroje [6].

2. Vliv tlaku vzduchu a okolní teploty

Vztah mezi tlakem vzduchu a průrazným napětím popisuje Paschenova křivka. Problematický může být popis vlivu teploty. Existují metody pro korekci Paschenovy křivky dle skutečné teploty okolí, ale většinou se jedná o aproximace a skutečné průrazné napětí se může lišit [7][8].

Celý experiment byl proveden ve vakuové komoře, speciálně navržené pro testování dielektrických materiálů při sníženém tlaku vzduchu a vysokých teplotách.

Komora je vybavena vývěvou, která umožňuje snížit tlak vzduchu až na 20 mbar. Dále je zde 2 kW topný kabel, který umožňuje vyhřát komoru až na 200 °C. Komora je zakryta tepelnou izolací, kromě víka s průzorem. Průzor je vyroben z křemičitého skla, takže umožňuje lokalizaci výboje UVC citlivou kamerou během testu. Úspěšnost takové lokalizace však do značné míry závisí na osvětlení zkušební komory, protože v některých případech dochází k mnoha odrazům na povrchu průzoru.

Obr. 2 Schéma zapojení

Stator byl zapojen podle schématu zapojení na obr. 2. Jako zdroj zkušebního napětí je použit VN transformátor s pevnou izolací. Stator je připojen k transformátoru přes VN rezistor s nízkou indukčností. Tento odpor omezuje zkratový proud v případě průrazu vzorku. Proud statorem je měřen vysokofrekvenčním bočníkem. Napěťový signál z bočníku je zaznamenáván osciloskopem.

Popis měření

Testovaným motorem byl jednofázový asynchronní stroj, bez ložiskových štítů a rotoru.

Konce vinutí byly propojeny a připojeny na zdroj vysokého napětí. Magnetický obvod byl připojen k bočníku měděnou páskou s vodivým lepidlem. Teplota motoru byla měřena termočlánkem nalepeným na magnetickém obvodu.

Obr. 3 Testovaný objekt

Experiment byl proveden v několika krocích:

1. Počáteční měření: Měření bylo provedeno při pokojové teplotě pro stanovení zápalného napětí a parametrů částečných výbojů za běžných vnějších vlivů.
2. Tlak byl nastavován s krokem 0,2 bar. Nejnižší tlak vzduchu byl nastaven na 200 mBar, což odpovídá výšce přibližně 12 km nad mořem.
3. Toto měření bylo opakováno při různých teplotách až do 80 °C. Maximální teplota byla omezena izolační třídou testovaného motoru. Mezi změnami teploty je důležité počkat na ustálení teploty testovaného motoru. Po dosažení požadované teploty statoru bylo vyčkáváno dalších 15 minut, aby byl zajištěn rovnoměrný ohřev. Pro každou teplotu a tlak vzduchu bylo určeno zápalné napětí.

Obr. 4 Testovaný objekt umístěný ve vakuové komoře

Analýza četnosti pulsů v závislosti na tlaku a teplotě byla provedena vždy při testovacím napětí 1 kV. Jak je vidět z výsledků, počáteční napětí a četnost se mění s tlakem a teplotou vzduchu. To je důkazem, že vzduch hraje důležitou roli v izolačním systému elektrického stroje.

Tabulka 1 Zápalná napětí při různých okolních podmínkách

V extrémních podmínkách (80 °C, 200 mbar) je zápalné napětí poloviční než při běžných vnějších vlivech. Poměr tlaku/zápalného napětí se v testovaném rozsahu tlaku vzduchu mění dle předpokladů, tedy s klesajícím tlakem klesá i zápalné napětí. Na grafu zobrazeném na obr. 5 můžeme vidět, že výsledná funkce je téměř lineární a je patrný i vliv teploty.

Tato skutečnost omezuje maximální přípustné úrovně napětí v leteckém průmyslu. Všechna elektrická zařízení v nehermetických částech jakéhokoli letadla musí být  dimenzována na toto prostředí.

Obr. 5 Graf závislosti zápalného napětí na okolních podmínkách

Byla také analyzována četnost pulsů částečných výbojů. Pro tento účel byly spočítány všechny pulsy nad hladinou šumu pozadí během jedné periody testovacího napěťového signálu, tedy 20 ms. Počet pulsů částečných výbojů roste exponenciálně s klesajícím tlakem vzduchu, viz Tabulka 2. Je zde také možno sledovat velký vliv teploty viz obr. 6.

Obr. 6 Graf četnosti pulzů v závislosti na okolních podmínkách

5. Závěr

Získaná data ukazují, že vliv jak teploty, tak tlaku vzduchu není zanedbatelný. Ve skutečnosti jsou oba poměrně významnými faktory, pokud jde o zápalné napětí částečných výbojů (obr. 5) a počet pulsů (obr. 6). Teplotní závislost úrovně částečných výbojů v izolačním systému je složitější a neovlivňuje ji pouze teplota vzduchu v dutinách, vzduchových mezerách a v prostoru kolem měřeného objektu. Vliv mají mimo jiné změny související s tepelnými dilatacemi v izolačním systému. 

Je třeba vzít v úvahu, že testovaný motor byl před proběhnutím experimentu provozován. To znamená, že izolační systém stroje byl zestárlý, a to mohlo být příčinou rychlého nárůstu počtu výskytů částečných výbojů za nejméně příznivých vnějších vlivů. S rostoucím počtem pulzů částečných výbojů se zvyšuje rychlost degradace izolačního systému. Dlouhodobá přítomnost částečných výbojů může způsobit poškození izolačního systému, což může vézt k jeho selhání.

To ukazuje, že konstrukce motorů pro letecký průmysl může představovat problém, protože existuje mnoho faktorů, které je nutno brát v potaz. Pro spolehlivý provoz by měl návrh vinutí statoru zohledňovat geometrické a admitanční řízení pole. V případě nezohlednění všech okolností při návrhu motorů pro tyto aplikace, může motor v tomto prostředí selhat.

Reference

[1] Insulation resistance testing guide, Chauvin Aroux, ed. 01, 2010
[2] P. M. John and J. A. de Kock, "Data mining - a technique used to extract information from tan delta Measurements on medium Voltage Induction Motors," AFRICON 2007, 2007, pp. 1-8, doi: 10.1109/AFRCON.2007.4401639.
[3] S. Grubic, J. Restrepo and T. G. Habetler, "Online Surge Testing Applied to an Induction Machine With Emulated Insulation Breakdown," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 49, no. 3, pp. 1358-1366, May‑June 2013, doi: 10.1109/TIA.2013.2253535.
[4] J. Fulneček and S. Mišák, "Stator current and axial magnetic flux analysis of induction motor," 2018 International Conference on Diagnostics in Electrical Engineering (Diagnostika), 2018, pp. 1-4, doi: 10.1109/DIAGNOSTIKA. 2018.8526025.
[5] CIGÁNEK, Ladislav a Miroslav BAUER. Elektrické stroje a přístroje: učební text pro průmyslové školy elektrotechnické - čtyřleté. 2. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1957.
[6] V. Madonna, P. Giangrande, W. Zhao, H. Zhang, C. Gerada and M. Galea, "Electrical Machines for the More Electric Aircraft: Partial Discharges Investigation," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 57, no. 2, pp. 1389-1398, March‑April 2021, doi: 10.1109/TIA.2020.3046434.
[7] Giacomo Galli, Hassen Hamrita, C. Jammes, Michael Kirkpatrick, Emmanuel Odic, et al. Paschen’s Law in Extreme Pressure and Temperature Conditions. IEEE Transactions on Plasma Science, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2019, 47 (3), pp.1641-1647. ff10.1109/TPS.2019.2896352.hal-02117590
[8] G. C. Stone and V. Warren, "Objective methods to interpret partial‑discharge data on rotating‑machine stator windings," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 42, no. 1, pp. 195-200, Jan.-Feb. 2006, doi: 10.1109/TIA.2005.861273.

Příspěvěk prošel recenzním řízením.