Thử nghiệm điện áp cao DC của động cơ điện xác định tính toàn vẹn của hệ thống vách cách điện (Ground wall insulation) của cuộn dây. Hệ thống vách cách điện bao gồm lớp cách điện của dây, lớp cách điện lót khe, nêm và vecni.
Để thực hiện bất kỳ thử nghiệm DC điện áp cao nào, kết nối dây thử nghiệm màu đỏ từ thiết bị tới cuộn dây ba pha của động cơ và dây thử nghiệm màu đen kết nối với lõi/khung thép của động cơ. Điện áp trên dây dẫn thử nghiệm màu đỏ tăng lên đến điện áp thử nghiệm được xác định trước. Đo dòng rò chạy từ cuộn dây của động cơ qua vách cách điện đến khung động cơ. Sau đó, thiết bị sẽ tính toán điện trở cách điện (IR) thu được bằng cách sử dụng định luật Ohm.
Thử nghiệm IR sẽ đặt điện áp DC vào cuộn dây của động cơ. Thông thường, bạn chọn điện áp thử nghiệm bằng hoặc gần với điện áp vận hành của động cơ (xem IEEE 43). Có thể tìm thấy các điện áp thử nghiệm được khuyến nghị trong “Phụ lục B – DC và điện áp thử nghiệm xung.”
Điện trở cách điện (IR) là một hàm của nhiều biến số: tính chất vật lý của vật liệu cách điện, nhiệt độ, độ ẩm, chất gây ô nhiễm,..
Chúng tôi tính giá trị IR bằng định luật Ohm, chia điện áp đặt cho dòng rò đo được:
Dòng rò này là dòng điện thực tế có thể chạy từ cuộn dây qua lớp vách cách điện đến lõi thép của động cơ, cộng với dòng rò bề mặt do độ ẩm hoặc chất bẩn trên bề mặt lớp cách điện. Để xác định chính xác điện trở cách điện, phải giảm dòng rò bề mặt xuống mức nhỏ nhất. Có thể cần phải làm sạch hoặc làm nóng cuộn dây để làm bay hơi hơi ẩm trên bề mặt của nó.
Điện trở cách điện là một hàm của nhiều biến số: tính chất vật lý của vật liệu cách điện, nhiệt độ, độ ẩm, chất gây ô nhiễm trên bề mặt cách điện của cuộn dây,… Chúng ta có thể bù cho các tác động của nhiệt độ bằng cách chuyển đổi giá trị IR sang nhiệt độ tiêu chuẩn là 40°C (104°F), như được trình bày ở phần sau của chương này. Tác động của độ ẩm và chất gây ô nhiễm không thể dễ dàng tính đến. Bạn phải phán đoán chính xác khi phân tích các giá trị IR từ động cơ có thể bị ướt, bẩn, chứa nhiều bụi carbon,…
Điện áp thử nghiệm được đề xuất cho thử nghiệm IR là 1,7 lần điện áp dây vận hành cho động cơ. Ví dụ, một động cơ 480V sẽ được thử nghiệm ở 480V x 1,7 = 816VDC. Bạn cũng có thể tìm thấy các điện áp thử nghiệm được khuyến nghị trong các hướng dẫn kỹ thuật của IEEE 43-2000, NEMA MG-1-1993 và EASA. Điện áp thử nghiệm gần với điện áp dây vận hành thường được sử dụng. Ví dụ, động cơ loại 480V sẽ sử dụng 500V; Động cơ loại 2300V sẽ sử dụng điện áp 2300-2500V; Động cơ 4160V sẽ sử dụng 4000-5000V.
Khi mới đầu đặt điện áp vào động cơ hoặc khi tăng điện áp, bạn sẽ quan sát thấy dòng điện cao bất thường. Dòng điện cao này không phải là dòng điện rò mà là dòng điện nạp của “tụ điện” được hình thành bởi các cuộn dây đồng của động cơ, lớp vách cách điện và lõi thép của động cơ.
Hệ số phân cực (PI) đo lường một cách định lượng về khả năng phân cực của lớp vách cách điện. Thử nghiệm PI là kiểm tra DC phức tạp, liên quan đến việc diễn giải kết quả của nó. Khi một chất cách điện phân cực, các lưỡng cực điện phân bố trong chất cách điện sẽ tự sắp xếp thẳng hàng theo điện trường. Khi các phân tử phân cực, một dòng phân cực (hoặc dòng hấp thụ) phát triển, thêm vào dòng điện rò cách điện. Các kết quả thử nghiệm trở nên khó hiểu khi cố gắng gán các biến thể trong giá trị PI cho khả năng phân cực của chất cách điện hoặc các ảnh hưởng khác như độ ẩm, độ ẩm và sai số của thiết bị.
Chúng tôi thường thực hiện kiểm tra PI ở cùng điện áp với kiểm tra IR. Phải mất 10 phút để hoàn thành.
Chúng tôi tính toán giá trị PI bằng cách chia IR sau 10 phút cho điện trở tại 1 phút:
Nói chung, chất cách điện ở tình trạng tốt sẽ có hệ số phân cực cao, trong khi chất cách điện bị hư hỏng thì không. IEEE 43 khuyến nghị các giá trị tối thiểu có thể chấp nhận được đối với các loại cách điện khác nhau của động cơ:
Bảng 4. IEEE 43 giá trị tối thiểu chấp nhận được đối với các cấp cách điện
LƯU Ý: Luôn tham khảo ấn bản mới nhất của bất kỳ tiêu chuẩn nào (IEEE 43 trong trường hợp này) để biết các giá trị tối thiểu mới nhất và các thông lệ được chấp nhận.
Thiết bị sẽ tự động tính toán giá trị PI khi kết thúc thử nghiệm 10 phút. Có thể lưu trữ giá trị PI trong thiết bị để xem lại sau này.
Nhiệt độ có ảnh hưởng mạnh mẽ đến chỉ số IR vì điện trở cách điện thay đổi tỷ lệ nghịch với nhiệt độ trên cơ sở hàm mũ (IEEE 43 có mô tả rất hay về hiệu ứng này).
Điện trở cách điện giảm một nửa khi nhiệt độ tăng 10°C (18°F). Do đó, trước khi đưa ra bất kỳ đánh giá nào về tình trạng cách điện của động cơ dựa trên xu hướng của các phép đo IR trong quá khứ, tất cả các phép đo được sử dụng trong xu hướng đó phải được bù hoặc hiệu chỉnh nhiệt độ. Việc bù nhiệt độ của điện trở cách điện có nghĩa là người dùng phải chuyển đổi tất cả các phép đo IR được sử dụng trong phân tích về cùng một nhiệt độ. Nhiệt độ khuyến nghị sử dụng là 40°C (104°F). Sử dụng công thức sau để tính toán:
Ví dụ: Nếu giá trị điện trở cách điện là 5.000 megohm ở 30°C (85°F), thì giá trị IR được bù ở 40°C (104°F) là 2.500 megohm.
Một số vật liệu cách điện được phát triển trong những năm gần đây để cách điện dây dẫn không dễ dàng phân cực. Ví dụ, lớp cách điện dây biến tần mới hơn không phân cực đáng kể. Theo khuyến nghị trong IEEE 43, nếu điện trở cách điện trong một phút lớn hơn 5.000 megohm, phép đo PI có thể không có ý nghĩa. Trong những tình huống này, dòng rò thường rất thấp – gần như bằng không. Dòng rò thấp như vậy rất khó đo chính xác và do đó, các sai số của thiết bị trở nên rất rõ ràng. Tuy nhiên, bạn phải sử dụng khả năng phán đoán trước khi tuyên bố thử nghiệm PI là không có giá trị.
Chúng tôi thường thay thế phép thử hệ số hấp thụ điện môi (DA) cho phép thử PI vì những lý do sau:
- Một số hệ thống cách điện không phân cực, hoặc phân cực nhanh đến mức quá trình không được nhận ra.
- Một số động cơ nhỏ đến mức thử nghiệm PI sẽ không cung cấp thông tin hữu ích.
- Một số động cơ có tổng dòng rò nhỏ đến mức không thể giải quyết dòng phân cực.
- Đôi khi người dùng không có hoặc không muốn dành thời gian để thực hiện toàn bộ thử nghiệm PI – 10 phút.
Thử nghiệm DA về cơ bản là phiên bản rút gọn của bài kiểm tra PI. Thay vì tính toán tỷ lệ điện trở cách điện ở 10 phút và 01 phút, thử nghiệm DA là tỷ lệ IR ở 3 phút và 30 giây:
Không có giá trị tối thiểu hoặc tối đa được chấp nhận của thử nghiệm DA và giá trị DA thường đánh giá theo xu hướng.
LƯU Ý: Luôn tham khảo ấn bản mới nhất của bất kỳ tiêu chuẩn nào (trong trường hợp này là IEEE 43) để biết các giá trị mới nhất và các thông lệ được chấp nhận.
Bất kỳ thay đổi nào trong giá trị DA đều chỉ ra rằng có điều gì đó đang thay đổi trong hệ thống vách cách điện. Stator có thể bị nhiễm bẩn hoặc ẩm ướt, và cách điện của stato cũng có thể bị nóng và cháy. Thông thường, những thay đổi trong DA đi kèm với sự thay đổi trong một trong các phép thử khác, chẳng hạn như phép thử IR, PI hoặc phép thử quá điện áp DC.
Thử nghiệm cao áp (HiPot) chứng minh rằng hệ thống cách điện của vách cách điện có thể chịu được điện áp cao mà không gây ra dòng rò cực cao hoặc thực sự bị hỏng. Thử nghiệm đặt điện áp một chiều lên cuộn dây của máy như trong thử nghiệm megohm, nhưng ở điện áp cao hơn – thường là hơn hai lần điện áp của điện áp vận hành của động cơ. Do đó, chúng tôi thường gọi bài kiểm tra HiPot là thử nghiệm kiểm chứng. Giá trị điện trở cách điện ở điện áp cao không được quan tâm nhiều với thử nghiệm HiPot. Điều đáng quan tâm là giá trị của dòng rò có nằm trong giới hạn chấp nhận được hay không.
Việc lựa chọn điện áp thử nghiệm phụ thuộc vào động cơ (hoặc cuộn dây) mới hay động cơ đang vận hành. Tham khảo các quy định của tổ chức địa phương về điện áp thử nghiệm HiPot. Công thức đơn giản “2V + 1.000” thường dẫn đến điện áp thử nghiệm tốt cho thử nghiệm HiPot đối với các động cơ đã được sử dụng. Bạn có thể tìm thấy các điện áp thử nghiệm HiPot được đề xuất khác trong IEEE 95, ANSI C50.10-1977, IEC 34.1 và NEMA MG-1 (xem “Phụ lục D – Điện áp thử nghiệm xung và DC”).
Thử nghiệm HiPot thường kéo dài một phút với dòng rò được ghi lại ở cuối thử nghiệm. Ghi lại dòng rò vào cuối phút này để so sánh sau này. Giữa thời điểm đặt điện áp vào động cơ và thời điểm thực hiện phép đo dòng rò, nên quan sát cẩn thận dòng rò và để ý bất kỳ sự chênh lệch nào về dòng rò có thể cho thấy lớp cách điện yếu. Bạn nên coi những thay đổi như vậy là lỗi trong cách điện.
Thử nghiệm điện áp bước được thực hiện với điện áp mà động cơ thường thấy trong quá trình khởi động và dừng. Các điện áp thử nghiệm được quản lý bởi IEEE và được đăng bên dưới để tham khảo.
LƯU Ý: IEEE tham khảo NEMA MG 1-2006 Phần 12, Trang 2 và nêu rõ rằng trong mọi trường hợp, điện áp thử nghiệm không được nhỏ hơn 1500V.
Điện áp một chiều được đặt vào cả ba pha của cuộn dây, được nâng lên từ từ đến mức bước điện áp được lập trình sẵn và được giữ trong một khoảng thời gian xác định. Sau đó, nó được nâng lên bước điện áp tiếp theo và được giữ trong khoảng thời gian xác định. Điều này được tiếp tục cho đến khi đạt được điện áp thử nghiệm yêu cầu. Các bước điển hình cho động cơ 4160V là các bước tăng 1000V, giữ cách nhau một phút. Đối với động cơ nhỏ hơn 4160V, điện áp bước phải là 500 volt. Ví dụ về trình tự thử nghiệm điện áp bước được cung cấp trong hình minh họa sau:
Hình 14. Ví dụ về thử nghiệm điện áp bước
Dữ liệu được ghi lại ở cuối mỗi bước để đảm bảo rằng điện dung sạc và dòng điện phân cực được loại bỏ và chỉ còn lại dòng điện rò thực. Quá trình này đảm bảo hiển thị đúng tình trạng cách điện của vách cách điện.
Nếu dòng rò (IμA) tăng nhanh hơn điện áp, thì có dấu hiệu yếu về cách điện và phải dừng thử nghiệm. Nếu dòng rò (IμA) tăng ổn định ít hơn mức tăng điện áp, thì lớp cách điện của động cơ ở trạng thái tốt.
Thử nghiệm điện áp bước là cần thiết để đảm bảo rằng vách cách điện và cáp có thể chịu được các xung điện áp gặp phải trong quá trình vận hành.
Trong quá trình kiểm tra điện áp bước, bạn có thể đánh giá mức độ tuyến tính của dòng rò được ghi lại bằng cách so sánh sự thay đổi dòng điện rò giữa mỗi bước. Trong ví dụ bên dưới, dòng rò tăng từ 8,80 µA lên 12,80 µA – dòng điện thay đổi 4 µA. Bước tiếp theo cũng thay đổi 4 µA. Đây được coi là một đáp ứng tuyến tính hoàn hảo vì không có sự gia tăng trong sự thay đổi dòng điện. Bước thứ ba có sự thay đổi dòng điện là 5,4 µA.
Mặc dù sự gia tăng thay đổi dòng điện này không phải là lý tưởng, nhưng nó vẫn được coi là tuyến tính. Dòng điện không tuyến tính khi sự thay đổi dòng điện này ít nhất là tăng gấp đôi.
Ở bước thứ năm, chúng ta thấy rằng dòng điện đã thay đổi 10,2 µA. Bước trước đó chỉ thay đổi 5 µA, do đó mức tăng thay đổi dòng điện đã tăng hơn gấp đôi. Sự gia tăng dòng điện lớn hơn này là do giá trị điện trở cách điện giảm đáng kể.
Mặc dù thử nghiệm này không thất bại, nhưng việc đi chệch khỏi tuyến tính có thể nhắc bạn dừng thử nghiệm điện áp bước vì đã phát hiện thấy tính toàn vẹn cách điện giảm.
Hình 15: Ví dụ về thử nghiệm điện áp bước
Bảng 5: Ví dụ về kết quả thử nghiệm điện áp bước cho thấy sự thay đổi của dòng điện ở bước 6.
