Tensioni del test di isolamento del motore: quando è troppo alta?

Autore - Stephen Drennan 

In un recente articolo in Electrical Tester si è parlato di tensioni nei test dell'isolamento dei cavi e della confusione che a volte insorge in relazione alla scelta della tensione e del metodo di verifica più appropriati per una determinata applicazione. In questo articolo affrontiamo problemi analoghi, parlando però di motori anziché di cavi.

Come menzionato nell'articolo precedente, sono disponibili numerose opzioni per i test dell'isolamento e Megger fornisce un'ampia gamma di strumenti per tali applicazioni, dai tester di isolamento da 50 V a 15 kV, fino alle apparecchiature di verifica VLF e Tan Delta CA, agli strumenti diagnostici di risposta alla frequenza dielettrica e, con il marchio Baker, apparecchiature di verifica speciali per motori fino a 40 kV. 

Durante il test dei motori, è importante tenere presente che si tratta di dispositivi elettromeccanici complessi con una serie articolata di modalità di guasto e relative opzioni diagnostiche. Esamineremo i guasti dei sistemi elettrici/di isolamento dei motori, come gestire il ciclo di vita dei motori adottando un regime di verifica appropriato e i problemi che talvolta emergono sulle tensioni "elevate" utilizzate per i surge test. 

Per definire il regime di verifica da adottare per una particolare struttura, occorre prima considerare come ottimizzare le attività di manutenzione sui vari motori in uso. Per i motori più critici, può essere adottato il monitoraggio continuo permanente utilizzando, ad esempio, il sistema Baker NetEP. Monitorando un'ampia gamma di parametri, inclusi gli spettri di tensione e corrente, NetEP è in grado di rilevare molti problemi che potrebbero trasformarsi in veri e propri guasti, dalle barre del rotore guaste ai trasformatori di alimentazione saturi. Il sistema genera una serie di indicatori di "Sorveglianza", "Attenzione" e "Avvertenza" per facilitare la pianificazione degli interventi di manutenzione. 

I test online, ovvero i test con il motore in funzione, possono essere eseguiti in base alle necessità con un monitor portatile online come Baker EXP4000. 

Queste tecniche online, naturalmente, non sono in grado di fornire informazioni su tutti i tipi di guasti incipienti. In effetti, quando vengono fornite avvertenze, una diagnosi completa può richiedere test offline complementari. Inoltre, i test offline vengono spesso utilizzati da soli in un regime di manutenzione pianificata in cui i motori vengono disattivati per condurre i test e altre attività di manutenzione a intervalli appropriati. Rispetto ai test online, i test offline forniscono informazioni diverse sulle condizioni del motore; i due approcci sono quindi complementari. 

I test offline vengono eseguiti applicando uno stimolo di qualche tipo al motore e misurandone la risposta. Succede qualcosa di simile alle visite mediche; il medico vi chiede di accavallare le gambe, quindi con un martelletto colpisce il ginocchio per vedere come reagisce la gamba. Questa verifica rapida consente al medico di valutare la vostra risposta neurologica spinale, non è certo un modo per controllare le vostre reazioni impulsive! 

I test passa/non passa sono una parte inestimabile di ogni programma di manutenzione. I parametri che possono essere misurati includono la resistenza dell'isolamento, la corrente di dispersione, l'indice di polarizzazione e il test della tensione di fase, e pochi potrebbero contestare i vantaggi di questi test elettrici basilari. Tuttavia, questi test non rivelano uno dei guasti più comuni dei dispositivi di avviamento o dei motori, ossia la rottura dell'isolamento tra le spire. Per rilevare tale guasto, è necessario effettuare un surge test. Sfortunatamente, è proprio a questo riguardo che si è creata una certa confusione in merito alle tensioni "elevate" coinvolte. 

In un surge test, viene generata e applicata alla bobina del motore una corrente di prova di breve durata con un tempo di salita rapido, generalmente circa 100 ns. L'apparecchiatura di verifica cattura la risposta della bobina, che assume la forma di un'oscillazione calante, o "ronzio transitorio". Se la bobina del motore fosse immersa in aria, l'impulso si sposterebbe quasi alla velocità della luce e la tensione verrebbe distribuita uniformemente tra le bobine. Ma in un motore la bobina non è immersa in aria, perché avvolta intorno a un nucleo in acciaio, quindi l'impulso viaggia molto più lentamente. 

Infatti, il tempo impiegato dall'impulso di 100 ns per passare da una spira della bobina alla successiva corrisponde al tempo di salita dell'impulso. Il risultato è che l'impulso produce una differenza di tensione significativa tra le spire adiacenti della bobina, un effetto impossibile da ottenere con qualsiasi altra tecnica di verifica. Il surge test rileverà quindi i punti deboli dell'isolamento tra le spire. 

Una spira guasta passerà in cortocircuito e ciò viene mostrato da un salto nella frequenza di ronzio della bobina (in questo punto del test diventa una bobina "diversa"). Sul display del tester è possibile osservare ampi balzi della frequenza, ma il software dello strumento utilizza anche l'analisi matematica per individuare anomalie meno facili da individuare a occhio nudo.

FIGURA 1: rilevamento dei problemi di isolamento tra spire con il surge test 

La Figura 1 fornisce esempi di tracce di sovratensione in un avvolgimento in buone condizioni e in un avvolgimento con isolamento debole o spire in cortocircuito. Le tre tracce, corrispondenti alle tre fasi degli avvolgimenti del motore, dovrebbero sovrapporsi sul grafico fino a diventare una, ma, come si può vedere, la traccia di un avvolgimento con spire in cortocircuito è diversa dalle tracce delle altre due fasi.

FIGURA 2: analisi EAR (Error Area Ratio)

Per semplificare l'identificazione di questi problemi, le apparecchiature di verifica Baker di Megger utilizzano l'analisi EAR (Error Area Ratio). Questo tipo di analisi mostra chiaramente la differenza tra gli impulsi (Figura 2) e, una volta impostati i limiti, è possibile individuare rapidamente un isolamento debole tra le spire. 

Vi sono altri effetti dovuti al filtraggio dei componenti a frequenza più elevata dell'onda di impulso come risultato dell'attenuazione da parte dell'acciaio e dell'induttanza propria delle bobine. La velocità di propagazione dell'onda dell'impulso è, tuttavia, l'aspetto fondamentale che consente al surge test di rilevare spire guaste. 

Ma quale tensione generale è necessaria per mostrare i guasti tra spire e questa tensione sarà dannosa se applicata a un motore privo di guasti? In che modo le tensioni di prova sono correlate alla resistenza dielettrica degli avvolgimenti? 

Per rispondere a queste domande, esaminiamo da vicino uno scenario esemplificativo. Durante l'assemblaggio di un motore da 415 V, l'isolamento applicato al filo utilizzato per avvolgere lo statore ha una resistenza dielettrica di circa 8000 V. Nell'arco del suo ciclo di vita, questo isolamento si deteriora principalmente a causa del calore generato nel motore, ma anche a causa delle condizioni ambientali e dei movimenti della bobina causati dall'avviamento, dall'arresto e dalle variazioni di carico.

FIGURA 3: assottigliamento dell'isolamento dell'avvolgimento nel tempo 

Nella Figura 3, si può notare come l'isolamento si assottigli ulteriormente durante la vita utile del motore.

FIGURA 4: rapporto tra tensione per surge test e resistenza dielettrica in un motore da 460 V e picchi di tensione tipici rilevati in servizio 

Il surge test è in grado di rilevare l'inizio di questo assottigliamento prima che vengano compromesse le prestazioni del motore. Il grafico nella Figura 4 illustra le tensioni coinvolte rispetto alla resistenza dielettrica dell'isolamento dell'avvolgimento del motore. Sono raffigurati anche i picchi di tensione "normali". I motori utilizzati nei sistemi di alimentazione industriale o commerciale sono soggetti costantemente a tali picchi di tensione, che sia a causa dell'apertura o della chiusura di un interruttore automatico oppure dell'azionamento di trasmissioni a velocità variabile. 

Per un motore in condizioni di funzionamento normale, il cui isolamento non abbia subito un assottigliamento elettromeccanico significativo, la tensione del surge test è di molto inferiore alla resistenza dielettrica dell'isolamento. 

Per tornare all'analogia del medico che colpisce il ginocchio con il martelletto in gomma: se il test viene eseguito con un martello da carpentiere con testa in acciaio da un medico con la stazza di Arnold Schwarzenegger, e Arnie è un po' distratto e colpisce con forza il vostro ginocchio, avreste tutte le ragioni del mondo a preoccuparvi del vostro ginocchio e del fatto che venga colpito con un martello. Ma sapete anche che nella vita reale non vi succederà. 

Lo stesso può dirsi per il surge test generato da un tester Baker DX. Il tester applica una tensione e un tempo di salita per consentirvi di vedere cosa succede tra le bobine, ma con un segnale controllato in tensione, tempo ed energia, in modo che l'impatto sul motore sia simile ai picchi che il motore subisce come conseguenza delle normali variazioni del sistema di alimentazione durante il funzionamento quotidiano. 

In conclusione, un surge test dovrebbe far parte del kit di strumenti diagnostici di ogni tecnico specializzato nella manutenzione dei motori e nella gestione degli impianti, che potrà così avere la certezza di rilevare eventuali anomalie che potrebbero trasformarsi in un probabile guasto non pianificato e nell'arresto dell'impianto. Inoltre, il surge test è effettivamente consigliato da molti standard di test dei motori.