Test delle sovratensioni dei motori elettrici - raffreddiamo il dibattito (parte 1)

Mike Teska - Product Line Manager

Per molti anni, gli esperti di manutenzione predittiva e di affidabilità dei motori hanno messo in discussione i meriti dei test delle sovratensioni. Le domande sui benefici e sui risultati del test hanno alimentato discussioni accese sui forum e nelle sale riunioni di tutto il mondo. Alcuni membri della comunità specializzata nell'affidabilità dei motori ritengono che il processo stesso di individuazione delle fragilità nell'isolamento di un motore elettrico tramite il test delle sovratensioni danneggi l'isolamento dielettrico rimanente, compromettendo così il funzionamento del motore. Altri ritengono che il test al di sopra della tensione di esercizio sia assolutamente necessario per verificare l'integrità dell'isolamento, e che ciò non provochi l'indebolimento dell'isolamento stesso.

Quindi, qual è la verità? I test delle sovratensioni, se eseguiti correttamente, possono davvero aiutare il settore a ridurre i costosi tempi di fermo o si tratta solo di un'illusione? Il fatto che i settori della produzione e della riparazione dei motori richiedano specificatamente test delle sovratensioni per verificare l'integrità dell'isolamento è sufficiente a controbilanciare l'opinione di chi ritiene che questo tipo di test comprometta l'affidabilità del motore? Oppure si è diffusa talmente tanta disinformazione da offuscare il reale valore del test?

Questo articolo, suddiviso in due parti, descrive il principio, le corrette modalità di esecuzione e gli effetti sull'isolamento del test delle sovratensioni, mentre la seconda parte presenta i risultati dei test sui motori che potrebbero finalmente porre fine al dibattito.

Principio del test delle sovratensioni

Mentre i test di resistenza d'isolamento (IR), indice di polarizzazione (PI) e HiPot vengono utilizzati per rilevare i problemi legati alla parete di terra, il test delle sovratensioni viene utilizzato per individuare fragilità nell'isolamento tra le spire. I guasti nell'isolamento dell'avvolgimento del motore spesso iniziano come guasti delle spire che, con il tempo, danneggiano anche l'isolamento della parete di terra, causando guasti catastrofici. Il principale vantaggio dei test delle sovratensioni risiede nella capacità di individuare le prime fasi di un problema prima che diventi grave, offrendo così l'opportunità di intervenire con riparazioni o sostituzioni senza incorrere in tempi di fermo imprevisti.

Le problematiche di isolamento delle spire possono essere individuate in modo certo attraverso il test delle sovratensioni. Il test consiste nell'applicare un impulso ad alta tensione e a tempo di salita molto rapido all'avvolgimento, generando una differenza di potenziale tra i loop del filo adiacenti. Se l'isolamento tra i due loop del filo è danneggiato o è stato in qualche modo indebolito durante il funzionamento, e se la differenza di tensione tra i fili è sufficientemente elevata, si formerà un arco elettrico tra i fili. 

Questo arco si manifesta come una variazione nella forma d'onda di sovratensione visualizzata. Il test delle sovratensioni viene eseguito con un generatore di impulsi dotato di un display che mostra continuamente la forma d'onda di sovratensione.

La forma d'onda di sovratensione rappresenta la tensione presente sui puntali per test dello strumento durante il test. Un guasto tra spire viene evidenziato da uno spostamento rapido verso sinistra della forma d'onda o da una riduzione della sua ampiezza. La forma d'onda osservata è direttamente correlata all'induttanza della bobina. In pratica, la bobina diventa uno dei due componenti di un circuito tank. Questo circuito è di tipo LC, costituito dall'induttanza della bobina (L) e dalla capacità interna del tester di sovratensione (C).

L'induttanza (L) di una bobina è determinata dalla sua geometria (numero di spire del filo) e dal tipo di nucleo di ferro su cui è avvolta. La frequenza della forma d'onda è determinata da:

Questa formula implica che la frequenza aumenta al diminuire dell'induttanza.

Un test delle sovratensioni rileva un guasto tra le spire osservando un salto nella frequenza di risonanza di questo circuito tank LC. Se la tensione generata dalla sovratensione supera la rigidità dielettrica dell'isolamento danneggiato tra le spire, una o più spire possono andare in cortocircuito tramite archi elettrici. Questo riduce di fatto il numero di spire attive nella bobina. Un numero minore di spire comporta una riduzione dell'induttanza della bobina e un conseguente aumento della frequenza del tracciato di oscillazione del test delle sovratensioni. La tensione o l'ampiezza della forma d'onda della sovratensione è determinata da:

Dove:  
L = induttanza della bobina  
di = Delta i (variazione istantanea della corrente) 
dt = Delta T (intervallo di tempo della variazione) Pertanto, così come la riduzione di L (dovuta a un guasto della bobina) provoca una variazione nella frequenza, può anche determinare una variazione di ampiezza. Tuttavia, ciò presuppone che di/dt rimanga costante, cosa che di solito non si verifica in un moderno test delle sovracorrenti.  In genere, quando si verificano piccoli guasti, utili per la manutenzione predittiva, l'ampiezza della sovratensione rimane invariata e cambia solo la frequenza. Il tester di sovratensione dispone di energia sufficiente a mantenere costante la tensione, anche in presenza di una leggera riduzione dell'induttanza (L) causata dalla rottura dell'isolamento.

Evoluzione del test delle sovratensioni

Il test delle sovratensioni delle bobine dei motori è una pratica industriale dal 1926, quando J.L. Rylander pubblicò "A High Frequency Voltage Test for Insulation of Rotating Electrical Apparatus" in Transactions of the AIEE. Nel 1926, un'indicazione di un guasto nell'isolamento tra spire era rappresentata da un calo dell'ampiezza della tensione sulla bobina. Questa ampiezza veniva determinata da un circuito raddrizzatore a tubo a vuoto che utilizzava un apparato delle dimensioni di un grande banco da lavoro, con spinterometri rotanti per interruttori e grandi trasformatori step-up, per caricare condensatori ad alta tensione di grandi dimensioni. Con il passare del tempo, è emersa l'esigenza di una macchina compatta e portatile, in grado di generare alta tensione con correnti relativamente basse. All'epoca, la tecnologia di sovratensione non era una novità; tuttavia, le macchine utilizzate per i test sui trasformatori erano costose e ingombranti. Per soddisfare una crescente domanda di test, è stato sviluppato il tester di confronto delle sovratensioni. Questo strumento permetteva di confrontare l'andamento d'onda di due o più avvolgimenti identici rispetto a un avvolgimento di riferimento in buone condizioni. Questo confronto rendeva possibile non solo individuare i guasti di isolamento, ma anche studiarli.

Negli anni '50, il test di confronto delle sovratensioni era ancora considerato piuttosto nuovo. Si rivelò molto utile per individuare i guasti di isolamento e aprì numerose possibilità per il miglioramento sia delle apparecchiature di test, sia dei metodi di isolamento. Già in quei primi anni di utilizzo, la natura non distruttiva del test era affermata in un articolo scritto da D.J. Reynolds, R.J. Alke, e L.W. Buchanan di Westinghouse: "Poiché l'energia della sovratensione è estremamente limitata, la corrente che attraversa l'isolamento guasto è così bassa che non si verifica alcuna bruciatura significativa in corrispondenza della fragilità." Considerata l'ampia attività di test e raccolta dati condotta da Westinghouse, si può supporre che tale affermazione non fosse fatta alla leggera.

A partire dagli anni '80, si sono registrati molti progressi nei test ad alta tensione. L'espansione dei mercati e gli sviluppi tecnologici nel settore dell'elettronica hanno consentito ai produttori di apparecchiature per il test dei motori di compiere enormi passi avanti in termini di modernizzazione, affidabilità e sensibilità dei tester. Gli attuali tester ad alta tensione utilizzano una valutazione elettronica avanzata ad alta velocità delle variazioni di resistenza, corrente di dispersione, corrente di dispersione nel tempo, tensione, tensione di fase, assorbimento dielettrico, risposta in frequenza, forma d'onda, effetto corona (CIV) e altro, rilevando i guasti a livelli energetici uguali o inferiori rispetto a quelli a cui il motore è esposto durante il normale funzionamento.

Le interruzioni istantanee controllate dai microprocessori permettono di valutare le condizioni degli avvolgimenti, evitando di compromettere l'integrità dielettrica. L'introduzione di criteri di test con esito POSITIVO/NEGATIVO sviluppati sul campo rende questo tipo di test altamente ripetibile. Uno dei principali progressi è la sostituzione dei pesanti trasformatori step-up con alimentazioni di rete ad alta tensione a stato solido, compatti e molto più leggeri, che consentono di migliorare enormemente la portabilità delle apparecchiature. Apparecchiature per i test che un tempo superavano i 500 kg, oggi pesano normalmente meno di 25 kg.

Il vecchio test di confronto delle sovratensioni, basato sul confronto tra due avvolgimenti e uno “principale” di riferimento in buone condizioni, è stato modernizzato. Oggi, ogni impulso di sovratensione viene digitalizzato e confrontato con l'impulso precedentemente applicato. Questo tipo di confronto era impensabile senza l'analisi computerizzata delle forme d'onda. Se viene rilevata una fragilità, il test viene immediatamente interrotto, preservando l'integrità dielettrica. Ciò consente al test di individuare micro-anomalie senza l'intervento umano, e offre un livello di ripetibilità superiore. Le fragilità rilevate vengono archiviate in una memoria interna o in un database per ulteriori accertamenti o riferimenti futuri.

Nonostante questi progressi, i critici continuano a ritenere che il test delle sovratensioni possa essere eseguito in sicurezza solo presso officine specializzate nella riparazione dei motori, e anche in questo caso, alcuni non vogliono che sia eseguito affatto. Perché allora utilizzarlo? Qual è il vantaggio essenziale del test delle sovratensioni dei motori elettrici? Il test delle sovratensioni è il modo più efficiente per individuare punti deboli nell'isolamento tra spire. Per chi produce o riavvolge i motori, la capacità di produrre bobine prive di difetti di isolamento è di fondamentale importanza per garantire l'affidabilità. Pertanto, il test delle sovratensioni viene utilizzato universalmente nella produzione di bobine per motori di piccole e grandi dimensioni.

Per i motori in esercizio, la resistenza dielettrica dell'isolamento tra spire diminuisce gradualmente con il passare del tempo, in seguito all'invecchiamento dell'isolamento. Alcuni dei fattori che contribuiscono a questo invecchiamento includono il ciclo termico, le vibrazioni, l'abrasione dovuta al movimento meccanico delle bobine, l'attacco chimico, la scarica parziale, l'esposizione a transienti dannosi, l'esposizione alle radiazioni e il funzionamento dell'unità a frequenza variabile. Per gli operatori di motori elettrici, avere la certezza che l'isolamento del motore sia integro è essenziale per mantenere un processo produttivo e redditizio. Eseguire correttamente un test delle sovratensioni per verificare l'integrità dell'isolamento è il modo più semplice e veloce per confermare la redditività del motore.

La seconda parte di questo articolo, che sarà pubblicata in una futura edizione di Electrical Tester, analizzerà come eseguire correttamente i test delle sovratensioni, come si guastano i motori e i vantaggi offerti dalle moderne tecniche di test delle sovratensioni.