Test delle sovratensioni dei motori elettrici - raffreddiamo il dibattito (parte 2)

Mike Teska - Engineering Manager

In questo seconda e ultima parte del nostro articolo che cerca di risolvere una volta per tutte il dibattito sull'efficacia o gli svantaggi dei test di sovratensione per i motori, analizziamo come eseguire i test di sovratensione, il modo in cui i motori si guastano e i vantaggi che le moderne tecniche di verifica possono offrire. La prima parte dell'articolo, in cui abbiamo esaminato i principi e la storia dei test di sovratensione, è ancora disponibile online sul sito Web di Megger.

Un test di sovratensione eseguito correttamente 

Se si desidera trarre vantaggio dai risultati dei test di sovratensione, è necessario comprendere diversi aspetti. Innanzitutto, è necessario conoscere la tensione d’esercizio del motore sottoposto alla verifica. In secondo luogo, la persona che esegue il test deve comprendere la procedura del test di sovratensione e deve conoscere la tensione appropriata da applicare al motore. Diverse organizzazioni industriali hanno scritto standard relativi all'applicazione del test di sovratensione. La Tabella 1 riportata di seguito elenca le tensioni di test consigliate per diversi tipi di motori e copre sia macchine nuove che in servizio.

Quando si deve stabilire la tensione di test corretta, è necessario comprendere che occorre applicare una tensione minima sullo spazio tra elettrodi prima che vi sia la possibilità che si formi un arco elettrico in un dielettrico gassoso. Questo principio è chiamato Legge di Paschen. Nella Figura 1 viene riportata la cosiddetta curva di Paschen che mostra la tensione di rottura rispetto al traferro alla temperatura e alla pressione standard in un campo uniforme. La tensione minima è circa 350 V. Ciò significa che sono necessari 350 V per eccitare un arco elettrico in un guasto. Al di sotto di questa tensione minima, non si otterranno risultati affidabili.  

Figura 1

Come si verifica un guasto in un motore 

Lo statore del motore è dotato di due sistemi di isolamento principali: l'isolamento della parete di terra e l'isolamento tra le spire. Quando l'isolamento è in buone condizioni, è in grado di resistere ai normali picchi di tensione quotidiani che si verificano durante l'avviamento e l'arresto. Con il tempo, questo isolamento si deteriora a causa del movimento meccanico degli avvolgimenti, dei transienti di coppia, del calore, della contaminazione e di altre influenze ambientali. 

Nel 1987, Gupta, Lloyd, Stone, Campbell, Sharma e Nilsson hanno pubblicato un articolo su IEEE Transactions on Energy Conversion riguardo uno studio durato tre anni sui motori nelle centrali elettriche. La loro conclusione è stata che i motori vedono circa 3 picchi di tensione p.u. (per unità) in condizioni di funzionamento normale durante l'avvio. Alcuni motori potrebbero raggiungere 4,6 picchi p.u. La formula per calcolare la tensione per unità è:

La Figura 2 mostra gli effetti che l'avviamento e l'arresto hanno sui motori elettrici mostrando il rapporto tra la rigidità dielettrica e le operazioni quotidiane di un motore elettrico. Quando il motore è nuovo, i picchi di tensione all'avviamento non influiscono seriamente sulla rigidità dielettrica dell'isolamento. Con il passare del tempo e con l’indebolimento dell’isolamento, i picchi di tensione iniziano a causare problemi nell'isolamento tra le spire del motore. Quando la rigidità dielettrica viene ridotta al livello della tensione d’esercizio, i picchi causano un'accelerazione esponenziale del deterioramento dell'isolamento. 

Figura 2

Man mano che l'isolamento si deteriora, i picchi di tensione contribuiscono allo sviluppo di guasti da arco elettrico. Se un motore funziona con isolamento gravemente indebolito, un guasto dell'isolamento della spira provoca rapidamente un guasto irreparabile del motore e un arresto non pianificato del processo di cui il motore si occupa. La conoscenza della vitalità delle spire di un motore è quindi fondamentale. Con la manutenzione periodica e con i test di sovratensione, i problemi di isolamento indebolito possono essere identificati e monitorati, nella maggior parte dei casi con anticipo. Ciò consente al team di manutenzione dell'impianto di agire prima che il motore si guasti. 

Scrivendo per IEEE la pubblicazione "Transient Model for Induction Machines with Stator Winding Turn Faults", gli autori Rangarajan Tallam, Thomas Habetler e Ronald Harley affermano che "un guasto della spira nell'avvolgimento dello statore di una macchina a induzione causa un flusso elevato di corrente circolante nelle spire in cortocircuito, nell'ordine di due volte la corrente del rotore bloccato. Se non vengono rilevati, i guasti delle spire si possono propagare, causando guasti di fase-terra o fase-fase. Il flusso della corrente di terra provoca danni irreversibili al nucleo e la macchina potrebbe essere messa fuori servizio. Il rilevamento tempestivo dei guasti delle spire è essenziale per evitare condizioni di funzionamento pericolose e ridurre i tempi di fermo macchina." 

Vantaggi dei moderni test di sovratensione 

La Baker Instrument Company produce apparecchiature di verifica ad alta tensione dal 1961. Il concetto di base del test di sovratensione è stato migliorato per offrire ulteriori vantaggi all'utente. Il test di confronto delle sovratensioni sviluppato poco prima del 1950, è ancora oggi un test valido; tuttavia, alcuni progressi nell'analisi e nel rilevamento delle forme d'onda hanno modificato il modo in cui questo test viene utilizzato. 

Se i problemi analizzati sono cortocircuiti, circuiti aperti, diverso diametro del filo di rame tra le fasi, conteggio delle spire sbilanciato tra le fasi, bobine invertite o lamine in cortocircuito, il test di confronto è abbastanza efficace. Baker Instrument Company ha sviluppato il test Line-Line Error Area Ratio (L-L EAR) per rilevare automaticamente questi problemi. Si tratta di un confronto di ciascuna fase, 1-2, 2-3 e 3-1, alle tensioni di test raccomandate. L'area sotto la curva viene calcolata con formule matematiche e confrontata con gli altri avvolgimenti per vedere se una delle fasi è fuori tolleranza. In caso affermativo, il tester interromperà automaticamente il test e avviserà l'utente della presenza di un problema. 

Più avanzato del test L-L EAR è il test Pulse-Pulse Error Area Ratio. Con il test P-P EAR, la Baker Instrument Company ha perfezionato l'analisi della forma d'onda a tal punto che lo strumento di verifica è sufficientemente preciso e sofisticato da riconoscere i guasti. Il test P-P EAR calcola l'arco elettrico confrontando le curve per ogni impulso successivo man mano che la tensione viene aumentata ai livelli di test raccomandati dall'IEEE. Se la frequenza della forma d'onda si sposta più della tolleranza consentita, l'unità interrompe nuovamente il test in modo automatico.

Figura 3

Per illustrare la potenza del P-P EAR, nella Figura 3 è riportato un riepilogo delle sovratensioni di un motore in una cartiera. Questo motore si è guastato sul secondo cavo a 4760 V. La tensione di test target è stata impostata a 5600 V. Un ulteriore esame della finestra di dialogo PP-EAR% mostra chiaramente un salto nella forma d'onda, ben al di sopra della soglia predefinita del 10%. A questo punto, il tester ha interrotto automaticamente il test e ha comunicato all'utente dell'apparecchiatura che è stato rilevato un problema. 

In questo caso, insieme al test di sovratensione, è stata eseguita una serie completa di test CC, tra cui resistenza, resistenza dell’isolamento, indice di polarizzazione e HiPot. Di tutti i test eseguiti, solo il test di sovratensione ha rivelato potenziali punti deboli dell'isolamento (Figura 4). Ciò è dovuto principalmente al fatto che gli altri test si concentrano esclusivamente sulla parete di terra e non sull'isolamento tra le spire. In vari studi è stato dichiarato che fino all'80% di tutti i guasti ai motori elettrici inizia con un isolamento debole tra le spire.

Figura 4

Dopo aver superato il test di sovratensione, il motore è stato rimesso immediatamente in servizio e lasciato in funzione per i restanti quattro mesi fino alla successiva interruzione programmata. In questo modo l'azienda ha risparmiato oltre 40.000 dollari di tempo di fermo non programmato. Questo case study conferma che il test di sovratensione non è distruttivo per i motori. Come dichiarato dai tecnici di Westinghouse nel 1951, "poiché l'energia della sovratensione è estremamente limitata, la corrente attraverso l'isolamento difettoso è così piccola che non si verifica alcuna combustione grave nel punto di fragilità". 

Per supportare ulteriormente questa dichiarazione, nel 2001 è stato condotto uno studio di 90 giorni presso la Baker Instrument Company su un motore da 5 HP, 460 V CA, 1200 giri/min prodotto in Cina. Questo motore è stato scelto perché era il motore più economico disponibile. Il motore è stato sottoposto a circa 40 milioni di impulsi di sovratensione nel corso di 90 giorni. I primi 20 milioni di impulsi sono stati applicati a livelli di tensione in costante aumento; 17 milioni di impulsi applicati al motore avevano un’ampiezza maggiore del 50%-350% rispetto ai 2000 V suggeriti da Baker Instrument Company. 

Dopo che ogni avvolgimento di fase è stato sottoposto a circa un milione di impulsi alla tensione prescritta, la tensione è stata aumentata di 1000 V. In altre parole, l'obiettivo era applicare tre milioni di impulsi a ciascun livello di tensione: 2000, 3000, 4000, 5000, ecc. Una volta raggiunto il limite dielettrico dell'isolamento di questo motore (che era di 7000 V), il limite dielettrico dell'isolamento rimanente è risultato pari a 1750 V. Il motore è stato quindi sottoposto a ulteriori 20 milioni di impulsi a 1750 V. Tutti questi impulsi sono stati applicati alla fase uno, in quanto era il punto in cui si era sviluppata la fragilità (Figura 5). Al termine di questa sequenza, il limite dielettrico della fase uno era ancora di 1750 V: non si è verificato alcun ulteriore deterioramento nell'isolamento. È importante notare che, ancora una volta, la tensione di test prescritta per il motore era di 2000 V e che anche se l'isolamento avesse funzionato a un livello inferiore rispetto al livello accettabile, il motore avrebbe continuato a funzionare normalmente per un periodo indefinito. 

Figura 5

A questo punto, si è deciso di vedere quanto un motore elettrico può gestire un uso improprio prima di presentare guasti. Il motore è stato cablato a 460 V CA e fatto funzionare rapidamente fino a quando non si è verificato un guasto osservabile. In questo caso, il motore è stato avviato e arrestato rapidamente 42 volte prima di subire un guasto alle spire in queste condizioni operative estreme. Il guasto è stato evidenziato da uno squilibrio evidente nelle correnti di fase e da una differenza percepibile nel suono del motore in funzione. Dopo il guasto della spire o un cortocircuito "hard", è trascorso meno di un minuto prima di osservare del fumo provenire dalla scatola di collegamento. 

Questo studio mostra che anche un motore molto economico è in grado di resistere a un uso improprio e all’alta tensione (350% della tensione di test consigliata). Una volta sviluppatasi la fragilità, il test di sovratensione non ha causato un ulteriore deterioramento del motore, anche dopo altri 20 milioni di impulsi. È stato necessario un avviamento e un arresto rapidi e fortemente violenti del motore deteriorato per accelerare l'emergere della condizione di guasto. Questo dimostra ancora una volta che un test di sovratensione eseguito correttamente non è distruttivo. Ciò è dovuto alle caratteristiche di alta tensione e bassa corrente del test. Su questo motore, durante la prova a 1700-1800 V, la corrente di picco osservata era di 1,8 A. La corrente era presente per 1-2 microsecondi, 5 volte al secondo con 200 millisecondi tra gli impulsi, equivalente a un ciclo di lavoro dello strumento di circa lo 0,001%. L’energia generata è estremamente ridotta. In parole povere, è come lanciare una palla da tennis contro una parete di mattoni. Semplicemente l'alimentazione non è sufficiente per bruciare l'isolamento. 

Riepilogo 

I campi relativi alla manutenzione predittiva e all'affidabilità del motore hanno messo in discussione per molti anni la validità del test di sovratensione. Tuttavia, i vantaggi di questo test sono piuttosto evidenti. È il modo più efficiente per individuare l'indebolimento delle spire nei motori prima del guasto, offrendo ai professionisti della manutenzione l'opportunità di pianificare la riparazione o la sostituzione, risparmiando così denaro. È stato dimostrato, attraverso diversi studi e l'uso continuo, che il test di sovratensione non brucia né danneggia ulteriormente l'isolamento quando si rileva un guasto. 

Dal momento del suo sviluppo, la strumentazione e il test stesso sono cambiati drasticamente. Nel 1926, quando J.L. Rylander ha presentato il test, l'apparecchiatura era pesante e grande. Ora la strumentazione è portatile e controllata da computer, il che la rende di facile utilizzo, estremamente precisa e in grado di produrre risultati in modo rapido e automatico.