Deelontladingsmeting (PD) bij laagspanningsmachines

Deelontladingsmeting (PD) om de wikkelingen van laagspanningsmachines te beoordelen op geschiktheid voor frequentieomvormers en algemene isolatiesterkte

Inleiding

Deelontladingstesten zijn de afgelopen jaren steeds belangrijker geworden voor het beoordelen van de isolatie van elektrische machines. Dit komt met name door de enorme toename van frequentieomvormers voor motorbesturing. Uit de jarenlange ervaring van SCHLEICH blijkt dat veel gebruikers wel praten over deelontladingstesten, maar geen precies idee hebben van wat deelontlading precies inhoudt.

Deze beschrijving is bedoeld om wat licht te werpen op de testmethode. Het is minder een wetenschappelijke uitleg dan een algemeen begrijpelijke beschrijving van de meetmethode en haar toepassingen.

Wat is deelontlading?

De typische “volledige doorslag” is bekend van de klassieke hoogspanningstest met wisselspanning.

Figuur 1 – Beschadigde geleider in de buurt van de gelamineerde kern

Elektrische machines worden meestal als volgt beoordeeld: “De machine mag niet defect raken of er mag niet te veel lekstroom zijn.

De beoordeling van: “Wat is te veel stroom tijdens de hoogspanningstest?” is niet meer zo eenvoudig.

Figuur 2 – Breakdown- of capacitieve lekstroom

In de productie kan de maximaal toelaatbare stroom tijdens de hoogspanningstest worden bepaald en gespecificeerd aan de hand van vergelijkende metingen. Deze stroomgrenswaarde is echter meestal niet beschikbaar voor de persoon die metingen verricht tijdens reparaties. Afhankelijk van de capaciteit van de isolatie in de machine is de stroom laag voor kleinere elektrische machines en overeenkomstig hoger voor grotere.

Ervaren vakmensen hebben vaak het gevoel dat er te veel lekstroom door de machine loopt en/of dat er knetterende geluiden optreden tijdens de hoogspanningstest. In dergelijke gevallen is er geen sprake van volledige uitval; er treden deelontladingseffecten op. Deze moeten betrouwbaar gemeten en geanalyseerd worden.

In het geval van een deelontlading is er alleen een doorslag in een deel van de isolatie in de zin van het woord “gedeeltelijk…”.

Figuur 3 – Deelontlading bij een draad met goede lakisolatie dicht bij de gelamineerde kern

Figuur 4 – Gedeeltelijke ontlading tussen elkaar rakende wikkelingen

Dit gedeeltelijke gebied is een gedeeltelijke isolatiezwakte of een slecht gedeelte.

Figuur 5 – deelontlading in een sterk belaste sectie

Dit zwakke punt wordt overmatig belast tijdens het gebruik van de elektromotor of tijdens de hoogspanningstest. Het zwakke punt is niet bestand tegen deze verhoogde belasting en als gevolg daarvan treedt er in dit deelgebied een gedeeltelijke doorslag op. Deze gedeeltelijke breuk wordt deelontlading genoemd. De resterende isolatie is echter nog steeds bestand tegen de verhoogde spanningsbelasting, zodat er geen volledige doorslag optreedt.

Het volgende diagram illustreert de basisstructuur van de isolatie. De hoogspanning wordt toegepast tussen twee elektrische geleiders (bijv. wikkeling en wikkeling).

Figuur 6 – Deelontlading geïllustreerd aan de hand van een equivalent schakelschema

De elektrische geleiders zijn van elkaar gescheiden door de isolatie. In een volledig homogeen geval kan de isolatie worden opgevat als een grote condensator (CIso). Door een defect in de isolatie kunnen er echter ruimtelijke gebieden zijn die plaatselijk overbelast worden door een hoge elektrische veldsterkte (Clucht). Dit wordt weergegeven in het midden van het diagram. In dit overbelaste deelgebied treedt deelontlading op.

Het gevolg van deze deelontlading is een langzame maar gestage beschadiging van de nog functionele onderdelen van het isolatiesysteem. Precies volgens het principe van “constant druppelen holt de steen uit”, leiden de permanente deelontladingen voortdurend tot een vergroting van het beschadigde gebied. Dit leidt er onvermijdelijk toe dat de nog functionele isolatie al snel niet meer bestand is tegen de belasting. Dit leidt tot een volledige uitval en dus tot een defecte elektrische machine.

Bij laagspanningsmachines met een PD-vrij isolatiesysteem (Type I, IEC 60034-18-41) moet het doel zijn om deelontladingen te voorkomen. Daar is het slechts een kwestie van tijd voordat zelfs kleine deelontladingen een machine vernielen.

Deelontlading is een spanningsafhankelijk fysisch effect. Als de spanning toeneemt, zal op een gegeven moment ook deelontlading optreden. De enige vraag is hoe hoog de testspanning moet zijn. Het antwoord ligt in de toepassing van de elektrische machine. Afhankelijk daarvan moet de testspanning voor deelontlading worden gekozen.

Elektrische machines op industriële netwerken zonder frequentieomvormers

Een elektrische machine die zonder frequentieomvormer rechtstreeks op het driefasennet werkt, wordt alleen belast door de netspanning en af en toe door schakelpieken. In deze toepassing heeft het geen zin om de machine met zeer hoge testspanningen te testen op het vrij zijn van deelontlading.

Hoogspanningsmachines

Hoogspanningsmachines hebben logischerwijs een testspanning nodig die aangepast is aan de hoge bedrijfsspanning. Hun isolatiesysteem (Type II, met mica) is PD-bestendig. Daar test je dus niet op de afwezigheid van deelontlading, maar beoordeel je het PD-niveau en de trend (IEC 60034-27-1). De testspanning moet daarom ook overeenkomstig hoog worden gekozen.

Elektrische machines op industriële netwerken met frequentieomvormers

Elektrische machines die worden gebruikt op frequentieomvormers moeten worden getest op de afwezigheid van deelontlading met een hogere testspanning. Waarom is dit nodig? Het is niet meteen duidelijk waarom een machine met een frequentieomvormer getest moet worden met een hogere testspanning. De volgende vraag kan men stellen Hoe kan een hoge spanning optreden op elektrische machines met een frequentieregelaar? Het antwoord ligt in de functionele basiswerking van de frequentieregelaar. In een frequentieregelaar wordt de enkelfasige of driefasige AC-spanning die wordt toegevoerd eerst gelijkgericht en vervolgens afgevlakt en opgeslagen in overeenkomstig grote capaciteiten. Deze tussenkring met afvlakcondensator wordt vaak de DC link genoemd. Het theoretische maximale DC-spanningsniveau in de tussenkring is het resultaat van de RMS-waarde van de netspanning vermenigvuldigd met √2. Bij een net van 400 V is dat ongeveer 565 V, onder belasting ongeveer 540 V.

Figuur 7 – Basisschakeling van de frequentieomvormer

Moderne, snelle elektronische schakelaars worden gebruikt om de opgeslagen gelijkspanning terug te zetten naar (gepulste) wisselspanning. Het resultaat is geen zuivere sinus, maar een signaal dat bestaat uit blokgolfpulsen.

Figuur 8 – Sinusoïdaal signaal gemodelleerd uit blokgolfpulsen

De amplitude van het blokgolfsignaal kan niet worden veranderd, omdat de elektronische schakelaars de gelijkspanning naar de elektromotor schakelen of niet.

De pulsduur (duty cycle van de elektronische schakelaars) kan echter worden gevarieerd door de frequentieregelaar. Door de pulsbreedte te variëren, wordt een sinusgolf gesimuleerd. Dit proces wordt pulsbreedtemodulatie (PWM) genoemd.

In de afgelopen jaren hebben de bijna rechthoekige pulsen een steeds steilere rand gekregen. Dit is het streven van halfgeleiderfabrikanten van elektronische schakelaars om het vermogensverlies in de schakelaar zo laag mogelijk te houden tijdens de schakelfase. Een belangrijk deel van de verliezen (verwarming van de halfgeleiders) treedt namelijk op tijdens de schakelfase. Hoe sneller de elektronische schakelaar schakelt, hoe lager de verliezen en hoe lager de koelinspanning in een frequentieregelaar. Vanuit het oogpunt van de fabrikant van frequentieregelaars zijn hoge flanksteilheden daarom het doel van de ontwikkeling.

Vanuit het oogpunt van fabrikanten van elektrische machines vormen hoge steilranden een groot probleem. De reden: steile randen leiden tot spanningspieken tijdens het schakelen (1).

Figuur 9 – Rechthoekig signaal met hoge randsteilheid en overspanningspieken

Dit komt doordat in de elektrotechniek vierkantgolfsignalen in principe alleen bestaan op basis van samengestelde sinusgolfsignalen van verschillende frequenties en verschillende amplitudes. Hoe steiler de helling van de blokgolf, hoe hoger de frequentie van de sinusvormige signalen die worden gebruikt om de helling “na te bootsen”. De amplitude van die hogere harmonischen neemt wel af. De overspanning aan de motorklemmen ontstaat vooral door reflectie in de kabel tussen omvormer en motor. Die kan oplopen tot ongeveer 2 × UDC en neemt toe met de kabellengte, tot een kritische lengte.

Als de signalen met een hoge helling nu worden aangesloten op een spoel (d.w.z. de elektromotor), worden de hoogfrequente componenten van het blokgolfsignaal uitgefilterd bij de spoel. Deze hoogfrequente signaalcomponenten vallen weg bij de eerste windingen van de wikkeling. Als gevolg hiervan wordt de wikkeling aan het begin bijzonder zwaar belast tijdens de werking van de frequentieregelaar. Het volgende diagram toont duidelijk de relatie tussen de steilheid van de hoge flanken en de resulterende spanningsval over de wikkeling van een fase.

Figuur 10 – Spanningscurve over de wikkeling als functie van de steilheid van de flank

Er is een zeer goed artikel over het niveau van de overspanningspuls (10). Hier wordt een correlatie tussen de overspanningspuls en de stijgtijd bepaald. De waarde van de resulterende overspanning wordt vermenigvuldigd met de tussenkringspanning UDC om de absolute waarde van de overspanning te verkrijgen. Afhankelijk van de stijgtijd werden in dat artikel 4 spanningsbereiken (I tot IV) gedefinieerd. De normatieve indeling staat in IEC 60034-18-41, met de klassen A tot D (IVIC).

Figuur 11 – Spanningsbereiken I – IV met overspanningsfactor als functie van de stijgtijd

Meetmethoden: stroompuls of hoogfrequent meten?

We hebben aan het begin vermeld dat gedeeltelijke ontlading optreedt op zwakke punten in de isolatie wanneer de belasting te hoog wordt. Aangezien de stroom van de deelontladingen verwaarloosbaar klein is ten opzichte van de capacitieve stroom, en de gemeten lekstroom dus nauwelijks verandert, rijst de vraag: “Hoe kan gedeeltelijke ontlading worden gemeten?”. Als er iets ontlaadt en er staat nog steeds een externe spanning op het te testen apparaat, dan zal er onmiddellijk weer lading optreden. Dit betekent dat gedeeltelijke ontlading direct via het opladen gemeten kan worden. De laadpuls is slechts enkele nanoseconden breed. Het is een zeer snelle, hoogfrequente stroompuls. De meettechnologie moet deze snelle pulsen daarom kunnen detecteren.

Figuur 12 – Deelontladingstest op de motor/generator of stator met koppeling voor de hoogfrequente stroompuls

De PD-koppelaar is geïntegreerd in het apparaat of kan eenvoudig worden aangesloten op de meetsnoeren van het te testen apparaat.

Het ontladingssignaal wordt parallel aan de ontlading elektromagnetisch uitgezonden. Dit is vergelijkbaar met een elektrische vonk of een bliksemflits. De vonk genereert een zeer breedbandig hoogfrequent signaal, dat in principe met een radio (wereldontvanger) kan worden herkend. De deelontlading genereert een breedbandige elektromagnetische puls die zich uitstrekt tot in het GHz-bereik. De meetantenne van de Schleich-apparatuur maakt gebruik van dit hoogfrequente signaal.

Figuur 13 – Deelontladingstest op de stator met antenne voor de hoogfrequente stroompuls

SCHLEICH maakt al vele jaren gebruik van stroompuls- en hoogfrequent antennemetingen. Beide meetmethoden hebben voor- en nadelen. Geen van beide meetmethoden is echter superieur aan de andere.

Het nadeel van de stroompulsmeetmethode is dat deze kan worden beïnvloed door externe interferentie. Externe interferentie kan leiden tot het meten van een schijnbare deelontlading op een elektrische machine. Dit nadeel kan sterk worden verminderd, maar niet volledig worden geëlimineerd, door speciale filters te gebruiken.

Het hoogfrequent meten van de elektromagnetische golf met behulp van een speciale antenne heeft het voordeel dat, afhankelijk van het verstandig gekozen, zeer hoge frequentiebereik, de invloeden van externe storingen niet meer aanwezig zijn of hun effecten worden verminderd. Kies het meetfrequentiebereik daarbij buiten de banden van bijvoorbeeld radiozenders en mobiele telefoons. Het nadeel van deze meetmethode is dat een compleet gemonteerde motor nauwelijks hoogfrequente signalen doorlaat. De motorbehuizing werkt als een kooi van Faraday voor de wikkeling binnenin.

Om deze redenen raadt SCHLEICH beide meetmethoden aan. De combinatie van beide meetmethoden is ideaal, zodat afhankelijk van de toepassing de ene of de andere meetmethode kan worden gebruikt.

Online of offline metingen?

Er wordt onderscheid gemaakt tussen deze twee bedrijfstoestanden van de elektrische machine. Bij online metingen is de machine in bedrijf, gevoed door het net of een omvormer. Bij een offline meting staat de machine stil.

SCHLEICH gebruikt momenteel de deelontladingstest als offline meting. De machine kan offline gemeten worden tijdens reparaties in de wikkelmakerij of wanneer de machine stilstaat voor onderhoudsdoeleinden. Het nadeel van offline gebruik is dat speciale isolatieproblemen die optreden als gevolg van de centrifugale of magnetische krachten die tijdens het draaien worden opgewekt, niet kunnen worden gemeten. Het voordeel van offline meting is dat het eenvoudiger is om de deelontladingseffecten te analyseren, die niet sterk worden gesuperponeerd en beïnvloed door interferentie, bijvoorbeeld bij gebruik van een frequentieregelaar.

Offlinemeting vindt plaats in combinatie met de hoogspanningstest of de piekspanningstest.

Hoogspannings- Surgetest als voorwaarde voor de PD-meting?

De deelontladingstest kan worden uitgevoerd in combinatie met een hoogspannings- of piekspanningstest. Beide testmethoden dienen als basistest om deelontlading te stimuleren.

De hoogspanningstest met wisselspanning meet de diëlektrische sterkte en daarnaast de deelontlading tussen de wikkelingen en/of de wikkeling naar massa (behuizing).

De Surgetest PD “kijkt” vooral rechtstreeks in de wikkeling (van wikkeling tot wikkeling) om daar zwakke plekken in de isolatie op te sporen. Dat is de kracht ervan. Additief meet ook de gedeeltelijke ontlading.

Onder bepaalde omstandigheden is gedeeltelijke ontlading in combinatie met overspanningstesten echter minder gevoelig voor zwakke punten tussen de wikkeling en massa of tussen de fasen. Beide testmethoden zijn dus gerechtvaardigd om de deelontlading van een machine betrouwbaar te meten.

Samengevat: de surge-PD test belast primair de windingsisolatie (winding-op-winding) en is daarvoor bijzonder gevoelig. De AC-hoogspanningstest belast daarentegen vooral de hoofdwandisolatie (wikkeling naar massa) en fase-fase isolatie. Een combinatie van beide methoden geeft daarom het meest complete beeld van de isolatietoestand.

Daarom levert SCHLEICH testers voor beide methoden. Een combinatie van beide methoden is optimaal.

De fysische eenheid pC (pico Coulomb)

De eenheid voor lading is de coulomb (C). Deelontlading wordt uitgedrukt in pC (schijnbare lading). De vergelijking voor de lading is: Q = C * U. De lading is dus het product van de capaciteit (die de lading opslaat) en het spanningsniveau dat erop wordt gezet.

De gedeeltelijke ontlading wordt gemeten in het bereik van ongeveer 1pC tot enkele 1000pC. 1pC is heel erg klein. De spanning van 1 Volt op een capaciteit van 1 picoFarad resulteert in 1 picoCoulomb lading!

Belangrijk om te weten: PD-metingen zijn altijd relatief. De gemeten waarde aan de meetaansluiting is niet gelijk aan de absolute ontlading op de foutlocatie in de wikkeling. Het signaal wordt gedempt tussen de ontladingsplaats en het meetpunt, afhankelijk van de wikkelingsopbouw, kabellengte en meetfrequentie. PD-waarden zijn daarom het meest waardevol als trendmeting of als vergelijking binnen dezelfde motortype en testopstelling.

Bij een surge-PD-test (IEC TS 61934, IEC 60034-18-41) is het in de praktijk niet noodzakelijk om meetapparatuur met een picoCoulomb-weergave te gebruiken. Het is voldoende om gevoelige meettechnologie te gebruiken om te herkennen of er al dan niet gedeeltelijke ontlading aanwezig is. De bepaling van de begin- en uitdoofspanning van de deelontlading is belangrijker dan de absolute meetwaarde van de deelontlading in de eenheid picoCoulomb.

Daarom produceert SCHLEICH de deelontladingstesters zonder het picoCoulomb-display. Voor een AC-PD-meting volgens IEC 60270 is wel een kalibratie in pC nodig.

Begin- en uitdoofspanning

De beginspanning (PDIV), de repeterende beginspanning (RPDIV), de uitdoofspanning (PDEV) en de repeterende uitdoofspanning (RPDEV) worden vaak gemeten om de isolatie te beoordelen. De hoogspanning (of het nu wisselspanning of surgespanning is) wordt continu verhoogd van een startwaarde tot een maximumwaarde.

Zodra gedeeltelijke ontlading begint bij een bepaalde spanning, wordt dit gedefinieerd als de deelontladingsbeginspanning (PDIV). De hoogspanning wordt dan verlaagd totdat de deelontlading weer stopt. Deze waarde is dan de deelontladingsuitdoofspanning (PDEV). Bij stootspanning (surge) heet deelontlading repeterend als die bij minstens 5 van de 10 pulsen optreedt. RPDIV en RPDEV gelden dus alleen bij stootspanning.

PDIV = Partial Discharge Inception Voltage
RPDIV = Repetitive Partial Discharge Inception Voltage
RPDEV = Repetitive Partial Discharge Extinction Voltage
PDEV = Partial Discharge Extinction Voltage

Figuur 14 – Beginspanning en uitdoofspanning van deelontlading

Een goed, intact isolatiesysteem wordt gekenmerkt door het feit dat beide spanningswaarden op een hoog niveau liggen. De basisregel is: “Hoe hoger, hoe beter”. De spanningswaarden moeten echter ten minste hoger zijn dan het niveau van de mogelijke spanningspieken die tijdens bedrijf optreden. De normen specificeren hiervoor richtwaarden. IEC 60034-18-41 vermenigvuldigt de verwachte piekspanning daarbij met factoren voor temperatuur, veroudering en veiligheid.

Hoogspanningstesters AC hoogspanning en PD

Deze testtechnologie maakt al jaren deel uit van de SCHLEICH wikkelingstesters voor de motorproductie.

Figuur 15 – Gedeeltelijke ontlading tijdens hoogspanningstesten met wisselspanning

De MTC2 en MTC3 testers hebben de volgende typische kenmerken

Partiële ontladingstest volgens nationale en internationale normen voor surge-PD (IEC TS 61934, IEC 60034-18-41) Elektronische sinusvormige hoogspanningsbron Instelbare hoogspanning met zeer fijne spanningsresolutie

Instelbare frequentie van de hoogspanning om metingen te kunnen uitvoeren voor verschillende toepassingsgebieden en verschillende markten
Capacitieve ontkoppeling van de gedeeltelijke ontladingspuls
Inductieve ontkoppeling van de deelontladingspuls
Hoogfrequente meting van de deelontladingspuls in het gigahertz-bereik met antenne
Automatische bepaling van de begin- en uitdoofspanning
Automatische piekwaardebepaling van de deelontlading
Automatische bepaling van de deelontladingssom

Surgetesters met deelontlading

Deze testtechnologie maakt al jaren deel uit van de SCHLEICH wikkelingstesters voor de motorproductie. Veel bekende motorfabrikanten vertrouwen op deze methode van SCHLEICH.

Figuur 16 – Gedeeltelijke ontlading tijdens Surgetest met automatische meting van begin- en uitdoofspanning

Figuur 17 – 150 ns stijgtijd met capacitieve ontkoppeling van de deelontlading

Figuur 18 – 150 ns stijgtijd met hoogfrequente antennemeting van deelontlading

Ervaring en conclusie

SCHLEICH heeft jarenlange ervaring met de deelontladingstest bij motorfabrikanten wereldwijd, en die ervaring is zeer positief. Het is een testmethode die op unieke wijze zowel fabricagefouten als verouderingseffecten detecteert. De testmethode is daarom van groot belang voor zowel productie als reparatie en onderhoud. De ervaring van SCHLEICH loopt van machines en generatoren van 100 W tot 4 MW.

Bij volledig gemonteerde machines, waar de behuizing het hoogfrequente signaal afschermt, is het meten van de stroompuls in de toevoerleidingen een goed alternatief voor hoogfrequent meten met een antenne. Houd er wel rekening mee dat de stroompulsmeting gevoeliger is voor externe storingen. Met de stroompulsmeting kunnen deelontladingsmetingen betrouwbaar worden uitgevoerd op geassembleerde elektrische machines. De gebruiker hoeft zich geen zorgen te maken over de ideale plaatsing van de antenne.

Verder biedt SCHLEICH wereldwijd een uitstekende combinatie van deelontladingsmetingen op basis van wisselende hoogspanning en piekspanning.

Het schakelen tussen de verschillende wikkelingaansluitingen van de elektrische machine gebeurt volledig automatisch. De maximale testspanning verschilt per model: de MTC3 doet volgens SCHLEICH surge tot 15 kV en AC tot 6 kV.

Alle SCHLEICH apparaten zijn eigen ontwikkelingen en worden volledig in eigen huis geproduceerd. Op basis van 25 jaar ervaring met piekspanningstesten produceert SCHLEICH de testapparatuur in Duitsland, in de eigen vestiging in Hemer. IONIO levert de SCHLEICH-testers in Nederland.

Literatuur / Bronvermelding

Sommige informatie is overgenomen uit de volgende bronnen:

(1) Paper No. PCIC-2004-27: „PARTIAL DISCHARGE INCEPTION TESTING ON LOW VOLTAGE MOTORS“, IEEE, 2004

(2) IEC 60034-18-41:2014+A1:2019 (DIN EN 60034-18-41:2021-05): „Rotating electrical machines – Part 18-41: Partial discharge free electrical insulation systems (Type I) used in rotating electrical machines fed from voltage converters – Qualification and quality control tests“

(3) IEC 60034-18-42:2017+A1:2020: Rotating electrical machines – Part 18-42: Qualification and acceptance tests for partial discharge resistant electrical insulation systems (Type II) used in rotating electrical machines fed from voltage converters“

(4) IEC 60034-27-1:2017: „Rotating electrical machines – Part 27-1: Off-line partial discharge measurements on the winding insulation“

(5) IEC/TS 61934 ed 2.0: „Electrical insulating materials and systems – Electrical measurement of partial discharges (PD) under short rise time and repetitive voltage impulses“; 2011

(6) VDE 0530-18-41: Drehende elektrische Maschinen Teil 18-41: Qualifizierung und Qualitätsprüfung für teilentladungsfreie elektrische Isoliersystem (Typ I) in drehenden elektrischen Maschinen, die von Spannungsumrichtern gespeist werden“; 2021

(7) VDE 0530-18-42: „Drehende elektrische Maschinen Teil 18-42: Qualifizierungs- und Abnahmeprüfungen teilentladungsresistenter Isoliersysteme (Typ II) von drehenden elektrischen Maschinen, die von Spannungsumrichtern gespeist werden“; 2011

(8) VDE 0530-27: „Drehende elektrische Maschinen Teil 27: Off-Line Teilentladungsmessungen an der Statorwicklungsisolation drehender elektrischer Maschinen“; 2011

(9)R.H.Rehder – W.J.Jackson-B.J.Moore; Designing Refiner Motors to Withstand Switching Voltage Transients

(10) M. Tozzi – A. Cavallini – G.C.Montanari; „Monitoring Off-Line and On-Line PD Under Impulsive Voltage on Induction Motors – Part 1: Standard Procedure“; 2010

(11) M. Tozzi – A. Cavallini – G.C.Montanari; „Monitoring Off-Line and On-Line PD Under Impulsive Voltage on Induction Motors – Part 2: Testing“; 2010