DE69322019T2

DE69322019T2 - Anordnung und Verfahren für das Messen der Alterung einer Isolation aus Polymergemischen für Statorwicklungen

Info

Publication number: DE69322019T2
Application number: DE1993622019
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul F-91720 Valpuiseaux Lucas; Alain F-91290 Ollainville Pons
Original assignee: GEC Alsthom Moteurs SA
Current assignee: Converteam Motors SA
Priority date: 1992-08-27
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2013-08-26
Also published as: DE69322019D1; ES2125314T3; FR2695209A1; EP0585175B1; EP0585175A1; FR2695209B1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Alterung eines dielektrischen Materials in einer Maschine, insbesondere einer Polymerverbundisolation für eine Statorwicklung.
Eine der wesentlichen elektrischen Ursachen für das Versagen von Elektromotoren ist das Brechen oder die Verschlechterung der Isolation der Statoren, die je nach Quelle 30-50% der Betriebsausfälle der Motoren verursachen. Die Alterung der Isolation beruht auf den diversen Belastungen, denen sie ausgesetzt ist (elektrisch, thermisch, mechanisch), von denen manche schlecht bekannt sind, wie etwa die Transienten der Leistungswandler.
Die Isolation dieser Statoren besteht im allgemeinen aus einem dielektrischen Material aus Polymerverbund wie etwa einem glimmerhaltigen Epoxidharz. Bislang erfolgt die Kontrolle der Isolation der Statoren von Elektromotoren durch spezifische Tests, die sich auf die Phasen des Motors beziehen. Der Nachteil dieser Tests ist, daß sie einen vollständigen Halt der Maschine erfordern.
Es wurde vorgeschlagen, diesen Nachteil des Standes der Technik durch ein Verfahren zu beheben, das in dem Dokument PERIODICA POLYTECNICA ELECTRICAL ENG. Band 14, Nr. 1, 1970, BUDAPEST HU Seite 15-20, beschrieben ist.
Dieses Dokument beschreibt ein Verfahren, das eine Vorrichtung zur Messung der Alterung eines dielektrischen Materials von arbeitenden Generatoren, Motoren oder Transformatoren einsetzt. Dieses Verfahren schlägt vor einen Differenzsstrom zu messen, der für die Alterung des Isolationsmaterials repräsentativ ist.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Alterung eines dielektrischen Materials in einer Maschine, insbesondere einer Polymerisolation für eine Statorwicklung, mit Mitteln in dem dielektrischen Material zum Messen einer physikalischen Größe, die für die Alterung des Materials empfindlich ist, vor Ort während des Arbeitens der Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel zwei in dem Material eingeschlossene und voneinander durch dieses getrennte Elektroden zum Bilden eines Kondensators und eine mit den Elektroden verbundene Schaltung zum Messen des Verlustwinkels des Kondensators umfassen.
Die ausgewertete physikalische Eigenschaft liegt darin, daß der Verlustwinkel einer Isolation zunimmt, wenn diese Isolation altert. Wenn ein Kondensator aus dem betrachteten dielektrischen Material gebildet wird und das dielektrische Material nicht perfekt ist, besteht die Äquivalentschaltung, die den realen Kondensator darstellt, aus einem perfekten Kondensator mit einem Verlustwiderstand parallel dazu. Die Erfahrung zeigt, daß der Wert dieses Äquivalentwiderstandes sich mit der Alterung des Dielektrikums ändert.
Gemäß einer Ausgestaltung umfaßt die Meßschaltung wenigstens eine Wicklung zum Bilden einer Schwingschaltung mit dem Kondensator, ein Mittel zum Erregen der Schwingschaltung, ein Mittel zum Ableiten eines aus der Erregung der Schwingschaltung resultierenden und für ihren Überspannungsfaktor bei der Resonanzfrequenz der Schwingschaltung repräsentativen elektrischen Signals und eine Vorrichtung, die zum Auswerten dieses Überspannungsfaktors dient.
Eine solche Vorrichtung ist einfach, zuverlässig und preiswert.
Die Erregung der Schwingschaltung besteht aus einem kurzen elektrischen Impuls, wobei das Mittel zum Ableiten ein für die zeitliche Dämpfung der oszillierenden Spannung der Schwingschaltung repräsentatives Signal liefert.
Die Vorrichtung umfaßt ferner einen Komparator, der dazu dient, den ausgewerteten Überspannungsfaktor mit demjenigen zu vergleichen, der für ein dielektrisches Material mit einer akzeptablen Isolierfähigkeit repräsentativ ist.
Die Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zum Messen der Alterung eines isolierenden dielektrischen Materials der Windungen einer Wicklung einer elektrischen Maschine, die das dielektrische Material einem elektrischen Feld aussetzen, gekennzeichnet durch die Schritte
- beim Wickeln der Windungen, Anbringen von zwei Elektroden entlang einer Windung der Wicklung, wobei die Elektroden durch das dielektrische Material getrennt sind, um einen Kondensator zu bilden, und
- Messen des Verlustwinkels des Kondensators während des Betriebes der Maschine.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit im Rahmen einer vorbeugenden Wartung dieser Maschinen angewendet werden, wobei die Änderungen des Verlustwinkels des Kondensators im Laufe der Zeit über die statistische Lebenserwartung der überwachten Maschine Auskunft geben. Der einen Aufnehmer bildende Kondensator kann an einer arbeitenden Maschine verwendet werden, da er sehr wenig empfindlich gegen das normale Arbeitsfeld der Statorwicklungen ist.
Außerdem können die Elektroden als Antenne in einem System zum Messen der partiellen Entladungen dienen. Die Kosten des Einbaues von zwei Elektroden sind sehr gering, wenn dieser Einbau im Laufe des Aufbaues des Stators vorgesehen ist, was das Verfahren für preiswerte Maschinen geeignet macht.
Die zwei Elektroden sind zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen der Wicklung oder zwischen der letzten Windung und der Masse angeordnet, was es ermöglicht, den Zustand der Isolation zwischen Windungen oder den Zustand der Masseisolation zu messen.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren im Detail beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Fig. 2 zeigt zwei Windungen einer Wicklung, die mit einem Meßaufnehmer gemäß der Erfindung versehen ist.
Fig. 3 ist ein Graph, der den Verlustwinkel eines Kondensators für verschiedene Spannungswerte und in verschiedenen Stadien seiner Alterung angibt.
Fig. 4 ist ein Graph, der die Entwicklung der Spannung an den Klemmen des Meßaufnehmers angibt.
In Fig. 1 umfaßt die Meßvorrichtung einen Aufnehmer, bestehend aus zwei Elektroden 2, 3 zum Bilden eines Kondensators mit einem dielektrischen Material und eine mit den Elektroden verbundene Schaltung zum Messen des Verlustwinkels des Kondensators. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sind zum Messen der Alterung einer Statorisolation die Elektroden 2, 3 zueinander parallele abgeflachte Kupferdrähte, die zwischen zwei aufeinander folgende Statorleiter 4, 5 an einem Ort eingefügt sind, wo die Isolation 6 elektrisch belastet ist, während die Maschine arbeitet. Die zwei Elektroden 2, 3 sind beim Wickeln eingefügt und beabstanden die Statorleitungen geringfügig. Sie sind durch das dielektrische Material getrennt. Letzteres unterliegt den gleichen Bedingungen wie der Rest des Materials im Stator und ist deshalb in dem gleichen Alterungszustand. Sie können genauso gut zwischen dem letzten Leiter der Wicklung und dem Kohleband eingefügt sein. Im letzteren Fall mißt der Aufnehmer die Isolation zwischen Windungen und im zweiten Fall mißt der Aufnehmer die Masseisolation.
Das Dielektrikum des Kondensators ist einem elektrischen Feld ausgesetzt, das zwei Komponenten umfaßt. Die Hauptkomponente Eo ist durch die an die Isolation angelegte Spannung verursacht. Diese Spannung ist diejenige, die im Alterungsprozeß der Isolation wirksam wird. Die Meßkomponente Em hat vernachlässigbare Amplitude und ist senkrecht zur vorhergehenden. In dieser Konfiguration erzeugt das elektrische Arbeitsfeld keine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 2, 3 des Meßkondensators, diese zueinander parallelen und zum Feld Em senkrechten Elektroden befinden sich auf einem Zwischenpotential in Bezug auf die Potentiale der Statorleitungen 4, 5, zwischen denen sie eingefügt sind.
Die Meßschaltung umfaßt eine Primärwicklung 10, die mit den Elektroden 2, 3 verbunden ist, um eine Schwingschaltung mit dem Kondensator zu bilden. Sie umfaßt ferner eine Sekundärwicklung 11, die magnetisch mit der Primärwicklung gekoppelt ist, um ein Erregungsmittel der Schwingschaltung zu bilden, wobei die Wicklungen auf Transformatorkernen angeordnet sind, um jede galvanische Verbindung zu unterdrücken. Das Potential der Schwingschaltung kann deshalb beliebig sein, sofern es mit der Isolation zwischen den zwei Wicklungen der Schwingschaltung kompatibel ist.
Die Sekundärwicklung 11 ist einerseits mit einem Impulserzeuger 12 und andererseits einer Analysevorrichtung 14 über einen Analog-/Digitalwandler 13 verbunden. Das elektrische Signal, das aus der Stimulierung durch den Erzeuger 12 resultiert, wird vom Wandler 13 digitalisiert und von der Vorrichtung 14 analysiert, um eine Messung des Überspannungsfaktors bei der Resonanzfrequenz der Schwingschaltung zu erhalten. Der gemessene Überspannungsfaktor ist repräsentativ für die Dämpfung des vom Wandler 13 abgeleiteten Signals. Die Vorrichtung 14 umfaßt auch einen Komparator, um den ausgewerteten Überspannungsfaktor mit demjenigen zu vergleichen, der für ein dielektrisches Material mit einer akzeptablen Isolationsfähigkeit repräsentativ ist. Die Vorrichtung 14 kann ein Mikroprozessorsystem wie etwa ein an sich bekannter Mikrocomputer sein.
Fig. 3 stellt die Veränderung des Verlustwinkels (mit TD bezeichnete Achse) der Isolation einer beschleunigter Alterung unterliegenden Wicklung als Funktion einer in Volt angegebenen Arbeitsspannung (mit T bezeichnete Achse) dar. Die Kurve C stellt die Veränderung des Verlustwinkels für eine neue Wicklung dar. Die Kurve B stellt die Veränderung des Verlustwinkels für die Wicklung nach 1000 Betriebsstunden dar, und die Kurve A stellt die Veränderung des Verlustwinkels für die Spule nach 7600 Betriebsstunden dar.
Wenn die Schwingschaltung einem kurzen elektrischen Impuls ausgesetzt wird, antwortet diese Schaltung durch eine gedämpfte Sinusschwingung, deren logarithmischer Abfall vom Verlustwinkel abhängt. Die Ergebnisse eines Versuches, der durchgeführt wurde durch Einfügen von zwei Elektroden in eine Isolation vom Typ glimmerhaltiges Polymer, sind in Fig. 4 gezeigt. Eine Verschlechterung der Isolation wurde erreicht durch Eintauchen von dieser in entionisiertes Wasser bei 80ºC. Die Achse T bezeichnet die an die Statorleiter 4, 5 angelegte normierte Spannung, und die Achse t bezeichnet die Leitungszeit in us. Die Kurve D (gestrichelt) zeigt die Entwicklung der normierten Spannung für eine frische Probe und die Kurve E (durchgezogen) stellt die Entwicklung der normierten Spannung für eine Probe nach 96 Stunden Aufenthalt im Wasser dar.
Wie in dieser Figur zu sehen ist, wird die Kurve E schneller gedämpft als die Kurve D. Diese Kurven sind invariant gegen die an die Statorleitungen angelegte Spannung. Infolgedessen kann in Kenntnis der Entwicklung des Wertes des Verlustwinkels für ein Dielektrikum vom neuen Zustand bis zu seinem Versagen und durch Messen dieses Wertes zu einem gegebenen Zeitpunkt ein geeignet programmiertes Informatiksystem statistisch die Restlebensdauer auswerten und vor einem bevorstehenden Ausfall der Isolation eines elektrotechnischen Systems mit Feststoffisolation warnen.
Das Prinzip der Erfindung ist z. B. auch anwendbar auf einen imprägnierten Transformator oder jedes beliebige elektrotechnische Gerät, das eine Feststoffisolation verwendet, sofern die Positionierung der Elektroden des Aufnehmers möglich bleibt.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Alterung eines dielektrischen Materials in einer Maschine, insbesondere einer Polymerisolation für eine Statorwicklung, mit Mitteln in dem dielektrischen Material zum Durchführen einer Messung einer für die Alterung des Materials empfindlichen physikalischen Größe vor Ort während des Betriebes der Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Messen zwei Elektroden (2, 3), die in dem Material eingeschlossen und voneinander durch dieses getrennt sind, um einen Kondensator zu bilden, und eine mit den Elektroden verbundene Schaltung (10, 11, 12, 13, 14) zum Messen des Verlustwinkels des Kondensators umfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Meßschaltung wenigstens eine Wicklung (10) zum Bilden einer Schwingschaltung mit dem Kondensator, ein Mittel zum Erregen (11, 12) der Schwingschaltung, ein Mittel zum Ableiten (13) eines aus der Erregung der Schwingschaltung resultierenden und für ihren Überspannungsfaktor bei der Resonanzfrequenz der Schwingschaltung repräsentativen elektrischen Signals und eine Vorrichtung (14) zum Auswerten des Überspannungsfaktors umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Erregung der Schwingschaltung aus einem kurzen elektrischen Impuls besteht und das Mittel zum Ableiten ein für die zeitliche Dämpfung der oszillierenden Spannung der Schwingschaltung repräsentatives Signal liefert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, ferner mit einem Komparator (14), der dazu dient, den ausgewerteten Überspannungsfaktor mit demjenigen zu vergleichen, der für ein dielektrisches Material mit einer akzeptablen Isolationsfähigkeit repräsentativ ist.

5. Verfahren zum Messen der Alterung eines dielektrischen Materials (6), wobei das dielektrische Material Windungen (4, 5) einer Wicklung einer elektrischen Maschine isoliert, die das dielektrische Material einem elektrischen Feld aussetzen, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Anbringen von zwei Elektroden (2, 3) entlang einer Windung der Wicklung beim Wickeln der Windungen, wobei die Elektroden durch das dielektrische Material getrennt sind, um einen Kondensator zu bilden und

- Messen des Verlustwinkels des Kondensators während des Betriebes der Maschine.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die zwei Elektroden zwischen zwei aufeinander folgenden Windungen der Wicklung oder zwischen der letzten Windung und der Masse angeordnet sind.