Měření izolačního stavu vinutí motoru je zásadní parametr, který dlouhodobě ovlivňuje provozní schopnosti všech typů motorů. Je to jeden ze základních parametrů motoru, který je nutné kontrolovat při údržbě, kromě kontroly pracovního proudu odebíraného motorem.
Základy měření izolačního odporu
Izolační odpor se musí měřit při stejnosměrném napětí. Zaznamenává se odpor izolační pevnosti elektrických vinutí. K měření odporu vůči zemi se používá stejnosměrný proud. Tímto způsobem se analyzuje svodová kapacita a svodový proud izolačního systému.
Izolační odpor se musí měřit mezi živými vodiči navzájem a živými vodiči a ochranným vodičem spojeným se zemničem. Kde je to vhodné, je dovoleno živé vodiče spolu navzájem spojit. V praxi může být nutné provádět toto měření během montáže instalace před připojením vybavení.
Tam, kde obvod obsahuje zařízení, které je náchylné k tomu, aby ovlivňovalo výsledky nebo aby bylo měřením poškozeno, musí být provedeno pouze měření mezi spolu vzájemně spojenými živými vodiči a zemí.
Izolační odpor měřený zkušebním napětím se považuje za vyhovující, jestliže bude hlavní rozváděč a každý distribuční obvod zkoušen zvlášť, se všemi svými koncovými obvody připojenými, ale s odpojenými spotřebiči, bude vykazovat izolační odpor, který není nižší než příslušná hodnota uvedená v tabulce.
Čtěte také: Izolace s asfaltovým lakem: Jak na to?
Tabulka minimálních izolačních odporů a zkušebních napětí (dle ČSN 33 2000-6 ed. 2)
| Jmenovité napětí obvodu (V) | Zkušební stejnosměrné napětí (V) | Minimální izolační odpor (MΩ) |
|---|---|---|
| SELV, PELV, do 500 V včetně funkčního nízkého napětí | 250 | ≥ 0,5 |
| Obvody do 500 V, s výjimkou výše uvedených | 500 | ≥ 1,0 |
| Obvody nad 500 V | 1000 | ≥ 1,0 |
Tato tabulka musí být použita také pro ověření izolačního odporu mezi neuzemněnými ochrannými vodiči a zemí. V průmyslovém odvětví platí pro zařízení předpisy, které vyžadují izolační odpor 1000 ohmů na volt napětí při teplotě vinutí 25 °C.
Specifika měření při přítomnosti přepěťových ochran (SPD) a spotřebičů
Přestože jsou předepsány izolační odpory a zkušební napětí, jsou v instalaci z důvodu ochrany připojených předmětů a zařízení před přepětím stále častěji zařazovány přepěťové ochrany, které předepsané zkušební napětí, které je pro připojené zařízení přepětím, nevydrží.
Přepěťové ochrany (SPD) při zvýšení napětí nad provozní hodnotu začnou propouštět proud, který s tím, jak se napětí zvyšuje, roste. To je princip ochrany před přepětím. Měření izolace pomocí napětí, které již vyvolá funkci této ochrany, není možné.
Upřednostňuje se při měření izolačního odporu SPD odpojit nebo podle pokynů výrobce vyjmout moduly z SPD. Pokud však odpojení SPD není prakticky proveditelné (např. v případě pevných zásuvek obsahujících přepěťové ochrany), je možno zkušební napětí pro takové obvody snížit na DC 250 V. Přitom však izolační odpor musí vykazovat hodnotu nejméně 1 MΩ.
Některé SPD obsahují indikační obvody, které mohou zkreslit měření izolačního odporu mezi pracovními vodiči. Stejně jako v některých případech není prakticky proveditelné odpojit přepěťové ochrany, nemusí být vždy, pro účely revize, prakticky proveditelné odpojit některé pevně připojené spotřebiče (jako jsou např. ventilátory, svítidla, stroje).
Čtěte také: Cihly s tepelnou izolací
Pokud instalace vykáže dostatečný izolační odpor i s těmito pevně připojenými spotřebiči, je vše v pořádku. Při nižším izolačním odporu je pak nutno vyhledat spotřebiče se sníženou hodnotou izolačního odporu a toto měření opakovat. Pokud jsou při tomto měření k instalaci připojené některé spotřebiče, je třeba ověřit, že tyto spotřebiče neobsahují komponenty nebo obvody, které by měřením mohly být poškozeny.
Interpretace výsledků měření izolačního odporu
Otázkou je, zda minimální hodnoty izolačního odporu uvedené v normách zaručují, že izolace je naprosto v pořádku. Ve skutečnosti ani tyto hodnoty bezvadný stav izolace nezaručují. Ve většině případů totiž měřicí rozsah přístroje ani nestačí na to, aby ukázal skutečnou hodnotu izolačního odporu.
U nových instalací je dnes již možno předpokládat, že hodnota jejich izolačního odporu se bude pohybovat řádově v gigaohmech. To znamená, že hodnota izolačního odporu naměřená řádově v hodnotách, které jako minimální přípustné předepisuje tabulka, již může naznačovat, že izolace má některá slabá místa.
Pro instalace, které je nutno provozovat za nepříznivých podmínek okolí, u zařízení provozovaných ve venkovním prostředí, instalací ve vlhkých a mokrých prostorách, kdy není možné hodnoty uvedené v tabulce dodržet, se uplatní jiná opatření. Těmi jsou např. uzemnění neživých upevňovacích částí, které jsou součástí impedance smyčky poruchového proudu, umístění hořlavých hmot v dostatečné vzdálenosti od vodičů obvodu, opatření, aby unikající proud nevedl ke vzniku nebezpečných dotykových napětí nebo požáru.
Měření izolačního stavu vinutí motoru
Základní měření izolačního stavu vinutí, které lze snadno provést, je zjištění izolačního stavu přiložením stejnosměrného napětí vhodné velikosti na jednotlivé cívky motoru a výpočtem odporu z poměru tohoto napětí a protékajícího proudu. To lze provést běžným měřičem izolačního stavu, např. přístrojem Kyoritsu 3125A s možností volby velikosti napětí od 250 V do 5 kV a rozsahem měřitelného izolačního odporu až 1 TΩ.
Čtěte také: Jaké jsou druhy a vlastnosti izolačních betonů?
Měření izolačního odporu vinutí spočívá v aplikaci stejnosměrného vysokého napětí na odpojené vinutí motoru a v měření malého unikajícího proudu. Zkušební přístroj (tzv. megohmmetr) připojí jednu svorku na testované vinutí a druhou na kostru (rám) motoru nebo na druhý pól vinutí a postupně zvýší stejnosměrné napětí až na požadovanou hodnotu. Typicky se volí testovací napětí rovné nebo vyšší než jmenovité napětí motoru (pro nízkonapěťové motory běžně 500-1000 V DC, pro vysokonapěťové i několik kilovoltů).
Po dosažení stanoveného napětí se měří ustálený svodový proud protékající izolací a podle Ohmova zákona se vypočte izolační odpor (v megaohmech nebo gigaohmech). Špičkové testery pro elektromotory dnes umožňují plynule nastavit zkušební napětí až do 6 000 V DC a změřit izolační odpor až do hodnot kolem 500 GΩ (s volitelným rozšířením rozsahu dokonce na 1 TΩ). Díky tomu lze spolehlivě detekovat i nepatrné svodové proudy a posoudit izolaci i u velkých vysokonapěťových strojů.
Pro získání srovnatelného výsledku se měření obvykle provádí po dobu 60 sekund, aby odezněly přechodné absorpční jevy v izolaci a hodnota se ustálila. Důležité je také zaznamenat teplotu vinutí a naměřenou hodnotu přepočítat na standardních 40 °C, protože odpor izolace silně závisí na teplotě - s rostoucí teplotou výrazně klesá. Moderní přístroje proto umožňují zadat teplotu nebo měřit teplotu vinutí a automaticky provést korekci naměřeného odporu na referenční teplotu.
Čím vyšší je naměřený izolační odpor, tím lepší a účinnější je izolace vinutí. V praxi normy vyžadují například minimálně ~1000 Ω na každý volt jmenovitého napětí při 25 °C, což pro běžný nízkonapěťový motor (~400 V) představuje jen kolem 0,4 MΩ. Nové nebo renovované motory však mívají izolační odpor mnohem vyšší - často desítky megaohmů (po přepočtu na 40 °C). Hodnoty pod jednotky megaohmů už signalizují problém.
Faktory ovlivňující izolační stav vinutí
Vzhledem k tomu, že izolační stav vinutí se mění s časem, jak stárne materiál izolace, ale i s teplotou, která má navíc vliv na rychlost stárnutí, není pouhá kontrola izolačního odporu motorů dostatečným a průkazným indikátorem jeho stavu z pohledu možné poruchy. Snížení izolační schopnosti vinutí se zjednodušeně projevuje i postupnou ztrátou „elektrické elasticity“ materiálu izolace.
V horní části obrázku lze vidět náhodné uspořádání molekul izolačního materiálu a v jeho spodní části jejich uspořádání při přiložení stejnosměrného napětí na cívku motoru. K tomuto uspořádání však nedojde okamžitě po přivedení napětí, ale po určité době, neboť jednotlivé molekuly se projevují jako jakési samostatné kondenzátory, které se nabíjejí. Izolaci si lze tedy při zjednodušení představit jako paralelní zapojení odporu RISO a kondenzátoru C.
Čas nabití tohoto kondenzátoru je závislý, krom jiného, i na „elektrickém“ stáří materiálu izolace, tedy na tom, že postupně více a více molekul se nenastaví ve směru působení elektrického pole izolantu. Lokálně v izolantu vzniká větší elektrické pole, které vede k mikroprůrazům, a tím ke zhoršení izolačního stavu. Při přiložení střídavého napětí, které mění svou polaritu 100× za sekundu dochází k otáčení molekul v rytmu změny polarity napětí. Zpomalené molekuly, které se nestíhají díky stáří izolace otáčet, dále zhoršují izolační vlastnosti materiálu a hrozí průrazem izolace.
Typické příčiny snížení izolačního odporu:
- Zvlhnutí izolace: Vlhkost (např. kondenzace v motoru při odstávce) výrazně snižuje izolační odpor. Navlhlé vinutí může mít izolační odpor o řády nižší, než když je suché, a prozradí ho i nízký polarizační index PI (poměr 10 min/1 min blízký 1 místo obvyklých >2).
- Karbonizace izolace: Při přehřátí vinutí nebo opakovaných elektrických výbojích (např. částečné výboje ve vysokonapěťových strojích) může dojít k zuhelnatění části izolace. Vzniklé uhlíkové cestičky jsou vodivé a způsobují trvalý svod. Měření odhalí karbonizaci jako trvale snížený izolační odpor, a to i po vysušení vinutí.
- Mikroskopické trhliny: Dlouhodobé tepelné namáhání, vibrace či časté starty motoru mohou vést ke vzniku drobných prasklin v izolaci vinutí. Tyto trhliny okem neodhalíme, ale při vysokém zkušebním napětí mohou způsobit nelineární nárůst svodového proudu. Pomocí tzv. step-voltage testu - postupného zvyšování napětí a sledování proudové odezvy - lze zjistit odchylky od lineární charakteristiky, které indikují oslabená místa izolace vlivem stárnutí.
- Znečištění a usazeniny: Prach, olej a další nečistoty na vinutí poskytují cestu pro povrchové proudy. Zejména ve vlhkém prostředí se na špinavém povrchu vytvářejí vodivé filmy, které dramaticky snižují naměřený odpor. I dobře fungující motor tak může mít nevyhovující izolační stav z důvodu zanedbané čistoty.
Pokročilé diagnostické metody
Polarizační index (PI)
Z předchozího popisu je tedy jasné, že proud při měření izolace není stálý, ale mění se v čase. Zpočátku je velký a postupně klesá až do jeho ustálení na nejmenší hodnotě, která odpovídá velikosti izolační schopnosti. Čím je tedy tento proud na počátku měření větší a v ustálení menší, nebo naopak, čím je izolační odpor na počátku měření menší a na konci větší, tím je elasticita materiálu lepší, a tedy elektrické stáří izolace lepší. Tento poměr lze tedy snadno využít k zjištění, v jakém stavu je izolace dlouhodobě.
Parametr, který využívá tento poměr, se nazývá polarizační index (PI). V praxi se např. používá poměr odporu naměřeného po jedné minutě po připojení napětí a po deseti minutách. Tedy PI = RISO10/RISO1. Čím je tento poměr větší, je stáří izolace lepší. V praxi PI > 4 je dobrá, mladá izolace, PI < 1,5 je již velmi stará izolace, která hrozí průrazem. Tuto funkci lze nalézt např. u již zmíněného přístroje KEW3125A.
Měření podle normy VDE 0100 část 410 trvá přesně 60 sekund, aby bylo možné získat srovnatelné hodnoty. Při měření polarizačního indexu se zkušební napětí přikládá po dobu 600 sekund. Z poměru obou naměřených hodnot (10 min. / 1 min.) se vypočítá tzv. polarizační index. V praxi se velmi vyplatí sledovat, zaznamenávat a vyhodnocovat PI v čase. Nízká hodnota izolačního odporu nebo polarizační index nižší než 2 lze považovat za příznak poškozené nebo vadné izolace. To vyvolá zkrat nebo jiné nežádoucí jevy.
Rázový test
Měření izolačního odporu cívek a jejich PI lze využít při údržbě pro získání představy o stavu a stáří izolace celého vinutí motoru, nedává však příliš mnoho informací o možných mezizávitových průrazech nebo o průrazech napěťově závislých, které jsou časté. Pro ověření takovýchto situací lze snadno použít test rázovou vlnou.
Při tomto testu je na jednotlivé cívky postupně přiloženo napětí z předtím nabitého kondenzátoru. Na takto vzniklém rezonančním obvodu se objeví tlumené kmitání. Časový průběh tohoto kmitání charakterizuje stav vinutí. Změna periody a pokles amplitudy tohoto napětí na cívce jsou dány počtem závitů, indukčností cívky, stejnosměrným odporem i parazitními kapacitami vůči kostře motoru atd. V ideálním případě tedy např. při testu třífázového motoru budou tyto tlumené vlny mít stejný tvar pro všechny tři cívky. V praxi se budou v dobrém stavu vinutí lišit velmi málo. Rázový test dokáže snadno odhalit např. mezizávitový zkrat nebo zkrat mezi vinutími dvou cívek apod., kde červený průběh je z napěťově závislého zkratu mezi dvěma cívkami motoru.
Měření odporu cívek mikroohmetrem
Další možností ověření stavu motoru je i měření odporu cívek mikroohmetrem. Zde je třeba připomenout nutnost použít čtyřvodičovou metodu, která zajistí kompenzaci vlivu měřicích kabelů a přechodového odporu kontaktu připojení.
Moderní diagnostické přístroje
Popsané měřicí metody a několik dalších pro rychlé ověření stavu motoru při údržbě v sobě sdružuje přístroj z produkce německé firmy Schleich nesoucí název MotorAnalyzer 2. Měřicí část přístroje obsahuje osm konektorů pro připojení tří fází čtyřvodičově. Lze tedy provést všechny základní testy motoru pohodlně bez přepojování. Pro testy s napětím nad 3 kV jsou dvě samostatné bezpečné VN svorky. Lze tedy měřit izolaci a elektrickou pevnost do 6 kV - izolační odpor od 1 MΩ do 99 GΩ. Přístroj měří PI a DAR.
Mezi doplňkové testy patří např. měření indukčnosti jednotlivých cívek a kapacity vinutí vůči kostře, test směru otáčení motoru před jeho připojením k síti, hledání neutrální zóny komutátoru, hledání mezizávitového zkratu pomocí přídavné sondy - to je test již pro servisní činnost při opravě motoru.
Pro snadné a rychlé testování při údržbě je MotorAnalyzer 2 vybaven režimem automatického testování, při kterém jsou změřeny odpory a indukčnosti všech cívek a výpočet impedance, izolační odpor vůči kostře napětím nastavitelným od 0 až 3 000 V a nakonec je proveden rázový test na všech vinutích. To vše po jediném zmáčknutí červeného tlačítka bez nutnosti přepojování měřicích kabelů na jiné svorky v přístroji, protože o přivedení správného signálu na správnou svorku se postarají relé uvnitř přístroje. Tento test na MotorAnalyzer 2 dále umožňuje automatické krokování s rostoucím napětím až k přednastavené hodnotě. Lze tak snadno nalézt napěťově závislý průraz vinutí.
Význam měření izolačního stavu pro údržbu a bezpečnost
Statorová izolace je klíčovým, avšak často skrytým, strážcem spolehlivosti elektromotoru. Právě měření izolačního odporu vysokým napětím (až do 6 kV) umožňuje servisním technikům včas odhalit slabá místa v izolaci vinutí a předejít tak haváriím. Měření izolačního odporu je zásadní jak při výrobě či opravě elektromotoru, tak při jeho provozu.
Po dokončení vinutí (například při generální opravě motoru) se tímto testem ověřuje, že izolace splňuje stanovené požadavky a že motor lze bezpečně provozovat. V rámci výstupní kontroly se často provádí kompletní elektrotechnická prověrka: měření odporů vinutí, izolační zkouška a případně i vysokonapěťový výdržný test. Moderní přístroje dokážou tyto testy zkombinovat do jediné automatizované sekvence - technik motor jednou připojí a zařízení postupně samo přepíná jednotlivé metody a měří všechny tři fáze i vůči kostře. Tím se šetří čas a eliminují chyby obsluhy. Pokud motor nevyhoví kritériím izolační pevnosti, není v žádném případě propuštěn z výroby (či opravy) do provozu.
Stejně důležité je měření izolačního odporu v rámci preventivní údržby. Doporučuje se zařadit tuto zkoušku do pravidelných odstávek a prohlídek strojů, zejména u motorů pracujících v náročných podmínkách (vlhko, prašné prostředí, časté rozběhy). Včasné odhalení klesající tendence izolačního odporu umožní naplánovat servis (např. vysušení, vyčištění či převinutí motoru) dříve, než dojde k poruše. Dnešní diagnostické přístroje jsou přitom konstruovány tak, aby údržbu usnadnily - bývají přenosné, bateriově napájené a odolné, takže měření lze provést přímo na místě instalace stroje. Některé systémy umožňují testovat motor i bez jeho odpojení od rozváděče, a to přes dlouhé přívodní kabely, což zkracuje potřebný čas odstávky zařízení.
Měření izolačního odporu vysokým napětím představuje efektivní nástroj, jak zvýšit spolehlivost a bezpečnost provozu elektromotorů. Servisním technikům poskytuje hlubší vhled do stavu vinutí a vedení podniku dává podklady pro strategické plánování údržby. Pravidelným testováním izolace lze předejít nečekaným odstávkám, snížit riziko požárů či úrazů elektrickým proudem a prodloužit životnost klíčových pohonů. Měření izolačního odporu je zkouška elektrických zařízení, motorů a generátorů, tzv. zkušebních vzorků, předepsaná zákonem v normách VDE. Tento diagnostický test lze použít k posouzení stavu izolace v elektrických zařízeních a strojích pomocí měřicího přístroje. Měření izolačního odporu je jednoduchý, ale velmi efektivní test.
Po provedení zkoušky izolačního odporu a vyhodnocení výsledků je důležité přijmout vhodná opatření. Pokud je naměřená hodnota pod doporučeným minimem nebo má-li polarizační index hodnotu nižší než cca 2, je nejprve nutné vinutí vysušit a vyčistit. V mnoha případech se tím izolační odpor výrazně zlepší, pokud byla příčinou závady právě vlhkost nebo nečistota. V případě nízkých hodnot izolačního odporu a polarizačního indexu je nejprve třeba vyčistit a vysušit stroj. Na základě našich zkušeností doporučujeme pravidelnou údržbu elektrických systémů, motorů a generátorů. V případě, že dojde k závadě cívky nebo vinutí, kterou nelze odstranit, jsou k dispozici sady cívek připravené k okamžité montáži a kompletní nová vinutí, dokonale přizpůsobená vašim potřebám.
tags: #merak #na #izolacni #stavy #motoru #informace