הערכת מצב הבידוד בהתבסס על חלוקת זרם והתנגדות כפונקציה של משך מדידה

הערכת מצב הבידוד בהתבסס על חלוקת זרם והתנגדות כפונקציה של משך מדידה

מדידת התנגדות הבידוד כוללת מדידת הזרם הזורם דרך חומר הבידוד ובמתח בדיקה המתאים לאובייקט. על פי חוק אוהם מחושבת התנגדות הבידוד של החומר ממנו עשוי הבידוד.
פרמטר זה – מאפשר להשוותו לערכים הנדרשים  ונחשב בדרך כלל כמספיק בסופו של דבר להערכת מצב הבידוד של אובייקט האם מספק
ותקין או לא.

עם זאת, יש לשים לב לתופעות המתרחשות במהלך הבדיקה (הנובעות מקיבול וספיגה) במיוחד עבור עצמים
בעלי קיבול משמעותי (כבלים ארוכים / כבלי מתח גבוה) או עצמים כגון מנועים או שנאים. במקרים כאלה
התבוננות בשינויים בהתנגדות ובזרם המדידה כפונקציה של זמן עלולה לחשוף היחלשות מסוכנת של הבידוד,
למרות העובדה שהתוצאה המתקבלת של מדידת התנגדות הבידוד תוערך באופן חיובי. המאמר יציג את
העקרונות של מדידת התנגדות בידוד, חישוב מקדמי DAR ו – PI ודוגמאות ליישום המעשי שלהם.
מבוא :
כל חומר בידוד מאופיין ביכולת כלשהי להוביל חשמל, שכן אין בידוד אידיאלי שאינו מוליך לחלוטין. מאפיין זה
משמש לקביעת ההתנגדות של חומרי בידוד בציוד חשמלי. בדיקת המצב הטכני של מתקני החשמל, כנדרש
בחוק החשמל ומתבצעת בהתאם ל -[1] IEC 60364-6:2016

הבעיה היחידה שאתה צריך להתמודד איתה היא הכנת מתקן החשמל לביצוע המדידות. בהפעלת מתקנים
חשמליים זהו תהליך עתיר עבודה, הדורש ניתוק מתח, עומסים והתקני בקרה )למשל מפעילים(, דבר שלא
תמיד אפשרי. עם זאת, תוכל למנוע אי נוחות זו אם תשתמש באפשרות לקצר מוליכים חיים למשך המדידה
במעגלים בודדים, כפי שמתיר [1] IEC 60364-6:2016 p 61.3.3

המקרה שונה לגמרי כאשר מודדים מדידות מתקדמות יותר, למשל. של מנועים חשמליים, שנאים, כבלי מתח
גבוה או ציוד הדורשים מתחי בדיקה גבוהים. יש צורך במקרה זה להסתכל על התופעות המתרחשות במהלך
המדידה, כמו גם את המכשירים שיאפשרו לבצע את הבדיקה בצורה נכונה.

זרם טעינה קיבולי, זרם קיטוב, זרם דליפה

מצורף תרשים המחשה של הזרמים כפונקציה של זמן. כאשר מתח הבדיקה מופעל על המעגל המיועד
למדוד, הזרם המושרה בקיבול הוא הגדול ביותר והוא נעלם לאחר טעינתו הרבה יותר מהר מזרם הספיגה,
שגם הוא מתפוגג, אשר בתורו נובע מהיכולת של החומר לצבור מטען. רק לאחר שתופעות אלו פסקו ניתן
לקרוא את תוצאת התנגדות הבידוד. יש לציין כי השינויים בקריאות של מכשיר המדידה הנגרמים על ידי
זרמים אלו אינם מייצגים למעשה שינויים בהתנגדות הבידוד, אלא הם רק תוצאה של תהליך המדידה .

בדיקה שגרתית מוגבלת למעשה לקריאת ערך התנגדות הבידוד שנמדד לאחר שהתוצאה התייצבה. עם זאת,
התבוננות בתהליך זה לאורך זמן היא כלי אבחון חשוב ושימושי מאוד. הסיבה לכך היא שייתכן שכשל בידוד
יתרחש באופן שיפסול את החפץ הנבדק למרות עמידה בקריטריון ההתנגדות המקובל. מקרים כאלה
מתרחשים לעתים קרובות כאשר נזקי בידוד ספציפיים, חלקיים מתרחשים במהלך שיפוץ, למשל, מנוע. זה
תקף לא רק על מנועים, אלא גם על תיקונים מכניים.

מקדמי DAR  ו- PI

כאשר מודדים בידוד טוב ללא פגע ולא לח, יש לצפות כי קריאות מכשיר המדידה יגדלו עם הזמן, כתוצאה
מהשינוי בסך הזרם המוצג באיור 2 בהתבסס על מרווחי הזמן, המקדמים הספציפיים לתהליך המדידה
מחושבים: DAR (יחס ספיגה דיאלקטרי) ו- PI (מקדם קיטוב).

יחס הספיגה הדיאלקטרי (DAR) הוא היחס בין תוצאת המדידה ב-MΩ בתוך דקה אחת לתוצאה ב-MΩ לאחר 15 או 30 שניות.
כאשר זרם הזליגה הנמדד מתייצב תוך דקה אחת, הבדיקה בדרך כלל לא משמשת יותר לקביעת גורם ה-PI, שכן היחס בין הערכים הנמדדים יהיה בערך 1.
מקדם ה-PI, כפי שהנוסחה מרמזת, הוא בהתאמה התוצאה ב-MΩ לאחר 10 דקות לתוצאה ב-MΩ לאחר דקה אחת.

ערכי DAR ו-PI הניתנים בדרך כלל בספרות ועל ידי יצרני ציוד בדיקה להערכת מצב הבידוד ניתנים בטבלה 1.

טבלה 1. ערכים של מקדמי DAR ו-PI

המקדמים לא צריכים לקבל ערכים של פחות מ-1, מכיוון שקריאת התנגדות הבידוד לא צריכה לרדת במהלך המדידה.

יש לציין גם שהשינויים בזרמים בערכי התנגדות בידוד גבוהים יכולים להיות קטנים מאוד, בסדר גודל של כמה nA. לכן, תקן IEEE 43-2013 [2] קובע את הדברים הבאים:

“כאשר קריאת התנגדות הבידוד Riso המתקבלת לאחר הפעלת מתח למשך דקה אחת גדולה מ-5000 MΩ, בהתבסס על גודל מתח ה-DC המופעל, הזרם הכולל הנמדד (סך הכל) עשוי להיות בטווח התת-מיקרואמפר.
ברמה זו של רגישות נדרשת של מכשיר המדידה, שינויים קטנים במתח האספקה, בלחות הסביבה, חיבורי בדיקה ורכיבים אחרים שאינם קשורים יכולים להשפיע באופן משמעותי על הזרם הכולל הנמדד במהלך המרווח של 1 דקה -10 דקות הנדרש לבדיקת PI. בגלל תופעות אלו, כאשר Riso גבוה מ-5000 MΩ ה PI עשוי לא לשקף את מצב הבידוד הנכון ולכן אינו מומלץ ככלי הערכה.”

לסיכום, עבור מנועים עם זרם ספיגה אפס או נמוך, שבהם זרם הדליפה הכולל מתייצב תוך דקה, ערכי PI קרובים או שווים ל-1. במקרה זה, PI אינו כלי הערכה מתאים.

בעת קביעת המקדמים, אין צורך לבצע תיקון טמפרטורה מכיוון שגם DAR וגם PI הם יחסים, כך שאם הבדיקה עוברת על כל הטווח בתנאים קבועים, זה מובן. מומלץ שלא למדוד מנועים בעלי ערכי התנגדות בידוד נמוכים עם מתחי בדיקה גבוהים מהמומלץ. מכיוון שלעתים קרובות ניתן למצוא מכשירים שאין לגביהם דרישה לערכי התנגדות בידוד בתקנים פולניים. במצב זה, ניתן להשתמש בתקן ANSI/NETA MTS-2011 (טבלה 2) [3].

דוגמה מעשית:

על מנת לבחון את עמידות הבידוד ומקדמי DAR ו-PI, חברת שיפוץ מנועים אחת סיפקה סטטור מנוע שנבחר באקראי. לצורך המדידות נעשה שימוש בממכשיר Sonel MIC-10k1 עם הפונקציה של יצירת גרפים עם צורות גל זרם ומתח כפונקציה של זמן.

סטאטור המנוע בעוצמה של 40kW/400V הנבדק עבר שיפוץ. לאחר חימום וקירור, בוצעו מדידות. מד בידוד מוגבל/ישן הצביע על טווח יתר במתח בדיקה של 500 V (>300 MΩ). מדידות שנעשו עם מכשיר Sonel MIC-10k1 עם טווח מדידה גבוה יותר הצביעו על ערך התנגדות בידוד של 430 MΩ. עם זאת, מקדם DAR הגיע לערך של 1.2. זה יצר ספק סביר לגבי מצב הבידוד למרות שהתוצאה הייתה הרבה פעמים מעל הסף הנדרש (5 MΩ או ANSI NETA 25 MΩ). מכיוון שהסטטור הותקן במבודדי פורצלן חדשים והוא גם מחומם וייבש, לא נכללה השפעת הלחות האפשרית. צורת גל הזרם וההתנגדות במהלך המדידה מעניינת בנסיבות אלה.

בערך בשנייה הארבעים יש עלייה חדה בהתנגדות הבידוד, לאחריה ההתנגדות יורדת כמעט מיד והתהליך חוזר על עצמו. מסיבות כאמור לעיל, לא נכללו גורמים חיצוניים מפריעים. לכן היה צורך לחפש את הבעיה בבידוד של פיתולי הסטטור.

בדיקה ויזואלית יסודית לא קבעה את הסיבה. זה התאפשר רק על ידי הסרה רצופה של הליפופים. הבעיה הייתה מרווח לוח לחץ אחד, שהיה סדוק. בעת הנחת הפיתולים בחריצים של הסטטור, מוליך מלופף נכנס בין החריצים, כשהוא נוגע בסטטור שנשחק מהבידוד שלו. המוליך מצופה באמייל, כך שהאינדיקציות שהתקבלו היו תוצאה של זרימת זרם בנקודת המגע בין המוליך המלופף והסטטור. הפעלת המנוע במצב זה בהחלט הייתה פוגעת בו.

כפי שמוצג בגרף באיור 4, ליפוף מחדש אפשרה להתנגדות הבידוד להגיע ל-12 GΩ (בעבר 430 MΩ) עם עליה נכונה וקבועה בהתנגדות במהלך המדידה, אשר הוצגה גם על ידי מקדם DAR = 2.

לסיכום, הדוגמה המוצגת מדגימה את יעילות השיטה, כאשר מקדם DAR וצורת הגרף משמשים לאיתור נזקי בידוד. החברה בה בוצעו הבדיקות, לאחר אבחון מקרה זה, הציגה נהלי בדיקה ומדידה מלאים עבור המנועים המשופצים, שינתה את אופן חיתוך לוח הלחץ וציידה את בית המלאכה בציוד מדידה מתאים. מאז לא קרה שוב אירוע דומה בחברה זו.

המידע שנכלל במאמר זה נועד רק לאותת לנושא על מנת להרחיב את הפרספקטיבה ולהצביע על הימנעות שגרה בעת בדיקת התנגדות הבידוד של ציוד חשמלי. ידע זה אמור לעודד חקירה של הגורמים לתופעות המתרחשות במהלך מדידות ושימושן המעשי בהערכת מצב הבידוד של האובייקטים הנבדקים.

בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה

[1] תקן IEC 60364-6:2016 מתקני חשמל במתח נמוך – חלק 6: אימות

[2] IEEE 43-2013 IEEE תרגול מומלץ לבדיקת עמידות בידוד של מכונות חשמליות

[3] תקן ANSI/NETA MTS-2011 למפרטי בדיקות תחזוקה עבור ציוד ומערכות חשמל

חומרים של SONEL S.A. וחומרים של המחבר עצמו.

נערך ותורגם על ידי שי חבויניק , וייז טק.

לפרטים נוספים והרחבה לחץ כאן