為什麼要寫這篇

因為工作的關係，常常接觸高壓電機的保養與相關測試，當然高壓電機線圈的部分放電也是一個非常重要的部分，最近剛讀完規範，就想說來記錄一下讀到的東西，也希望可以在這部分有更多的精進，之後會再繼續分享有關高壓馬達保養與測試的知識。

為什麼要測PD(Partial Discharge)?

• 用來觀察絕緣的品質 (老化的影響與潛在缺陷)
• 判斷絕緣的老化程度
• 定期追蹤絕緣狀態

PD的測量方式

• online: IEC 60034-27-2
• offline: 此篇

測量PD的限制

• 雜訊不能太大
• 溫度, 濕度需控制在一定範圍
• 規範適用條件
  • 僅使用於頻率範圍 0.1-400hz, Interpretation guidelines適用的範圍為 50~60hz(電機), 45-65(power supply)
  • 繞組需為 bar or coil所成形
  • 線圈需有導體的塗層，通常為6kV以上的電機

常用名詞解析

• PD(partial discharge): 在導體與絕緣間隙間發生的部分放電
• stress control coating: groundwall insulation 外的塗層或tape，目的是要平緩高壓定子線圈的電位
• conductive slot coating: 承上，為導電的塗層，通常稱為半導塗層
• slot discharges: 發生在定子鐵芯與線圈外層絕緣的放電
• internal discharges: 發生在groundwall insulation的放電
• surface discharges: 絕緣的表面(端部或active part)的放電
• largest repeatedly occurring PD magnitude(Qm): 每秒重複10次的最大脈衝值

電機中的PD特性

為什麼會有PD?

• 絕緣中的電介質特性並非全部都是均質的，造成某些地方電場強度過強至介電崩潰，其不會直接造成絕緣的破壞，但造成了絕緣壽命的減少。

PD發生的地方

• 非均質的電介質(絕緣中的氣泡, 絕緣與導體間隙…)都會出現

造成PD的原因

• 絕緣與繞線..等 製造上的瑕疵
• 操作時間久了之後，因電氣, 熱, 機械…等等的影響所造成的絕緣衰弱

PD的種類

Internal voids

• Internal delamination: 由於機械或熱的壓力過大，造成主絕緣的脫層，越大的空洞會造成越高能量的放電，造成非常明顯的惡化。 另外脫層也會造成熱傳導的降低，更加速絕緣的老化。 若發生此現象，需特別小心。
• Debonding(脫膠) between insulated conductor and groundwall insulation: 這會造成過熱以及機械上的壓力，容易造成更大面積的脫膠

Slot discharges

通常為塗層雜質產生的高電場強度或是線圈bar的位移(wedging 壓力不足)，使得電磁震動造成摩擦，所造成的半導塗層脫落

End-winding gap and surface discharges

通常發生在定子線圈懸空部分，其不同材質的介面處，可能是不好的介面設計、雜質髒污、小空隙很多、熱影響…所造成

Foreign conductive materials discharges

破損、老化的螺栓或螺絲，甚至是無意間忘在馬達中的工具，都會造成部分的電場集中，或是機械性的損壞絕緣

Pulse propagation in windings

PD 產生時為非常高頻的瞬間突波，經過一連串的電容電感效應可能產生電磁共振，產生一些可能會被量測到的週波，可能是非常高頻的突波，會影響整體PD的量測

設備與安全

• 測試設備的電壓需能產生以下電壓

Upp/Urms = 2 2 , ± 5 % (Upp is Upeak to peak, Urms is U root mean square).

• 需有過電流保護的relay，且有斷路器以防flashover
• 做好圈圍
• 需至少兩個人來操作

測試設備準備

• 保持設備連接點的乾淨(接點, 線材…等，可先用氣噴槍清潔)
• 建議先進行絕緣電阻測量
• 高壓線圈需保持周邊乾淨

測試調整

• PD通常在1分鐘的時間內會慢慢遞減
• 最高電壓的測試要低於5分鐘

測試電壓

• 用0.2Vmax為刻度

降低noise

• 用已經成熟的量測裝置
• 把連接的設備放置在測試電機的附近
• 需照著上面winding diagram的方式，power supply與連接測量設備在電機的兩端，讓雜訊可以透過馬達線圈被削弱
• 所有RTD都要確實接地
• 標準化測試流程，定時校正測試設備，隨身攜帶的變壓器有可能會因為現場的狀況而越來越髒，越來越老化
• 接地需要是好的(大範圍地)，測試設備、電機、連接unit都需要在同一個接地
• 讓所有的測試裝置盡量靠近
• 量測的線材需是成熟的，其電阻需符合整體量測，不會造成反射情況的
• 電腦或螢幕裝置可能會造成雜訊
• 可以使用濾波器

定位PD發生的位置

• 最好的方式是用PRPD pattern，也就是一個正弦波週期下的PD圖譜。
• 最好要各相分開測量，如果三相同時供電，端部的放電信號會被削弱。
• off-line的好處就是，可以掀開護蓋觀察線圈情況，或是把轉子抽出觀察。

解釋PD測量結果

• 每台電機因為製造的細微差別，啟動停止與運作時間不同，都會有不同的PD放電反應
• stress control coating在線圈懸空的部分，其PD的發生不只有線圈實體上的影響，頻率也會影響，越高的頻率，可能會導致額外的PD發生在線圈overlap的部分。
• 能完整比較PD的測量方式
  • 同一顆定子、同一台量測設備、同一種測量方式，隨著時間定期量測追蹤 放電量Q的趨勢
    • 新定子可能會有相對高的PD，會隨著開始使用後慢慢降低
    • 不同時間點，電壓需在正負 2.5%、溫度需在正負10%，且用同一套量測設備
    • 氣壓需要一樣
    • 放電量Q的變化 正負 25%，在統計上還算合理
  • 不同定子但相同規格，同一台量測設備、同一種測量方式，放電量Q的比較
  • 同一顆定子，不同相放電量Q的比較

結論

對於高壓電機來說，絕緣不良導致電機損壞的機率是一半以上，但願這篇文章可以提供大家一些有用的資訊，測量高壓電機的時候也要保護好自己，有問題也可以私訊我討論喔~，雖然我還是比較喜歡寫程式，但對於這些物理現象也是很有興趣的!