Offline-Diagnosetests der Statorwicklungsisolierung

Viele Endverbraucher, Hersteller und Serviceorganisationen setzen heute routinemäßig irgendeine Form der Online-Überwachungstechnologie, z. B. Teilentladung (TE), als wichtigen Bestandteil eines vorausschauenden oder zustandsorientierten Wartungsprogramms ein. Der weit verbreitete und zunehmende Einsatz solcher Methoden hat dazu geführt, dass einige in der Branche den Wert von Offline-Diagnosetests zur Beurteilung des Isolationszustands von Statorwicklungen in Frage stellen, wenn sie über eine Online-Überwachung verfügen.

Traditionell nutzten viele Versorgungsunternehmen die Gelegenheit, bei größeren Stillständen eine oder mehrere dieser Offline-Prüfungen durchzuführen; aufgrund des wirtschaftlichen Drucks haben sich die Abstände zwischen solchen Stillständen jedoch deutlich verlängert. In der Vergangenheit lag die Häufigkeit von Stillständen, bei denen der Rotor ausgebaut wurde, bei etwa fünf bis sechs Jahren; heute sind jedoch Intervalle von 10 bis 12 Jahren üblich geworden.

Außerdem zögern viele Betriebsleiter, elektrische Prüfungen zuzulassen, weil sie befürchten, dass solche Prüfungen die Wicklung beschädigen könnten, obwohl die angelegte Spannung bei den meisten Prüfungen auf die Nennbetriebsspannung zwischen Netz und Erde beschränkt ist. Im Folgenden werden die Rolle von Offline-Tests, die gebräuchlichsten Tests und deren angemessene Anwendung erörtert. Es werden nur die Tests besprochen, die durch IEEE- oder IEC-Normen abgedeckt sind, und AC- und DC-Hipots werden ausgeschlossen, da es sich hierbei um Go/No-Go-Tests mit relativ geringem Diagnosewert handelt.

Isolationswiderstand & Polarisationsindex

Eine Isolationswiderstandsmessung ist einer der grundlegendsten und am häufigsten verwendeten Tests in der Industrie. Bei der Prüfung wird eine vorgeschriebene Gleichspannung an die Isolierung der Erdungswand angelegt, und anhand des Leckstroms wird der Widerstandswert nach einer Minute Spannungsanwendung abgeleitet.

Der Polarisationsindex wird durch eine weitere Messung des Isolationswiderstands nach 10 Minuten ermittelt, wobei dieser Wert durch den nach 60 Sekunden gemessenen geteilt wird. Diese Prüfungen sind in der Norm IEEE 43 geregelt, die neben vielen anderen Faktoren die geeignete angelegte Spannung (abhängig von der Nennspannung der Maschine) sowie die Akzeptanzkriterien für den Isolationswiderstand und den Polarisationsindex festlegt.

Bis vor kurzem gab es keine entsprechende IEC-Norm für diese Art von Prüfungen; dies wird sich jedoch 2016 oder 2017 mit der bevorstehenden Veröffentlichung der IEC 60034-27-4 ändern. In der Regel werden diese Prüfungen verwendet, um festzustellen, ob die Statorwicklung für weitere Diagnosetests mit hohen Spannungen geeignet ist, oder um einen Erdschluss im Falle eines Alarms oder einer Auslösung zu verifizieren.

Während der diagnostische Gehalt einer Isolationswiderstandsprüfung aufgrund der Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenleckströmen als begrenzt angesehen wurde, enthält die neueste Version von IEEE 43 eine Anleitung für anspruchsvollere Interpretationsmethoden, die einen Einblick in den Gesamtzustand der Isolierung geben können. Wenn die Maschine zur Wartung abgeschaltet wird, wird diese Prüfung dringend empfohlen.

Kapazität &; Verlustfaktor

Kapazitäts- und Verlustfaktormessungen werden von den Herstellern seit Jahrzehnten routinemäßig als Mittel zur Beurteilung der Qualität und Gleichmäßigkeit einzelner Statorstäbe und Spulen eingesetzt. Die Prüfung des Verlustfaktors gehört zum breiten Spektrum der Messungen des dielektrischen Verlusts und wird allgemein auch als Tan-Delta- oder Leistungsfaktortest bezeichnet.

Der Leistungsfaktor ist der Kotangens des Verlustwinkels (delta), während der Verlustfaktor den Tangens darstellt. Bei niedrigen Werten des Verlustwinkels sind der Tangens und der Kotangens praktisch identisch. Je höher der dielektrische Verlust in einem Isoliermaterial ist, desto höher ist auch der Verlustfaktor. Defekte in einem Isoliersystem, wie Hohlräume und Delaminationen, führen zu Teilentladungen, die einen Verlustmechanismus darstellen.

Die Messung des Verlustfaktors kann daher zur Bestimmung des Hohlraumgehalts eines Isoliersystems verwendet werden. Im Gegensatz zu einer Teilentladungsprüfung enthält der Verlustfaktor auch Informationen über das gesamte Isoliersystem. Daher gibt es möglicherweise keine exakte Korrelation zwischen den Ergebnissen von Teilentladungsprüfungen und Verlustfaktormessungen. Häufig wird der Verlustfaktor bei zwei verschiedenen Spannungen ermittelt, z. B. bei 25 % und 100 % der Nennbetriebsspannung zwischen Leitung und Erde, um den Verlustfaktor Tip-up abzuleiten.

Bei der niedrigeren Spannung wird davon ausgegangen, dass das Isoliersystem keiner Teilentladung unterliegt. Daher wird der Kippfaktor als Mittel zur Unterscheidung zwischen Effekten, die auf die Masse zurückzuführen sind, und Defekten wie Hohlräumen verwendet. Diese Prüfung wird durch IEEE 286 und die kürzlich veröffentlichte IEC 60034-27-3 geregelt.

Beide Dokumente enthalten Richtlinien für die Durchführung der Prüfung; die IEC-Norm enthält jedoch auch Akzeptanzkriterien für einzelne Statorstäbe und -spulen, die von einigen als umstritten angesehen werden. Aufgrund der Komplikationen, die durch die Beanspruchung der Komponenten in Maschinen mit einer Nennspannung von 6,6 kV und mehr verursacht werden, gibt es keine derartigen Kriterien für Messungen, die an kompletten Statorwicklungen durchgeführt werden. Mit der weit verbreiteten Verfügbarkeit von Online- oder Offline-Teilentladungsmessungen wird diese Prüfung als Instandhaltungstest immer weniger genutzt.

Teilentladung

Offline-Teilentladungsmessungen werden eingesetzt, um Informationen über den Hohlraumgehalt des Isolationssystems zu erhalten. Im Gegensatz zu einer Verlustfaktormessung, bei der das Testergebnis räumlich gemittelt wird, ist eine Teilentladungsprüfung empfindlich für die Hohlräume mit den größten Abmessungen (die am meisten Anlass zur Sorge geben).

Wenn eine Online- oder Offline-Teilentladungsprüfung anomal hohe Teilentladungswerte anzeigt, kann eine Korona- (oder TVA-) Sondenprüfung eingesetzt werden, um den Ort dieser Aktivität zu ermitteln. Die Teilentladungsprüfung ist auch nützlich, um andere Defekte aufzudecken, wie z. B. Oberflächenverschmutzung und unzureichende Abstände zwischen den Phasen.

Die Identifizierung solcher Probleme, die in den Endwicklungsbereichen von Maschinen auftreten, wird durch den Einsatz zusätzlicher Techniken wie Korona- (Ultraviolett-) Kameras, Koronasonden und Ultraschallsonden erheblich erleichtert. Ausführliche Anleitungen zu Offline-Teilentladungsprüfverfahren sind in IEEE 1434 und IEC 60034-27 enthalten. Vergleicht man die Online-Teilentladungsprüfung mit ihrem Offline-Pendant, so bietet die Durchführung der Prüfung während des Betriebs der Maschine viele Vorteile. Dazu gehören:

• Die Spannungsverteilung ist korrekt
• Die Statorwicklung hat eine hohe Temperatur
• Die Spulen-/Stangenkräfte sind vorhanden

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es mehrere Defektmechanismen gibt, z. B. lose Wicklungen, die mit einer Offline-Teilentladungsprüfung nicht erkannt werden können. Außerdem sind die Ergebnisse von Offline-Messungen oft mit einer gewissen Vorsicht zu genießen, da sie im Vergleich zum Betriebszustand pessimistisch sein können. So werden z. B. Offline-TE-Prüfungen von wasserstoffgekühlten Maschinen fast ausnahmslos in Luft bei atmosphärischem Druck durchgeführt, was eine viel höhere TE ergibt.

Wenn man jedoch davon ausgeht, dass es sich bei diesen Ergebnissen um den ungünstigsten Fall handelt, sind die auf diese Weise gewonnenen Daten dennoch von Wert. Ein wesentlicher Vorteil der Offline-TE-Prüfung besteht darin, dass der Prüfer die Kontrolle über die angelegte Spannung hat. Folglich kann die Teilentladungsaktivität (falls vorhanden) trotz der stets vorhandenen elektrischen Hintergrundstörungen (die bei der Online-Prüfung ein erhebliches Problem darstellen) normalerweise beobachtet werden, wenn die angelegte Spannung variiert wird. Darüber hinaus können die Entladungseinleitungs- und -auslöschungsspannungen gemessen werden, die einen weiteren Aufschluss darüber geben, ob die Teilentladungsaktivität während des Betriebs wahrscheinlich ein Problem darstellt.

Zusammenfassung

Während die bisherigen Erfahrungen darauf hindeuten, dass Online-Zustandsüberwachungsmethoden wie die Teilentladung bei der Bereitstellung von Informationen über den Isolationszustand von Statorwicklungen wirksam sind, kommt der Offline-Prüfung nach wie vor eine wichtige Rolle zu. Neben der Verifizierung der Ergebnisse von Online-Prüfungen liefern Offline-Diagnosetests, insbesondere wenn mehr als eine Technik verwendet wird, zusätzliche Informationen, auf die sich Wartungsentscheidungen stützen können.