فيما يتعلق باختبار المحرك الكهربائي، فإن مؤشر الاستقطاب (PI) هو مقياس لمدى تحسن (أو تدهور) مقاومة نظام العزل بمرور الوقت.
على الرغم من أن اختبار PI يعتبر الاختبار الأساسي عند تقييم حالة عزل المحرك، إلا أن عمليته أصبحت قديمة مقارنة بطرق الاختبار الأحدث التي توفر تقييماً تشخيصياً أكثر شمولاً لحالة المحرك بشكل عام.
تقدم هذه المقالة فهماً عملياً لنظام عزل المحرك، وفهماً أساسياً لاختبار مؤشر الاستقطاب، وكيف توفر طرق اختبار المحركات الحديثة نتائج أكثر شمولاً في وقت أقل.
مؤشر الاستقطاب (pi)
إن اختبار مؤشر الاستقطاب (PI) هو طريقة اختبار قياسية لاختبار المحرك الكهربائي تم تطويرها في القرن التاسع عشر وتحاول تحديد سلامة عزل لفات المحرك.
في حين أن اختبار PI يوفر معلومات عن أنظمة عزل الجدار الأرضي (GWI) التي تم تركيبها عادةً قبل السبعينيات، إلا أنه يفشل في توفير حالة دقيقة لعزل اللف في المحركات الحديثة.
يتضمن اختبار PI تطبيق جهد التيار المستمر (عادةً 500 فولت – 1000 فولت) على لفائف المحرك لقياس فعالية نظام GWI لتخزين الشحنة الكهربائية.
نظرًا لأن نظام GWI يشكل سعة طبيعية بين لفات المحرك وإطار المحرك، فسيتم تخزين جهد التيار المستمر المطبق كشحنة كهربائية مثل أي مكثف.
عندما يصبح المكثف مشحونًا بالكامل، سينخفض التيار حتى لا يتبقى سوى تيار التسرب النهائي، وهو ما يحدد مقدار المقاومة التي يوفرها العازل للأرض.
في أنظمة العزل الجديدة والنظيفة، يتناقص تيار الاستقطاب بشكل لوغاريتمي مع مرور الوقت حيث يتم تخزين الإلكترونات. مؤشر الاستقطاب (PI) هو نسبة قيمة مقاومة العزل إلى الأرض (IRG) المأخوذة على فترات زمنية مدتها 1 و10 دقائق.
PI = 10 دقائق IRG/10 دقائق IRG/1 دقيقة IRG
في أنظمة العزل التي تم تركيبها قبل السبعينيات، يحدث اختبار PI أثناء استقطاب المادة العازلة.
إذا بدأ عازل الجدار الأرضي (GWI) في التدهور، فإنه يخضع لتغير كيميائي يجعل المادة العازلة أكثر مقاومة وأقل سعة، مما يقلل من ثابت العزل الكهربائي ويقلل من قدرة نظام العزل على تخزين الشحنة الكهربائية. يؤدي هذا إلى أن يصبح تيار الاستقطاب أكثر خطية عندما يقترب من النطاق الذي يسود فيه تيار التسرب.
ومع ذلك، في نظام العزل الأحدث بعد السبعينيات، ولأسباب مختلفة يحدث استقطاب كامل للمادة العازلة في أقل من دقيقة واحدة، وتكون قراءات IRG أعلى من 5000 ميجا أوم. قد لا يكون مؤشر PI المحسوب ذا معنى كمؤشر على حالة مؤشر الجدار الأرضي.
بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن هذا الاختبار ينشئ المجال الكهروستاتيكي بين اللفات وإطار المحرك، فإنه يوفر مؤشرًا ضئيلًا جدًا إن وجد على الإطلاق لحالة نظام عزل اللفات. أفضل مؤشر على هذه الأنواع من الأعطال من خلال استخدام قياسات MCA لزاوية الطور واستجابة التردد الحالي.
المواد العازلة
في المحركات الكهربائية، العازل هو المادة التي تقاوم التدفق الحر للإلكترونات، وتوجه التيار عبر المسار المطلوب وتمنعه من التسرب إلى مكان آخر.
من الناحية النظرية، يجب أن يمنع العازل كل تدفق التيار، ولكن حتى أفضل المواد العازلة تسمح بمرور كمية صغيرة من التيار. ويشار إلى هذا التيار الزائد عادةً بتيار التسرب.
في حين أنه من المقبول عمومًا أن العمر الافتراضي للمحركات يبلغ 20 عامًا، إلا أن فشل النظام العازل هو السبب الرئيسي لفشل المحركات الكهربائية قبل الأوان.
يبدأ النظام العازل في التدهور عندما يصبح العازل أكثر توصيلًا بسبب التغير في تركيبه الكيميائي. يتغير التركيب الكيميائي للعزل بمرور الوقت بسبب الاستخدام التدريجي و/أو الأضرار الأخرى. تيار التسرب مقاوم ويولد حرارة تؤدي إلى تدهور إضافي وسريع للعزل.
ملاحظة: صُممت معظم الأسلاك المطلية بالمينا لضمان عمر تشغيلي يصل إلى 20,000 ساعة في درجات الحرارة المقدرة (105 إلى 240 درجة مئوية).
أنظمة العزل
تحتوي المحركات والمعدات الكهربائية الأخرى ذات الملفات على نظامي عزل منفصلين ومستقلين.
تقوم أنظمة عزل الجدار الأرضي بفصل الملف عن إطار المحرك، مما يمنع تسرب الجهد الكهربائي المزود للملفات إلى قلب الجزء الثابت أو أي جزء من إطار المحرك. يسمى تعطل نظام العزل الأرضي للجدار الأرضي بالخلل الأرضي ويخلق خطراً على السلامة.
أنظمة عزل اللف عبارة عن طبقات من المينا التي تحيط بالسلك الموصل الذي يوفر التيار للملف بأكمله لإنشاء المجال المغناطيسي للجزء الثابت. يُطلق على انهيار نظام عزل اللف اسم قصر اللف ويضعف المجال المغناطيسي للملف.
مقاومة العزل للأرض (IRG)
الاختبار الكهربائي الأكثر شيوعًا الذي يتم إجراؤه على المحركات هو اختبار مقاومة العزل للأرض (IRG) أو “الاختبار الموضعي”.
من خلال تطبيق جهد التيار المستمر على لفائف المحرك، يحدد هذا الاختبار نقطة الحد الأدنى من المقاومة التي يقدمها عزل الجدار الأرضي لإطار المحرك.
القدرة الاستيعابية
تُعرف السعة (C)، التي تقاس بالفاراد، بأنها قدرة النظام على تخزين شحنة كهربائية. يتم تحديد سعة المحرك باستخدام المعادلة: 1 فاراد = كمية الشحنة المخزنة بالكولوم (Q) مقسومة على جهد الإمداد.
مثال: إذا كان الجهد المطبق هو بطارية 12 فولت وكان المكثف يخزن 0.04 كولوم من الشحنة، فستكون السعة 0.0033 فاراد أو 3.33 mF. كولوم واحد من الشحنة يساوي 6.24 × 1018 إلكترون أو بروتون تقريبًا. يخزن المكثف الذي تبلغ سعته 3.33 mF حوالي 2.08 X 1016 إلكترونًا عند شحنه بالكامل.
يتم إنشاء السعة عن طريق وضع مادة عازلة بين ألواح موصلة. في المحركات، تشكل أنظمة عزل الجدار الأرضي في المحركات سعة طبيعية بين لفات المحرك وإطار المحرك. تشكل موصلات اللف صفيحة واحدة ويشكل إطار المحرك الصفيحة الأخرى، مما يجعل الجدار الأرضي العازل هو المادة العازلة.
يعتمد مقدار السعة على:
مساحة السطح المقاسة للألواح – تتناسب السعة طرديًا مع مساحة الألواح.
المسافة بين اللوحين – تتناسب السعة عكسيًا مع المسافة بين اللوحين.
ثابت العزل الكهربائي – تتناسب السعة طرديًا مع ثابت العزل الكهربائي
السعة إلى الأرض (ctg)
يشير قياس السعة إلى الأرض (CTG) إلى نظافة اللفات والكابلات الخاصة بالمحرك.
نظرًا لأن الجدار الأرضي العازل (GWI) وأنظمة عزل اللف يشكلان سعة طبيعية للأرض، فإن كل محرك سيكون له سعة أرضية فريدة من نوعها عندما يكون المحرك جديدًا ونظيفًا.
إذا تلوثت لفات المحرك أو GWI، أو إذا كان المحرك ملوثًا، أو إذا كان المحرك به رطوبة في المحرك، فسوف يزداد CTG. ومع ذلك، إذا تعرض العازل الحراري للملف أو العازل اللولبي للتدهور الحراري، فسيصبح العازل أكثر مقاومة وأقل سعة مما يؤدي إلى انخفاض CTG.
مادة عازلة
المادة العازلة هي موصل ضعيف للكهرباء ولكنها تدعم المجال الكهروستاتيكي. في المجال الكهروستاتيكي، لا تتخلل الإلكترونات المادة العازلة وتتزاوج الجزيئات الموجبة والسالبة لتشكل ثنائيات الأقطاب (أزواج من الجزيئات المتضادة الشحنة التي تفصل بينها مسافة) وتستقطب (يصطف الجانب الموجب من ثنائي القطب في اتجاه الجهد السالب وتصطف الشحنة السالبة في اتجاه الجهد السالب).
ثابت العزل الكهربائي (k)
ثابت العزل الكهربائي (K) هو مقياس لقدرة المادة العازلة على تخزين الشحنة الكهربية عن طريق تكوين ثنائيات الأقطاب الكهربية، مقارنةً بالفراغ الذي يساوي K 1.
ويعتمد ثابت العزل الكهربائي للمادة العازلة على التركيب الكيميائي للجزيئات المدمجة لتكوين المادة.
يتأثر K من المادة العازلة بكثافة المادة ودرجة حرارتها ومحتواها من الرطوبة وتردد المجال الكهروستاتيكي.
فقدان العزل الكهربائي
تتمثل إحدى الخصائص المهمة للمواد العازلة في القدرة على دعم المجال الكهروستاتيكي، مع تبديد الحد الأدنى من الطاقة في شكل حرارة، وهو ما يُعرف بفقدان العزل الكهربائي.
الانهيار العازل الكهربائي
عندما يصبح الجهد الكهربي عبر مادة عازلة للكهرباء مرتفعًا جدًا مما يتسبب في أن يصبح المجال الكهروستاتيكي شديدًا جدًا، فإن المادة العازلة للكهرباء ستوصل الكهرباء ويشار إليها باسم الانهيار العازل. في المواد العازلة الصلبة، قد يكون هذا الانهيار دائمًا.
عندما يحدث الانهيار العازل الكهربائي، تخضع المادة العازلة لتغير في تركيبها الكيميائي وينتج عنه تغير في ثابت العزل الكهربائي.
التيارات المستخدمة مع مكثف الشحن
منذ عدة عقود مضت، تم إدخال اختبار مؤشر الاستقطاب (PI) لتقييم قدرة نظام العزل على تخزين الشحنة الكهربائية. نظرًا لوجود ثلاثة تيارات مختلفة بشكل أساسي، كما هو موضح أعلاه، في شحن المكثف.
تيار الشحن – التيار المتراكم على الألواح ويعتمد على مساحة الألواح والمسافة بينها. ينتهي تيار الشحن عادةً في < أكثر من دقيقة واحدة. سيكون مقدار الشحن هو نفسه بغض النظر عن حالة المادة العازلة.
تيار الاستقطاب – التيار المطلوب لاستقطاب المادة العازلة، أو محاذاة الثنائيات الناتجة عن وضع المادة العازلة في مجال كهروستاتيكي. عادةً مع أنظمة العزل المثبتة في المحركات (ما قبل السبعينيات) عندما تم تطوير اختبار مؤشر الاستقطاب، تكون القيمة الاسمية لنظام العزل الجديد والنظيف في نطاق 100 ميجا أوم (106) وتتطلب عادةً أكثر من 30 دقيقة وفي بعض الحالات عدة ساعات لإكمالها. ومع ذلك، مع نظام العزل الأحدث (ما بعد السبعينيات) ستكون القيمة الاسمية لنظام العزل الجديد والنظيف في جيجا أوم إلى تيرا أوم (109، 1012) وعادةً ما يتم استقطابها بالكامل قبل انتهاء تيار الشحن بالكامل.
تيار التسرب – التيار الذي يتدفق عبر المادة العازلة ويبدد الحرارة.
تيار الشحن
يحتوي المكثف غير المشحون على ألواح تشترك في عدد متساوٍ من الشحنات الموجبة والسالبة.
سيؤدي تطبيق مصدر تيار مستمر على لوحي مكثف غير مشحون إلى تدفق الإلكترونات من الجانب السالب للبطارية وتراكمها على اللوح المتصل بالقائم السالب للبطارية.
سيؤدي ذلك إلى توليد فائض من الإلكترونات على هذا اللوح.
سوف تتدفق الإلكترونات من اللوح المتصل بالعمود الموجب للبطارية وتتدفق إلى البطارية لتحل محل الإلكترونات المتراكمة على اللوح السالب. سيستمر التيار في التدفق حتى يصبح الجهد على الصفيحة الموجبة مماثلاً للجانب الموجب من البطارية، وسيصل الجهد عند الصفيحة السالبة إلى جهد الجانب السالب من البطارية.
يعتمد عدد الإلكترونات المنزاحة من البطارية إلى اللوحين على مساحة اللوحين والمسافة بينهما.
ويشار إلى هذا التيار بتيار الشحن، الذي لا يستهلك طاقة ويتم تخزينه في المكثف. تخلق هذه الإلكترونات المخزنة مجالًا كهروستاتيكيًا بين اللوحين.
تيار الاستقطاب
يؤدي وضع مادة عازلة بين اللوحين في المكثف إلى زيادة سعة المكثف بالنسبة إلى التباعد بين اللوحين في الفراغ.
عندما توضع المادة العازلة في مجال كهروستاتيكي، فإن ثنائيات القطب المتكونة حديثًا ستستقطب، وسيحاذي الطرف السالب من ثنائي القطب اللوحة الموجبة وسيحاذي الطرف الموجب من ثنائي القطب اللوحة السالبة. ويشار إلى ذلك بالاستقطاب.
وكلما زاد ثابت العزل الكهربائي للمادة العازلة، زاد عدد الإلكترونات المطلوبة، وبالتالي زادت سعة الدائرة.
تيار التسرب
ويشار إلى المقدار الصغير من التيار الذي يتدفق عبر المادة العازلة مع الحفاظ على خواصها العازلة باسم المقاومة الفعالة. ويختلف ذلك عن القوة العازلة التي تُعرّف بأنها أقصى جهد يمكن أن تتحمله المادة دون أن تتعطل.
عندما تتحلل المادة العازلة، تصبح أكثر مقاومة وأقل سعة، مما يزيد من تيار التسرب ويقلل من ثابت العزل الكهربائي. ينتج تيار التسرب حرارة ويعتبر فقدانًا للتيار العازل.
عامل التبدد
هي تقنية اختبار بديلة تستخدم إشارة تيار متردد لتمرين نظام عزل الجدران الأرضية (GWI). كما هو موضح أعلاه باستخدام إشارة تيار مستمر لاختبار GWI يتم مواجهة 3 تيارات مختلفة، ومع ذلك، فإن الأداة غير قادرة على التفريق بين التيارات بخلاف الوقت. ومع ذلك، من خلال تطبيق إشارة تيار متردد لاختبار GWI، من الممكن فصل التيارات المخزنة (تيار الشحن، تيار الاستقطاب) عن التيار المقاوم (تيار التسرب).
وبما أن كلاً من تياري الشحن والاستقطاب هما تياران مخزنان ويتم إرجاعهما إلى الدورة ½ المعاكسة فإن التيار يسبق الجهد بمقدار 90 درجة، في حين أن تيار التسرب وهو تيار مقاوم يبدد الحرارة ويكون التيار في الطور مع الجهد المطبق. معامل التبديد (DF) هو ببساطة نسبة التيار السعوي (IC) إلى التيار المقاوم (IR).
DF = IC / IR
في حالة العزل النظيف والجديد، عادةً ما تكون الأشعة تحت الحمراء < 5% من الأشعة تحت الحمراء من IC، إذا أصبحت المادة العازلة ملوثة أو تدهورت حراريًا إما أن تنخفض الأشعة تحت الحمراء أو تزداد الأشعة تحت الحمراء. في كلتا الحالتين سيزداد DF.
تحليل دائرة المحرك (MCA™)
تحليل دارة المحرك (MCA™)، والذي يشار إليه أيضًا باسم تقييم دارة المحرك (MCE)، هو طريقة اختبار غير مدمرة وغير نشطة تستخدم لتقييم سلامة المحرك. يتم بدء هذه العملية من مركز التحكم في المحرك (MCC) أو مباشرةً في المحرك نفسه، وتقوم هذه العملية بتقييم الجزء الكهربائي بالكامل من نظام المحرك، بما في ذلك التوصيلات والكابلات بين نقطة الاختبار والمحرك.
أثناء إيقاف تشغيل المحرك وعدم تشغيله، تستخدم أدوات مثل AT7 و AT34 من ALL-TEST Pro، MCA لتقييم:
- الأعطال الأرضية
- أعطال اللف الداخلية
- اتصالات مفتوحة
- أعطال الدوار
- التلوث
من السهل جداً إجراء اختبار المحرك باستخدام أدوات MCA™، ويستغرق الاختبار أقل من ثلاث دقائق، مقارنةً باختبار مؤشر الاستقطاب الذي يستغرق عادةً أكثر من 10 دقائق لإكماله.
كيف يعمل تحليل دائرة المحرك؟
يتكون الجزء الكهربائي من نظام المحرك ثلاثي الأطوار من دوائر مقاومة وسعوية واستقرائية. عند تطبيق جهد منخفض، يجب أن تستجيب الدوائر السليمة بطريقة معينة.
تطبق أدوات تحليل دائرة المحرك ALL-TEST Pro سلسلة من إشارات التيار المتردد الجيبية ذات الجهد المنخفض وغير المدمرة وغير المدمرة عبر المحرك لقياس استجابة هذه الإشارات. يستغرق هذا الاختبار المنزوع الطاقة بضع دقائق فقط ويمكن إجراؤه بواسطة فني مبتدئ.
مقاييس MCA:
- المقاومة
- المعاوقة
- الحث
- في (زاوية الطور)
- عامل التبديد
- العزل إلى الأرضي
- I/F (استجابة التردد الحالي)
- اختبار القيمة الثابتة للاختبار (TVS)
- التوقيعات الديناميكية للجزء الثابت والدوار
وينطبق على:
- محركات التيار المتردد/ التيار المستمر
- محركات الجر بالتيار المتردد/التيار المستمر
- المولدات/المولدات الكهربائية
- محركات أدوات الماكينات
- المحركات المؤازرة
- محولات التحكم
- محولات النقل والتوزيع
ملخص
خلال القرن التاسع عشر، كان اختبار مؤشر الاستقطاب طريقة فعالة لتحديد الحالة العامة للمحرك. ومع ذلك، فقد أصبحت أقل فعالية مع أنظمة العزل الحديثة.
في حين أن اختبار PI يستغرق وقتًا طويلاً (أكثر من 15 دقيقة) وغير قادر على تحديد ما إذا كان العطل في اللف أو في عزل الجدار الأرضي، فإن التقنيات الحديثة، مثل تحليل دوائر المحرك (MCATM)، تحدد مشاكل التوصيل ومن دورة إلى دورة ومن ملف إلى ملف ومن مرحلة إلى مرحلة تطور أعطال اللف في مراحل مبكرة جدًا مع اكتمال الاختبارات في أقل من 3 دقائق.
توفر التقنيات الأخرى، مثل DF و CTG و IRG، حالة نظام عزل الجدران الأرضية في الاختبارات التي يتم إنجازها في أقل وقت ممكن أيضًا.
من خلال الجمع بين التقنيات الجديدة، مثل MCA، وDF، وCTG، وIRG، توفر طرق اختبار المحركات الكهربائية الحديثة تقييمًا أكثر شمولاً ودقة لنظام عزل المحرك بالكامل بشكل أسرع وأسهل من أي وقت مضى.
