전기 모터 테스트와 관련하여 편광 지수(PI)는 시간이 지남에 따라 절연 시스템 저항이 얼마나 개선(또는 저하)되는지를 측정하는 척도입니다.
PI 테스트는 모터의 절연 상태를 평가할 때 주요 테스트로 간주되어 왔지만, 모터의 전반적인 상태를 보다 포괄적으로 진단 평가하는 최신 테스트 방법에 비해 프로세스가 구식이 되었습니다.
이 문서에서는 모터의 절연 시스템에 대한 실질적인 이해, 편광 지수 테스트에 대한 기본적인 이해, 최신 모터 테스트 방법이 짧은 시간에 더 포괄적인 결과를 제공하는 방법에 대해 설명합니다.
편광 지수(PI)
편광 지수(PI) 테스트는 1800년대에 개발된 표준 전기 모터 테스트 방법으로, 모터의 권선 절연 상태를 파악하기 위해 사용됩니다.
PI 테스트는 일반적으로 1970년대 이전에 설치된 접지 벽 절연(GWI) 시스템에 대한 정보를 제공하지만, 최신 모터의 권선 절연 상태에 대한 정확한 정보를 제공하지 못합니다.
PI 테스트에는 모터의 권선에 DC 전압(일반적으로 500V~1000V)을 인가하여 전하를 저장하는 GWI 시스템의 효율성을 측정하는 작업이 포함됩니다.
GWI 시스템은 모터 권선과 모터 프레임 사이에 자연 정전 용량을 형성하므로 인가된 DC 전압은 다른 커패시터와 동일하게 전하로 저장됩니다.
커패시터가 완전히 충전되면 전류가 감소하여 최종 누설 전류만 남게 되고, 이 전류는 절연체가 접지에 제공하는 저항의 양을 결정합니다.
새롭고 깨끗한 절연 시스템에서는 전자가 저장되는 동안 편광 전류가 시간이 지남에 따라 대수적으로 감소합니다. 편광 지수(PI)는 1분 및 10분 간격으로 측정한 접지 대비 절연 저항(IRG) 값의 비율입니다.
PI = 10분 IRG/1분 IRG
1970년대 이전에 설치된 절연 시스템에서는 유전체 재료가 분극되는 동안 PI 테스트가 이루어집니다.
접지벽 절연(GWI)이 열화되기 시작하면 화학적 변화를 일으켜 유전체 재료의 저항이 높아지고 정전 용량이 감소하여 유전 상수가 낮아지고 절연 시스템의 전하 저장 능력이 저하됩니다. 이로 인해 누설 전류가 우세한 범위에 가까워질수록 편광 전류가 더욱 선형적이 됩니다.
그러나 1970년대 이후의 최신 절연 시스템에서는 여러 가지 이유로 인해 유전체 재료의 전체 분극이 1분 이내에 발생하고 IRG 수치가 5,000메가옴을 초과합니다. 계산된 PI는 접지 벽 표시의 상태를 나타내는 지표로서 의미가 없을 수 있습니다.
또한 이 테스트는 권선과 모터 프레임 사이에 정전기장을 생성하기 때문에 권선 절연 시스템의 상태를 거의 알려주지 않습니다. 위상각과 전류 주파수 응답의 MCA 측정을 통해 이러한 유형의 오류를 가장 잘 파악할 수 있습니다.
단열재
전기 모터에서 절연은 전자의 자유로운 흐름에 저항하여 전류를 원하는 경로로 흐르게 하고 다른 곳으로 빠져나가지 못하게 하는 물질입니다.
이론적으로는 절연이 모든 전류 흐름을 차단해야 하지만, 아무리 좋은 절연 재료라도 소량의 전류는 통과할 수 있습니다. 이 초과 전류를 일반적으로 누설 전류라고 합니다.
일반적으로 모터의 수명은 20년으로 알려져 있지만, 절연 시스템의 고장은 전기 모터가 조기에 고장 나는 주요 원인입니다.
단열 시스템은 화학 성분의 변화로 인해 단열재의 전도성이 떨어지면 성능이 저하되기 시작합니다. 단열재의 화학 성분은 시간이 지남에 따라 점진적인 사용 및/또는 기타 손상으로 인해 변화합니다. 누설 전류는 저항성을 가지며 열을 발생시켜 단열재의 추가적이고 빠른 성능 저하를 초래합니다.
참고: 대부분의 에나멜 전선은 정격 온도(105~240°C)에서 20,000시간의 서비스 수명을 보장하도록 설계되었습니다.
단열 시스템
코일이 있는 모터 및 기타 전기 장비에는 2개의 분리된 독립적인 절연 시스템이 있습니다.
접지 벽 절연 시스템은 코일을 모터 프레임에서 분리하여 권선에 공급되는 전압이 고정자 코어 또는 모터 프레임의 어느 부분으로도 빠져나가지 않도록 합니다. 접지 벽 절연 시스템의 고장을 접지 오류라고 하며 안전 위험을 초래합니다.
권선 절연 시스템은 고정자 자기장을 생성하기 위해 전체 코일에 전류를 공급하는 전도성 와이어를 둘러싸는 에나멜 층입니다. 권선 절연 시스템의 고장을 권선 단락이라고 하며 코일의 자기장을 약화시킵니다.
접지에 대한 절연 저항(IRG)
모터에 대해 수행되는 가장 일반적인 전기 테스트는 접지에 대한 절연 저항(IRG) 테스트 또는 “스팟 테스트”입니다.
이 테스트는 모터 권선에 DC 전압을 인가하여 접지 벽 절연이 모터 프레임에 제공하는 최소 저항 지점을 결정합니다.
용량
커패시턴스(C)는 패럿 단위로 측정되며, 전하를 저장할 수 있는 시스템의 능력으로 정의됩니다. 모터의 커패시턴스는 다음 공식을 사용하여 구할 수 있습니다: 1패럿 = 쿨롱에 저장된 전하량(Q)을 공급 전압으로 나눈 값입니다.
예시: 인가 전압이 12V 배터리이고 커패시터가 0.04 쿨롱의 전하를 저장하는 경우 커패시턴스는 0.0033 패럿 또는 3.33mF가 됩니다. 하나의 전하량은 약 6.24 x 1018개의 전자 또는 양성자입니다. 3.33mF 커패시터는 완전히 충전되었을 때 약 2.08 X 1016개의 전자를 저장할 수 있습니다.
정전 용량은 전도성 플레이트 사이에 유전체 재료를 배치하여 생성됩니다. 모터에서 접지 벽 절연 시스템은 모터 권선과 모터 프레임 사이에 자연 정전 용량을 형성합니다. 권선 도체가 한 판을 형성하고 모터 프레임이 다른 판을 형성하여 접지 벽 절연체가 유전체 재료가 됩니다.
커패시턴스의 양은 다음에 따라 다릅니다:
측정된 플레이트의 표면적 – 커패시턴스는 플레이트의 면적에 정비례합니다.
플레이트 사이의 거리 – 커패시턴스는 플레이트 사이의 거리에 반비례합니다.
유전 상수 – 정전 용량은 유전 상수에 정비례합니다.
접지 커패시턴스(CTG)
CTG(커패시턴스 대 접지) 측정은 모터의 권선 및 케이블의 청결도를 나타냅니다.
접지 벽 절연(GWI)과 권선 절연 시스템은 접지에 대한 자연 정전 용량을 형성하기 때문에 모터가 새롭고 깨끗한 경우 각 모터는 고유한 CTG를 갖게 됩니다.
모터 권선 또는 GWI가 오염되었거나 모터에 습기가 유입되면 CTG가 증가합니다. 그러나 GWI 또는 권선 절연이 열 성능 저하를 겪으면 절연의 저항이 커지고 정전 용량이 줄어들어 CTG가 감소합니다.
유전체 재료
유전체는 전기가 잘 통하지 않지만 정전기장을 지지하는 물질입니다. 정전기장에서는 전자가 유전체 물질을 투과하지 못하고 양전하와 음전하 분자가 쌍극자(거리에 따라 분리된 반대 전하를 띤 분자 쌍)를 형성하고 극성화(쌍극자의 양극은 음전위를 향해 정렬하고 음전하는 음전위를 향해 정렬)됩니다.
유전 상수(K)
유전 상수(K)는 유전체 재료가 쌍극자를 형성하여 전하를 저장하는 능력을 측정하는 척도로, K가 1인 진공을 기준으로 합니다.
절연 재료의 유전 상수는 재료를 형성하기 위해 결합된 분자의 화학적 구성에 따라 달라집니다.
유전체 재료의 K는 재료의 밀도, 온도, 수분 함량 및 정전기장의 주파수에 의해 영향을 받습니다.
유전체 손실
유전체 재료의 중요한 특성은 정전기장을 지지하는 동시에 유전체 손실이라고 하는 열의 형태로 최소한의 에너지를 발산하는 능력입니다.
유전체 고장
유전체 재료의 전압이 너무 높아져 정전기장이 너무 강해지면 유전체 재료가 전기를 전도하게 되는데, 이를 유전체 파괴라고 합니다. 고체 유전체 재료의 경우 이러한 고장은 영구적일 수 있습니다.
유전체 파괴가 발생하면 유전체 재료는 화학적 구성에 변화를 겪게 되고 유전 상수가 변경됩니다.
충전 커패시터에 사용되는 전류
수십 년 전, 절연 시스템이 전하를 저장하는 능력을 평가하기 위해 편광 지수 테스트(PI)가 도입되었습니다. 위에서 설명한 대로 커패시터를 충전하는 데는 기본적으로 세 가지 전류가 필요하기 때문입니다.
충전 전류 – 플레이트에 축적되는 전류로, 플레이트의 면적과 플레이트 사이의 거리에 따라 달라집니다. 충전 전류는 일반적으로 < 1분 이내에 종료됩니다. 충전량은 단열재의 상태에 관계없이 동일합니다.
편광 전류 – 유전체 재료를 편광하거나 유전체 재료를 정전기장에 배치하여 생성된 다이폴을 정렬하는 데 필요한 전류입니다. 일반적으로 편광 지수 테스트가 개발될 당시 모터에 설치된 절연 시스템(1970년대 이전)의 경우 새롭고 깨끗한 절연 시스템의 공칭 값은 100메가옴(106) 범위였으며, 일반적으로 완료하는 데 30분 이상, 경우에 따라 수 시간이 걸렸습니다. 그러나 최신 절연 시스템(1970년대 이후)의 경우 새롭고 깨끗한 절연 시스템의 공칭 값은 기가옴에서 테라옴(109, 1012)이며 일반적으로 충전 전류가 완전히 끝나기 전에 완전히 분극화됩니다.
누설 전류 – 단열재를 가로질러 흐르며 열을 발산하는 전류입니다.
충전 전류
충전되지 않은 커패시터에는 양전하와 음전하가 같은 수의 플레이트가 있습니다.
충전되지 않은 커패시터의 플레이트에 DC 소스를 적용하면 전자가 배터리의 음극 쪽에서 흘러 배터리의 음극 포스트에 연결된 플레이트에 축적됩니다.
이렇게 하면 이 플레이트에 과도한 전자가 생성됩니다.
전자는 배터리의 양극 포스트에 연결된 플레이트에서 흘러나와 배터리로 유입되어 음극 플레이트에 축적된 전자를 대체합니다. 양극판의 전압이 배터리 양극과 같아지고 음극판의 전압이 배터리 음극의 전위에 도달할 때까지 전류가 계속 흐르게 됩니다.
배터리에서 판으로 이동하는 전자의 수는 판의 면적과 판 사이의 거리에 따라 달라집니다.
이 전류를 충전 전류라고 하며, 에너지를 소비하지 않고 커패시터에 저장됩니다. 이렇게 저장된 전자는 플레이트 사이에 정전기장을 생성합니다.
편광 전류
커패시터의 플레이트 사이에 유전체 재료를 배치하면 진공 상태의 플레이트 간격에 비해 커패시터의 정전 용량이 증가합니다.
유전체 물질을 정전기장에 놓으면 새로 형성된 쌍극자가 분극되어 쌍극자의 음극 끝은 양극판과 정렬되고 쌍극자의 양극 끝은 음극판을 향해 정렬됩니다. 이를 양극화라고 합니다.
유전체 재료의 유전 상수가 높을수록 더 많은 수의 전자가 필요하므로 회로의 커패시턴스가 증가합니다.
누설 전류
절연 특성을 유지하면서 유전체를 가로질러 흐르는 소량의 전류를 유효 저항이라고 합니다. 이는 재료가 고장 없이 견딜 수 있는 최대 전압으로 정의되는 절연 내력과는 다릅니다.
절연 재료의 성능이 저하되면 저항이 높아지고 정전 용량이 감소하여 누설 전류가 증가하고 유전 상수가 감소합니다. 누설 전류는 열을 발생시키며 유전체 손실로 간주됩니다.
소산 계수
AC 신호를 사용하여 접지벽 절연(GWI) 시스템을 실행하는 대체 테스트 기법입니다. 위에서 설명한 대로 DC 신호를 사용하여 GWI를 테스트하면 3가지 다른 전류가 발생하지만, 계측기는 시간 이외의 전류를 구분할 수 없습니다. 그러나 AC 신호를 적용하여 GWI를 테스트하면 저장된 전류(충전 전류, 분극 전류)와 저항 전류(누설 전류)를 분리할 수 있습니다.
충전 전류와 분극 전류는 모두 저장 전류이며 반대쪽 ½ 사이클에서 전류가 전압을 90° 리드하는 반면, 열을 발산하는 저항 전류인 누설 전류는 인가 전압과 동상입니다. 손실 계수(DF)는 단순히 용량성 전류(IC)와 저항성 전류(IR)의 비율입니다.
DF = IC/IR
깨끗하고 새 단열재의 경우 일반적으로 IR은 IC의 < 5%이며, 단열재가 오염되거나 열적으로 성능이 저하되면 IC가 감소하거나 IR이 증가합니다. 두 경우 모두 DF가 증가합니다.
모터 회로 분석(MCA™)
모터 회로 평가(MCE)라고도 하는 모터 회로 분석(MCA™)은 모터의 상태를 평가하는 데 사용되는 무전원 비파괴 테스트 방법입니다. 모터 제어 센터(MCC)에서 시작하거나 모터 자체에서 직접 시작되는 이 프로세스는 테스트 지점과 모터 사이의 연결 및 케이블을 포함하여 모터 시스템의 전체 전기 부분을 평가합니다.
모터가 꺼져 있고 전원이 공급되지 않는 동안 ALL-TEST Pro의 AT7 및 AT34와 같은 도구는 MCA를 사용하여 평가합니다:
- 접지 오류
- 내부 와인딩 결함
- 연결 열기
- 로터 결함
- 오염
MCA™ 도구를 사용한 모터 테스트는 매우 쉽게 구현할 수 있으며, 일반적으로 10분 이상 걸리는 편광 지수 테스트에 비해 3분 이내에 완료할 수 있습니다.
모터 회로 분석은 어떻게 작동하나요?
3상 모터 시스템의 전기 부분은 저항성, 용량성 및 유도성 회로로 구성됩니다. 저전압이 가해지면 정상적인 회로는 특정 방식으로 반응해야 합니다.
ALL-TEST Pro 모터 회로 분석 도구는 모터를 통해 일련의 저전압, 비파괴, 정현파 AC 신호를 적용하여 이러한 신호의 응답을 측정합니다. 이 무전원 테스트는 몇 분 밖에 걸리지 않으며 초급 기술자도 수행할 수 있습니다.
MCA 조치:
- 저항
- 임피던스
- 인덕턴스
- Fi(위상각)
- 소산 계수
- 접지 절연
- I/F(전류 주파수 응답)
- 정적 테스트 값(TVS)
- 동적 스테이터 및 로터 시그니처
그리고 적용 대상은 다음과 같습니다:
- AC/DC 모터
- AC/DC 트랙션 모터
- 제너레이터/알터네이터
- 공작 기계 모터
- 서보 모터
- 변압기 제어
- 송전 및 배전 변압기
요약
1800년대에는 편광 지수 테스트가 모터의 전반적인 상태를 파악하는 효과적인 방법이었습니다. 그러나 최신 단열 시스템으로 인해 그 효과는 떨어지고 있습니다.
PI 테스트는 시간이 오래 걸리고(15분 이상) 결함이 권선 또는 접지벽 절연에 있는지 확인할 수 없지만, 모터 회로 분석(MCATM)과 같은 최신 기술은 3분 이내에 테스트를 완료하여 연결 문제, 턴 투 턴, 코일 대 코일 및 위상 간 발전 권선 결함을 매우 초기 단계에서 식별할 수 있습니다.
DF, CTG 및 IRG와 같은 다른 기술도 최소한의 시간으로 완료된 테스트에서 지상벽 단열 시스템의 상태를 제공합니다.
최신 전기 모터 테스트 방법은 MCA, DF, CTG 및 IRG와 같은 새로운 기술을 결합하여 이전보다 훨씬 더 빠르고 쉽게 전체 모터의 절연 시스템을 포괄적이고 철저하게 평가할 수 있습니다.
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