Межвитковое замыкание — одна из наиболее опасных неисправностей обмоток электрических машин. На начальной стадии двигатель может продолжать работать, не вызывая срабатывания защиты и не демонстрируя очевидного короткого замыкания. Однако внутри поврежденной катушки уже протекает значительный локальный ток, который быстро нагревает проводники, разрушает изоляцию соседних витков и постепенно переводит локальный дефект в полное повреждение обмотки.
Межвитковое замыкание может возникнуть в обмотке статора, ротора, якоря, обмотке возбуждения двигателя постоянного тока, генератора или трансформатора. Чаще всего причиной становится не одно событие, а сочетание теплового старения, загрязнения, вибрации, перенапряжений, недостаточной пропитки и нарушений технологии ремонта.
01
Короткий ответ
Межвитковое замыкание возникает, когда изоляция между двумя или несколькими соседними витками обмотки теряет электрическую прочность.
Основными причинами являются:
длительный перегрев обмотки;
старение и высыхание изоляционных материалов;
локальные перенапряжения;
импульсы от преобразователя частоты;
механическое перемещение проводников в пазах;
вибрация катушек и лобовых частей;
повреждение эмали провода во время намотки;
недостаточная или неравномерная пропитка;
загрязнение, влага, масло и токопроводящая пыль;
частые пуски и высокие пусковые токи;
перегрузка двигателя;
неравномерное охлаждение;
частичные разряды в высоковольтных обмотках;
дефекты после ремонта или перемотки;
ослабление крепления обмотки;
старение изоляции под действием температурных циклов.
После пробоя изоляции часть витков образует замкнутый контур. В этом контуре индуцируется значительный ток, который не проходит через внешние защитные аппараты в полном объеме. Из-за этого дефект может развиваться очень быстро, даже если фазный ток двигателя увеличился незначительно.
02
Что такое межвитковое замыкание
Обмотка электродвигателя состоит из проводников, уложенных в виде витков и катушек. Каждый виток электрически изолирован от соседних витков слоем эмали, ленточной изоляцией или комбинированной системой изоляционных материалов.
Межвитковое замыкание возникает, когда два соседних витка или несколько витков одной катушки начинают контактировать между собой без необходимого изоляционного слоя.
В результате часть обмотки фактически исключается из нормальной электрической схемы. Замкнутые витки превращаются в короткозамкнутый контур, в котором магнитное поле индуцирует высокий циркулирующий ток.
Такой ток:
локально нагревает проводники;
ускоряет разрушение эмали;
обугливает изоляцию;
повреждает соседние витки;
изменяет индуктивность катушки;
создает асимметрию магнитного поля;
увеличивает ток поврежденной фазы;
может вызвать межфазное замыкание или пробой на корпус.
03
Чем межвитковое замыкание отличается от других повреждений
Необходимо различать несколько типов неисправностей обмотки.
Межвитковое замыкание
Замыкание между витками одной катушки или одной части обмотки.
Межкатушечное замыкание
Электрический контакт между разными катушками одной фазы.
Межфазное замыкание
Пробой изоляции между обмотками разных фаз.
Замыкание на корпус
Контакт токопроводящей части обмотки с заземленным магнитопроводом, корпусом или другой металлической деталью.
Обрыв обмотки
Полное или частичное нарушение электрической цепи проводника, соединения или вывода.
Межвитковый дефект часто является начальной стадией более серьезной аварии. Сначала повреждается несколько витков, затем зона перегрева расширяется, после чего может возникнуть межфазное замыкание или пробой обмотки на корпус.
04
Как развивается межвитковое замыкание
Процесс повреждения обычно проходит несколько этапов.
1. Ослабление изоляции
Изоляция между витками теряет эластичность, механическую прочность или электрическую стойкость.
Причиной могут быть:
перегрев;
старение;
вибрация;
загрязнение;
влага;
перенапряжение;
технологический дефект.
2. Появление локального пробоя
Между двумя витками возникает кратковременный электрический разряд или непосредственный контакт проводников.
На этом этапе дефект может проявляться лишь во время:
пуска;
нагрева двигателя;
резкого наброса нагрузки;
импульса напряжения;
работы от преобразователя частоты.
3. Образование замкнутого контура
Поврежденные витки формируют контур с очень малым сопротивлением. В нем возникает значительный циркулирующий ток.
4. Локальный перегрев
Из-за тока в короткозамкнутых витках температура резко повышается. При этом общая температура корпуса или даже средняя температура обмотки еще может оставаться допустимой.
5. Расширение повреждения
Нагрев разрушает изоляцию соседних проводников. Количество замкнутых витков увеличивается.
6. Полное повреждение обмотки
Дефект переходит в:
межкатушечное замыкание;
межфазное замыкание;
пробой на корпус;
прогар паза;
повреждение сердечника статора;
срабатывание максимальной токовой или дифференциальной защиты.
05
Основные причины межвиткового замыкания
01
Длительный перегрев обмотки
Повышенная температура является одной из главных причин ускоренного старения изоляции.
Во время перегрева изоляционные материалы:
теряют эластичность;
становятся хрупкими;
растрескиваются;
отслаиваются от проводника;
теряют электрическую прочность;
хуже выдерживают вибрацию и импульсные напряжения.
Особенно опасен не только сильный разовый перегрев, но и длительная работа при температуре, систематически превышающей расчетную для соответствующего класса изоляции.
Причинами перегрева могут быть:
перегрузка;
заниженное напряжение;
перекос фаз;
обрыв фазы;
загрязнение вентиляционных каналов;
неисправность вентилятора;
частые пуски;
заклинивание механизма;
неправильный режим работы;
недостаточная мощность двигателя для фактической нагрузки.
02
Естественное старение изоляции
Даже при нормальных условиях изоляция постепенно стареет.
На ее состояние влияют:
время эксплуатации;
рабочая температура;
количество пусков;
температурные циклы;
влажность;
вибрация;
химическая среда;
качество исходного изготовления.
Со временем эмаль провода и пропиточный состав могут стать жесткими и хрупкими. При механическом перемещении проводников появляются микротрещины, которые постепенно превращаются в электрический пробой.
03
Частые пуски двигателя
Во время прямого пуска ток двигателя может в несколько раз превышать номинальный.
Каждый пуск сопровождается:
резким нагревом проводников;
электродинамическими силами;
механическим рывком обмотки;
перемещением лобовых частей;
дополнительной нагрузкой на межвитковую изоляцию.
Если двигатель запускается чаще, чем предусмотрено конструкцией, изоляция не успевает остыть, а механические нагрузки накапливаются.
Особенно опасны:
затяжные пуски;
пуски под большой нагрузкой;
повторные пуски без достаточной паузы;
пуск при пониженном напряжении;
пуск механизма с заклиниванием или повышенным моментом сопротивления.
04
Импульсные перенапряжения
Межвитковая изоляция рассчитана на значительно меньшую разность потенциалов, чем изоляция между фазой и корпусом. Однако крутые импульсы напряжения могут распределяться по виткам неравномерно.
Наибольшая нагрузка часто приходится на первые витки катушки у вывода.
Источниками импульсов могут быть:
коммутация контакторов;
вакуумные выключатели;
аварийные процессы в сети;
грозовые перенапряжения;
неправильное заземление;
длинные кабельные линии;
работа от преобразователя частоты;
отражение волн в кабеле;
высокие значения скорости нарастания напряжения.
Кратковременный импульс не всегда сразу приводит к устойчивому замыканию. Сначала он может вызвать микропробой, частичный разряд или локальное повреждение эмали, которое в дальнейшем развивается под действием температуры и вибрации.
05
Работа двигателя от преобразователя частоты
Преобразователь частоты формирует напряжение с помощью быстрых полупроводниковых переключений. На клеммах двигателя возникают импульсы с высокой скоростью нарастания напряжения.
Нагрузка на межвитковую изоляцию увеличивается при:
большой длине кабеля между преобразователем и двигателем;
высокой частоте коммутации;
отсутствии выходного дросселя;
отсутствии du/dt-фильтра или синусного фильтра;
неправильном выборе кабеля;
плохом заземлении;
использовании старого двигателя, не рассчитанного на инверторное питание.
На практике двигатель может годами работать от сети без явных проблем, но после подключения к частотному преобразователю ослабленная изоляция быстро разрушается.
06
Механическое перемещение проводников в пазу
На обмотку действуют электромагнитные силы, которые изменяются с частотой тока и зависят от нагрузки двигателя.
Если катушки недостаточно закреплены, проводники могут:
вибрировать;
тереться друг о друга;
перемещаться относительно пазовой изоляции;
ударяться о клинья;
повреждать эмаль;
деформироваться при пусковых токах.
Причинами перемещения могут быть:
ослабление пазовых клиньев;
усадка пропиточного материала;
недостаточная плотность укладки;
неправильное расклинивание;
старение бандажей;
слабое крепление лобовых частей;
электродинамические удары при коротких замыканиях.
Механическое истирание изоляции особенно опасно тем, что дефект может быть локальным и незаметным при обычном измерении сопротивления изоляции.
07
Вибрация лобовых частей обмотки
Лобовые части катушек расположены вне пазов и испытывают значительные электродинамические силы.
При ослаблении крепления они могут:
колебаться;
тереться между собой;
касаться металлических деталей;
повреждать дистанционные прокладки;
перетирать межвитковую или межкатушечную изоляцию.
Признаками могут быть:
белая или черная пыль в зоне лобовых частей;
следы трения;
ослабленные бандажи;
трещины пропиточного лака;
характерный шум;
локальные следы перегрева.
08
Повреждение провода во время намотки
Межвитковый дефект может быть заложен еще во время изготовления или перемотки обмотки.
К типичным причинам относятся:
чрезмерное натяжение провода;
резкий перегиб;
контакт с острой кромкой;
поврежденный направляющий ролик;
загрязненное намоточное оборудование;
падение катушки;
неправильное формирование;
удары по проводникам;
использование инструмента с острыми гранями;
протягивание провода через поврежденную оснастку.
При этом эмаль может быть частично повреждена, но контакт между проводниками возникнет лишь после пропитки, сушки, укладки в паз или нескольких циклов нагрева.
09
Повреждение обмотки во время укладки в пазы
Даже правильно намотанная катушка может быть повреждена во время монтажа.
Опасны:
острые края пазов;
заусенцы на сердечнике;
поврежденная пазовая изоляция;
чрезмерное уплотнение;
удары молотком без защитной оснастки;
неправильный размер катушки;
перекручивание проводников;
протягивание катушки с чрезмерным усилием;
повреждение во время установки клиньев.
Особое внимание необходимо уделять выходу проводников из паза, где одновременно действуют механические напряжения, вибрация и электрическое поле.
10
Недостаточная пропитка обмотки
Пропиточный материал выполняет несколько функций:
закрепляет проводники;
заполняет воздушные полости;
улучшает теплопередачу;
защищает от влаги;
снижает вибрацию;
повышает электрическую прочность изоляционной системы.
При недостаточной пропитке внутри обмотки остаются полости. Проводники могут перемещаться, а в полостях высоковольтных обмоток могут возникать частичные разряды.
Причинами некачественной пропитки являются:
неподходящая вязкость лака;
недостаточное время выдержки;
неправильная температура;
загрязненная обмотка;
остаточная влага;
нарушение вакуумного цикла;
недостаточное давление;
неправильный режим полимеризации;
несовместимость материалов;
повторное использование деградированного пропиточного состава.
11
Полости и дефекты изоляционной системы
В толще изоляции могут оставаться:
воздушные включения;
непропитанные участки;
складки ленты;
расслоения;
трещины;
посторонние частицы;
нарушения перекрытия изоляционных слоев.
В высоковольтных машинах такие дефекты создают зоны повышенной напряженности электрического поля. В них могут возникать частичные разряды, которые постепенно разрушают изоляцию.
12
Частичные разряды
Частичный разряд — локальный электрический разряд, который не перекрывает всю изоляцию между проводниками, но повреждает отдельный участок изоляционной системы.
Повторяющиеся частичные разряды:
разрушают органические материалы;
образуют каналы эрозии;
вызывают локальное обугливание;
ускоряют старение;
постепенно снижают электрическую прочность.
Этот механизм особенно характерен для высоковольтных двигателей и генераторов, формованных катушек и оборудования, работающего при значительных электрических нагрузках.
Измерение частичных разрядов применяют для выявления раннего разрушения изоляции, связанного с дефектами, загрязнением и старением.
13
Влага
Влага снижает сопротивление изоляции и способствует развитию поверхностных и внутренних разрядов.
Она может попадать в двигатель через:
конденсацию;
длительное хранение;
работу в сыром помещении;
поврежденные уплотнения;
затопление;
мойку оборудования;
перепады температуры;
неисправность подогревателей.
Особенно опасен пуск холодного двигателя, внутри которого образовался конденсат.
Сама влага не всегда сразу вызывает межвитковое замыкание, но значительно ускоряет разрушение уже ослабленной изоляции.
14
Масло, пыль и химическое загрязнение
На обмотку могут попадать:
угольная пыль;
металлическая пыль;
графитовая пыль;
цементная пыль;
масло;
технологические аэрозоли;
соли;
кислоты;
щелочи;
продукты коррозии.
Загрязнение ухудшает охлаждение, удерживает влагу и создает токопроводящие дорожки.
На предприятиях металлургии, горнодобывающей, цементной и химической промышленности загрязнение часто действует одновременно с вибрацией и повышенной температурой.
15
Перегрузка двигателя
При перегрузке фазный ток увеличивается, а потери в меди обмотки растут примерно пропорционально квадрату тока.
Даже относительно небольшое превышение тока при длительной работе может существенно повысить температуру обмотки.
Причинами перегрузки могут быть:
неправильный выбор мощности;
заклинивание механизма;
изношенные подшипники;
нарушение центровки;
чрезмерное натяжение ремней;
перегрузка насоса или вентилятора;
повышение плотности или вязкости среды;
работа с частыми ускорениями;
неправильные настройки преобразователя частоты.
16
Асимметрия напряжения
Даже небольшая асимметрия фазных напряжений может вызвать значительно большую асимметрию токов.
В результате одна из фаз работает с повышенным током и нагревается сильнее остальных.
Причинами являются:
плохие контакты;
поврежденные предохранители;
перекос сети;
ослабленные клеммы;
разное переходное сопротивление контактов;
неисправность контактора;
неравномерная однофазная нагрузка сети.
Длительная работа в таком режиме создает локальные тепловые перегрузки и ускоряет разрушение межвитковой изоляции.
17
Работа при пониженном или завышенном напряжении
Пониженное напряжение может привести к увеличению тока при неизменной механической нагрузке.
Завышенное напряжение увеличивает магнитный поток, потери в стали, нагрев и электрическую нагрузку на изоляцию.
Особенно опасно сочетание:
завышенного напряжения;
перегрузки;
высокой температуры окружающей среды;
плохого охлаждения.
18
Неисправность системы охлаждения
Перегрев может возникать даже при нормальном токе, если тепло недостаточно отводится.
Возможные причины:
загрязненные вентиляционные каналы;
поврежденный вентилятор;
неправильное направление вращения вентилятора;
заблокированный воздушный поток;
загрязненный теплообменник;
неисправность системы водяного охлаждения;
повышенная температура охлаждающего воздуха;
повторная циркуляция горячего воздуха;
неправильный монтаж кожуха.
19
Ослабленные электрические соединения
Повышенное переходное сопротивление в месте соединения вызывает локальный нагрев.
Неисправность может возникнуть в:
пайке;
сварном соединении;
межкатушечной перемычке;
выводе;
клеммном соединении;
нулевой точке;
соединении параллельных ветвей.
Локальный нагрев распространяется на прилегающие витки и постепенно разрушает их изоляцию.
20
Неправильно выполненный ремонт
Межвитковое замыкание после перемотки может быть следствием нарушения технологии.
К критическим ошибкам относятся:
неправильный выбор обмоточного провода;
несоответствующий класс нагревостойкости;
использование несовместимых материалов;
повреждение эмали;
недостаточное количество изоляционных слоев;
неправильное формирование катушек;
плохое крепление лобовых частей;
слабое расклинивание;
недостаточная пропитка;
нарушение режима сушки;
остаточная влага;
отсутствие импульсного испытания;
превышенное испытательное напряжение;
ошибочное количество витков;
неправильное соединение катушек.
Импульсное испытание после изготовления и ремонта является одним из ключевых методов контроля межвитковой изоляции. Оно позволяет выявлять слабые места, которые могут не проявляться при обычном измерении сопротивления изоляции.
06
Признаки межвиткового замыкания
Симптомы зависят от количества замкнутых витков, места дефекта, типа обмотки и режима работы двигателя.
Возможные признаки:
неравенство фазных токов;
повышенный ток одной фазы;
локальный перегрев обмотки;
перегрев двигателя при нормальной нагрузке;
запах перегретой изоляции;
снижение мощности;
уменьшение пускового момента;
нестабильная работа;
повышенный электромагнитный шум;
гул;
вибрация;
увеличение времени разгона;
срабатывание токовой защиты;
срабатывание дифференциальной защиты;
появление дыма;
потемнение отдельной катушки;
разница сопротивления фаз;
разница индуктивности фаз;
изменение формы импульсных кривых;
локальный нагрев, видимый тепловизором.
Вместе с тем на ранней стадии обычные измерения могут не показать значительного отклонения.
Почему защита может не сработать
Одна из главных опасностей межвиткового замыкания заключается в том, что значительный ток циркулирует внутри короткозамкнутых витков.
Этот ток не обязательно полностью проходит через:
автоматический выключатель;
предохранитель;
трансформатор тока;
тепловое реле.
Поэтому внешний фазный ток может увеличиться недостаточно для мгновенного срабатывания защиты.
В это время внутри катушки температура уже может быстро расти.
07
Диагностика межвиткового замыкания
Для достоверной диагностики необходимо применять комплекс методов. Один тест редко дает полную картину.
1. Анализ истории работы
Перед измерениями необходимо установить:
когда появились симптомы;
был ли двигатель перегружен;
возникали ли аварийные отключения;
меняли ли схему питания;
подключали ли преобразователь частоты;
были ли затопления или увлажнение;
когда проводился ремонт;
меняли ли подшипники;
были ли заклинивания механизма;
сколько пусков выполняется за час;
есть ли перекос напряжения;
меняется ли неисправность после нагрева.
2. Визуальный осмотр
Во время осмотра ищут:
потемнение изоляции;
обугленные участки;
трещины лака;
следы локального нагрева;
ослабленные бандажи;
смещенные пазовые клинья;
пыль от трения;
поврежденные выводы;
масло и загрязнение;
признаки коронирования;
следы частичных разрядов;
характерный запах;
деформацию катушек.
Отсутствие видимых повреждений не исключает межвитковый дефект, поскольку он может находиться внутри паза или под слоями изоляции.
3. Измерение фазных токов
Токи измеряют:
на холостом ходу;
под нагрузкой;
во время пуска;
после прогрева;
в различных режимах частотного регулирования.
Асимметрия токов может указывать на:
межвитковое замыкание;
асимметрию напряжения;
неправильное соединение;
дефект контакта;
повреждение ротора;
неравномерный воздушный зазор.
Поэтому токовое измерение является индикативным, но не окончательным методом.
4. Измерение сопротивления обмоток постоянному току
Измерение проводят низкоомным микроомметром с учетом температуры обмотки.
Сравнивают:
сопротивление фаз;
сопротивление параллельных ветвей;
результаты с предыдущими измерениями;
результаты до и после прогрева.
При замыкании нескольких витков сопротивление поврежденной фазы может уменьшиться. Однако при большом количестве последовательно соединенных витков изменение иногда настолько мало, что обычный мультиметр его не выявляет.
Измерение сопротивления помогает находить обрывы, резистивные соединения, ошибочное количество витков и в отдельных случаях короткозамкнутые витки, но не должно быть единственным критерием.
5. Измерение сопротивления изоляции
Мегомметром проверяют изоляцию:
фаза — корпус;
фаза — фаза;
обмотка — температурные датчики;
обмотка — вспомогательные цепи.
Этот тест полезен для выявления:
увлажнения;
загрязнения;
пробоя на корпус;
межфазного повреждения;
общего старения изоляции.
Однако исправное сопротивление изоляции относительно корпуса не доказывает отсутствие межвиткового замыкания. Два витка одной катушки могут быть замкнуты между собой, но при этом вся обмотка будет иметь высокое сопротивление относительно корпуса.
6. Коэффициент абсорбции и индекс поляризации
Такие измерения помогают оценить:
влажность;
загрязнение;
общее состояние основной изоляции;
процессы поляризации.
Они особенно полезны для крупных машин и высоковольтных обмоток.
Но эти показатели не являются прямым методом выявления локального замыкания между соседними витками.
7. Измерение индуктивности
Межвитковое замыкание изменяет эффективное количество витков и магнитные параметры катушки.
Поэтому могут изменяться:
индуктивность;
полное сопротивление;
добротность;
фазовый угол.
Сравнивают значения между фазами или отдельными катушками.
Метод может быть эффективным при уже сформированном дефекте, но его чувствительность зависит от конструкции обмотки, положения ротора и измерительной частоты.
8. Импульсное испытание обмотки
Импульсное испытание, или surge test, является одним из наиболее чувствительных методов проверки межвитковой изоляции.
На обмотку подают контролируемые короткие импульсы напряжения с высокой скоростью нарастания. После этого анализируют колебательную форму сигнала.
Форма кривой зависит от:
индуктивности катушки;
емкости испытательной цепи;
количества витков;
состояния изоляции;
внутренних соединений.
При межвитковом замыкании индуктивность изменяется, поэтому кривая может:
смещаться;
изменять частоту;
уменьшать амплитуду;
отличаться от кривых других фаз;
резко изменяться при повышении испытательного напряжения.
Именно импульсное испытание предназначено для выявления слабости межвитковой изоляции, поскольку низковольтные измерения часто не создают достаточной электрической нагрузки, чтобы ее проявить.
Испытание должно проводиться обученным персоналом, по утвержденной процедуре и с правильно выбранным испытательным напряжением. Неправильное применение высокого напряжения может повредить ослабленную обмотку.
9. Сравнение импульсных кривых фаз
Для трехфазной симметричной обмотки сравнивают кривые трех фаз.
Отклонения могут указывать на:
разное количество витков;
межвитковое замыкание;
неправильное соединение;
разную индуктивность;
повреждение катушки;
асимметрию магнитной цепи.
При анализе необходимо учитывать:
положение ротора;
внутреннюю схему соединения;
наличие параллельных ветвей;
конструктивную асимметрию;
емкость кабелей;
подключенные защитные элементы.
10. Испытание отдельных катушек
Если конструкция позволяет разъединить обмотку, можно отдельно проверить:
фазы;
параллельные ветви;
катушечные группы;
отдельные катушки.
Это значительно облегчает локализацию дефектного участка.
11. Испытание электромагнитом или индукционным прибором
Для якорей, роторов и отдельных типов обмоток могут применяться специальные электромагнитные методы.
Например, при проверке якоря короткозамкнутый виток может вызвать:
притяжение стальной пластины;
характерную вибрацию пластины;
локальный нагрев;
изменение магнитного потока.
Конкретная методика зависит от типа машины и конструкции обмотки.
12. Тепловизионная диагностика
Тепловизор может показать:
локальный перегрев катушки;
асимметрию нагрева фаз;
горячие зоны у соединений;
неравномерное охлаждение.
Однако тепловизионное обследование эффективно лишь тогда, когда дефект проявляется во время работы, а зона повреждения доступна для наблюдения.
В полностью закрытом двигателе локальный дефект внутри паза может быть незаметен на поверхности корпуса.
13. Анализ токового спектра
Межвитковое замыкание изменяет распределение магнитного поля и может создавать характерные спектральные компоненты в токе.
Метод позволяет проводить диагностику во время работы, но результаты необходимо отличать от признаков:
повреждения ротора;
эксцентриситета;
асимметрии питания;
механической нагрузки;
неисправности преобразователя частоты.
Токовый спектр лучше использовать как часть комплексной диагностики, а не как единственное доказательство межвиткового замыкания.
14. Анализ магнитного потока
Установка измерительной катушки или датчика внешнего магнитного поля может помочь выявить асимметрию магнитного потока.
Метод применяют для:
онлайн-мониторинга;
крупных ответственных машин;
сравнения трендов;
раннего выявления электромагнитной асимметрии.
15. Измерение частичных разрядов
Для высоковольтных двигателей и генераторов анализ частичных разрядов позволяет оценить активность дефектов изоляции до появления полного пробоя.
По характеру импульсов могут оценивать:
дефекты внутри изоляции;
поверхностные разряды;
пазовые разряды;
ослабление изоляции лобовых частей;
загрязнение;
полости в изоляции.
Однако частичные разряды не всегда означают, что межвитковое замыкание уже сформировалось. Часто они являются признаком процесса, который может к нему привести.
08
Что покажет обычный мегомметр
Распространенная ошибка — считать, что высокое сопротивление изоляции означает полную исправность обмотки.
Мегомметр преимущественно проверяет изоляцию между:
обмоткой и корпусом;
фазами;
электрически разделенными цепями.
При межвитковом замыкании поврежденные проводники принадлежат одной обмотке и имеют близкий электрический потенциал.
Поэтому двигатель может иметь:
высокое сопротивление изоляции на корпус;
нормальный индекс поляризации;
отсутствие пробоя при испытании основной изоляции;
и одновременно иметь поврежденную межвитковую изоляцию.
Для ее оценки нужны методы, чувствительные к изменению индуктивности и поведению обмотки под импульсным напряжением.
09
Последовательность диагностики
Практическая проверка может выполняться в таком порядке.
Шаг 1. Остановить оборудование и зафиксировать симптомы
Необходимо записать:
токи;
напряжения;
нагрузку;
температуру;
продолжительность работы;
момент появления запаха или шума;
показания защит.
Шаг 2. Проверить внешнее питание
Необходимо исключить:
перекос напряжений;
ослабленные контакты;
неисправность контактора;
обрыв фазы;
дефекты кабеля;
неисправность преобразователя.
Шаг 3. Отсоединить двигатель от сети и оборудования управления
Перед испытаниями необходимо учитывать наличие:
частотного преобразователя;
конденсаторов;
датчиков;
фильтров;
ограничителей перенапряжений;
температурных реле.
Шаг 4. Провести внешний и внутренний осмотр
Шаг 5. Измерить сопротивление изоляции и показатели абсорбции
Шаг 6. Измерить сопротивление обмоток постоянному току
Шаг 7. Сравнить индуктивность и полное сопротивление фаз
Шаг 8. Выполнить импульсное испытание
Шаг 9. При необходимости разъединить фазные или параллельные ветви
Шаг 10. Локализовать поврежденную катушку
Шаг 11. Оценить состояние сердечника, пазов и системы крепления
Шаг 12. Установить первопричину
Недостаточно только найти поврежденную катушку. Необходимо выяснить, почему она вышла из строя, иначе после ремонта дефект может повториться.
Пусковой ток, время разгона, осмотр, импульсный тест
Сопротивление изоляции высокое, но двигатель греется
Межвитковый дефект или механическая перегрузка
Сопротивление фаз, индуктивность, surge test, проверка механизма
Дефект проявляется после прогрева
Трещина или контакт, зависящий от температуры
Холодные и горячие измерения
Отличается импульсная кривая одной фазы
Повреждение витков, другая индуктивность, ошибка соединения
Разъединение ветвей, локализация катушки
Двигатель от преобразователя часто выходит из строя
Импульсные перенапряжения, старый тип изоляции
Осциллография, длина кабеля, du/dt-фильтр
После ремонта двигатель быстро перегрелся
Технологический дефект, ошибка намотки или пропитки
Полный повторный контроль обмотки
11
Можно ли эксплуатировать двигатель с межвитковым замыканием
Эксплуатация такого двигателя не рекомендуется.
Даже если:
двигатель еще развивает момент;
ток увеличился незначительно;
защита не срабатывает;
сопротивление изоляции на корпус высокое;
корпус не успел сильно нагреться;
внутри поврежденной катушки может уже происходить интенсивный локальный перегрев.
Дальнейшая работа может привести к:
полному выгоранию фазы;
межфазному замыканию;
повреждению сердечника статора;
оплавлению проводников;
пожару;
выходу из строя преобразователя;
аварийной остановке технологической линии;
значительному увеличению стоимости ремонта.
Раннее выявление дефекта часто позволяет сохранить сердечник и ограничить объем ремонта. Длительная эксплуатация после появления симптомов может превратить локальное повреждение обмотки в сложный ремонт с восстановлением активной стали.
12
Когда двигатель необходимо немедленно остановить
Оборудование необходимо вывести из работы при появлении таких признаков:
запах горелой изоляции;
дым из двигателя;
быстрый рост температуры;
значительная асимметрия фазных токов;
повторное срабатывание токовой защиты;
нестабильная работа;
резкое снижение мощности;
сильный электромагнитный гул;
локальное покраснение или потемнение обмотки;
искрение в зоне обмотки;
следы электрической дуги;
срабатывание дифференциальной защиты;
резкое ухудшение параметров частичных разрядов;
подтвержденный межвитковый дефект по результатам испытаний.
Не следует выполнять повторные пуски, чтобы «проверить, заработает ли двигатель». Каждый пуск создает максимальную тепловую и электродинамическую нагрузку на уже поврежденную изоляцию.
13
Ремонт межвиткового замыкания
Метод ремонта зависит от:
типа машины;
напряжения;
мощности;
конструкции обмотки;
места дефекта;
степени повреждения;
состояния сердечника;
доступности катушки;
наличия запасных катушек;
Локальная замена катушки
Возможна для формованных обмоток, если:
дефект локализован;
соседние катушки не повреждены;
сердечник не имеет значительного оплавления;
конструкция позволяет демонтаж;
есть технология изготовления и установки новой катушки.
После замены необходимо проверить:
геометрию;
пазовую изоляцию;
крепление;
фазировку;
сопротивление;
индуктивность;
межвитковую изоляцию;
основную изоляцию;
качество пропитки.
Частичная замена обмотки
Применяется, когда повреждено несколько катушек или катушечная группа.
Следует учитывать, что новые и старые катушки могут иметь разное состояние изоляции. Поэтому решение о частичном ремонте должно приниматься после оценки всей обмотки.
Полная перемотка
Необходима, если:
изоляция сильно постарела;
повреждение распространено;
есть несколько слабых зон;
обмотка загрязнена или увлажнена;
частичные разряды имеют значительный уровень;
повреждено много катушек;
невозможно обеспечить надежную локальную замену;
двигатель уже неоднократно ремонтировали.
Восстановление сердечника
При сильном аварийном повреждении необходимо проверить:
межлистовую изоляцию;
локальные замыкания пакетов стали;
оплавление;
заусенцы;
деформацию зубцов;
нагрев сердечника.
Если сердечник поврежден, простая перемотка не устранит проблему. После ремонта двигатель может снова перегреваться из-за локальных потерь в стали.
Восстановление крепления обмотки
Необходимо устранить:
ослабленные клинья;
перемещение проводников;
поврежденные прокладки;
слабые бандажи;
вибрацию лобовых частей;
недостаточную жесткость конструкции.
Пропитка и полимеризация
После ремонта должны быть обеспечены:
очистка;
сушка;
правильная вязкость состава;
полное проникновение пропитки;
технологический режим вакуума или давления;
контроль температуры;
достаточная полимеризация;
отсутствие остаточной влаги.
14
Что необходимо проверить после ремонта
После ремонта или перемотки целесообразно выполнить комплекс контрольных операций:
визуальный контроль;
проверку схемы соединения;
измерение сопротивления фаз;
сравнение параллельных ветвей;
измерение сопротивления изоляции;
определение коэффициента абсорбции;
определение индекса поляризации для соответствующих машин;
испытание электрической прочности основной изоляции;
импульсное испытание межвитковой изоляции;
измерение индуктивности;
проверку температурных датчиков;
проверку частичных разрядов для соответствующих высоковольтных машин;
контроль крепления обмотки;
испытание на холостом ходу;
измерение фазных токов;
контроль вибрации;
контроль температуры под нагрузкой.
Импульсное испытание применяют не только для поиска уже сформированного дефекта, но и как контроль качества изготовления и ремонта обмоток.
15
Чего не следует делать
Не ограничиваться измерением мегомметром
Высокое сопротивление изоляции на корпус не исключает межвиткового повреждения.
Не выполнять многократные пробные пуски
Повторные пуски могут быстро перевести локальный дефект в полное выгорание обмотки.
Не заменять только защиту на аппарат большего номинала
Если защита срабатывает, увеличение ее уставки без диагностики может привести к пожару и значительному повреждению двигателя.
Не пропитывать обмотку без установления причины
Дополнительное лакирование не восстановит уже поврежденную эмаль между замкнутыми витками.
Не делать вывод только по сопротивлению фаз
При замыкании небольшого количества витков изменение активного сопротивления может быть очень малым.
Не подавать произвольно повышенное испытательное напряжение
Уровень испытания должен соответствовать типу, напряжению, состоянию и истории обмотки. Завышенная испытательная нагрузка может вызвать окончательный пробой ослабленной изоляции.
Не ремонтировать только место прогара
Необходимо проверить соседние катушки, пазовую изоляцию, сердечник и причину первичного перегрева.
Не игнорировать систему питания
Даже качественно перемотанный двигатель снова выйдет из строя, если остались:
перекос напряжения;
импульсные перенапряжения;
неправильные настройки преобразователя;
плохое заземление;
чрезмерная длина кабеля;
перегрузка механизма.
16
Типичные ошибки во время диагностики
01Считать, что нормальное сопротивление изоляции означает исправную обмотку.
02Использовать обычный мультиметр для сравнения очень малых сопротивлений фаз.
03Не учитывать температуру обмотки при сравнении сопротивления.
04Не проверять напряжение и контакты питания.
05Проводить импульсный тест без учета схемы соединения.
06Сравнивать фазы, которые конструктивно имеют разные параметры.
07Не разъединять параллельные ветви при сложной схеме.
08Не учитывать положение ротора при измерении индуктивности.
09Выполнять только холодные измерения, когда дефект проявляется после нагрева.
10Не проверять механическое крепление катушек.
11Заменять обмотку без проверки сердечника.
12Не анализировать причину повторного выхода двигателя из строя.
15Не выполнять финальное импульсное испытание после ремонта.
17
Практический опыт ремонта
На практике межвитковое замыкание редко возникает без предшествующих признаков деградации изоляционной системы.
Во время разборки поврежденных двигателей часто одновременно обнаруживаются:
потемнение отдельной катушки;
ослабленные пазовые клинья;
перемещение проводников в пазу;
трещины пропиточного материала;
пыль от трения;
недостаточная пропитка;
локальное загрязнение;
следы влаги;
перегретые соединения;
поврежденные лобовые части;
неравномерность фазных токов;
загрязненные вентиляционные каналы.
Распространена ситуация, когда двигатель проходит проверку мегомметром, но во время импульсного испытания одна фаза демонстрирует отклонение формы кривой.
Также встречаются дефекты, которые:
не проявляются на холодной обмотке;
появляются после прогрева;
возникают только при повышенном напряжении;
проявляются под действием вибрации;
исчезают после охлаждения.
Поэтому важно воспроизвести условия, при которых возникает неисправность, и не ограничиваться одним статическим измерением.
18
Как предотвратить межвитковое замыкание
Контролировать температуру
Рекомендуется вести тренды:
температуры подшипников;
температуры обмотки;
температуры охлаждающего воздуха;
тока нагрузки;
количества пусков;
продолжительности пуска.
Поддерживать чистоту двигателя
Необходимо регулярно очищать:
вентиляционные каналы;
ребра корпуса;
фильтры;
теплообменники;
внутренние поверхности;
лобовые части обмотки.
Контролировать качество питания
Целесообразно проверять:
уровень напряжения;
асимметрию;
гармоники;
провалы напряжения;
импульсные перенапряжения;
состояние контактов;
заземление.
Правильно применять преобразователь частоты
Необходимо учитывать:
пригодность двигателя к инверторному питанию;
длину кабеля;
тип кабеля;
частоту коммутации;
необходимость выходного дросселя;
необходимость du/dt-фильтра;
необходимость синусного фильтра;
отдельное принудительное охлаждение на низких оборотах.
Контролировать вибрацию обмотки
Во время ремонта необходимо проверять:
пазовые клинья;
бандажи;
дистанционные элементы;
лобовые части;
следы перемещения;
качество пропитки.
Выполнять импульсные испытания
Целесообразно проводить их:
после изготовления катушек;
после укладки обмотки;
до пропитки;
после пропитки;
после сборки;
после ремонта;
во время плановой диагностики ответственных машин.
Конкретные этапы и уровни испытаний определяются конструкцией машины, нормативными документами и технологией ремонтного предприятия.
19
Рекомендации для службы главного энергетика
Для ответственных электродвигателей желательно вести индивидуальную историю, в которую входят:
паспортные данные;
схема обмотки;
дата ввода в эксплуатацию;
дата и объем ремонта;
результаты измерения сопротивления фаз;
сопротивление изоляции;
индекс поляризации;
импульсные кривые;
данные частичных разрядов;
фазные токи;
температурные тренды;
вибрация;
количество аварийных отключений;
количество пусков;
параметры преобразователя частоты;
длина и тип кабеля.
Наибольшую ценность имеет не разовое измерение, а сравнение параметров во времени.
Постепенное изменение импульсной кривой, индуктивности, токовой асимметрии или уровня частичных разрядов может указывать на развитие дефекта до аварийного повреждения.
20
Часто задаваемые вопросы
Покажет ли мегомметр межвитковое замыкание?
Не всегда. Мегомметр преимущественно оценивает изоляцию относительно корпуса и между электрически разделенными частями. Межвитковый дефект внутри одной катушки может существовать при высоком сопротивлении изоляции на корпус.
Можно ли найти межвитковое замыкание мультиметром?
Иногда при значительном повреждении можно увидеть разницу сопротивления фаз. Но при замыкании нескольких витков изменение может быть меньше погрешности обычного мультиметра. Нужен точный микроомметр и дополнительные методы.
Какой метод лучше всего выявляет слабость межвитковой изоляции?
Одним из наиболее эффективных является импульсное испытание обмотки. Оно создает электрическую нагрузку между витками и позволяет выявить изменение индуктивности или пробой, который не проявляется при низком напряжении.
Всегда ли межвитковое замыкание увеличивает фазный ток?
Не всегда настолько, чтобы это было сразу очевидно. Значительный ток может циркулировать локально в замкнутых витках, а внешний фазный ток на начальной стадии изменяется незначительно.
Почему повреждена только одна катушка?
Причина может быть локальной:
дефект эмали;
слабая пропитка;
вибрация;
острая кромка;
поврежденный клин;
локальный перегрев;
дефект соединения;
повышенная импульсная нагрузка на первые витки.
Почему дефект появляется только после прогрева?
При нагреве материалы расширяются, изоляция размягчается или меняется положение проводников. Микротрещина может замкнуться лишь при определенной температуре.
Можно ли просто дополнительно пропитать обмотку?
Если витки уже замкнуты, пропитка не восстановит поврежденную эмаль между ними. Она может временно уменьшить перемещение проводников, но сам электрический дефект останется.
Можно ли заменить только поврежденную катушку?
В некоторых конструкциях — да. Но сначала необходимо оценить состояние всей обмотки, соседних катушек, сердечника и системы крепления.
Почему двигатель повторно сгорел после перемотки?
Возможные причины:
не устранена перегрузка;
остался перекос напряжения;
неисправно охлаждение;
есть импульсные перенапряжения;
двигатель работает от преобразователя без фильтра;
допущен технологический дефект;
неправильно выбраны материалы;
не выполнено импульсное испытание;
поврежден сердечник.
Опасны ли частые пуски?
Да. Они создают повышенную тепловую и электродинамическую нагрузку на обмотку. Особенно опасны затяжные и повторные пуски без достаточного охлаждения.
Может ли межвитковое замыкание вызывать вибрацию?
Да. Дефект создает асимметрию магнитного поля и электродинамических сил. Однако вибрация может иметь много других причин, поэтому нужна комплексная диагностика.
Может ли двигатель работать с таким дефектом несколько дней?
Продолжительность развития неисправности непредсказуема. В одном случае двигатель может работать некоторое время, в другом — полностью сгореть во время следующего пуска. Подтвержденный дефект является основанием для вывода машины в ремонт.
ООО ВКФ «Электропромремонт» выполняет комплексную диагностику, ремонт и испытания промышленных электрических машин.
В перечень работ входят:
диагностика обмоток статора и ротора;
измерение сопротивления обмоток;
измерение сопротивления изоляции;
импульсное испытание межвитковой изоляции;
проверка электрической прочности;
локализация поврежденных катушек;
изготовление новых катушек;
частичная и полная перемотка;
восстановление пазовой изоляции;
крепление лобовых частей;
пропитка и сушка обмоток;
проверка сердечника статора;
испытание электродвигателя после ремонта;
контроль фазных токов;
контроль вибрации и температуры.
23
Заключение
Межвитковое замыкание возникает из-за потери электрической прочности изоляции между соседними витками обмотки.
Чаще всего к этому приводит сочетание:
перегрева;
старения;
механической вибрации;
перенапряжений;
загрязнения;
влаги;
недостаточной пропитки;
технологических дефектов;
неправильных условий эксплуатации.
Опасность заключается в том, что локальный ток в замкнутых витках может быть очень большим, хотя внешние токи двигателя еще не достигли уровня срабатывания защиты.
Поэтому для диагностики недостаточно лишь измерить сопротивление изоляции. Необходимо сочетать осмотр, измерение фазных параметров, анализ токов, индуктивности, температуры и импульсное испытание обмотки.
Чем раньше выявлен дефект, тем выше вероятность сохранить сердечник, ограничить объем ремонта и избежать аварийной остановки оборудования.
Важное предупреждение
Материал носит информационный характер. Приведённые значения, методы диагностики, объём работ и рекомендации являются общими и не заменяют техническую документацию производителя. Окончательное решение по конкретной машине принимается по результатам её диагностики и дефектации с учётом типа, мощности, конструкции, режима работы, истории эксплуатации и применимых стандартов.
Подозреваете межвитковое замыкание?
Выполним импульсное испытание обмотки, сравним сопротивление и индуктивность фаз, локализуем поврежденную катушку и подготовим заключение о ремонте.