Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96)
183
Ryszard Nowicki
GE POWER CONTROLS Sp. z o.o., Poznań
MONITOROWANIE STANU AGREGATÓW KRYTYCZNYCH
NAP
DZANYCH SILNIKAMI ELEKTRYCZNYMI DUśYCH MOCY
CONDITION MONITORING OF CRITICAL AGGREGATES
DRIVEN BY HIGH POWER MOTORS
Abstract: A goal of the paper is a presentation of new approach for condition management of aggregates
driven by medium voltage electrical motors. The approach exclusively allows evaluation of stator technical
condition. In the case of critical aggregates driven by motors with slide bearings over 60% of motor malfunc-
tions is due to stator failures. Therefore, it is important to have a reliable tool that recognizes stator aging. The
approach is an alternative for the partial discharge one, and uses high sensitivity current transformers. Post-
processing of signals connected to this malfunction-dedicated monitor allows On-Line information about stator
aging progress.
1. Wstęp
Ocena stanu technicznego mo\
e być realizo- W przypadku napędów elektrycznych monito-
wana w oparciu o techniki Off-Line lub On- rowanie stanu technicznego jest w [1] ograni-
Line. W artykule ograniczono się do dyskusji czone do pomiarów:
technik preferowanych dla maszyn krytycz- " temperatur Å‚o\
ysk oraz uzwojeń stojana,
nych, tzn. On-Line.
" drgań i poło\
eń,
Nadzór agregatów napędzanych silnikami
" fazy z pomocÄ… tzw. czujnika Keyphasor®.
elektrycznymi jest omówiony w standardzie
Monitorowanie drgań jest ró\
nie realizowane
API 670 [1]. Choć standard ten został stwo-
w zale\
ności od rodzaju ło\
ysk. Na Rys. 1 po-
rzony przez specjalistów zgrupowanych wokół
kazano pomiary dla silników ło\
yskowanych
przetwórstwa ropy naftowej, to ze względu na
tocznie (monitorowane sÄ… drgania sejsmiczne:
brak na świecie podobnie dojrzale sformułowa-
prędkości lub przyspieszenia drgań), a na Rys.2
nych dokumentów dedykowanych innym bran-
dla silników ło\
yskowanych ślizgowo (w tym
\
om oraz ze względu na fakt, \
e maszyny u\
y-
przypadku mierzone są drgania względne czo-
wane w tych innych bran\
ach cechują się często
pów wirnika).
podobnymi cechami konstrukcyjnymi, standard
ten jest często przywoływany przy okazji
formułowania wymogów dla systemów monito-
rowania stanu technicznego.
Rys. 1. Monitorowanie drgań silników ło\
ysko- Rys. 2. Monitorowanie stanu technicznego sil-
wanych tocznie [1] ników ło\
yskowanych ślizgowo [1]
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96)
184
Aktualnie obowiązująca jest 4-a edycja stan- sowane napięcie zasilania (odpowiednio: poni-
dardu [1] opublikowana w końcu roku 2000. \
ej i powy\
ej 4kV) zamieszczono na Rys. 4 [5].
W ciÄ…gu kilkunastu lat od jej ukazania siÄ™ doko- W tym przypadku widoczne jest wyraz
ne zró\
-
nuje się systematyczny postęp, tak w zakresie nicowanie głównych przyczyn uszkodzeń: dla
metod monitorowania, jak równie\
w zakresie silników mniejszych są to przede wszystkim
rozmiaru agregatów włączanych do systemów ło\
yska toczne, natomiast dla silników du\
ych
stacjonarnych nadzoru stanu technicznego. mocy z Å‚o\
yskami ślizgowymi stojan staje się tą
Równolegle do opisanych wymogów dla sys- newralgiczną przyczyną uszkodzeń.
temów monitorowania, w przypadku większych
silników, są tak\
e stosowane ich zabezpieczenia
elektryczne. Natomiast zabezpieczenia te dzia-
Å‚ajÄ… zero-jedynkowo (co jest wystarczajÄ…ce dla
prewencyjnego utrzymania ruchu) i w zwiÄ…zku
z tym nie spełniają warunków wymaganych dla
systemów wspomagających predykcyjne utrzy-
Rys. 4. Statystyki przyczyn uszkodzeń silników
manie ruchu, a więc takich które umo\
liwiajÄ…
śledzenie postępującej degradacji maszy- ze względu na ich zró\
nicowanie konstrukcyjne
ny/napędu.
W świetle powy\
szego mo\
na stwierdzić, \
e
W [2] opisano system detekcji anomalii Ano-
wytyczne na rzecz monitorowania stanu tech-
mAlert® dedykowany napÄ™dom Å›redniej wa\
-
nicznego On-Line sformułowane w [1] mogą
ności, który mo\
e być równie\
stosowany jako
być uznane za wystarczające dla silników
uzupełnienie systemów monitorowania i zabez-
o mniejszych mocach, które z reguły posiadają
pieczeń opisanych w [1]. Natomiast system ten
wirniki Å‚o\
yskowane tocznie i sÄ… niewystarcza-
nie jest samodzielnie wystarczajÄ…co dobry dla
jące dla silników o większych mocach posia-
maszyn krytycznych, bowiem nie daje mo\
li-
dajÄ…cych wirniki Å‚o\
yskowane ślizgowo. W tym
wości ustawienia a priori wartości granicznych
drugim przypadku postępującej destrukcji sto-
umo\
liwiajÄ…cych gradacjÄ™ stanu technicznego.
jana nie zawsze musi towarzyszyć obserwo-
walny w systemie nadzoru stanu technicznego
2. Dostosowanie systemów monitorowa-
On-Line wzrost drgań i temperatury.
nia do rodzaju uszkodzeń silników
3. Koszty niespodziewanych awarii sil-
Na Rys. 3 pokazano statystyki podstawowych
typów uszkodzeń silników wg danych zgroma- ników
dzonych przez IEEE oraz EPRI [3]. Oba te z
ró-
Niespodziewane uszkodzenia izolacji silników
dła w pierwszej kolejności wskazują na ło\
y-
powodujÄ… przerwy produkcyjne (lub koniecz-
ska, a następnie na stojan jako na główne przy-
ność obni\
enia produkcji) prowadzÄ…ce w kon-
czyny uszkodzeń silników.
sekwencji do du\
ych strat produkcyjnych.
W przypadku platform wydobywczych ocenia
siÄ™, \
e straty te mogą być na poziomie
25k$/godz. Na Rys. 5 [6] pokazano oszacowa-
nie strat produkcyjnych będących konsekwen-
cją uszkodzenia silników dla ró\
nych bran\
.
Rys. 3. Podstawowe rodzaje uszkodzeń silników
Statystyki publikowane przez IEEE ró\
niÄ… siÄ™
nieco w ró\
nych z
ródłach, co jest najprawdopo-
dobniej konsekwencją ró\
nic konstrukcyjnych
badanej populacji. W [4] uległy modyfikacji
statystyki dotyczÄ…ce przede wszystkim Å‚o\
ysk
(spadek z 44% na 41%) oraz stojana (wzrost
z 26% do 37%). Statystyki uwzględniające
zró\
nicowanie konstrukcyjne silników ze
Rys. 5. Oszacowanie strat spowodowanych
względu na rodzaj węzłów ło\
yskowych i sto-
uszkodzeniem silnika w ró\
nych bran\
ach
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96)
185
Powy\
sze dane nie obejmują energetyki, ale zakłóceń pochodzących ze środowiska, w któ-
w niej tak\
e, w przypadku uszkodzenia silni- rym pracuje silnik.
ków o mocy powy\
ej 1 MW, mo\
na się liczyć Zró\
nicowanie w wykonaniu izolacji mo\
e po-
ze stratami rzędu ~20...40 k$/awarię. wodować znaczący rozrzut wyników pomiarów
Ze względu na wysokie konsekwencje finan- odpowiadających tak dobremu, jak i złemu sta-
sowe uszkodzeń napędów elektrycznych wa\
- nowi technicznemu. Rozrzut ten dodatkowo jest
nym jest posiadanie lepszych narzędzi umo\
li- podwy\
szany przez zakłócenia pomiarów wnz
wiających wiarygodne diagnozowanie ich stanu generowane przez środowisko, w którym pra-
technicznego. Narzędzia takie winny umo\
li- cuje silnik.
wiać odpowiednio wcześniejszą predykcję Powy\
sze przyczyny stały u podstaw poszuki-
zmiany stanu i w konsekwencji winny dawać wania lepszej metody On-Line oceny stanu
słu\
bom utrzymania ruchu mo\
liwość przygo- technicznego stojanów.
towania siÄ™ do optymalnej wymiany / naprawy
5. Monitorowanie On-Line stanu techni-
silnika.
cznego stojanów  nowe propozycje
4. Monitorowanie On-Line stanu techni-
Jednym z kierunków poszukiwania lepszej
cznego stojana  podejście tradycyjne
metody On-Line oceny stanu technicznego sil-
ników jest wykorzystanie informacji zawartych
W [7] dokonano oceny kilkunastu metod wyko-
w prÄ…dzie [8, 9]. Zauwa\
my, \
e w przypadku
rzystywanych dla oceny stanu technicznego
np. transformatorów i kabli wysokonapięcio-
izolacji stojana w warunkach On-Line, przy
wych, często równolegle do oceny On-Line ba-
czym jedynie dwom przypisano dobre wyniki
zujÄ…cej na wnz dokonuje siÄ™ oceny tan delta.
w ocenie stojana. SÄ… to metoda wnz oraz stosun-
Ocena na bazie tan delta od dawna jest tak\
e
kowo nowe podejście wykorzystujące impedan-
wykorzystywana do oceny Off-Line uzwojeń
cję wysokoczęstotliwościową.
silników. Tak więc mo\
na się było spodziewać,
Ocena stanu technicznego stojanów generato-
\
e wraz z rozwojem technik pomiarowych
rów (póz
niej przejęta tak\
e do oceny silników)
mo\
liwym będzie zastosowanie oceny tan delta
w oparciu o pomiary wnz została wprowadzona
w systemach On-Line silników.
przez firmÄ™ Westinghouse w 1949 roku. Pier-
Rozwiązanie bazujące na przekładnikach prą-
wotnie, jak ka\
de nowego typu badanie diagno-
dowych wysokiej czułości (=PPWCi) zostało
styczne, była realizowana w oparciu o testy Off-
zaproponowane przez GE [9]. Dla oceny stanu
Line. Dopiero w latach 90-tych zaczęły się po-
technicznego wykorzystywany jest współczyn-
jawiać systemy dedykowane monitorowaniu
nik dyssypacji, a ocenie mogą podlegać silniki
stanu technicznego On-Line.
3-fazowe pracujące przy podłączeniu zasilania
Istnieje kilka rozwiązań technicznych na rzecz
w gwiazdÄ™. PPWC umo\
liwia pomiar prądów
pozyskiwania sygnałów wnz, a tak\
e spora ró\
-
upływowych (pojemnościowego i czynnego)
norodność systemów monitorowania, tak w za-
o bardzo małej amplitudzie, co z kolei umo-
kresie pasma wykorzystywanego do analizy
\
liwia ocenÄ™ stanu technicznego izolacji.
wnz, jak i sposobu wnioskowania o stanie tech-
nicznym.
Przez długi okres czasu wnz były praktycznie
jedynÄ… technikÄ… umo\
liwiajÄ…cÄ… efektywne mo-
nitorowanie On-Line stanu technicznego stoja-
nów i prognozowania jego zmiany, co umo\
li-
wia pełniejszą realizację predykcyjnej strategii
utrzymania ruchu dla agregatów krytycznych
napędzanych silnikami elektrycznymi, ni\
to
Rys. 6. PPWC wykorzystywany w celu oceny
jest mo\
liwe bazujÄ…c na pomiarach wyspecyfi-
jakości izolacji
kowanych w [1].
W szeregu przypadków słabością systemów
Zauwa\
my, \
e dla silników wysokonapięcio-
monitorowania wnz jest brak z jednej strony
wych du\
ej mocy prÄ…d skuteczny mo\
e zna-
wystarczjÄ…co dobrego wzorca umo\
liwiajÄ…cego
cząco przekraczać 1000A, natomiast prądy
kategoryzacjÄ™ oceny, z drugiej natomiast (co
upływowe wykorzystywane w celu oceny izola-
jest wa\
ne dla znacznej grupy aplikacji)
i
niezbędna jest wystarczająco dobra filtracja
W literaturze angielskiej: HSCT
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96)
186
cji są znacząco mniejsze i mogą być dla skła- czeniową silnika z w/w przekładnikami (po
dowej pojemnościowej na poziomie ~100dB jednym na ka\
dÄ… fazÄ™).
ni\
szym, natomiast dla składowej rzeczywistej Aby dokonać bardziej wiarygodnej oceny stanu
na poziomie ~140dB ni\
szym. technicznego do systemu monitorowania sÄ…
Całkowity prąd upływowy IU wyprzedza napię- podłączone dodatkowo sygnały z podzielników
napięcia oraz z czujników temperatury uzwo-
cie o kąt fazowy Ć i jest opóz
niony w stosunku
jeń.
do skÅ‚adowej IUC o kÄ…t ´ tak, jak jest to poka-
zane na Rys.8. Tan delta jest stosunkiem prÄ…du
Rys.9. Przykład instalacji PPWC  widoczne są
tak\
e przekładniki prądowe stosowane dla za-
Rys. 7. Schemat ideowy podłączenia przekła-
bezpieczenia elektrycznego silnika
dników prądowych do obwodów zasilania
Sygnały z PPWC (oraz z podzielników napię-
upływowego czynnego do pojemnościowego cia) są podłączone poprzez indywidualnie przy-
i odpowiada współczynnikowi dyssypacji, pisane im moduły interfejsowe znajdujące się
natomiast współczynnik mocy jest stosunkiem w pobli\
u skrzynki obiektowej z przekładnika-
prądu upływowego czynnego do całkowitego. mi. Zastosowanie modułów interfejsowych jest
podyktowane koniecznością wiarygodnej trans-
misji sygnałów na odległość nawet do kilkuset
metrów z pomocą kabli sygnałowych (wyko-
rzystywanych równie\
w celu zasilania w/w
elektroniki obiektowej). Sygnały z czujników
temperatury (typu RTD lub TC) mogą być
transmitowane na znaczną odległość bez sto-
sowania modułów interfejsowych.
Rys. 8. Prąd upływowy pojemnościowy IUC
i czynny IUR dla izolacji doskonałej i rzeczywis-
tej
Obydwa w/w współczynniki są zbli\
one do sie-
bie dla wartości mniejszych ni\
~20% i zaczy-
nają się ró\
nić, tym bardziej im bardziej prze-
wy\
szają 20%. Całkowity prąd wyprzedza na-
pięcie o kąt fazowy Ć i jest opóz
niony w sto-
sunku do prÄ…du pojemnoÅ›ciowego o kÄ…t ´ tak,
jak jest to pokazane na Rys. 8.
Na Rys. 9 pokazano przykładową instalację
przekładników prądowych w celu zabezpieczeń
Rys. 10. Przykładowy schemat ideowy podłą-
oraz w celu oceny stanu technicznego izolacji
czenia pomiarów umo\
liwiajÄ…cych ocenÄ™ stanu
silnika o mocy nieco powy\
ej 20 MW pracujÄ…-
technicznego izolacji do systemu monitorowa-
cego na napięciu ~4,2kV i stanowiącego napęd
nia i zabezpieczeń maszyny
sprÄ™\
arki. Fotografia pokazuje skrzynkę przyłą-
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96)
187
Na Rys.10 pokazano przykładowe podłączenie Widoczna jest bardzo dobra korelacja wyników
do systemu monitorowaniaii, który mo\
e rów- w przypadku napięć zasilających wy\
szych od
nie\
dodatkowo realizować pomiary wymagane 2 [kV].
w celu monitorowania i zabezpieczeń agregatu
7. Mo\
liwość oceny silników pracują-
napędzanego przez silnik zgodnie z wymaga-
cych w strefach Ex
niami sformułowanymi w [1].
W odró\
nieniu od agregatów napędzanych sil-
Na schemacie pokazano jedynie podłączone do
nikami elektrycznymi i stosowanymi w ener-
systemu monitorowania:
getyce, w przypadku agregatów pracujących
" 3 moduły interfejsowe dla PPWC (w ka\
-
w zakładach chemicznych są one często zlokali-
dym przypadku winny być stosowane 3
zowane w strefach zagro\
enia. W przypadku ta-
PPWC  po jednym dla ka\
dej fazy),
kich aplikacji wymagane jest stosowanie certy-
" 2 moduły interfejsowe dla dzielników
fikowanych (zgodnie z wymaganiami ATEX)
napięcia (w praktyce mogą być wykorzy-
elementów systemu nadzoru stanu technicznego
stywane od 1, 2 lub 3 takie podzielniki)
instalowanych w strefach specjalnych, a tak\
e
oraz
jest wymagane podłączenie części obiektowej
" 3 czujniki temperatury (w praktyce do sys-
systemu (zlokalizowanej wraz z maszynami
temu mogą być podłączone 1, 2 lub 3 czuj-
w strefie specjalnej) z systemem monitorowania
niki temperatury uzwojeń).
(zlokalizowanym z reguły poza strefą spec-
6. Weryfikacja metody On-Line
jalną) w sposób zgodny z wymaganiami certy-
fikacji.
Metoda tan delta jest od wielu lat stosowana do
Komponenty PPWC lokalizowane w pobli\
u
oceny izolacji silników w warunkach Off-Line.
Tak więc w przypadku stosowania nowator- obiektu (w strefie) są wykonane w sposób
umo\
liwiajÄ…cy zastosowanie barieriii.
skiego rozwiązania na okoliczność testowania
tan delta w warunkach On-Line mo\
na doko-
8. Zakończenie
nać porównania wyników uzyskanych w ra-
 (...) wartość składowej czynnej IR prądu upły-
mach testów Off-Line z wynikami gromadzo-
wowego jest związana z wartością rezystancji
nymi technikÄ… On-Line.
izolacji doziemnej Riz, ale jest zwiÄ…zana w spo-
sób tak zło\
ony, \
e wynik zwykłych pomiarów
rezystancji izolacji - ogólnie biorąc - nie po-
zwala przewidzieć wartości składowej IR. Kto
potrzebuje wartości prądu upływowego, odru-
chowo sięga po megaomomierz, albo po gotowe
wyniki pomiarów rezystancji izolacji. Nic bar-
dziej zwodniczego. Przeprowadzany przy na-
pięciu pomiarowym stałym pomiar rezystancji
izolacji nie daje \
adnej informacji o wartości
składowej pojemnościowej IC prądu upływo-
wego. - napisano w [10].
W artykule opisano nowÄ… technikÄ™ umo\
liwia-
jÄ…cÄ… dobrÄ… ocenÄ™ stanu technicznego On-Line
stojanów silników elektrycznych średniego na-
Rys.11. Porównywanie ocen stanu technicznego
pięcia, która mo\
e być stosowana alternatywnie
uzyskanych technikami On-Line i Off-Line
w stosunku do oceny na bazie wnz.
Nowa technika jest komplementarna ze stoso-
Na Rys.11 [5] pokazano wyniki porównawcze
wanymi od wielu lat technikami oceny stanu
metody On- i Off-Line dla dwóch obiektów.
agregatów krytycznych wykorzystującymi po-
miary drgań, poło\
eń oraz temperatury i pro-
ii
Na Rys. 10 pokazano SYSTEM 3500, który jest wadzi do bardziej wiarygodnej oceny i predy-
jednym z najpowszechniej wykorzystywanych
kcji zmiany stanu technicznego.
systemów monitorowania i zabezpieczeń maszyn
krytycznych na świecie (pracuje dla ponad 100 000
iii
maszyn). W systemie tym dla monitorowania Certyfikat ATEX dla rozwiÄ…zania HSCT jest
izolacji wykorzystywany jest monitor 3500/82. oczekiwany w 3 kwartale 2012.
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 3/2012 (96)
188
9. Literatura
[1]. API STD 670, Machinery Protection Systems,
4th edition, DEC 2000.
[2]. Nowicki R.: Zró\
nicowanie systemów On-Line
nadzoru stanu technicznego agregatów z napędami
elektrycznymi. Zeszyty Problemowe - Maszyny Ele-
ktryczne, 2011, Nr 89, s. 65-73.
[3]. Geiman J.: On-Line Motor Monitoring, Baker
Instrument Co.
[4]. Stone G.C. i inni, Electrical Insulation for
Rotating Machines: Design, Evaluation, Aging,
Testing, and Repair. IEEE PRESS series on Power
Engineering, USA, JAN 2004.
[5]. Thomson A., Advancements in Motor Condition
Monitoring, publikacja wewnętrzna GE, Minden,
APR 2010.
[6]. Penrose H. W., Test methods for determining the
impact of motor condition on motor efficiency and
reliability, Ph.D. dissertation, ALLTEST Pro, LLC,
Old Saybrook, CT.
[7]. Grubic, S., A New Concept for Online Surge
Testing for the Detection of Winding Insulation
Deterioration in Low-Voltage Induction Machines,
SEP 2011, IEEE Transactions on Industry Appl.
[8]. Ali S. Al-Shahrani, Influence of Adjustable
Speed Drive on Induction Motor Fault Detection
Using Stator Current Monitoring, AUG 2005,
Oregon.
[9]. Whitefield C.D., New Online Motor Stator
Insulation Monitor (MSIM) for 3500 SYSTEM,
ORBIT, Vol. 32, No. 1, p.8-11, 2012.
[10]. Subocz J., Ocena jakości wykonania izolacji
maszyn WN na podstawie pomiarów niskoczęsto-
tliwościowych, Zeszyty Problemowe - Maszyny
Elektryczne, 2007, Nr 76, s. 101-107.
Autor
dr in\
. Ryszard Nowicki
[e-mail]
GE POWER CONTROLS Sp. z o.o.
60-432 Poznań, ul. Myśliborska 62
([phone]