Degradační účinky chemického čištění na stav elektroizolace

Jaroslav Hornak, student Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni, si za téma své diplomové práce zvolil zkoumání problematiky čištění povrchu vinutí elektrických točivých strojů. Popsal možné příčiny znečištění, metody čištění, čisticí prostředky a vlivy čisticích prostředků na povrch izolačního materiálu. Jeho práce a návrh na diagnostický systém pro stanovení vlivů čisticích prostředků na elektrické vlastnosti izolačních systémů získala druhou cenu v soutěži Cena Nadace ČEZ 2014 v kategorii Elektrotechnologie a měření. O svých experimentech napsal i článek pro čtenáře Třípólu.

Pro bezporuchový provoz elektrických zařízení je velmi významná včasná údržba spojená s vhodným čistěním zařízení. Čistit lze různými způsoby. Zejména je třeba hledat takové čisticí prostředky, které by povrch čištěného předmětu co nejméně poškozovaly. Navrhl jsem systém, jak jejich vlivy diagnostikovat.

Znečištění elektrických točivých strojů

Znečištění vinutí může vést k několika problémům. Těmi nejzásadnějšími jsou teplotní a chemická degradace, vznik vodivých cest či mechanické poškození izolačního systému. Vodivé cesty mohou vznikat např. u vzduchem chlazených generátorů, kdy se do útrob stroje dostanou nečistoty, hmyz, uhelný prach či kovové částice. Mechanické poškození může vzniknout u strojů využívaných v těžkém průmyslu, kdy se do chladicího média dostanou malé, ale tvrdé částice, které mohou izolační systém poškrábat, nebo pořezat. Jedná se většinou o písek, popílek nebo skleněná vlákna. Volba způsobu čištění je dána rozsahem znečištění a individuální je i doba mezi jednotlivými servisními aplikacemi. V praxi se doporučuje čistit v periodě tří až pěti let.

Metody čištění elektrických točivých strojů

Čištění elektrických točivých strojů je jedním ze základních úkolů údržby, ač mu dříve nebyla věnována taková pozornost. Žádné, nedostatečné či špatně provedené čištění může mít pro stroj z hlediska jeho životnosti nevratné destruktivní následky. Metoda čištění se volí podle rozsahu znečištění a ekonomických nákladů. V současné době se využívají čisticí metody buď tzv. suchou, nebo mokrou cestou. Čištění suchou cestou zahrnuje mechanické čištění, čištění stlačeným vzduchem nebo tryskání suchým ledem (obr 1). Čištění mokrou cestou je například tlakové čištění, čištění ultrazvukem, či moderní čištění pomocí CT technologie.

Vliv čištění na elektrické vlastnosti izolačních systémů

Diagnostický systém pro určení vlivů čisticích prostředků na elektrické vlastnosti izolačních systémů se zakládá na sledování změn povrchového odporu, resp. měrného povrchového odporu (tj. povrchové rezistivity)při dlouhodobém působení čisticích prostředků na povrch izolačních materiálů. Pro analýzu změn elektrických vlastností posloužila vyřazená čela statorového vinutí generátoru. V tomto případě byl tedy izolačním systémem třísložkový kompozit Relanex (skleněná tkanina, slída, epoxidová pryskyřice). Na těchto vzorcích se vytvořil pomocí měděné vodivé pásky elektrodový systém. Vzdálenost elektrod byla 3 cm a jejich obvod 20 cm (obr. 2). Pro každý čisticí roztok bylo připraveno pět vzorků.

Sledoval jsem tyto čisticí prostředky: Kaltreiniger 716 (dodává Lars Chemie), Kempt II. (NCH Czechoslovakia), Nicro 1065 (Motip Dupli), Competent (NCHCzechoslovakia), Spirdane D60 (Total). Jedná se o roztoky na bázi alifatických uhlovodíků, přičemž konkrétní chemické složení výrobce neuvádí. Každý čisticí prostředek se barevně odlišoval a stejnou barvou byla označena i zkoušená čela vinutí, aby se snížila možnost pochybení při aplikaci čisticího prostředku či při následném měření.

Voltampérová metoda

Pro měření povrchového odporu jsem zvolil voltampérovou metodu. Na elektrodu 1 se přivedlo napájecí napětí o hodnotě 500 V a po 60 s se na elektrodě 2 snímal proud tekoucí po povrchu (obr. 3). Nejprve probíhalo měření na neočištěných vzorcích, tedy v jejich původním stavu bez jakéhokoliv chemického zásahu. Pro potlačení rušení byl měřicí přístroj KEITHLEY 6517A – vhodný pro měření proudů velmi nízkých hodnot – vodivě spojen se stínící komorou, do níž se umísťovaly vzorky (obr. 4).

Po výchozím měření se vzorky pomocí štětce a textilie očistily čisticími prostředky. Abych dosáhl co nejdelšího působení, ovinul jsem zkoumané vzorky kusy látky, které byly dostatečně napuštěny čisticím prostředkem, a pevně jsem je zafixoval pomocí potravinářské fólie. Fólie posloužila také k tomu, aby čisticí prostředek předčasně nevyschnul.

Na každém vzorku proběhlo pět měření – v původním stavu, po 7, 25, 40 a 50 dnech. Před měřením jsem vždy ze vzorků odstranil fólii a textilní materiál a vzorky vysušil přenosným kompresorem tak, abych co nejvěrohodněji napodobil skutečný čisticí proces. Po každém měření jsem obalení vzorků napuštěnou textilií a potravinářskou fólií zopakoval. Výsledné hodnoty povrchového proudu jsem přepočítal podle Ohmova zákona na hodnoty povrchového odporu, z nichž jsem vyjádřil povrchovou rezistivitu. Pro takto získané hodnoty povrchové rezistivity jsem vypočítal její procentuální pokles a průměr procentuálního poklesu. Daný postup na první pohled odhalil, který z čisticích prostředků působí na elektroizolační systém nejagresivněji.

Vyhodnocení naplnila očekávání

Měření potvrdila, že čím déle působí chemické roztoky na izolační systém, tím menší je hodnota povrchové rezistivity. Už pouhý pohled potvrdil, že vzorky mění strukturu povrchu. To znamená, že se snižuje izolační schopnost materiálu, což by mohlo být pro další provoz elektrických zařízení nebezpečné. Z toho plyne závěr, že proces čištění je třeba zkrátit na nezbytně nutnou dobu a stroj dostatečně vysušit.

Z dodaných čisticích roztoků vyšel nejlépe prostředek Spirdane D60 od společnosti Total, u kterého po 50 dnech působení klesla povrchová rezistivita přibližně na polovinu původní hodnoty. Naopak nejhůře dopadl podle statistického vyjádření čisticí prostředek NICRO 1065 – při jeho použití se průměrná povrchová rezistivita snížila na 23,59 % původní hodnoty.