METHOD AND APPARATUS FOR THE DETECTION OF INSUFFICIENT DIELECTRIC PROPERTIES OF THE INSULATION OF COIL WINDINGS

Abstract: 1. Method for the detection of insufficient dielectric properties of the insulation of coil windings of an electrical machine, according to which method - the capacitor (1) constituted by the conductors of the said windings, the insulation, and the portions of the mass of the machine which are situated around these windings, is connected into the measuring branch of a capacitance measuring bridge, - the measuring bridge is supplied with a measurement A.C. voltage whose value is taken from a range of predetermined values around the nominal voltage of the machine and whose frequency is selected from the frequencies appearing at the windings in the operating conditions of the machine, - the equilibrium of the measuring bridge is established by means of an equilibrium indicator (7) connected into the measuring diagonal of the measuring bridge for the value of the measurement voltage applied to the measuring bridge, characterised in that the mean current pulses due to partial discharges in the insulation and having a first portion constituted by a steep front peak (Ip ) and a second portion constituted by a decreasing tail (Iq ) are detected for each of the predetermined values of the measurement voltage by means of a measuring device (8, 9) of high selectivity tuned to a frequency corresponding to the inverse of the duration 2D, D being the duration of the tail (Iq ) of one of the said predetermined mean current pulses, the measuring device (8, 9) being arranged in the place of the equilibrium indicator after the establishment of the equilibrium of the measuring bridge of the applied measurement voltage.

Description: METHODE DE DETECTION D'UNE TENUE DIELECTRIQUE INSUFFISANTE DE L'ISOLA TtON DE BOBINAGES. Le problème d'apprécier la qualité de l'isolation de bobinages de machines électriques à haute tension est posé depuis longtemps. Cependant, comme les raisons d'une détérioration de l'isolation de bobinages ne sont pas tributaires d'une seule cause, on s'est longtemps borné a un empirisme dont les défaillances coûtaient cher d'une part au constructeur parce qu'il devait rebobiner une machine en parfait état et d'autre part à l'exploitant parce que la méthode utilisée ne permett ait pas de prévoir un percement imminent de l'isolation de la machine. Grâce à l'affinement des connaissances, on a récemment reconnu que la tenue diélectrique insuffisante de l'isolation de bobinages apparent ment saines était due à l'établissement de décharges partielles localisées à l'intérieur de l'isolation qui apparaissent au delà d'un certain seuil de tension. Toutefois, cette connaissance ne faisait que déplacer le problème, car les décharges partielles localisées à l'intérieur de l'isolation échappent à une mesure directe. Selon un point de vue classique, généralement admis, des décharges partielles localisées à l'intérieur de l'isolation ont lieu à l'endroit d'occlusions gazeuses disséminées un peu partout dans l'isolation à haute tension. Lorsqu a partir d'une certaine tension des décharges par tielles s'établissent à l'intérieur d'un nombre de plus en plus important de vacuoles, au fur et à mesure que la tension augmente, la capacité des bobinages varie en fonction de la tension appliquée, car l'intérieur des vacuoles qui sont le siège de décharges devient conducteur. Fort de cette constatation, par exemple TERASE (Electr. Eng. Jap. février 1973) a proposé un critère de qualité fondé sur l'allure de la courbe de la capacité du bobinage en fonction de la tension appliquée. Cette caractéristique peut être relevée à l'aide d'un pont de mesure de capacités, par exemple d'un pont de Schering. La méthode de TERASE permet dans certains cas de tirer des conclusions valables. Dans beaucoup d' autres cependant la précision avec laquelle les caractéristiques essentielles d'interprétation peuvent être déterminées est insuffisante. Dans encore d'autres cas, les effets recherchés sont masqués totalement par d' autres phénomènes. L'invention a pour but une méthode de détection extrèmement sensible, réalisable \ l'aide d'appareils de mesure existants et qui fournit des critères d'appréciation significatifs au plan physique se fondant sur des décharges partielles nocives. Suivant l'invention,#la#méthode de détection d'une tenue diélectrique insuffisante de l'isolation de bobinages d'une machine électrique dans laquelle on raccorde dans la branche de mesure d'un-pont de mesure de capacité d'une part les conducteurs des-bobinages- et d'autre part les parties de la masse de la machine disposées autour de ces bobinages et dans laquelle on équilibre le pont de mesure pour chaque tension alternative de mesure prise dans une série de tensions données, la fréquence de la tension alternative étant choisie; ;parmi les fréquence apparaissant aux bobinages dans les conditions d'utilisation de la machine, cette méthode est caractérisée en ce qu'après chaque équilibrage, on dispose dans la diagonale d'équilibrage du pont-de mesure, en lieu et place de l'appareil indicateur d'équilibrage, un dispositif de mesure à haute sélectivité d'impulsions de courant d'amplitudes déterminées dues aux décharges partielles, laissant passer une fréquence correspondant à la queue de l'onde de courant moyenne de décharges partielles locales à l'intérieur de l'isolation du bobine, et en ce qu'on balaye les valeurs de la tension de mesure entre une valeur-de tension plus basse que la tension de service de la machine et une valeur égale ou plus haute que la tension maximum admissible de la machine. De préférence, on enregistre en fonction de la tension appliquée, les valeurs d'amplitude et/ou de fréquence d'apparition des impulsions mesurées par le dispositif de mesure à haute sélectivité et on apprécie, à partir des maxima de ces valeurs à proximité de la tension de service de la machine s'il y a danger d'une tenue insuffisante de l'isolation des bobines de la machine. L'invention est décrite ci-dessous par rapport à un exemple d' exécution représenté dans les figures du dessin annexé. Les figures I et 2 de ce dessin représentent des schémas électriques de ponts de mesure. La figure 3 montre la forme d'une impulsion moyenne de décharge partielle. A la figure 1, un pont de mesure est composé de quatre branches et d'une diagonale d'équilibrage. Les quatre branches comprennent une capacité à mesurer 1, constituée en ltoccurrence de la capacité d'un enroulement statorique d'un moteur par rapport à la masse de celui-ci, un condensateur de référence 2, une résistance d'équilibrage 3 et un condensateur d'équilibrage 4, mis en parallèle avec une résistance variable 5. Dans la diagonale de mesure est disposé -un commutateur 6, relié soit à un appareil indicateur d'équilibre 7, soit à un transformateur à haute fréquence 8, saturablelà noyau en ferrite dont l'enrou- lement secondaire alimente un voltmètre de crête 9. En lieu et place du commutateur 6, il est possible aussi de relier en permanence le transformateur 8 dans la diagonale de mesure et de placer un filtre passe-bas en série avec l'appareil d'équilibre 7. L'ensemble transformateur 8 et voltmètre 9 peut être remplacé par tout autre dispositif de mesure à haute sélectivité de l'amplitude la plus grande d'impulsions de courant dues aux décharges partielles. Les impulsions de courant dont l'amplitude est la plus grande sont évidemment les impulsions nocives La mesure est effectuée comme suit: on équilibre le pont à l'aide de l'appareil 7 à la fréquence de 50 Hz d'abord pour chaque tension de mesure d'une gatniue- autour de la tension nominale du moteur.On mesure de ce fait la capacité de l'enroulement statorique par rapport à la masse du moteur. Dans les conditions d'alimentation du pont représentées à la figure 1, la masse statorique du moteur doit être isolée du sol. S'il s'agit de mesurer la capacité de l'enroulement statorique d'une machine mise à la terre il faudrait soit alimenter le pont par les branches de nesure, soit utiliser un autre schéma de pont D.cE. selon la figure 2. Lorsque l'équilibre du pont est établi, la position du contact mobile du commutateur 6 est changé pour mettre hors circuit l'appareil 7 et pour brancher dans la diagonale de mesure le transformateur 8. Le transformateur 8 est un transformateur à haute sélectivité pour une fréquence f correspondant approximativement à l'inverse de la durée D de la queue d'une impulsion moyenne I des décharges partielles locales. A la figure 3, l'impulsion I est décomposée en deux composantes Ip responsable de la pointe et Iq responsable de la queue. Comme on le voit, la composante Iq bien que d'une amplitude faible est de durée très longue et contribue donc davantage à des effets destructifs de l'isolation que la composante Ip de durée extrèmement courte. La durée D de la queue est la durée de l'impulsion Iq à mi-hauteur de I intensité de crête de cette composante Iq. La bande passante de l'ensemble du transformateur 8 et voltmètre de crête 9 est de préférence très étroite autour de la fréquence f s 2D . Elle est sélectionnée pour qu'il soit possible d' 2D éliminer la composante Ip ainsi que des impulsions parasites de toute -sorte. Lorsque, par le choix d'un transformateur 8 on a opté pour une fréquence f déterminée, l'appareillage de mesure estsensible à des impulsions moyennes dont la durée D correspond -# l'inverse de la fréquence f. Or, la forme de l'impulsion moyenne des décharges partielles locales peut varier en fonction de la tension appliquée et peut varier en outre d'une isolation à l'autre, la variation en fonction de la ten sion étant la plus importante parmi celles rencontrées. Pour mesurer à l'aise ces décharges partielles, le produit de la capacité du condensateur de référence fois la valeur de résistance de la résistance d'équilibrage doit être égal à un #temps plus court que la durée D de t 'impul- sion moyenne. Il est possible ainsi d'éliminer des mesures l'influence des fronts raides des impulsions. Ces fronts raides ou ces composantes Ip représentent l'énergie nécessaire à la# production des charges à l'intérieur de l'isolation, ce qui n'est pas, en soi nocif. Ce qui est nocif, c'est la dynamique-d1évacuation ou d'élimination de ces charges représentée par la composante Iq. La haute sélectivité du transformateur 8 permet de déterminer la valeur# de la tension de mesure pour laquelle l'impulsion de décharge moyenne présente une durée D, car à cette valeur de tension, la courbe qui représente les valeurs #mesurées par le voltmètre de crête 9 en fonction des tensions-de mesu#re présente un maximum relatif. Si, au contraire, la courbe mesurée ne présente pas de maximum accusé, il faut en conclure que d'autres phénomènes liés aux décharges partielles locales à l'endroit de vacuoles se manifestent qui n'entraînent pas de dégradation de l'isolation. Cette dernière peut donc être considérée comme saine. Le transformateur 8 est un transformateur saturable, la saturation entrant en jeu dès que la quantité de charges-traversant le primaire du transformateur dépasse un seuil Situé au dessus d'une valeur compatible avec le phénomène des décharges partielles locales. Si ce seuil est dépassé, le phénomène enregistré nta donc plus rien de commun avec des décharges partielles locales (exemple: décharges superficielles). Il est possible aussi de remplacer le voltmetrefde crête 9 par un compteur d'impulsions nocives. La nocivité d'une impulsion peut être appréciée d'une part par son intensité et d'autre part par sa fréquence d'apparition. Si une telle impulsion se manifeste à chaque alternance de la fréquence de la tension alternative de mesure, il s'agit d'un phénomène permanent qui à plus ou moins brève échéance doit détruire 1' isolation. Par contre, si par exemple la fréquence d'apparition d'impulsions nocives est en dessous d'un taux de 0,5 par alternance de la fréquence de la tension alternative de mesure, l'apparition de telles impulsions peut être considérée comme erratique, ne conduisant pas à une destruction de l'isolation à brève échéance, Dans le but d'effectuer ce comptage, le compteur d'impulsions nocives comprend un étage d'entre à seuil, de préférence réglable, à travers lequel passent uniquement les impulsions d'une intensité au dessus du seuil réglé. D'autre part, la période d'échantillonnage de ce compteur est choisie de préférence entre 50 à 1000 alternances de la fréquence de la tension de mesure. Il est recommandé de rester en dessous de 1000 alternances pour ne pas allonger inutilement le temps de mesure. Le minimum de 50 alternances devrait être respecté dans le but de réduire l'influence du bruit qui provient d'impulsions parasites engendrés dans le réseau, par exemple lors de l'enclenchement et du déclenchement de disjoncteurs. Le procédé de mesure peut consister dans le choix d'une intensité de seuil unique pour toute la gamme de mesure ou d'une série de plusieurs réglages de seuil différents pour chaque tension de mesure ou encore d'une intensité de seuil unique pour chaque tension de mesure, choisie en fonction de la tension de mesure, par exemple proportionnelle à la tension de mesure. Une méthode de mesure particulièrement avantageuse résulte d'une combinaison des mesures faites d'une part par le voltmètre de crete et d'autre part du compteur d'impulsions. Dans ce cas, un compteur d'impulsions à étage d'entrée à seuil est branché en parallèle sur le voltmètre de crête 9. Le seuil du compteur d'impulsions est réglé, soit à la main, soit automatiquement égale à une tension légèrement inférieure à l'amplitude de l'impulsion la plus grande appliquée au voltmère de crête, par exemple a une valeur mesurant entre 98% et 80X de cette amplitude. La comparaison des mesures enregistrées par le voltmètre de crête d'une part et par le compteur d'impulsions d'autre part permet d'interpreter avec une autorité plus grande les phénomènes susceptibles de causer une destruction de l'isolation des bobinages des machines testées. Les avantages du procédé de mesure décrit ci-dessus ne s'épuisent pas par la détection des décharges internes. trais cette détection des décharges internes est facilitée même en présence de décharges d'autres natures comme les décharges superficielles ou décharges d'encoches à cause de la sélectivité du procédé de mesure selon 1 invention pour les décharges internes. A partir d'un certain niveau de la tension de mesure cependant, les décharges superficielles et/ou d'encoches masquent la détection des décharges internes. Ceci n'est pas gênant dans les cas pratiques ou il importe seulement de déterminer si une isolation est bonne ou non. En effet une isolation en bon état ne peut pas présenter des décharges superficielles ou des decharges d' encoches en dessous de la tension de service et même immédiatement au dessus de celle-ci. Il est d'ailleurs possible de distinguer si un accroissement des des valeurs mesurées par #le voltmère de crête 9 résulte de décharges internes ou de décharges superficielles ou d'encoches. En effet l'accroissement des valeurs mesurées par le voltmètre de crête 9 en fonction de là tension de mesure devient subitement beaucoup plus grand. S'il s' agit de décharges superficielles, l'opérateur sent en même temps l'odeur caractéristique d'ozone et il entend le bruit engendré par ces décharges superficielles. Si ltopérateur s'attarde un peu à chaque mesure, les fréquences d'apparition des décharges superficielles notamment à tension élevée tombe en moins'une minute de par exemple# 1 décharge par alternance à 1 décharge par 50 alternances, Dans le cas de l'apparition de décharges d'encoches, on n'entend pas de bruit et on ne sent pas'odeur d'ozone. Grâce à ces manifestations accessoires, il est donc possible d'éclaircir tout un éventail de phénomènescaractéristiques qui peuvent contribuer à l'appréciation de la bonne ou moins bonne tenue diélectrique d'une isolat#ion d'une machine électrique. La figure 4 montre plusieurs diagrammtes superposés de mesures faites par l'installation selon l'invention. Pour toutes les courbes la tension de mesure est portée en abscisse, tandis qu'en ordonnée sont portées les valeurs des différentes grandeurs. Les grandeurs représentées par les différentes courbes sont les suivantes: courbe 10: accroissement relatif de la capacité du #bobinage par rapport à la masse de la machine; courbe 11: la tgs de l'isolation; courbe 12: la valeur mesurée par le voltmètre de crête 9; courbe 13: le nombre de décharges par alternance compté par le compteur d'impulsions nocives . Alors que les courbes 10 et 11 ne présentent aucun accident de l'isolation, il n'en est pas de même des courbes 12 et 13. A des tensions sensiblement en dessous de la tension nominale Un de la machine électrique mesurée,des décharges internes nombreuses de faible amplitude sont mesurées par le voltmètre de crête et apparaissent presqu'à chaque alternance, mais au fur et à mesure que la tension de mesure augmente des décharges de plus grande amplitude sont produites et mesurées par le voltmètre de crête et enregistrées par le compteur. Ceci explique l'allure décroissante de la courbe 13. Cependant, l'amplitude maximum des décharges mesurée par le voltmètre de crête 9 passe par un maximum relatif à l'endroit de la tension nominale. Un peu au dessus de la tension nominale, la courbe 12 présente un coude à partir duquel part une branche croissante due à des décharges superficielles. A partir de la tension de mesure correspondant à ce coude, l'opérateur sent l'odeur caractéristique de l'ozone; il s'agit donc bien de décharges superficielles. La fréquence d'apparition de ces décharges mesurées par le compteur d'impulsions nocives présente deux maxima qui sont l'indice du fait qu'à partir de certaines tensions élevées certains points faibles donnant lieu à des décharges superficielles sont brûlés et éliminés. Une isolation présentant des courbes selon la figure 4 doit donc être considérée comme relativement bonne puisque les décharges internes les plus nocives ##ont encore qu'un caractère erratique et que des décharges superficielles apparaissent seulement à des tensions de mesure sensiblement plus élevées que la tension nominale de la machine. Cependant, le fait que le maximum de la courbe 12 se situe à l'endroit de la tension nominale indique que cette isolation devra être contrôlée à nouveau à relativement brève échance.

Claims: REVENDICATIONS Méthode de détection d'une tenue diélectrique insuffisante de 1' ion de bobinages d'une machine électrique dans laquelle on raccor ¯:#S la branche de mesure d'un pont de mesure de capacité d'une part onducteurs des bobines et d'autre part les parties de la masse de -; ;ctline disposées autour de ces bobinages et dans laquelle on équili se pont de mesure pour chaque tension alternative de mesure prise une gamme de tensions données, la fréquence de la tension alterna ve étant choisie parmi les fréquences apparaissant aux bobinages dans s conditions d'utilisation de la machine, caractérisée en ce qu, après chaque équilibrage, on dispose dans la agonale d'équilibrage du pont de mesure, en lieu et place d'un appa eil indicateur d'équilibre (7) un dispositif de mesure à haute sélectivite (8,9) a'impulsions de courant d'amplitudes prédéterminées dues à des décharges partielles dans l'isolation des bobinages, laissant passer une fréquence correspondant à la queue de tonde de courant moyenne Iq de décharges partielles locales à l'intérieur de l'isolàtion du bobinage, et en ce qu'on balaye les valeurs de la tension de mesure entre une valeur de tension plus basse c:ue la tension de service de la machine et ane valeur égale ou plus lai!Le que la tension maximum admissible de la achine. Appareil de mesure c. zonant à l'exécution de la méthode suivant la revendication 1, caractérise en ce qu'il consiste en un pont de mesure de capacité à résistances et condensateurs dans lequel l'appareil indiauteur d'équilibre (7) relie dans la diagonale de mesure est disposé en serie avec un dispositif sélecteur (6) et en parallèle avec un dispositif de mesure d'amplitudes prédéterminées-d'impulsion de courant (8,9), hautement sélectrif pour certaines fréquences des ondes de courant de décharges partielles locales à ltintérieur de l'isolation des bobinages. i. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le dispo itif de mesure d'amplitudes prédéterminées d'impulsions de courant #mprend un transformateur t8) hautement sélectif pour certaines fré onces. Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le trans armateur (8) hautement sélectif est un transformateur saturable. Appareil suivant une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce ue le dispositif de mesure d'amplitudes- prédéterminées d'impulsions de courant est un voltmètre de crête mesurant l'amplitude de la crête de la plus grande des impulsions de courant y appliquées. 6. Appareil suivant une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de mesure d'amplitudes prédéterminées d'impulsions de courant est un compteur précédé d'un étage d'entrée laissant passer les impulsions au dessus d'une amplitude de seuil, comprenant une période d'échantillonnage prédéterminée. 7. Appareil suivant la revendication 6 caractérisé en ce que la période d'échantillonnage est choisie entre 50 et 1000 alternances de la fréquence de la tension de mesure. 8. Appareil suivant la revendication 5 et une des revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que le dispositif de mesure d'amplitudes prédéterminées est constitué par une mise en parallèle du voltmètre de crête et du compteur précédé d'un étage d'entrée laissant passer les impulsions au dessusd'une amplitude de seuil. 9. Appareil suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de réglage du seuil à l'entrée du compteur actionné en fonction de la valeur mesurée dans le voltmère de crête.

Inventors: GOFFAUX, RAOUL ALFRED ALEXANDRE F.
Applicants: ATELIERS DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES DE CHARLEROI (ACEC) SOCIETE ANONYME
Application year: 1981
Main classification: G01R31
IPC codes: G01R31, G01R17