Partial discharges in elevator machinery

Abstract

Partial discharges are usually less of a concern in low-voltage machines (below 1 kV). However, they can also occur in these machines, even if the rated voltage is below 1000 V. Cable reflections can double the supply voltage on machine terminals, resulting in higher than the designed voltage. Due to this overvoltage, partial discharges can occur even though they would not occur with nominal voltages. Low voltage machines are usually designed so that no partial discharges should occur. The organic insulating materials used in them are generally not resistant to partial discharges. Over time, partial discharge can cause faster deterioration than normal ageing processes, and therefore shorten the service life.

In this thesis, partial discharge measurements are carried out on a stator of an axial flux permanent magnet machine, which represents the technology and materials currently in use. The objective is to find out the inception and extinction voltages of the test stator, and how they relate to the operating voltages. Partial discharge measurements can be used to determine the condition of the insulation system by taking several measurements at intervals. From these measurements, a trend can be seen in the rate of change in the voltages with time and operation, which can give an indication of the condition of the insulation system.

The measurements are performed first on a new, unused stator, after which the stator is stressed in a tester for about three weeks. The measurements are then carried out again. The measurements show that the inception and extinction voltages are close to the voltage level that may occur during normal operation. Although the stator was stressed for only a short period of time, the results show a slight decreasing trend on the inception and extinction voltages of partial discharges. However, the uncertainty is quite large, and more measurements are required to see the trend with certainty.

Osittaispurkaukset jäävät yleensä pienemmälle huomiolle pienjännitekoneissa (alle 1 kV). Niitä voi kuitenkin esiintyä myös näissä koneissa, vaikka nimellisjännite on alle 1000 V. Kaapeliheijastukset voivat jopa kaksinkertaistaa sähkökoneen kokeman syöttöjännitteen, jolloin voidaan saavuttaa myös suunniteltuja suurempia jännitetasoja. Näiden jännitteiden seurauksena voi tapahtua osittaispurkauksia, joita ei nimellisjännitteellä tapahtuisi. Pienjännitekoneet on yleensä suunniteltu niin, että niissä ei tapahdu osittaispurkauksia. Niissä käytetyt orgaaniset eristemateriaalit ovat myös yleensä sellaisia, jotka eivät kestä osittaispurkauksia. Ajan myötä osittaispurkaukset voivat heikentää eristysmateriaalia tavallista ikääntymistä nopeammin, ja tämän vuoksi johtaa lyhyempään käyttöikään.

Tässä diplomityössä suoritetaan osittaispurkausmittauksia eräälle aksiaalivuokesto-magneettitahtikoneen staattorille, joka edustaa nykyisin käytössä olevia materiaaleja ja tekniikkaa. Tavoitteena on selvittää mikä on testistaattorin osittaispurkausten syttymis- ja sammumisjännite, ja kuinka ne suhteutuvat käyttöjännitteisiin. Osittaispurkausmittauksia voidaan käyttää eristyksen kunnon selvittämiseksi suorittamalla useita mittauksia tietyn ajan välein. Näiden mittausten perusteella voidaan nähdä trendi edellä mainittujen jännitteiden muutoksessa ajan ja käytön myötä, joka voi antaa viitteitä eristyksen kunnosta.

Mittaukset suoritetaan ensin uudelle staattorille, jonka jälkeen staattoria rasitetaan testerissä noin kolmen viikon ajan, ja mittaukset suoritetaan uudelleen. Mittausten perusteella osittaispurkausten syttymisjännite on lähellä sellaista jännitetasoa, joka voi esiintyä normaalissa käytössä. Vaikka staattoria rasitettiin vain lyhyen aikaa, tulokset näyttävät hienoisen laskevan trendin syttymis- ja sammumisjännitteissä. Epävarmuus on kuitenkin suurta, ja mittauksia vaaditaan lisää, jotta trendi voidaan nähdä varmuudella.