1

Diagnostic Insulation Testing(การทดสอบการฉนวนทางไฟฟาดวยวธวนจฉยฉนวน)

2

ผลเมออปกรณทางไฟฟาเกดการบกพรอง !

69

3

Back to Basics What is insulation? (อะไรคอฉนวนทางไฟฟา)

• วสดทเปนตวนาทไมด ( ไมเปนตวนาทางไฟฟา )– เปนตวนาทแยมากๆ– เปนไดทงของแขง (Solid), ของเหลว (Liquid)หรอ กาซ (gas) เชนพลาสตก (plastic), นามน (oil) หรอ SF6

– ซงในทนเราจะกลาวถงการฉนวนดวยของแขงเปนหลกWhat is Function of insulation?(หนาทของฉนวนทางไฟฟา)

– รกษาแรงดนไฟฟาจากแหลงไปยงโหลด (load)

– เพอหลกเลยงการเกดประกายไฟ (arcing)ระหวาง voltage กบ earth

– เพอหลกเลยงอนตรายตอชวตมนษยทเกดขนจากไฟฟา– ใชเปนตวรกษาระยะทางไฟฟา

4

Back to Basicsอะไรคอการวดคาความตานทานฉนวน(Insulation resistance) ?

• วดกระแสไฟฟา DC ทไหลผานฉนวน• ใช Ohms law R=V/I

• วตถประสงคเพอวดคาความตานทานโดยไมทาลายฉนวน และชบงถงความเสอมของฉนวน

• ไมใชการทดสอบความคงทนตอแรงดนทางไฟฟา (withstand test )

• การฉนวนไมไดทาหนาทหยดกนการไหลของกระแส แตมความสามารถในการจากดการไหลของกระแสไดในระดบหนงโดยขนอยการออกแบบ โดยจะมคาความตานทานอยคาหนง เทานน

ฉนวนสามารถมองไดเทยบเทากบวงจรทางไฟฟาคอ ตวความตานทาน (resistor) ขนานกบ ตว คาปาซเตอร (capacitor)

5

กระแสทเกดขนระหวางการทดสอบResistive current

• การไหลของกระแส อเลกตรอน (electron) ผานคาความตานทานของฉนวนCapacitive current

• จะเปนกระแสทไหลอยเปนระยะเวลาสนๆจนกวา คาปาซเตอร (capacitor) จะถกชาจนจนเตม

Dielectric Absorption current• กระแสทไหลเพอเรยงโมเลกล (molecules) ของวสดฉนวน และ จะหยดเมอ โมเลกล

(molecules) ดงกลาวมการเรยงตวเตมทแลว

6

Currents generated by the test

7

การตอบสนองของกระแสทเกดขน (Current Responses )

Leakage is resistive ( บอกถงการปนเปอน และ ปญหาหนกของฉนวน)Capacitive is time constantPolarization/absorption:

– กระแสทใชในการหนเหของขว + และ – (polarization) จะเพมมากขนเมอฉนวนดดซบความชนไว

– เมอวสดฉนวนทปนเปอนสงสกปรกหรอความชนจะมกระแสทใชในการหนเหของขว + และ - (polarization) จะยงมาก

– วสดฉนวน ทเสอมสภาพจะมกระแสทใชในการหนเหของขว + และ -(polarization) มาก

8

ทาไมจงตองทาการทดสอบฉนวน?สาเหตททาใหฉนวนเสอม

• เสอมจากสาเหตทางไฟฟา ( electrical stress )– Spikes and over voltages

• เสอมจากสาเหตทางกล ( Mechanical stress )

– การสนสะเทอน (Vibration), การเคลอนท , การกระทบกระแทก• เสอมจากสาเหตทางเคม (Chemical attack)

– สกปรก, นามน, ไอกรด (corrosive vapour)

• เสอมจากสาเหตทางสภาวะอณหภม (Thermal stress)

– สภาวะ เยน/รอน , การ Start/Stop ของเครองจกรหรออปกรณ• เสอมจากสาเหตทางสภาวะแวดลอม (Environmental conditions)

– ความชน(Moisture), อากาศชน(humidity), สตว (rodents)

9

ทาไมจงตองทาการทดสอบฉนวน?

เพอใหมนใจวาการฉนวนของอปกรณ ตรงกบคาทตาทสดทตามขอกาหนดมาตรฐานของอปกรณนนๆ โดยปราศจากการเสยหาย (breaking down)

ของอปกรณ เพอใหมนใจวาการ อปกรณไมเกดความเสยหายในขณะขนสง เพอเฝาระวง (Monitor) คณภาพการฉนวนของอปกรณ ตลอดอายการใชงานของอปกรณ เพอใหมนใจวาการ ปจจยจากสภาวะแวดลอมไมไดสงผลใหเกความเสยหายขนกบฉนวนของอปกรณ

10

ทาไมจงตองทาการทดสอบฉนวน?

เนองจากอปกรณทสาคญหากบกพรองหรอเสยหายตองเสยคาใชจายสง :- คาใชจายในการหยดเครองจกร / สญเสยกาลงการผลต.- คาใชจายในการในการซอมแซม / เปลยนอปกรณใหมแทนของเดมเพอนาขอมลทไดจากการทดสอบ(testing)/การเฝาระวง (monitoring) มาปรบกจกรรมการการบารงรกษาอปกรณเพอหลกเลยงการเกด breakdown ของฉนวนซงเปนสาเหตสาคญททาใหอปกรณเกดการเสยหาย

11

เมอไหร…จงจาเปนตองทาการทดสอบฉนวน ?กอนการจายไฟฟาเขาอปกรณครงแรกหลงจากผลตเสรจ ( โดยปกตจะใช HI-POT ac voltage withstand เพอตรวจสอบความผดปกต ) กอนนาอปกรณใหมมาใชงาน

การตรวจสอบระหวางชวงอายการใชงานของอปกรณทกๆ1 ป กอนนาอปกรณทไดรบการบารงรกษาแลวไปใชงาน หลงจากไมไดใชงานอปกรณมาเปนระยะเวลายาวนาน

12

จะเกดอะไรขนหากเราตรวจไมพบจดบกพรองของฉนวน?

เพมโอกาสทจะเกดอนตรายตอบคคลกร จากไฟฟา เชน ถกไฟฟาดด หรอ ตายเพมโอกาสทจะเกดไฟฟาลดวงจรซงนาไปสการเกดเพลงไหมทาใหอายการใชงานของอปกรณสนลงการหยดระบบการผลตโดยไมตงใจ หรอ ไมอยในแผนงานทวางไว ( ทาใหเสยคาคาใชจายสง )

13

มอปกรณอะไรบางทตองถกทดสอบ ?

อปกรณทตองถกทดสอบ• Transformers (terminals to ground)• Motors (terminals to ground)• Switchgear and circuit breakers• Switchboards and motor control centres• Disconnect switches• Insulators and bushings• Cables

14

เลอกอปกรณทตองทาการทดสอบ

Shielded Power CablePower Transformer

Circuit Breaker/BushingsAC Generator

15

ขนท 1 – แรงดนทดสอบควรใชเทาไร (test voltage)?Typical test voltages

• Equipment up to 1000V – test at 500V• Equipment 1000V to 3300V – test at 500 -1000V• Equipment 3300V to 6600V – test at 2500 – 5000V• Equipment greater than 6600V – test at 5000V

Motors to IEEE standards • Motors up to 1000V – test at 500V• Motors 1000V to 2500V – test at 500 -1000V• Motors 2501V to 5000V – test at 1000 – 2500V• Motors 5001V to 12000V – test at 2500 – 5500V• Motors greater than 12000V – test at 5000V – 10000V

16

การทดสอบดวยวธวนจฉยฉนวน ( Diagnostic )

Spot readingTrending spot readingPolarisation Index PIDielectric Absorption Ratio DARStep VoltageDielectric DischargeTime Constant

17

Spot Reading testเลอกแรงดนทดสอบทใช (Test Voltage)

จายแรงดนทดสอบ

วดกระแสทไหลผานฉนวน• โดยปกตจะจายแรงดนทดสอบ 1 นาท ( เพอใหกระแส capacitive และ

absorption หมดไป )คายประจ อปกรณทถกทดสอบ!!!

• เนองจาก Capacitance ทอยในฉนวนจะเกบพลงงานทางไฟฟาทเปนอนตรายเปรยบเทยบกบ คาความตานทานทตาสด ตามรายละเอยดเฉพาะของการตดตงอปกรณ (specifications on installation)

18

ขอเสยของ Spot reading

คาความตานทาน ขนอยกบอณหภม

– คาความตานทานจะลดลง 50% เมออณหภมเพมขน10 oC เชน ถาท 20 องศา วดได 2,000 MΩ คาท 40 องศา จะเปน 500 MΩ

ตองคานงถงความชนของอากาศโดยรอบการตดสนความเสอมของฉนวน ?

– ทาไดยากหากปราศจากประวตเดมของอปกรณ

19

การดแนวโนมของฉนวนโดย Spot Reading Test

บนทกผลคาความตานโดยใชวธ spot readings เพอการวเคราะหแนวโนมของคณภาพฉนวน ( trend analysis )

ดแนวโนมคาความตานทานทตกลงอยางตอเนองของประวตอปกรณดแนวโนมเปนหลก ความสาคญของคาความตานทานทวดไดเปนรอง

20

Trending Spot Reading TestIn

sula

tion

Res

ista

nce

Year #1 Year #2 Year #3 Year #4 Year #5 Year #6 Year #70

1 MΩ

10 MΩ

100 MΩ

1 GΩ

10 GΩ

100 GΩ

1 TΩ

Apparatus “A”

Apparatus “B”

21

การใช “Guard” terminalเพอตดผลกระทบของ กระแสทดสอบทไหลบนพนผว (Surface

Leakage Current) ของอปกรณ ซงเกดขนจากสงสกปรก (dirt) และ ความชนทเกาะอยบนพนผว (moisture)

กระแสทดสอบทไหลบนพนผว (Surface Leakage Current) ของอปกรณ จะทาใหผลการวดคาความตานทานของฉนวน ตากวาปกตโดยปกต จะใชสายตวนาแบบเปลอย (bare wire) หรอ สายตวนาแบบถก (braid) พนรอบอปกรณทอยภายใตการทดสอบ ควรกาจดสงสกปรก (dirt) และ ความชนทเกาะอยบนพนผว (moisture) กอนทาการทาการทดสอบ !

22

Connection Guard for Cable

23

Connection Circuit Breaker/Bushings

Bushing #2 Bushing #1

G

24

How to connectTypical connection to a cable

It is normal to connect the positive connection to ground (electro endosmosis)

25

ขอเสยของ Trending Spot Readings

คาความตานทาน ขนอยกบอณหภม ในขณะททาการวด– Rcorrect = Kt X Rtest - where Kt is the compensation

factor, doubles for each 10°C rise.ตองคานงถงความชนของอากาศโดยรอบ

– การวดคาควรกระทา ภายใตอณหภมทอยเหนอ dew point temperature

ตองเชอในประวตการทดสอบทมอย

26

27

Insulation Resistance Graph - XYZ Motor(not corrected for temperature)

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

16,000

Jan-9

0M

ay-90

Sep-90

Jan-9

1M

ay-91

Sep-91

Jan-9

2M

ay-92

Sep-92

Jan-9

3M

ay-93

Sep-93

Jan-9

4M

ay-94

Sep-94

Jan-9

5M

ay-95

Sep-95

Jan-9

6M

ay-96

Sep-96

Jan-9

7M

ay-97

Sep-97

Jan-9

8In

sula

tion

Res

ista

nce

(meg

ohm

s)

28

Insulation Resistance Graph - XYZ Motor(corrected for temperature)

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

16,000

Jan-9

0M

ay-90

Sep-90

Jan-9

1M

ay-91

Sep-91

Jan-9

2M

ay-92

Sep-92

Jan-9

3M

ay-93

Sep-93

Jan-9

4M

ay-94

Sep-94

Jan-9

5M

ay-95

Sep-95

Jan-9

6M

ay-96

Sep-96

Jan-9

7M

ay-97

Sep-97

Jan-9

8

Insu

latio

n R

esis

tanc

e (m

egoh

ms)

29

Current Responses

Leakage is resistive and remains fairly constant (contamination or severe problems)Capacitive is time constant (decays in few seconds)Polarization/absorption:

• Orientational polarization increases with absorbed moisture.

• contaminated materials more polarized.• Depolymerization increases polarization.

30

Polarization Index Test (PI)ใชคาความตานทานทอานได ณ. นาทท 1 และ นาทท 10

PI = R10 minutes/R1 minuteเปนการทดสอบคาความตานทาน/ตอเวลาทกาหนด (time-resistance test).

เปนการทดสอบทไมสนใจ Capacitive current– เนองจากผลของกระแสดงกลาวจะลดและหมดไปเปนลาดบแรกภายใน 3 –

4 วนาทฉนวนทดตองแสดงการเพมขนของคาความตานทานอยางตอเนอง ตลอดชวงเวลาในการทดสอบ (5-10 minutes).

– เปนการแสดงการลดลงของ absorption current

– เปนการแสดงระดบ ของ leakage current ทตา

31

Polarization Index Test (PI)Time-Resistance Test

Insulation probably

OK

Moisture and dirt may be present

0 Time 10 min

Meg

ohm

s

32

Polarization Index Results

InsulationCondition PI Result

Poor less than 1Questionable 1 – 2

Okay 2 – 4Good greater than 4

If PI> 4, what is result?

33

Minimum Recommended PI Value as per IEEE 43-2000

Thermal Class PI Value (minimum)

A 1.5 B 2.0 C 2.0 F 2.0 H 2.0

34

ขอดของ Polarization Index Test

ผลของการทดสอบไมเกยวของกบคาความตานทานทแทจรงของฉนวน– ไมขนกบการเปลยนของอณหภม– สามารถวนจฉยฉนวนไดภายในตวเอง ไมจาเปนตองใชประวตทผานมาของอปกรณ

แสดงถงคณภาพของฉนวนไดภานใน 10 นาท– หากเปนอปกรณทมขนาดใหญอาจตองใชเวลาเปนชวโมงในการชาจนประจ เมอตองการทดสอบฉนวนแบบ spot reading.

แสดงถงการมความชน (moisture) และ ปนเปอน (contamination) อยในฉนวน

35

Dielectric Absorption Ratio (DAR)

เหมอนกบการทดสอบ PI, แตผทาการทดสอบสามารถเลอกเวลาทจะทาการอานคา

– จะใชคาความตานทาน ณใ เวลา 30 seconds และ 1 minute

ใชกบอปกรณทมเนอฉนวนทบาง (“thin” insulation)

วสดฉนวนทม absorption currents ทตา– Polyethylene

36

Step Voltage Test

การเพมระดบแรงดนทดสอบเปนขนระดบ (steps) (โดยปกตเปน 5steps)

แรงดนทดสอบทจายจะมความคงทในแตละระดบ และในแตละระดบจะใชเวลา 60 seconds

คาความตานทานทอานคาไดควรทจะรกษาระดบคงทหากมการลดลงของคาความตานทาน อยางผดปกตทซงมองเหนไดอยางชดเจน นนคอการแสดงถงความความออนแอของฉนวนแสดงใหเหนวาฉนวน แตกกรอบ (cracked) หรอ เปนร (holes)

37

Step Voltage Test

1000

0.51.0 2.5 5.0

500

250

100

50Meg

ohm

s

Applied Voltage (kV)

good insulation condition (after

cleaning and drying)

poor insulation condition on damp and

dirty motor

38

Diagnosis From Polarisation Effects.

การหนเหของขว + และ – (polarization) สามารถใหขอมลเกยวกบ• การดดซบความชน Absorbed moisture (H2O orientational polarisation)

• ความเสอม (depolymerisation, oxidation by P.D) จะเปนการเพม

การหนเหของขว + และ – (polarization)

วดโดยตรงไดยากไมมอทธพลของ กระแส Capacitance / leakage มาเกยวดงนนเราสามารถดไดขณะ ฉนวนคายประจ

39

Dielectric Discharge Testทาการวดคากระแสขณะคายประจของฉนวน หลงจากฉนวนถกทดสอบ Insulation Test เสรจสนแลว 60 seconds

– capacitive current ไมมนยสาคญในขณะนระดบของการ reabsorption หลงจากเวลาดงกลาวจะแสดง ถงสถานะทางคณภาพของ วสดฉนวน (insulating material.)

– reabsorption อยางชาๆจะชใหเหนถงปญหาความผดปกต– เหมอนกบการ absorption อยางชาๆของ PI จะชใหเหนถงปญหาความผดปกตเชนกน

กระแส reabsorption ขนอยกบปจจยดงตอไปน:– คา capacitance ทงหมดของฉนวน– แรงดนทดสอบ (Final test voltage)

– ระดบของการ polarization ของ dielectric.

40

Polarisation or Absorption Effects.Polarisation or Absorption Effects.

-

+

-

+

-

+-

+

+

-

+ ++ +

--- --

+

+

-

-

+

+

--

+- +-

+ ++

-

--

+

41

Insulation Discharge Currents

CapacitiveCurrent

ReabsorptionCurrent

TotalCurrent

0.1 1.0 10.0 100.0

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

Time (sec)

Cur

rent

(µA

)

42

Dielectric Discharge Test

The DD value (in mAV-1F-1) is defined as:

I1 min

V x C

Current flowing after 1 minute (nA)Test Voltage (V) x Capacitance (µF)

43

Dielectric Discharge Results

InsulationCondition

DD Value(in mAV-1F-1)

Bad greater than 7Poor 4 – 7

Questionable 2 – 4Okay less than 2

44

ทาไมตองทาการวด Dielectric Discharge?

ในการกระแส Reabsorption จะไมมอทธพลของ resistive current(leakage) มาเกยวของ

– เนองจากหยดจายแรงดนทดสอบ

การทดสอบ PI จะแสดงการ absorption ของชนฉนวนทเสอมจะทาไดชา เพราะถกอทธพลของฉนวนชนทดอนๆอกหลายๆชนบดบง

– แตไมใชกบ reabsorption currents

จะแสดงใหเหนปญหาทเกดขนกบ ฉนวนชนใดชนหนงทอยในฉนวนแบบ multi-layer

45

Time Constant

คอความสมพนธคณลกษณะพนฐานของ dielectric constant และresistivity และ อทธพลจาก polarization.

การดแนวโนม ของ TC จะชวยในการเฝาระวงการเสอมของฉนวนไดการลดลงของ TC จะแสดงใหเหนถงปญหาทเกดขนในฉนวน

Time Constant = Resistance × Capacitance

46

Overall Conclusions

แตละวธการสอบทกลาวมาแลวจะใหภาพทชดเจน ของสภาวะของฉนวนโดยรวมของอปกรณทตองการทดสอบ การรวมการทดสอบหลายๆแบบไวดวยกนจะยงใหภาพของสภาวะฉนวนของอปกรณไดสมบรณยงขน

การกาหนดแผนกาการทดสอบบารงรกษาอปกรณตามเวลา (test

schedule) ทไดผลอยางแทจรงสามารถประหยดคาใชจายได– ทาใหไมเสยเวลาในการหยดเครอง/การผลต และ เสยคาใชจายในการซอม

เครองมอวดคาทเหมาะสมจงมความสาคญเปนอยางมาก!

47

Dielectric Discharge ResultsInsulation Condition PI DAR TC DD

Definition 10 minute1 minute

60 seconds15 seconds

ResistancexCapacitan

ce

Discharge current (at 60 s)/(V x C)

Poor < 1 <1 <100 > 4

Questionable 1 to 2 1 to 1.4 100 to 800 2 to 4

OK 2 to 4 1.4 to 1.6 800 to 2000 < 2

Good > 4 > 1.6 >2000

48

Minimum Values For Insulation Resistance

The “One-Megohm”Rule – Minimum 1Meg/1KVFormulas For Minimum value based on

• Kind of Insulation Used• Electrical and Physical Dimensions

49

Minimum Values For Insulation ResistanceRotating Machinery

“The recommended minimum insulation resistance Rm for

• alternating-Current and Direct-Current armature windings• And for field windings can be determined as

Rm = kV + 1Where:Rm = recommended Minimum Insulation in MΏ at 40oCkV = rated machine terminal to terminal potential in kV

50

Minimum Values For Insulation ResistanceCable and Conductors

The Insulated Power Cable Association recommended minimum insulation resistance R for

• Single- Conductor Cable

R = K log10 Dd

Where:R = megohms per 1000 feet of cableK = constant for insulating materialD = outside diameter of conductor insulationd = diameter of conductor

51

Minimum Values For Insulation ResistanceCable and Conductors

The Insulated Power Cable Association recommended minimum insulation resistance R for

• Multi- Conductor Cable

R = K log10 Dd

Where:D = diameter over insulation of equivalent single conductor

cable = d + 2c +2bd = diameter of conductor (conductor of same cross section)c = thickness of conductor insulationb = thickness of jacket insulation

52

Minimum Values For Insulation ResistanceTransformers

Recommended minimum insulation resistance R for • winding to ground with other windings guarded, or from

winding to winding with core guarded.

R = CEkVA

Where:C = a constant for 20oC measurements.E = voltage rating of winding under test.kVA = rated capacity of winding under test.• winding to ground with other windings grounded, - Values

would be much less then that given by formula

53

Minimum Values For Insulation Resistance

BushingsOil Circuit Breaker Bushings – 10,000 at MΏ at 20oC

• This assumes

54

Minimum Recommended Insulation Resistance as per NEMA

Maxiumum Rating of

Equipment in Volts

Minimum Test Voltage dc

Recommended Minimum Insulation

Resistance in MegOhms

250 500 25 600 1000 100

5000 2500 1000 8000 2500 2000

15000 2500 5000 25000 5000 20000 35000 15000 100000 46000 15000 100000 69000 15000 100000

55

Isothermal Relaxation CurrentTargets cables (vs pressure test XLPE)Charge/Polarise with 1kVdcCharges trapped at discrete energy levelsTime constants on discharge analysed by softwareLooks for XLPE water treeing Time constant

56

IP Rating – What does this means?

57

Key instrument requirementsHigh measurement range

–Infinity readings are no good

High accuracy readingsHigh test voltage

–Voltages above 5kV can be advantage

High output current–Less time to charge capacitance–Apply high voltage at lower insulation values

Good analogue digital display–Analogue to show variations, digital precise

reading

58

Key Customer Concerns

Ability to make accurate/repeatable readings in realtest situations.Easy to use (even for inexperienced operator).Versatility: will meet current and future needs?Ruggedness: will it stand up to harsh test environments?SafetyDelivery of stated test voltage.

59

Load Curves - Poor Load Curve

Resistance

100

kΩ0

1 MΩ

10 M

Ω

100

MΩ

1 GΩ 10

GΩ

100

GΩ

Vol

tage

1 kV

0

2 kV

3 kV

4 kV

5 kV5000 V

2500 V

1000 V

60

Load Curves - Good Load Curve

Resistance

Vol

tage

1 kV

0

2 kV

3 kV

4 kV

5 kV 5000 V

2500 V

1000 V500 V

100

kΩ0

1 MΩ

10 M

Ω

100

MΩ 1 GΩ 10

GΩ

100

GΩ

61

A History A History of Testingof Testing

Graham HeritageGraham HeritageProduct Manager Product Manager -- Contractors ToolsContractors Tools