KANDIDAATINTYÖ

Transkriptio

1 KANDIDAATINTYÖ Antti Lehikoinen

2 Aalto-yliopisto Teknillinen korkeakoulu Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta Elektroniikan ja sähkötekniikan tutkinto-ohjelma Antti Lehikoinen Sähkölevyjen välisten oikosulkujen etsintämenetelmät sähkökoneissa Kandidaatintyö Työn ohjaaja: prof. Antero Arkkio

3 AALTO-YLIOPISTO TEKNILLINEN KORKEAKOULU KANDIDAATINTYÖN TIIVISTELMÄ Aalto-yliopiston Teknillinen korkeakoulu Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta Elektroniikan ja sähkötekniikan tutkinto-ohjelma Tekijä: Antti Lehikoinen Työn nimi: Sähkölevyjen välisten oikosulkujen etsintämenetelmät sähkökoneissa Päiväys: Sivumäärä: 4+28 Vastuuopettaja: TkT Markus Turunen Ohjaajat: prof. Antero Arkkio Kieli: suomi Tässä työssä esitellään sähkökoneiden levysydämen sähkölevyjen välisten oikosulkujen etsintämenetelmiä. Oikosulut johtavat koneen pyörrevirtahäviöiden lisääntymiseen ja pahimmillaan vakavaan konevaurioon. Työssä esitellään lyhyesti pyörrevirtahäviöiden syntymekanismi sekä levyoikosulkujen merkitys. Etsintämenetelmien tarve perustellaan. Menetelmät on jaettu kolmeen ryhmään. Korkean vuontiheyden menetelmissä käytetään normaalia käytönaikaista magneettivuon tiheyttä. Matalan vuontiheyden menetelmissä vuontiheys on tästä n. 4 %. Vuoinjektiomenetelmissä magnetoidaan vain pieni osa testattavasta levysydämestä. Menetelmistä esitellään toimintaperiaate sekä selvimmät edut ja haitat. Menetelmien keskinäistä paremmuutta sekä soveltuvuutta erilaisiin käyttökohteisiin arvioidaan. Työssä esitetään myös joitakin mahdollisia jatkokehitysideoita. Avainsanat: levysydän, rautahäviö, pyörrevirta, oikosulku, sähkölevy

4 Sisällys Tiivistelmä Sisällysluettelo Symbolit ja lyhenteet ii iii iv 1. Johdanto 1 2. Sähkölevyjen väliset oikosulut Korkean vuontiheyden menetelmät Silmukkatesti Sydänhäviötesti Pulssitesti Matalan vuontiheyden menetelmät El cid Rautasydänkäämitesti Vuoinjektiomenetelmät U-käämitesti Resonanssitesti Yhteenveto vuoinjektiomenetelmistä Yhteenveto Lähteet... 27

5 Symbolit ja lyhenteet Symbolit U E dl A B t n ds H J I μ 0 ω n A I e V s Φ e V e V se V f I f Φ f Φ sf V sf Θ V s,k I e,k N e N t V se0 P T N s jännite sähkökenttä polkualkio A:n reuna magneettivuon tiheys aikaderivaatta ulkonormaalivektori pinta-ala-alkio magneettikenttä virrantiheys virta tyhjien permeabiliteetti kulmataajuus käämin kierrosten lukumäärä metriä kohden käämin poikkileikkauksen pinta-ala magnetointivirta käämin jännite magnetointivuo magnetoinnin staattorissa indusoima jännite magnetoinnin käämiin indusoima jännite vikajännite staattorissa vikavirta vikavuo vikavuon mittauskäämin kautta kulkeva osa vikajännite käämissä vaihekulma kompleksiluvun vaihekulma käämijännitteen k:s taajuuskomponentti magnetointivirran k:s taajuuskomponentti magnetointikäämin kierrosten lukumäärä staattorihampaiden lukumäärä V se :n mediaaniarvo kussakin hammasvälissä keskimääräinen häviöteho integrointiaika mittauskäämin kierrosten lukumäärä Lyhenteet El cid (engl. Electromagnetic core imperfection detector) DFT Discrete Fourier transform diskreetti Fourier-muunnos

6 1 1. Johdanto Maailman yhteenlaskettu sähköenergian kulutus on korkeammalla tasolla kuin koskaan aiemmin, ja sen odotetaan kasvavan entisestään. Yli sadan vuoden kehityksestä huolimatta valtaosa sähköenergiasta tuotetaan edelleen pyörittämällä generaattorin akselia ja muuntamalla vaihtelevansuuruinen osa mekaanisesta energiasta sähköiseen muotoon. Erittäin suurista energiamääristä johtuen on erityisen tärkeää, että tuotannossa käytettävien generaattoreiden hyötysuhde saadaan mahdollisimman korkeaksi. Sähkökoneita käytetään runsaasti myös sähköverkon toisessa päässä. Selvä ero tuotantoon verrattuna on koneiden lukumäärän ja koon erilainen jakauma; pienikokoiset sähkömoottorit ovat erittäin runsaslukuisia. Niiden käyttö ulottuu elämän jokaiselle osa-alueelle pesukoneista tietokoneiden kiintolevyasemien lineaarimoottoreihin. Suurempitehoisia moottoreita käytetään runsaasti erilaisissa teollisuussovelluksissa. Rautatieliikenne on jo pitkään ollut sähköistä; nykyään tosin ollaan matkustajaliikenteessä siirtymässä dieselsähköisistä täyssähköisiin ratkaisuihin. Myös laivaliikenteessä sähköiset voimansiirtoratkaisut ovat yleisiä. Erityisesti jäänmurtajien kaltaisissa erikoissovelluksissa sähkömoottorin nopeasti säädettävä momentti on korvaamaton. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvaminen ja tästä mahdollisesti johtuva ilmastonmuutos sekä myös fossiilisten polttoaineiden tunnettujen varantojen väheneminen ovat omalta osaltaan ajaneet sähköautojen kehitystä eteenpäin. Osittainenkin siirtyminen sähköiseen autoliikenteeseen lisäisi maailman yhteenlaskettua sähkönkulutusta erittäin paljon. Lisäksi on syytä muistaa, että sähkönkulutuksen ennustetaan kasvavan myös ilman sähköautoilun määrän radikaalia lisääntymistä. Nykyisten sähkökoneiden hyötysuhde on useimmiten 90 prosentin luokkaa monissa tapauksissa jopa parempi. Näin ollen suuria prosentuaalisia parannuksia ei ole mahdollista saada aikaan energian säilymislakia rikkomatta. Kuitenkin ottamalla huomioon sähkökoneiden kautta kulkevan energian erittäin suuri yhteenlaskettu määrä, on selvää että pienilläkin hyötysuhdeparannuksilla säästetyt energiamäärät ovat maailman mittakaavassa merkittäviä. Yksi häviölähde sähkökoneissa on ns. rautahäviöt. Nämä muodostuvat hystereesihäviöistä sekä muuttuvien magneettikenttien indusoimien pyörrevirtojen aiheuttamista pyörrevirtahäviöistä. Pyörrevirtahäviöiden pienentämiseksi tehdään likimain kaikkien sähkökoneiden staattorit ja roottorit laminoimalla sähkölevyiksi kutsutuista metallilevyistä, joiden pinnalla on ohut eristekerros. Tällöin yhtenäisen johtavan alueen magneettikenttää vastaan kohtisuora pinta-ala ja siten magneettivuo saadaan mahdollisimman pieneksi, mikä minimoi pyörrevirtahäviöt. Levyjen välinen ohut eristekerros voi kuitenkin vaurioitua erilaisista syistä, mikä lisää luonnollisesti paikallisesti pyörrevirtahäviöitä. Tämä johtaa koneen hyötysuhteen alenemiseen ja käyntilämpötilan kasvuun. Lisäksi noussut käyntilämpötila heikentää eristekerrosta entisestään, jolloin uusien eristevikojen synty tai olemassa olevien kasvu helpottuu. Pahimmassa tapauksessa syntyy itseään ylläpitävä hajoamisprosessi, joka johtaa lopulta joko koneen sydänosien sulamiseen tai käämityksen eristyksen pettämiseen. Mittavat korjaustoimet ovat tällöin välttämättömiä. Erityisen kohtalokkaita tällaiset massiiviset konevauriot ovat voimalaitosgeneraattoreiden tapauksessa. Tällöin rahalliset tappiot voivat liikkua sadoissa miljoonissa. On myös syytä ottaa huomioon tällaisen tapauksen tuottama huono maine asiaan liittyville yrityksille. Tämä ilmiö voi lisätä välillisiä tappioita entisestään. Suurempi käyntilämpötila myös pienentää koneen odotettavissa olevaa elinikää, mikä luonnollisesti lisää taloudellisia kustannuksia. Lyhentyneen käyttöiän ja alentuneen hyötysuhteen aiheuttama ylimääräinen energian- ja raaka-ainekulutus on lisäksi yksi kannustin havaita sähkölevyjen väliset oikosulut mahdollisimman varhaisessa vaiheessa. Näin ollen sähkölevyjen välisten oikosulkujen havainnointimenetelmille on olemassa selvä tarve. Tämän työn tarkoituksena on esitellä lukijalle joitakin tähän tarkoitukseen soveltuvia menetelmiä. Työssä käydään läpi yleisesti hyväksytyt ja laajalti käytössä olevat menetelmät. Näiden lisäksi käsitellään myös testausmenetelmiä, jotka eivät toistaiseksi ole saavuttaneet suurta suosiota. Tällaiset menetelmät on valittu tähän työhön joko siksi, että niillä vaikuttaisi olevan potentiaalia laajempaankin käyttöön ja ne näyttäisivät tarjoavan selviä parannuksia vakiintuneisiin menetelmiin verrattuna, tai siksi että ne mahdollistavat testaamisen erikoistilanteissa, joihin yleisemmät

7 menetelmät eivät sovellu. Menetelmien perusperiaatteiden lisäksi arvioidaan menetelmien käyttökelpoisuutta erilaisiin sovelluksiin ja vertaillaan niitä muihin olemassa oleviin menetelmiin. Myös menetelmien tulevaisuutta ja joidenkin menetelmien tapauksessa myös mahdollisia parannusehdotuksia käydään läpi. Työssä käsiteltävät menetelmät on jaettu karkeasti kolmeen ryhmään. Ensimmäisenä käsitellyt korkean vuontiheyden menetelmät käyttävät nimensä mukaisesti suurta magneettivuontiheyttä testauksessa, tai ovat läheistä sukua tällaisille menetelmille. Vastaavasti pienen vuontiheyden menetelmissä käytettävä vuontiheys on vain joitakin prosentteja korkean vuontiheyden menetelmistä. Viimeisenä käsiteltävissä vuoinjektiomenetelmissä ei käytetä erillistä magnetointikaapelia kuten aiemmissa menetelmissä, vaan tarvittava magneettikenttä synnytetään mittauspäässä. Työn lopussa on lyhyt yhteenveto käsitellyistä menetelmistä sekä niiden eduista, haitoista ja mahdollisesta kehityksestä. On syytä huomata, että useimmat käsitellyt menetelmät soveltuvat sellaisenaan ainoastaan sähkökoneiden staattoreiden testaamiseen. Roottoreiden testaaminen edellyttää usein ainakin erilaista magnetointijärjestelyä. Valtaosa pyörrevirtahäviöstä ja niiden aiheuttamista ongelmista ilmenee kuitenkin staattoreissa, eikä roottoreiden testaaminen ole erityisen yleistä. 2

8 3 2. Sähkölevyjen väliset oikosulut Tässä luvussa käsitellään lyhyesti muun työn kannalta olennaiset peruskäsitteet. Yleisimpien sähkökoneiden pääpiirteinen rakenne esitellään. Pyörrevirtojen synty ja pyörrevirtahäviöiden yleiset ominaisuudet käydään läpi. Lisäksi käsitellään sähkölevyjen välisten oikosulkujen synty- ja kasvumekanismeja sekä perustellaan tarvetta näiden oikosulkujen havainnointi- ja etsintämenetelmille. Tarkastellaan ensiksi yksinkertaisen sähkömoottorin rakennetta. Moottori koostuu paikoillaan pysyvästä staattorista sekä pyörivästä roottorista. Roottorissa voi olla kestomagneetit, se voidaan magnetoida omilla käämeillään tai se voi induktiomoottorin tapauksessa olla täysin käämitön ja magnetoitua pelkästään induktioilmiön seurauksena. Jätetään roottori tässä yhteydessä tarkastelun ulkopuolelle. Yksinkertaisimmissa tapauksissa staattorin muodostaa pelkkä kestomagneetti. Kestomagneettimoottoreita ei käsitellä tässä työssä tarkemmin. Suuressa osassa sähkökoneita staattori koostuu kuitenkin staattorikäämityksestä sekä rauta- tai terässydämestä, joka luo matalareluktanssisen väylän magneettivuontiheydelle. Vaikka metallisydämien tarkka koostumus voikin luonnollisesti vaihdella, viitataan niihin jatkossa tässä työssä yksinkertaisesti rauta- tai levysydäminä. Tällaisissa sähkömoottoreissa staattorikäämeihin syötetään vaihtovirtaa, mikä luo roottorin ympärille pyörivän magneettikentän. Tällöin roottori pyrkii kääntymään magneettikentän mukana. Esimerkiksi epätahtimoottoreissa tämä johtuu siitä, että muuttuva magneettikenttä indusoi roottorin häkkikäämitykseen magneettivuon muutosta vastustavia virtoja. Näiden virtojen voimavaikutus pyrkii kääntämään roottoria staattorin pyörivän magneettikentän mukana. Tämä kääntävä voima havaitaan vääntömomenttina moottorin akselilla. Koska staattorin luoma magneettikenttä pyörii, voidaan koneesta saada ulos jatkuva akseliteho. Esimerkiksi tahtigeneraattorin tapauksessa roottori muodostaa magneettikentän. Tämä voidaan toteuttaa joko kestomagneeteilla (yleensä pienemmissä generaattoreissa) tai sähkömagneeteilla (suuret voimalaitosgeneraattorit). Roottorin synnyttämä magneettikenttä kulkee osin myös staattorin rautasydämen ja käämityksen läpi. Roottorin pyöriessä muuttuu staattorin käämit läpäisevä magneettivuo ajan funktiona, jolloin induktioilmiön seurauksena muodostuu käämityksen päiden välille jännite. Tämän jännitteen avulla voidaan sopivaan johtimeen aikaansaada sähkövirta, mikä puolestaan kokonaisuudessaan mahdollistaa mekaanisen energian muuntamisen sähköenergiaksi. Luonnollisesti on olemassa monia muitakin sähkökoneratkaisuja. Tällainen on esimerkiksi lineaarimoottori, joka on periaatteessa tason suoralle avattu tavallinen sähkömoottori. Yhteistä kaikille sähkökoneratkaisuille on kuitenkin rauta- tai terässydämisten muuttuville magneettikentille altistuvien magneettien käyttö. Tämä johtaa pyörrevirtahäviöiden syntyyn, kuten seuraavaksi osoitetaan. Faradayn induktiolain mukaan muuttuva magneettivuon tiheys synnyttää induktiojännitteen. Yhtälöstä E dl t B n ds (1) nähdään että indusoituva jännite U on suoraan verrannollinen sekä magneettivuon tiheyden B muutosnopeuteen että muuttuvan magneettikentän vaikutusalueen pinta-alaan A. Johtavassa aineessa indusoituva jännite synnyttää virtoja, jotka Lenzin lain mukaan pyrkivät omalla magneettikentällään vastustamaan ulkoisen magneettikentän muutosta. Nämä virrat tunnetaan yleisesti pyörrevirtoina. Epäideaalisessa johteessa liittyy virtoihin nollasta poikkeavan resistiivisyyden seurauksena aina myös lämpönä vapautuva hukkatehotiheys. Sähkökoneiden tapauksessa syntyy tästä syystä koneen rautasydämeen magneettivuon tiheyttä vastaan kohtisuoria pyörrevirtoja. Koska magneettivuon tiheys voi rautasydämen sisällä olla esimerkiksi 1 Tesla tai enemmänkin, indusoituisi yhtenäiseen rautasydämeen voimakkaita jännitteitä.

9 Tällöin myös pyörrevirrat ja vastaavat lämpöhäviöt olisivat suuria. Tämän estämiseksi rautasydän kootaan yleensä magneettikentän suuntaisista, toisistaan eristetyistä teräslevyistä. Näiden levyjen paksuus on tavallisesti alle 1 mm [6]. Tällöin yhtenäisen johtavan aineen alueen pinta-ala ja siten myös magneettivuo saadaan selvästi pienemmäksi, jolloin myös indusoituva jännite ja täten luonnollisesti myös lämpöhäviöt ovat pienemmät. Pyörrevirtahäviöt ovat pienillä taajuuksilla verrannollisia muuttuvan magneettivuon tiheyden taajuuden neliöön [21]. Tämä johtunee yksinkertaisesti siitä, että indusoituva vikajännite ja siten vikavirta ovat suoraan verrannollisia magneettivuon taajuuteen. Häviöteho on verrannollinen virran ja siten myös taajuuden neliöön. Kuitenkin suurilla taajuuksilla indusoituvien pyörrevirtojen magneettivuon muutosta vastustava vaikutus tulee selvemmäksi, mikä näkyy magneettivuon amplitudin pienenemisenä raudassa. Tällöin taajuusriippuvuus tippuu noin tasolle ~f 3/2. [21] Ns. tahtikoneissa roottori pyörii samalla kulmanopeudella kuin staattorin synnyttämä magneettikenttä. Epätahti- eli induktiokoneissa roottorin kulmanopeus on 2-3 % staattorikentän kulmanopeutta pienempi. Näin ollen magneettikentän muutosnopeus roottorisydämessä on selvästi staattoria pienempi. Tästä syystä myös pyörrevirtahäviöt ovat staattorissa huomattavasti roottoria suuremmat. [20] Useimmat sähkölevyjen välisten oikosulkujen etsintämenetelmistä onkin kehitetty nimenomaan staattoreiden testaamista varten. Osa menetelmistä soveltuu kuitenkin myös roottoreiden testaamiseen joko sellaisenaan tai pienin muutoksin, mikäli tällaiselle ilmenee tarvetta. Levyjen välinen eristekerros pyritään pitämään niin ohuena kuin mahdollista. Tällöin magneettisen raudan määrä pituusyksikköä kohden on mahdollisimman suuri, kuten myös magneettivuon tiheys koneen rautasydämessä [6]. Nykyään käytetään yleisimmin n. 10 mikrometrin paksuista epäorgaanista eristekerrosta [18]. Ohut eristekerros voi vaurioitua erilaisista syistä, kuten mekaanisesta vauriosta koneen asennus- tai huoltotoimenpiteiden yhteydessä, vierasesineen läsnäolosta tai työstön jäljiltä purskeisten levynreunojen seurauksena. Syntymekanismista johtuen pintaviat ovat yleisin vauriotyyppi [21]. On myös syytä huomata, että staattorilevyt ovat jo usein valmiiksi sähköisessä yhteydessä toisiinsa ainakin yhdestä kohdasta. Pienissä koneissa levyt pidetään yleensä yhdessä joko hitsaamalla ne yhteen ulkoreunastaan tai käyttämällä kiinnitystankoja ulkoreunoilla tai koko staattorin lävistäviä pultteja. Suuremmissa koneissa kiinnitystangot ovat pääasiallinen menetelmä. Nämä tangot saattavat olla sähköisesti eristettyjä staattorista, mutta tämä ei ole välttämätöntä. Lisäksi tankojen eristys voi vaurioitua koneen käydessä esiintyvien värähtelyjen ja väännön seurauksena [18]. Edellä mainituista syistä johtuen yksikin eristevika johtaa monissa koneissa suljetun virtapiirin syntymiseen, mikä vuorostaan kasvattaa indusoitunutta jännitettä ja täten pyörrevirtojen voimakkuutta. Tämä johtaa myös rautahäviöiksi kutsuttujen lämpöhäviöiden kasvuun, mikä näkyy koneen suurempana lämmöntuottona ja alentuneena hyötysuhteena. Staattorioikosulkujen vakavuus riippuu voimakkaasti suljetun virtapiirin pinta-alasta. Tämä nähdään tarkastelemalla kahta yhdenmuotoista pyörrevirtatapausta, joiden vastinsivujen pituudet ovat l 1 ja l 2. Tilannetta on havainnollistettu myös kuvassa 1. Yhtälöstä (1) nähdään homogeenisessä tapauksessa magneettivuon muutoksen kasvavan suoraan verrannollisena pinta-alaan. Huomioimalla se että vasemman puolen polkuintegraalin polun pituus kasvaa lineaarisesti (toisin kuin neliöllisesti kasvava pinta-ala) ja olettamalla riittävä symmetria nähdään sähkökentän voimakkuuden E kasvavan lineaarisesti l 1 :n ja l 2 :n suhteeseen verrannollisesti. Tällöin myös häviötehotiheys kasvaa lineaarisesti ja koko häviöteho neliöllisesti suhteessa vastinjanoihin. Toisaalta lämpövuo alueelta pois kasvaa vain lineaarisesti suhteessa piirin pituuteen. Tämä johtaa vikavirtapiiriin kuuluvien alueiden lämpötilan nousuun. [16] 4

10 5 Kuva 1. Kaksi yhdenmuotoista vikavirtapiiriä. Laminoidun magneettisydämen tapauksessa tämä paikallinen lämpötilannousu heikentää levyjen välistä eristettä. Tällöin voi tuloksena olla uusia levyjenvälisiä oikosulkuja, mikä puolestaan johtaa taas lisääntyneeseen lämmönnousuun ja itseään kasvattavaan vaurioon. Pahimmassa tapauksessa vaurio jatkaa kasvamistaan, kunnes sydän sulaa joko kokonaan tai osittain, tai sydämen käämityksen eristys vaurioituu. Tämä edellyttää tilanteesta riippuen joko sydämen uusimista kokonaan tai osittain tai käämieristevaurion ollessa kyseessä uudelleen käämimistä. [17] Käyttökohteesta riippuen koneen vakava vaurioituminen voi aiheuttaa erittäin suuria kustannuksia. Suuren generaattorin korjauskustannukset voivat olla kymmeniä miljoonia dollareita. Vieläkin suurempi kuluerä on korvaavan energian ostaminen generaattorin korjausajaksi. Pahimmillaan kustannukset voivat nousta satoihin miljooniin. Lisäksi kerrannaisvaikutukset valmistajan maineeseen ja muut vaikeammin arvioitavat tekijät voivat aiheuttaa runsaasti lisäharmia. [12] Sähkökoneen herkkyys eristevaurioille riippuu ymmärrettävästi koneen tyypistä. Suuri selkäkorkeus kasvattaa magneettikenttää vasten kohtisuoran yhtenäisen johtavan aineen alueen kokoa, jolloin myös indusoituvat jännitteet ja täten syntyvät pyörrevirrat ovat voimakkaampia. Tällöin pienempikin vähemmän levyjä yhdistävä oikosulku voi johtaa suureen paikalliseen häviötehoon. Tästä syystä ovat esimerkiksi pieniroottoriset ja paksustaattoriset turbogeneraattorit selvästi saman tehoisia hydrogeneraattoreita alttiimpia vaurioitumaan pienemmistäkin oikosuluista. Aiemmin mainitusta taajuusriippuvuudesta johtuen ovat suurnopeuskoneet myös alttiita vaurioille. Osittain tästä syystä, osittain ehjänkin koneen pyörrevirtahäviöiden pienentämiseksi tehdään suurinopeuksisten sähkökoneiden staattorit yleensä selvästi ohuemmista sähkölevyistä. Tällöin toisaalta myös vaurioille alttiiden eristekerrosten lukumäärä kasvaa, jolloin myös todennäköisyys että yksi tai useampi levy oikosulkeutuu, kasvaa. Huomattavaa on myös se, että sähkökoneteknologian kehittyessä ja yritystenvälisen kilpailun alalla kiristyessä ovat uudemmat koneet selvästi vanhoja kumppanejaan lähempänä rajojaan, jolloin myös vaurioalttius on vastaavasti suurempi. [18] Vaikka vakavaa konevauriota ei tapahtuisikaan, heikentävät levyjenväliset oikosulut koneen käytettävyyttä. Kasvanut lämpötila lyhentää voimakkaasti staattorikäämien eristyksen elinikää. Eliniänodotteen arvioidaan puolittuvan jokaista kymmentä lisäastetta kohden [20]. Lisälämpö täytyy myös aina johtaa jonnekin, mikä voinee muodostua ongelmaksi kuumissa tiloissa sijaitsevien tai hyvin suuritehoisten sähkökoneiden tapauksessa. Lisääntyneet tehohäviöt myös pienentävät koneen hyötysuhdetta ja antotehoa ja lisäävät vastaavasti energiankulutusta. Vuositasolla tämän vaikutukset

11 kustannuksiin voivat olla suuret [11]. On myös hyvä huomioida lisääntyneen energiantarpeen ja lyhentyneen eliniän ympäristövaikutukset pelkkien rahallisten kulujen lisäksi. On syytä huomata, että vakava staattorivaurio on syynä vain noin prosentissa vakavista sähkökonevaurioista [13]. Harvinaisuudestaan huolimatta mahdollisen vaurion seuraukset ovat vakavia, kuten aiempi esimerkki osoittaa. Lisäksi on muistettava, että suuri osa vakavista konevaurioista on seurausta staattorikäämien eristyksen pettämisestä, mihin sähkölevyjen välisen eristyksen heikkeneminen on voimakkaasti edesauttava tekijä [11]. Sähkömoottoreiden käyttöikää lisätään usein uusimalla niiden staattorikäämitys. Vanha käämitys poistetaan yleensä kuumentamalla sen eristeitä, mikä helpottaa poistamista. Tällöin pääsee kuitenkin usein myös staattorin lämpötila kohoamaan liian suureksi, mikä voi vaurioittaa staattorisydämen levyjen välistä eristystä [11]. Uudelleenkäämimisprosessin onnistumisasteen selvittämiseksi on usein tarvetta testata sydäneristyksen laatu ennen uudelleenkäämimistä sekä sen jälkeen. [1, s ] Edellä mainituista syistä johtuen on sähkölevyjen välisten oikosulkujen etsintämenetelmille selvä tarve. Seuraavissa luvuissa tarkastellaan erilaisia menetelmiä vakiintuneista ja standardisoiduista kokeellisiin ja kehittyviin menetelmiin. Osaa käsitellyistä menetelmistä on käytetty ja käytetään erilaisten ja -kokoisten sähkökoneiden tutkimiseen megawattiluokan voimalaitosgeneraattoreista pienempiin teollisuussähkömoottoreihin. Osa ei ole toistaiseksi kehittynyt koeastetta pidemmälle. Nämä menetelmät on sisällytetty tähän työhön siksi, että ne tarjoavat selviä parannuksia muihin menetelmiin nähden, tai soveltuvat testaamiseen erikoistilanteissa, mihin laajaan käyttöön vakiintuneet menetelmät eivät kykene. Valtaosa menetelmistä on kehitetty erityisesti staattoreiden testaamiseen, mutta osa niistä soveltuu käytettäväksi myös roottoreiden tutkimiseen. Staattoreiden huomattavasti suuremmista pyörrevirtahäviöistä johtuen on roottoritestaus kuitenkin selvästi staattoritestejä harvinaisempaa. Tästä syystä sekä selvyyden lisäämiseksi käsitellään tässä työssä pääosin vain staattorien testausta. 6

12 7 3. Korkean vuontiheyden menetelmät Tässä luvussa käsiteltäville korkean vuontiheyden menetelmille on tyypillistä se, että testauksen aikana magneettivuontiheys testattavassa staattorissa on lähellä normaalia käytönaikaista vuontiheyttä. magnetointitapa riippuu menetelmästä. Ensimmäisenä esitellään silmukkatestinä tunnettu menetelmä, jossa sähkölevyeristeiden vaurioita pyritään havaitsemaan ja etsimään seuraamalla lisääntyneiden pyörrevirtahäviöiden aiheuttamaa lämpötilannousua tavallisesti lämpökameralla. Silmukkatesti on korkean vuontiheyden menetelmistä selvästi tunnetuin ja laajimmin tutkittu. Samankaltainen menetelmä on sydänhäviötesti. Tässä menetelmässä ei kuitenkaan seurata staattorin lämpötilajakaumaa, vaan pelkästään magnetointiin kuluvaa tehoa. Tällöin saadaan yleiskuva staattorin sähkölevyeristyksen tilasta, muttei yksittäisten eristevikojen sijaintia. Viimeisenä käsiteltävä pulssitesti ei välttämättä ole suoranainen korkean vuontiheyden menetelmä, mutta se on kuitenkin läheistä sukua sydänhäviötestille ja siksi käsitelty tässä luvussa. Menetelmässä tutkitaan testattavan koneen reagointia pulssimaiseen magneettikenttäherätteeseen. Tämä testi soveltuu korkean vuontiheyden menetelmistä vähimmillä muutoksilla myös roottoreiden testaamiseen. 3.1 Silmukkatesti Korkean vuontiheyden menetelmistä tunnetuin ja siksi tässä työssä ensimmäisenä käsitelty on silmukkatesti. Menetelmän perusperiaatteena on magnetoida testattava staattori lähelle normaalia käytönaikaista vuontiheyttä ja pyrkiä tämän jälkeen havaitsemaan sähkölevyjen välisiä oikosulkuja staattorin sisäpinnan lämpötilaa seuraamalla. Tässä alaluvussa käsitellään lyhyesti menetelmän syntyä sekä yleisiä periaatteita. Menetelmän ilmeisimmät edut ja haitat esitellään ja niitä arvioidaan. Ensimmäiset testaus- ja staattorioikosulkujen etsintämenetelmät perustuivat visuaaliseen havainnointiin. Käytännössä ne vaativat aina tutkittavan koneen roottorin poistamista. Tämän jälkeen mahdollisia oikosulkuja etsittiin tutkimalla staattorin sisäpintaa puhtaasti tarkastajan aistien varassa ilman mitään teknisiä apuvälineitä. Kokenut tarkastaja voikin erottaa suurempia ja pidemmälle edenneitä vaurioalueita muuten normaalikuntoisesta staattorista. Menetelmän ilmeisiin haittoihin kuuluu kuitenkin sen epätarkkuus ja subjektiivisuus; tulosten tarkkuus ja luotettavuus riippuu pitkälti tarkastajan ammattitaidosta. [17] Tarkemman ja objektiivisemman menetelmän tarvetta kehittyi ensimmäiseksi tyydyttämään silmukkatestinä (engl. loop test) tunnettu menetelmä. Menetelmää kutsutaan myös useilla vaihtoehtoisilla nimillä, kuten täysvuotesti (engl. rated/full flux test) tai silmukkavuotesti (engl. ring flux test). [18] Menetelmän perusperiaatteena on magnetoida testattavan sähkökoneen staattori ulkoisella magnetointikaapelilla niin, että magneettivuon tiheys on n % normaalista käyntitiheydestä. Aikariippuva magneettikenttä indusoi staattorissa pyörrevirtoja, jotka puolestaan johtavat nollasta poikkeavan häviötehotiheyden syntymiseen ja staattorimetallin lämpötilan nousemiseen. [13] Oikosulkuja pyritään tämän jälkeen havaitsemaan tutkimalla staattorin pintalämpötilaa ja sen muutosnopeutta. Mittaus tehtiin aiemmin pääasiassa käsin tuntoaistin perusteella, mutta nykyään tämän tavan on pitkälti syrjäyttänyt lämpökameralla toteutettava etämittaus. [6] Pienien sähkökoneiden staattorin magnetointi voidaan suorittaa käyttämällä kaupallisia testauslaitteistoja, jollainen löytyy monista moottoriliikkeistä. [1, s ] Suurten moottoreiden ja generaattoreiden tapauksessa magnetointi suoritetaan paikan päällä erillisellä kaapelilla, jota kierretään tilanteesta riippuen kaksi tai useampia kierroksia staattorin ympärille toroidimaiseen muotoon. [12] Kaapelin päiden välille kytketään maasta (ja siten verkkovirran taajuudesta) riippuen normaali 50 tai 60 Hz:n vaihtojännite. Tämän jännitteen suuruus säädetään niin, että magneettivuon tiheys staattoriraudassa on 80 % tai enemmän siitä tiheydestä, joka kyseisessä metallissa on koneen normaalin käytön aikana. Kaupallisiin testauslaitteistoihin yleensä sisältyvä tietokone osaa laskea tarvittavan jännitteen ja magnetointikäämin kierrosten lukumäärän staattorin mittojen ja

13 staattorikäämin ominaisuuksien perusteella. Suuria koneita testattaessa tarvittava jännite pitää laskea manuaalisesti. Näissä laskutoimituksissa tulee huomioida mm. staattorin mitat ja staattoriteräksen permeabiilisuus. [1, s ] Tarkat laskutoimitukset ovat tässä yhteydessä epäolennaiset. Myös käytössä oleva jännitelähde vaikuttaa asiaan; tarvittavan jännitteen ja käämin kierrosten määrä on kääntäen verrannollinen käämin kautta kulkevaan virtaan. [20] Korkea-amplitudinen muuttuva magneettivuontiheys indusoi sähköisessä yhteydessä olevien sähkölevyjen muodostamiin virtapiireihin voimakkaita induktiojännitteitä. Syntyvät pyörrevirrat lämmittävät resistiivisesti sydänmateriaalia. Staattorin pintalämpötilaa seurataan lämpökameralla. Pitkiä ja kapearoottorisia turbogeneraattoreita tutkiessa käytetään yleisesti varren päähän kiinnitettyä erikoisvalmisteista infrapunapeiliä. Myös staattorissa mahdollisesti olevien platina-anturien tai termoparien lukemat kirjataan tavallisesti ylös. [1, s ] Mahdollisten sähkölevyjen välisten oikosulkujen olemassaolo ja sijainti pyritään selvittämään staattorin pintalämpötilan nousun perusteella. Lähellä staattorin pintaa sijaitsevat viat näkyvät nopeasti kohonneena lämpötilana. Syvempien vikojen ilmaantuminen kestää pidempään, ja ne ovat yleisesti muutenkin vaikeammin havaittavia johtuen lämmön jakautumisesta suuremmalle alueelle. Tällöin myös viasta johtuva pintalämpötilan nousu on vähäisempi. Eri syvyyksillä sijaitsevien vikojen havaitsemiseksi pintalämpötilaa seurataan heti testin alusta lähtien. [1, s ] Tämä on hyödyllistä myös siitä syystä, että lämpötilan nousunopeus toimii osaltaan vian vakavuuden ja sijainnin indikaattorina [1, s ], ja että staattorin saavutettua lämpötasapainon ympäristönsä kanssa voi osa vioista jäädä huomaamatta [3]. Pienet, muutaman asteen lämpötilaerot eivät yleensä merkitse ainakaan vakavaa levyoikosulkua [1, s ]. Tällaisten eroavaisuuksien syynä voi olla esimerkiksi teräksen epähomogeenisuus tai tai erilaisista rakenneseikoista johtuva magneettivuon vuotaminen pois staattorista [20]. Pienissä moottoreissa alle kymmenen Celcius-asteen lämpötilannousuja muuhun staattoriin nähden pidetään turvallisina. Suurissa generaattoreissa vastaava luku on 5 C. Jopa 15 asteen nousuja voidaan pitää hyväksyttävänä, mikäli mahdollisen vian korjaaminen on vaikeaa. Tällöin suositellaan kyseisen sähkökoneen tarkastamista normaalia useammin vian mahdollisen pahenemisen varalta. [1, s ] Silmukkatesti on laajasti käytetty ja yleisesti toimivaksi hyväksytty testi. Se on myös laajalti standardisoitu. [2] Laajan standardisoinnin lisäksi testin tekevät käyttökelpoiseksi myös sen kyky havaita vaurioiden olemassaolon lisäksi myös niiden likimääräinen sijainti ja antaa arvio niiden vakavuudesta. Testiä käytetään myös moottoreiden uudelleenkäämimisen onnistumisen varmistamiseen yhdessä sydänhäviötestin kanssa, sekä El cid -testin tulosten varmistamiseksi. [1, s ] Molempia testejä tarkastellaan tarkemmin seuraavissa luvuissa. Monista eduistaan huolimatta silmukkatestillä on myös haittapuolensa ja rajoituksensa. Yksi ilmeisimmistä on vaatimus koneen purkamiselle; koneen roottori on useimmiten poistettava testin suorittamiseksi. Tämä aiheuttaa lisäkuluja ja pidentää aikaa, minkä kone on poissa käytöstä. [1, s ] Testi voi olla myös vaarallinen testattavalle koneelle. Magneettivuon tiheys koneen staattorin levysydämessä on testin aikana lähes sama tai mahdollisesti jopa suurempi kuin koneen normaalin ajon aikana, joten myös syntyvät pyörrevirtahäviöt ovat lähellä normaalin käytön aikaisia häviöitä. Testaustilanteesta johtuen on koneen vesi- tai vetyjäähdytys kuitenkin yleensä kytketty pois päältä. Tämä voi johtaa koneen ylikuumenemiseen ja vaurioitumiseen. [16] Vaikkei vakavia vaurioita syntyisikään testin aikana, voi korkea käyntilämpötila edistää olemassa olevia eristevaurioita tai altistaa koneen uusien vaurioiden syntymiselle [1, s ]. Testissä käytettävät suuret jännitteet ja virrat muodostavat myös selvän vaaratekijän testaukseen osallistuvalle henkilökunnalle [3]. Toinen selkeä haitta on testauksen pitkä kesto. Testattavan koneen pysäyttäminen, roottorin ja mahdollisesti muiden estävien osien poistaminen sekä magnetointikaapelin asentaminen vaativat etenkin suurten generaattorien tapauksessa paljon miestyötunteja. [12] Myös itse testaaminen on aikaa vievää. Vikojen näkyminen pinnan lämmönnousuna vaatii, että magnetointi jatkuu pienten koneiden tapauksessa ainakin 30 minuuttia [1, s ] ja suurten koneiden tapauksessa tunnista [10] kahteen tuntiin [1, s ]. Testin mahdollinen toistaminen vaatii jäähtymistä ympäristön 8

14 lämpötilaan, mikä voi suurten koneiden tapauksessa kestää kauankin. Lisäksi kaapelointi on purettava ja itse kone kasattava uudelleen ennen kuin normaalia käyttöä voidaan jatkaa. [12] Myös itse testin suorittamisessa on omat hankaluutensa. Staattorin magnetointi vaadittavalle vuontiheystasolle vaatii tehonlähteen, joka kykenee tuottamaan tarpeeksi suurta virtaa matalalla jännitteellä. Pienten koneiden tapauksessa tämä ei yleensä ole ongelma, mutta suuria generaattoreita testatessa sopivan lähteen löytäminen voi muodostua ongelmalliseksi. [12] Myös suurten koneiden testaamisessa tarvittavan riittävän joustavan ja tarpeeksi eristetyn kaapelin löytäminen voi olla hankalaa [1, s ]. Luonnollisesti myös testin suuri tehontarve voi muodostua ongelmaksi [16]. Testin tarkkuuden suhteenkin esiintyy ongelmia. Tämäkään testi ei anna absoluuttista tai kvantitatiivista arviota vikojen vakavuudesta tai sijainnista etenkään syvyyden suhteen, vaan vaatii testaajalta kokemusta [14]. Luonnollisestikaan menetelmä ei kykene havaitsemaan staattorikäämityksen alla sijaitsevia tai muuten näköyhteyden ulkopuolella olevia vikoja [16]. Myös menetelmän kykyä havaita syvällä sijaitsevia tai pieniresistanssisia vikoja on epäilty [8]. Näiden väitteiden todenperäisyyttä on kuitenkin myös kyseenalaistettu [15],[7]. Myös aikariippuvuus syvien vikojen näkymisen ja termisen tasapainon muodostamisen suhteen voi aiheuttaa tuloksiin epätarkkuutta [3]. Silmukkatesti pysynee käytössä vielä pitkään. Erilaisista haittapuolistaan huolimatta se on kuitenkin laajalti käytetty ja yleisesti tunnettu staattoritestausmenetelmä. Juuri tämä kollektiivinen käyttökokemus on menetelmän selvin etu moniin uudempiin ja vähemmän käytettyihin testimenetelmiin verrattuna. Lisäksi menetelmä paljastaa melko kiistattomasti kriittisimmät vaurioalueet, jotka ovat luonnollisesti kuumenevat eniten. Menetelmää parantanee entisestään myös kaupallisten lämpökamerasovellusten kehittyminen. Nopea internethaku paljastaa lukuisien valmistajien kirjoitushetkellä tarjoamien lämpökameroiden lämpöresoluution olevan n. 100 mk tai jopa parempi. Tarkat lämpötilakamerat sekä lämpötilarajojen uudelleenasettaminen ja mahdollisesti testausjärjestelyjen pienehkö muuttaminen saattaisi mahdollistaa staattorin lämmönnousuun perustuvan analyysin huomattavasti nykyistä pienemmillä vuontiheyksillä. Tämä vähentäisi luonnollisesti menetelmän aiheuttamaa vaaraa koneelle ja ympäristölle pienemmistä lämpötiloista ja jännitteistä johtuen. Lisäksi pienempi lämpeneminen pienentäisi ainakin koneen jäähtymisaikaa, mikä mahdollistaisi uuden testin suorittamisen tai koneen kasaamisen ja palauttamisen normaaliin käyttöön aiempaa lyhyemmässä ajassa. 3.2 Sydänhäviötesti Silmukkatestiä yksinkertaisempi on sydänhäviötestinä (engl. core loss test) tunnettu versio. Testin ideana on - kuten silmukkatestissäkin magnetoida testattavan koneen staattori lähelle normaalia vuontiheyttä ulkoisella magnetointikaapelilla. Erona silmukkatestiin on se, että pinnan lämpötilajakauman sijaan mitataan magnetointiin kuluvaa tehoa. Testi on laajalti käytössä, ja monissa huoltoliikkeissä on käytössä menetelmää soveltava kaupallinen testauslaitteisto [1, s ]. Staattoriin syntyvät pyörrevirrat vastustavat magneettivuon muutosta, joten huonosti eristetyissä sähkölevyissä magneettivuon tiheys jää hyväkuntoista staattoria alemmaksi. Suuret pyörrevirrat johtavat luonnollisesti myös suurempiin staattorihäviöihin ja aiemmin käsiteltyihin ongelmallisiin seurauksiin. Pienemmästä magneettivuon tiheydestä johtuen staattorin magnetointi tietylle vuontiheystasolle vie myös hyväkuntoista staattoria enemmän tehoa. sydänhäviötesti mittaa juuri tätä magnetointiin kuluvaa tehoa magnetointikaapelin päiden välistä jännitettä ja sen läpi kulkevaa virtaa mittaamalla. [1, s ] Sydänhäviötesti on silmukkatestiä yksinkertaisempana ja nopeampana hyvä työväline koneiden rutiininomaiseen testaamiseen. Sitä käytetään esimerkiksi staattoreiden kunnon huononemisen seurantaan, sekä moottoreiden uudelleenkäämimisessä staattorisydämen sähkölevyjen välisen eristyksen kunnon testaamiseen ennen ja jälkeen vanhan staattorikäämityksen kuumapoistoa. Tällöin käämityksen poiston yhteydessä vahingoittunut staattori voidaan tunnistaa ja 9

15 korjata tai vaihtaa ennen turhaa uudelleenkäämimistä. Kokonaiskustannussäästöt voivat olla merkittävät [1, s ]. Myös tämä testi on standardisoitu esimerkiksi IEEE:n standardissa [2]. Pienten koneiden tapauksessa suurimpana hyväksyttävänä häviötasona pidetään 10 Watin häviöitä staattorin yksikkömassaa kohden. Yli 5 % häviötason kasvua edellisestä testistä pidetään hälyttävänä. Hyväkuntoisten staattoreiden häviöt ovat yleensä alle 6 W/kg, mitä pidetään myös hyväksyttävänä rajana suurten moottoreiden ja generaattoreiden staattorihäviötasolle. Suuren koneen häviöiden kasvaessa yli 5 % edellisestä testistä pyritään kasvun syy yleensä selvittämään ja korjaamaan. [1, s ] Testin ilmeisin haitta on se, että se antaa ainoastaan yleistä tietoa testattavan koneen eristyksen kunnosta, ei vikojen paikasta. Korkeasta vuontiheystasosta johtuen silmukkatestin kuumenemis- ja turvallisuusongelmat koskevat myös sydänhäviötestiä. Vaikka testi onkin standardisoitu, on ongelmia aiheuttanut sen käytön laajentaminen standardien pätevyysalueen ulkopuolelle sekä kykenemättömyys ymmärtää testaukseen ja staattorihäviöihin liittyviä ilmiöitä. Esimerkiksi erilaiset hystereesihäviöt tai laminoidun staattorin puristustiukkuus voivat vaikuttaa näennäisiin häviöihin ja aiheuttaa mittauksiin epätarkkuutta. Lisäksi koneen rautainen runko voi aiheuttaa magneettivuon vuotamista koneen rungon kautta, mikä osaltaan vaikuttaa mittaustuloksiin. [20] Sydänhäviötesti on yksinkertainen menetelmä nopeaan yleisluonteiseen testaukseen. Vaikkei menetelmä kykenekään osoittamaan mahdollisten eristevikojen sijaintia, on monissa tilanteissa etenkin pienempien sähkökoneiden tapauksessa pelkkä yleisarvio koneen sähkölevyeristeiden kunnosta todennäköisesti riittävä. Toisaalta menetelmään on vaikea keksiä ainakaan erityisen ilmiselvää parannusmahdollisuutta. Tästäkin huolimatta tämäkin menetelmä pysynee käytössä vielä pitkään. 3.3 Pulssitesti Tässä luvussa käsiteltävä pulssitesti (engl. surge test) ei välttämättä ole varsinainen korkean vuontiheyden menetelmä. Se on kuitenkin selvästi sukua sydänhäviötestille ja käsitellään siitä syystä tässä yhteydessä. Pulssitesti mittaa pulssimaisen magnetointiherätteen seurauksena staattoriin indusoituvaa akselin suuntaista jännitettä ja pyrkii näin antamaan yleiskuvan levysydämen kunnosta. Menetelmä ei ole toistaiseksi saavuttanut kovinkaan laajaa käyttöä, huolimatta siitä että Wheaton [19] esitteli sen jo 1960-luvun alussa. Kirjoittajan mielestä se tarjoaa kuitenkin monia etuja sydänhäviötestiin verrattuna ja sillä olisi täten potentiaalia nykyistä runsaampaan käyttöön. Tästä syystä menetelmä on valittu käsiteltäväksi myös tähän työhön. Pulssitesti on selvästi sydänhäviötestiä yksinkertaisempi. Tämä menetelmä pyrkii yksinkertaistamaan sydänhäviötestin monia muuttujia (magnetointikaapelin kierrosten lukumäärä, magnetointivirta yms.) ja nopeuttamaan näin testin suorittamista. Testi onkin n. 30 minuutin suoritusajallaan huomattavan nopea. Menetelmässä käytetään kondensaattorijärjestelmää, jonka avulla johdetaan testattavan sydämen akselia pitkin voimakas virtapulssi. Virta voidaan johtaa joko suoraan akselia pitkin tai poistamalla akseli ja korvaamalla se kaapelilla. [19] Tämä virtapulssi synnyttää luonnollisesti kaapelia vastaan kohtisuoralle tasolle kaapelia kiertävän magneettikentän, mikä muuttuessaan indusoi testattavaan staattoriin akselin suuntaisia jännitteitä. Testissä mitataan staattorin ulkolaidalta sen päiden välille indusoituva jännite ajan funktiona [19]. Kondensaattoreiden kapasitanssin ja testattavan sydämen ja kaapeleiden induktanssista johtuen testivirtapiirissä esiintyy värähtelyä, joka vaimenee häviöistä johtuen nopeasti. Hyväkuntoisessa sydämessä on vähän induktioilmiön synnyttäviä magneettivuon muutosta vastustavia pyörrevirtoja, jolloin magneettivuon tiheys nousee raudassa suureksi. Tämä näkyy suurena sydämen pituussuuntaan indusoituvana jännitteenä. Suuri vuontiheys johtaa muuttuvan magneettikentän tapauksessa luonnollisesti myös suuriin hystereesihäviöihin, mitkä puolestaan johtavat värähtelyn amplitudin nopeaan vaimenemiseen. Huonossa sydämessä indusoituvat 10

16 pyörrevirrat ovat huomattavasti voimakkaampia. Lenzin lain mukaan ne myös vastustavat magneettikentän muutosta, jolloin sydämeen indusoituvan muuttuvan magneettivuon tiheyden amplitudi jää pienemmäksi. Tämä näkyy mitattavan jännitteen pienempänä huippuarvona. Pienemmästä vuontiheydestä johtuen (magnetointivirran pysyessä samana) on sydämen induktanssi myös pienempi. Tämä saa kytkennän sarjaluontoisuudesta johtuen aikaan sen, että suurempi osa magneettikenttiin varastoituvasta energiasta varastoituu testissä käytettävien kaapeleiden lähes häviöttömään kenttään. Tämä näkyy jännitteen värähtelyn pienempänä vaimennuksena. [19] Testin selvimpiä etuja on sen nopeus ja yksinkertaisuus sekä halpa hinta. Parhaimmillaan sen voi suorittaa noin puolessa tunnissa. Menetelmä oli alunperin tarkoitettu uudelleenkäämittävien moottoreiden sydämien laadun testaukseen, missä nopealle ja helpolle testille on etenkin kysyntää. Alustavien testien mukaan menetelmän tarkkuus riittää kyseiseen tarkoitukseen, ja sen pitäisi soveltua monenlaisten sydämien testaamiseen. [19] Testi soveltunee helposti myös roottorien testaamiseen. Tällöin virtapulssi johdetaan luonnollisesti koneen akselia pitkin, kuten staattoriakin testattaessa. Indusoituva jännite on tällöin mitattava staattorin sijasta roottorista. Testillä on myös selkeitä puutteita. Ehdottomasti selvin haitta on sen kvalitatiivisuus. Tästä syystä testin suorittajalta vaaditaan laajaa kokemusta tarkkojen tulosten saamiseksi. Testi pystyy lisäksi vain antamaan yleisen indikaattorin testattavan sydämen kunnosta, ei osoittamaan mahdollisten vikojen sijaintia. Lisäksi moni tuloksiin vaikuttava seikka on otettava huomioon testiä suoritettaessa. Wheaton toteaakin [19] vuontiheyden saavuttamiseksi tarvittavan huippuvirran riippuvan tutkittavan sydämen koosta ja rakenteesta. Huippuvirran suuruuteen vaikuttavat edellä mainittujen seikkojen lisäksi myös kondensaattoreiden purkausominaisuudet, jotka vaikuttavat myös testin tuloksena saatavan jännitekäyrän muotoon. Myös vikojen sijainti eri vuontiheyksisillä alueilla sydämessä vaikuttaa siihen, miten ne näkyvät lopputuloksessa. Myös se, käytetäänkö virran kulkureittinä koneen akselia vai erillistä kaapelia, vaikuttaa testin herkkyyteen. [19] Selvä puute on myös testin vähäinen kollektiivinen käyttökokemus ja standardisoinnin puute. Selvimmin tämä ilmenee siinä, ettei hyvän ja huonon levysydämen huippujännite- ja vaimenemisaika-arvoille ole tämän työn kirjoittamishetkellä yleisesti hyväksyttyjä rajoja. Lisäksi nämä arvot vaihtelevat myös erityyppisten virheettömien sydämien välillä [19]. Testauskäytössä luotettavat tulokset edellyttänevät siis mahdollisuutta testata yhtä tai useampaa halutuntyyppistä sydäntä, joiden kunto on selvitetty muilla menetelmillä, ja asettaa hyväksyttävät raja-arvot tällä perusteella. Myöskään testin soveltuvuudesta erityyppisten levysydämien (kuten niittaamalla kasattujen) testaamiseen tai testin mahdollisista luotettavuus- tai tulkintatapamuutoksista erilaisissa tilanteissa ei ole yleisesti hyväksyttyä varmennettua tietoa. Pulssitestin jääminen lähestulkoon unohduksiin on jossain määrin hämmästyttävää. Puutteistaan huolimatta menetelmällä vaikuttaisi olevan potentiaalia huomattavasti laajempaankin käyttöön, etenkin sydänhäviötestin laajamittaiseksi tai osittaiseksi korvaajaksi. Pulssitestin alkuperäinen käyttötarkoitus levysydämen kunnon testaaminen uudelleenkäämimisen yhteydessä on juurikin sama kuin sydänhäviötestin suurin käyttökohde. Molemmille testeille on yhteistä menetelmän kvalitatiivisuus, joten tässä suhteessa pulssitesti ei ole ainakaan dramaattisesti huonompi. Pulssitestin etuihin sydänhäviötestiin verrattuna kuuluvat testin helpompi ja nopeampi suoritus sekä halvempi testilaitteisto. Myös testin levysydämelle aiheuttava rasitus on huomattavasti sydänhäviötestiä pienempi. Pulssitestissähän sydän on magnetoituna huomattavan lyhyen ajan, jolloin lämpenemisvaurioita ei ehdi syntyä. Toisaalta pulssitestin nopeista muutosilmiöistä johtuen indusoituvat jännitteet saattavat olla jopa sydänhäviötestiä suurempia, mikä voi mahdollisesti lisätä vaurioitumismahdollisuutta. Laajempaa käyttöä varten testi olisi luonnollisesti standardisoitava erikokoisille ja -tyyppisille levysydämille. 11

17 12 4. Matalan vuontiheyden menetelmät Nimensä mukaisesti matalan vuontiheyden menetelmissä magneettivuon tiheys testattavassa staattorissa on vain murto-osa normaalista käytön aikaisesta vuontiheydestä. Tavallisimmin käytetään 4 % vuontiheyttä, mutta myös muut arvot ovat mahdollisia. Näin matala vuontiheys ei aiheuta merkittäviä pyörrevirtahäviöitä tai lämpötilan nousua, joten lämpökamerahavainnointi ei juuri sovellu tämän tyyppiseen testaukseen. Tästä syystä pyritään sähkölevyeristeviat havaitsemaan mittaamalla syntyvien vikapyörrevirtojen tuottamaa magneettikenttää. Käytännössä tämä toteutetaan pienikokoisella mittaus- tai etsintäkäämillä. Ensin käsiteltävä El cid -nimellä tunnettu menetelmä on yleisesti tunnustettu hyväksi menetelmäksi staattoritestaukseen. Menetelmässä käytetään ns. Chattock-käämiä ja yksinkertaista signaalianalyysiä pyörrevirtojen havaitsemiseen. Toinen tässä työssä käsiteltävä menetelmä on rautasydänkäämitesti. Tämä testi ei ole toistaiseksi saavuttanut erityisen laajaa suosiota. Se vaikuttaisi kuitenkin tarjoavan el cidiä selvästi luotettavamman analyysin useimpien staattoriratkaisujen kanssa. Lisäksi menetelmä on kohtalaisen uusi ja saattaisi täten olla helposti parannettava ilman massiivisia ponnisteluja. Näistä syistä menetelmä on valittu tähän työhön ja käsitelty kohtalaisen tarkasti. Matalan vuontiheyden menetelmät käyttävät kuten aiemmin käsitellyt korkean vuontiheyden menetelmätkin erillistä ulkoista magnetointia. Yleensä tämä magnetointi toteutetaan pitkälti samoin kuin silmukkatestissäkin. Luonnollisesti magnetointikaapelin jännitteen- ja virrankestovaatimukset samoin kuin menetelmässä käytettävän jännitelähteen tehovaatimukset ovat kuitenkin alhaisemmat. On kuitenkin syytä huomata pyörrevirtojen synnyttämien magneettikenttien pieni voimakkuus. Näin ollen esimerkiksi magnetointikaapeleiden sijoitteluun on kiinnitettävä enemmän huomiota mittausvirheiden minimoimiseksi. 4.1 El cid El cid -menetelmä (engl. Electromagnetic core imperfection detector) kehitettiin 1980-luvulla Isossa-Britanniassa korvaamaan silmukkatestin puutteita [1, s ]. Tavoitteena oli kehittää nopeampi ja sekä testattavalle koneelle että testaushenkilökunnalle turvallisempi menetelmä, joka kykenisi havaitsemaan myös syvällä raudassa sijaitsevia vikoja. Menetelmää onkin sovellettu ja tutkittu laajasti. Testi pyrkii havaitsemaan eristevioista johtuvia pyörrevirtoja niiden tuottamaa magneettikenttää mittaamalla. Mittaus suoritetaan ns. Chattock-käämillä ja yksinkertaisella signaalianalysaattorilla. Menetelmässä tarvittava magneettivuon tiheys (tavallisesti 4 % normaalin käytön aikaisesta vuontiheydestä) saadaan aikaan samankaltaisella magnetointikaapelijärjestelyllä kuin silmukkatestissäkin. Testissä indusoidaan testattavaan staattoriin sen akselia kiertävä ajasta riippuva magneettikenttä. Tämä magneettikenttä synnyttää eristysvikojen seurauksena karkeasti ottaen sinimuotoisia vikavirtoja [8]. Nämä vikavirrat synnyttävät luonnollisesti myös ympärilleen ajasta riippuvan magneettikentän. Koska raudan suhteellinen permeabiliteetti on huomattavasti ilmaa suurempi, voidaan rautaa tässä tapauksessa pitää lähes magneettisena johteena. Tällöin vikavirtojen magneettikenttä on lähes kokonaan ilmassa; kentän voimakkuus raudassa on murto-osa ilmakentän voimakkuudesta. Ilman ja raudan rajapinnassa kenttä on myös lähestulkoon kohtisuorassa rajapintaa vasten. El cid -menetelmässä mitataan tätä oikosulkuvirtojen tuottamaa magneettikenttää. Mittaukseen käytetään niin kutsuttua Chattockin käämiä, joka on ohuesta johtimesta käämitty taivuteltava solenoidikäämi. Muuttuvaan magneettikenttään asetettuna käämiin indusoituva jännite on suoraan verrannollinen sen päiden väliseen potentiaalieroon [1, s ]. El cid -testauksessa käämiä kuljetetaan testattavan staattorin akselin suuntaisesti staattorin sisäpintaa pitkin siten, että käämin päät ovat vierekkäisten hampaiden vastakkaisilla reunoilla. [5] Amperen lain

18 13 H dl J n da (2) mukaan magneettikentän H viivaintegraali mitä tahansa suljettua polkua p pitkin on yhtä suuri kuin polun rajaaman pinta-alan A läpi kulkeva kokonaisvirta I. Tässä tapauksessa voidaan kirjoittaa H dl H dl H dl (3), missä p i on Chattock-käämin kautta kulkeva polun osa ja p r on levysydämen hampaiden ja selän kautta kulkeva, silmukan sulkeva polku. Koska magneettikenttä on tässä tapauksessa lähes kokonaan ilmassa, voidaan kirjoittaa H dl (4) Tällöin siis magneettikentän viivaintegraali Chattock-käämin akselia pitkin on lähes sama kuin käämin sulkevan alueen sisällä kulkevien virtojen summa. Ongelman geometriaa on havainnollistettu kuvassa 2. Kuva 2. Poikkileikkauskuva el cid -mittauksesta. Kun käämin poikkileikkauksen pinta-ala, käämin kierrosten määrä metriä kohden tunnetaan ja approksimoidaan magneettikenttää sinimuotoiseksi, saadaan tämä virta laskettua käämiin indusoituvasta jännitteestä U yhtälöllä (5 )

19 Tässä μ 0 on ilman permeabiilisuus, A käämin poikkileikkauksen pinta-ala, n käämin kierrosten lukumäärä metriä kohden ja ω käytettävän magnetoinnin kulmataajuus. [10] Käämin päiden välinen jännite ei kuitenkaan ole pelkästään staattorin pyörrevirroista aiheutunut. Myös osa staattorin magnetointivuosta vuotaa raudan ulkopuolelle ilmaan ja aiheuttaa käämiin oman jännitekomponenttinsa. Nämä jännitekomponentit on kuitenkin mahdollista erottaa toisistaan. Induktioilmiön luonteesta johtuen sinimuotoisen magnetointivuon sähkölevyihin indusoima jännite on 90 astetta edellä itse vuota. Ideaalitapauksessa pyörrevirrat ja siten myös niistä johtuva magneettikentän komponentti ovat samassa vaiheessa induktiojännitteen kanssa ja siis 90 astetta magnetointikentän vuotokomponenttia edellä. [9] Epäideaalisessakin tapauksessa tämä pätee hyvin pienikokoisille eristevioille. Suuremmassa viassa, jossa useampia sähkölevyjä on oikosulussa keskenään ja pyörrevirta-alueen pinta-ala täten suurempi, vikavirtapiirin kasvava induktanssi aiheuttaa vikavirran jäämisen jälkeen vikajännitteestä. Tällöin magnetointi- ja vikavuokomponenttien sekä vastaavien käämijännitekomponenttien välinen vaihe-ero muuttuu. [16] Tätä tietoa voi mahdollisesti hyödyntää tulosten analysoinnissa antamaan tietoa vian koosta ja vakavuudesta. Testauslaitteistossa käytetään signaalianalysaattoria jakamaan mittauskäämistä saatava jännitesignaali kahteen vaihekomponenttiin. Tämä edellyttää referenssisignaalia, joka on samassa vaiheessa staattorin magneettivuon kanssa. Tämä voidaan luoda joko staattorin läheisyyteen sijoitetulla mittauskäämillä tai mittaamalla magnetointivirtaa joko suoraan [5] tai magnetointikaapelin ympärille sijoitetulla mittauskäämillä [9]. Ideaalisessa tilanteessa tutkittaessa virheetöntä staattoria olisi magnetoinnista aiheutuva jännitekomponentti nollasta poikkeava vakio riippumatta testauskäämin sijainnista. Vikavirtojen tuottama, pääjännitettä 90 astetta edellä oleva komponentti olisi nolla. Staattorimateriaalin epähomogeenisuudesta, mittauskäämin asentovaihteluista, magnetointikaapelien vaikutuksesta ja muista epäideaalisuuksista johtuen tämä ei kuitenkaan ole tilanne käytännössä. Luonnollisesti staattorioikosulut aiheuttavat muutoksia vikajännitetasoihin, mutta tämän lisäksi mainituista epäideaalisuuksista johtuen kumpikaan jännitetaso ei ole vakio edes virheettömässä staattorissa. [6] Jos käämin jännitteestä lasketaan näennäinen vikavirta, on näiden satunnaisheilahteluiden vaikutus noin 15 ma [10]. Tavallisessa testaustilanteessa on magnetointikentän aiheuttama jännitekomponentti moninkertainen vikakomponenttiin verrattuna. Tästä syystä mittauksissa käytetään toisinaan kompensointikäämiä, joka sijoitetaan n. 50 mm varsinaisen mittauskäämin päistä kauemmaksi mitattavasta staattorista. [9] Tällöin magnetointikentän kompensointikäämiin ja mittauskäämiin indusoimat jännitteet ovat likimain yhtä suuret. Kytkemällä mittauskäämi ja kompensointikäämi sarjaan vastakkaisilla napaisuuksilla saadaan suuri osa magnetointikentän jännitekomponentista suodatettua pois. [1, s ] Suodatus ei ole täydellinen, mutta se riittää yleensä signaalin esikäsittelyksi [9]. Kompensointikäämiä käytetään erityisesti suuria koneita testattaessa [1, s ]. Staattorin magnetointiin käytetään kuten korkean vuontiheyden menetelmissäkin magnetointikaapelia. Erona näihin menetelmiin on huomattavasti matalampi vuontiheys koneessa testin aikana. Tavallisesti käytetty 4 % taso vastasi alun perin testiä kehiteltäessä käytettyjen virtalähteiden tehotasoa ja vakiintui vähitellen testin standardiksi [9]. Suuria koneita testattaessa joudutaan tässäkin menetelmässä käyttämään useampikierroksista magnetointikäämiä. Mittaustarkkuuden lisäämiseksi käämin johtimien on kuljettava staattorin pituusakselin kautta. [1, s ] magnetointikaapelointia käsitellään tarkemmin myöhemmin. Mahdollisten staattorivikojen olemassaolo mittauskäämin läheisyydessä voidaan päätellä käämistä mitattavan jännitteen vikakomponentin suuruuden poikkeamasta keskiarvostaan, joka on yleensä nollasta poikkeava aiemmin käsitellyistä epäideaalisuuksista johtuen [6]. Standardisoinnin helpottamiseksi lasketaan tästä jännitteestä yleensä ensiksi vikavirta. Haitalliseksi, vikaa indikoivaksi katsottavan virran suuruus riippuu testissä käytettävän magneettivuontiheyden suuruudesta. Standardiksi on vakiintunut vuontiheys, jolla staattoriin indusoituu pituusakselin suuntaisesti viiden voltin jännite metriä kohti. Tällöin mahdollista vikaa ja lisätutkimuksen tarvetta osoittaa 100 ma 14

20 vikavirta. Mikäli käytetään jotain muuta vuontiheyttä, voidaan vikavirtaraja laskea käytetyn jännite-yksikköpituus suhteen ja standardisoidun 5 V/m -arvon suhteesta lineaarisesti. [1, s ] Tämä vikavirtataso vastaa yleensä noin 5-10 asteen lämmönnousua koneen normaalissa käytössä [6]. Suurten ja vakavien vikojen tapauksessa voivat vikavirrat olla jopa yhden ampeerin suuruisia [10]. Vikavirtarajojen ylittyessä tutkitaan vikasignaalin alue yleensä tarkemmin visuaalisesti mahdollisen vian löytämiseksi. Tarvittaessa tulos voidaan varmistaa myös silmukkatestillä. [1, s ] El cid -testillä on monia etuja aiemmin käsiteltyihin menetelmiin verrattuna. Käytettävä magneettivuontiheys on murto-osa silmukkatestin tasosta. Tällöin häviöteho ja koneen kuumenemisesta johtuvat ongelmat jäävät selvästi pienemmiksi. 4 % vuontiheystasolla tarvittava magnetointiteho on 1/625 täyteen vuontiheyteen verrattuna. Staattoriin indusoituvan jännitteen pienuudesta johtuen testi on myös testaushenkilöstölle turvallinen. [5] Pienestä tehosta johtuen testattava kone ei juuri kuumene, jolloin testi voidaan toistaa nopeasti odottamatta koneen jäähtymistä [17]. Tästä syystä testausmenetelmä soveltuu kontrollikäyttöön konekorjauksen aikana [8]. Testi havaitsee myös staattorikäämityksen alla olevat viat helposti; silmukkatestillä tämä on erittäin vaikeaa [17]. Testi on myös yleisesti silmukkatestiä herkempi syvällä sijaitseville vioille. Lisäksi tuloksia on silmukkatestiä helpompi tulkita. [13] Testi ei myöskään edellytä aina roottorin poistoa, mikä nopeuttaa testausta huomattavasti [6]. Tällöin roottoria käytetään osana magnetointikäämiä [1, s ]. Testi on myös nopea suorittaa. Säästyneen ajan ja henkilöstökulujen lisäksi nopeudella on se etu, että sähkökoneita on mahdollista testata myös lyhyiden huoltokatkojen aikana. Silmukkatestillä tämä ei olisi mahdollista aiemmin mainituista lämpenemissyistä johtuen, eivätkä muut käsitellyt menetelmät pystyisi osoittamaan vikojen sijaintia. Nopeudesta on hyötyä erityisesti voimalaitosgeneraattoreiden testauksessa. Voimalaitostekniikassa on pitkän aikaa ollut trendinä pidentää generaattoreiden huoltoväliä ja lyhentää testausaikaa, joten tällaiseen käyttöön menetelmä on erittäin sopiva. [5] Vaikka tähänkin menetelmään kuluu lisäaikaa perushuoltoon nähden, on generaattoreiden testaaminen silti kannattavaa mahdollisen vaurion erittäin kalliista seurauksista johtuen [12]. Selvä etu on myös testin standardisointi ja erittäin laaja käyttö. Tällöin menetelmän yhteinen kollektiivinen käyttökokemus on laaja ja testituloksia voidaan helposti verrata aiempiin tunnettuihin ja julkaistuihin tuloksiin. Lisäksi menetelmän toimivuus on varmistettu useissa tutkimuksissa [4]. Testin tulokset korreloivat hyvin myös laajasti käytetyn silmukkatestin kanssa, joskin el cid -testi on monissa tilanteissa silmukkatestiä tarkempi [10]. Luonnollisestikaan tämäkään menetelmä ei ole täydellinen. Magneettikentän voimakkuus ilmassa staattorin pinnan lähellä on pieni, eikä ilmasydämiseen Chattock-käämiin indusoituva jännite ole suuri. Lisäksi tähän jännitetasoon vaikuttaa voimakkaasti likimain puoliympyrän muotoisen käämin määrittämän tason kohtisuoruus staattorin pintaan ja pituusakseliin nähden. [12] Nämä seikat johtavat matalaan ja kohinaiseen signaalitasoon [13]. Menetelmä soveltuu myös huonosti staattoreiden porrasmaisten päätyalueiden tutkimiseen, joissa vuotovuot ovat suuria [17]. Menetelmä soveltuu myös heikohkosti segmenteistä rakennettujen staattorien tutkimiseen liitoskohdissa esiintyvien voimakkaiden vuotomagneettivuontiheyksien vuoksi. Lisäksi nämä alueet ovat selvästi muuta staattoria alttiimpia eristevioille, joten tämänkin vuoksi el cid soveltuu huonosti tämäntyyppiseen testaukseen. [10] Tämäkin menetelmä on luonteeltaan kvalitatiivinen, ja se vaatii käyttäjältään kokemusta tarkkojen tulosten saamiseksi [10]. Luotettavien tulosten saaminen edellyttää tarkkuutta testauskäytännöissä. Mittauskäämin sijainnin vakioimiseksi käytetään sen kuljettamiseen usein pyörillä tai telaketjuilla varustettua robottikärryä. Tämä mahdollistaa myös suuri-ilmavälisten sähkökoneiden testaamisen roottoria poistamatta. [5] Yksi suurimmista virhelähteistä on magnetoinnissa käytettävän käämityksen sijainti. Tyypillistä toroidikäämitystä käytettäessä on mittauskäämi pidettävä riittävän etäisyyden päässä magnetointikaapeleista, mikä edellyttää niiden paikan vaihtamista koko koneen testaamiseksi. Kaapeli voidaan myös vetää suoraan staattorin läpi. Tällöin on kuitenkin varmistettava kaapelin tarkka keskitys sekä se, että paluulenkit vedetään tarpeeksi kaukaa häiriöiden välttämiseksi. Nämä 15

21 paluulenkit voivat aiheuttaa ongelmia muissakin magnetointimenetelmissä. Koneen valmistusmenetelmästä riippuen myös staattorin kiinnitystangot tai koossapitopultit (joissakin lähteissä niitit) voivat aiheuttaa mittauksiin häiriöitä. [9] Lisäksi sydänhäviötestin tavoin esimerkiksi koneen rautainen runko voi aiheuttaa magneettivuon vuotamista, mikä voinee vaikuttaa mittaustuloksiin. El cid -menetelmä on vuosien kuluessa vakiinnuttanut paikkansa erityisesti suurten sähkögeneraattoreiden testauksessa, missä se tarjoaa monia etuja muihin käytettävissä oleviin testeihin verrattuna. Lisäksi suuret generaattorit ovat nykyisin entistä lähempänä kestorajojaan, mikä lisää tarvetta havaita mahdolliset eristeviat ennen niiden pahenemista [5]. Testi tarjoaa useimmiten hyvän mittaustarkkuuden ja soveltuu nopeutensa ansiosta myös lyhyempien huoltokatkojen aikana suoritettavaan testaukseen. Testin käyttökelpoisuutta tullee edelleen lisäämään roottoria poistamatta suoritettava testaus. Hydrogeneraattoreiden tapauksessa tämä on jo arkipäivää, mutta kirjoitushetkellä turbogeneraattoreiden testaaminen edellyttää yleensä roottorin poistamista. [5] 4.2 Rautasydänkäämitesti El cid -menetelmällä on laajasta käytöstään huolimatta puutteita. Ilmasydämisen käämin signaali-kohinasuhde on alhainen, eikä menetelmä anna kovinkaan tarkkaa tietoa havaittujen vikojen sijaintisyvyydestä luvulla kehitetty rautasydänkäämitesti vaikuttaa monessa suhteessa el cidiä paremmalta menetelmältä. Menetelmä on suhteellisen uusi, eikä ole kirjoitushetkellä vielä kovinkaan laajalti käytössä tai standardisoitu. Tämä huomioiden menetelmää tullaan tarkastelemaan tässä työssä ehkä yllättävänkin tarkasti. Testillä vaikuttaisi kuitenkin olevan potentiaalia huomattavasti laajempaan käyttöön, ja se ansaitsee kirjoittajan mielestä tästä syystä melko yksityiskohtaisen tarkastelun. Menetelmä tarjoaa el cidiin verrattuna paremman signaali-kohinasuhteen ja mahdollisuuden määrittää vikojen sijainti tarkemmin. Rautasydänkäämitesti on el cidin tavoin matalan vuontiheyden menetelmä. Testattavaan staattoriin synnytetään ulkoisella magnetointikaapelilla sinimuotoisesti muuttuva magneettikenttä. magnetointi voidaan toteuttaa vastaavasti kuin el cid testissä, eikä sen yksityiskohtia käsitellä tässä uudestaan. Muuttuva magneettikenttä synnyttää levyoikosulkujen seurauksena pyörrevirtoja joiden aiheuttama magneettikenttä havaitaan. El cid -menetelmästä poiketen rautasydänkäämitestissä käytetään nimensä mukaisesti rautasydämistä käämiä. Käämi on myös puoliympyrän sijasta sylinterimäinen, ja se sijoitetaan testattavan staattorin hampaiden väliin kohtisuoraan staattorin pituusakselia kohtaan. [12] Menetelmässä käytetään rautasydämistä käämiä, joka sijoitetaan testattavan staattorin hampaiden väliin. Tällöin kokonaisilmaväli käämin ja testattavan staattorin välillä kummallakin puolen käämiä on vakio. [13] Tämä on selvä parannus el cid -tyyppisiin testeihin verrattuna, joissa ilmavälin muutokset aiheuttavat signaaliin kohinaa. Lisäksi sylinterimäinen käämi ei symmetriasyistä ole asentoherkkä pituusakselinsa suhteen. El cid -testissähän puoliympyränmuotoisen käämin kiertyminen mihin tahansa suuntaan vaikuttaa ilmaväliin tai yhtälön (3) polkuintegraalin arvoon ja täten signaalin voimakkuuteen. Lisäksi rautasydämen käyttö tarjoaa matalareluktanssisen polun vikavirroista aiheutuvalle magneettikentälle. Tällöin vuontiheys käämin sydämessä ja siten käämityksen rajaaman alueen lävistävä magneettivuo on huomattavasti ilmakäämiä suurempi. Tämä johtaa selvästi parempaan signaali-kohinasuhteeseen, mikä puolestaan mahdollistaa pienempien vikojen havaitsemisen ja vähentää väärien vikahavaintojen määrää. [12] Vikojen sijainnin analysoinnin mahdollistava osoitinanalyysi on esitetty kuvissa 4 ja 6. Testissä mitattavia suureita ovat magnetointivirta I e sekä käämistä mitattava jännite V s. Magnetointivirran kanssa samassa vaiheessa on myös staattorissa kulkeva magnetoinnin tuottama magneettivuo Φ e. Mikäli magnetointijärjestelmä oletetaan puhtaasti induktiiviseksi ja magnetointivirta sinimuotoiseksi on magnetoinnin staattorissa indusoima jännite V e 90 astetta magnetointivirtaa edellä. [12] Tällöin myös hampaasta toiseen vuotavan magnetoinnin tuottaman vuokomponentin käämiin indusoima jännite V se on 90 astetta I e :tä edellä. Sähkölevyoikosulkujen 16

22 17 luomiin vikavirtapiireihin indusoituva vikajännite V f on samassa vaiheessa V e :n kanssa. Vikavirtapiirin resistanssin ja induktanssin suhteesta riippuen vikavirta I f on 0 90 astetta vikajännitettä V f jäljessä. [13] Kuva 3. Vika staattorin hammasvälin pohjalla. Tarkastellaan ensiksi tapausta, jossa sähkölevyjen välinen oikosulku on staattorin hammasvälin pohjalla. Tätä on havainnollistettu kuvassa 3. Virtapiiri sulkeutuu staattorin ulkoreunan kautta (kuvan ulkopuolella alhaalla). Vikavirran I f synnyttämä magneettivuo Φ f on samassa vaiheessa virran kanssa. Osa tästä magneettivuosta, kuvissa Φ sf, kulkee kahden hampaan ja hampaiden välisen ilmavälin kautta. Kuten kuvasta 3 käy ilmi, on Φ sf hammasvälissä samansuuntainen magnetoinnin synnyttämän vuon Φ e hammasvälikomponentin kanssa. Φ sf :n käämiin indusoima jännite V sf on sinimuotoisella herätteellä 90 astetta edellä vikavuota Φ f ja siten myös vikavirtaa I f. [12] Kuvassa 4 on tätä tilannetta vastaava osoitindiagrammi. Katkoviivalla on havainnollistettu V se :n ja V sf :n (katkoviiva) yhteenlaskua.

23 18 Kuva 4. Hammasvälivian osoitindiagrammi. Kuva 5. Vika hampaan pinnalla. Oletetaan seuraavaksi, että oikosulku on staattorihampaan pinnalla, ja että virtapiiri sulkeutuu taas staattorin ulkoreunan kautta, kuten kuvassa 5. Tämä tapaus ei juurikaan eroa fysiikaltaan aiemmin käsitellystä; vikavirran ja -jännitteen vaihe-ero riippuu vikavirtapiirin induktanssista ja