36 revue ABB 4|12

37Analyse productive

Connaître la durée de vie du bobinage stator des moteurs et générateurs HT, en parti-culier ceux d’applications indus-

trielles critiques, est un paramètre impor-tant de la planification de leur mainte-nance. S’agissant pour la plupart de machi - nes spéciales, fabriquées sur mesure, aucun équipement standard n’est dispo-nible en cas de défaillance inopinée. Leur maintenance corrective nécessite beau-coup de temps et l’exploitant peut être confronté à de coûteuses périodes d’immobilisation inattendues. Comment anticiper, voire évi-ter ce type de pro-blème ?

LEAP est une offre de services ABB qui répond précisé-ment à cette pro-blématique. Partant d’une série de mesu res et de don-nées sur les machi-nes, l’outil diagnos-tique et analyse l’état du bobinage stator des moteurs et générateurs HT, et estime sa durée de vie. C'est un aspect important de la gestion du cycle de vie d’une machine, qui vise à optimiser la maintenance planifiée pour une valeur d’usage maximale ➔ 1. Autrement dit, en

TOBIAS ÖSTeRhOLM, CAJeTAN T. PINTO –

LeAP (Life Expectancy Analysis Program) est une méthodologie ABB d’analyse du bobinage stator des moteurs et générateurs haute tension (hT) qui permet de planifier de manière optimale la maintenance de ces machines. elle favorise la mise en place d’une maintenance prédic-tive au lieu d’actions préventives ou correctives. en prolongeant la vie des moteurs et générateurs, elle répond aux exigences de pérennisation des investissements et de maîtrise des coûts de possession. enfin, LeAP constitue un outil fiable de gestion de la maintenance à court et long terme, et d’aide à la décision sur le remplacement ou le maintien en exploitation des machines. Tout cela se traduit par moins de temps d’arrêt et de risques, et plus de productivité et d’efficacité économique.

Analyseproductive

optimisant la maintenance prédictive, LEAP permet à l’utilisateur de bénéficier de performances sur le long terme bien supérieures à celles obtenues, par exemple, avec une stratégie basée exclu-sivement sur une maintenance corrective.

Défaillances caractéristiquesLes moteurs et générateurs de 2 MW et plus affichent un taux de défaillance de leur bobinage stator relativement plus élevé que les machines moins puissantes. Selon une enquête de l’IEEE, 33 % de toutes les défaillances détectées en cours

d’exploitation normale sont liées au bobi-nage stator, alors que ce taux n’est que de 8 % lors des interventions de mainte-nance ou des essais ➔ 2. Pour les roule-ments, les taux sont, respectivement, de 37 et 61 %. Conclusion : la dégradation du bobinage stator doit être mieux suivie.

Photo ci-contreLa défaillance du bobinage stator des moteurs et générateurs HT peut être lourde de conséquences. Une analyse LEAP d’ABB débouche sur une estimation de sa durée de vie.

Un outil ABB de maintenance prédictive pour les moteurs et générateurs haute tension

Connaître la durée de vie du bobinage stator des moteurs et générateurs HT est un paramètre important de la planification de leur maintenance.

38 revue ABB 4|12

isolation en régime normal d’exploitation et lors des transitoires de charge, et une courbe d’impact des conditions d’exploi-tation et du vieillissement sur l’endurance de l’isolation. Une défaillance se produit au point de croisement des deux courbes.

Une analyse LEAP aide l’exploitant d’un moteur ou d’un générateur électrique à anticiper cette défaillance. L’analyse en

temps utile des données et me-sures permet d’es-timer la durée de vie du bobinage et de planifier la

maintenance afin d’éviter les temps d’immobilisation inopinés et coûteux. En connaissant la durée de vie initiale et en la prolongeant par des actions de mainte-nance, on limite les risques de voir les deux courbes se croiser au pire moment.

Méthodologie LeAPDéterminer scientifiquement la durée de vie de l’isolation du bobinage stator se fait en plusieurs étapes ➔ 4.

Avant toute analyse, il convient de collec-ter des données d’état et d’exploitation influençant la durée de vie de la machine : nombre d’heures de fonctionnement, régi - mes de charge, nombre de démarrages, service type, températures, historique de maintenance, etc.

Toutefois, ces données ne figurent pas toujours dans les fiches techniques et les carnets d’entretien et d’exploitation du moteur ou du générateur. L’isolation du bobinage stator possède, à différents

L’analyse LEAP d’ABB vient donc com-bler un vide dans la boîte à outils de la maintenance des moteurs et générateurs électriques.

LEAP établit le vieillissement de l’isolation du bobinage stator découlant de facteurs thermiques, électriques, mécaniques et environnementaux pour estimer la durée de vie avec différents niveaux de probabi-

lité (en %) ➔ 4. La maintenance peut alors être optimisée et planifiée lors des arrêts programmés.

Pour autant, LEAP est bien plus qu’un simple outil de contrôle et de diagnos-tic car il permet la mise en œuvre d’une gestion de la maintenance systématique. En effet, la collecte de données et la prise de mesures ne sont pas une fin en soi ; c’est leur interprétation et leur analyse qui font la différence !

Cette démarche de gestion du cycle de vie des moteurs et générateurs cherche à comprendre l’évolution dans le temps des contraintes électriques et de l’endurance de l’isolation, et leurs conséquences sur les matériaux.

Dégradation de l’isolationDeux courbes permettent de décrire glo-balement le processus de dégradation de l’isolation d’un bobinage stator ➔ 3 : une courbe des contraintes subies par cette

Une analyse LEAP permet d’anticiper les défaillances.

LEAP diagnostique et analyse l’état du bobinage stator des moteurs et générateurs HT, et estime sa durée de vie.

1 La durée de vie des moteurs et générateurs électriques dépend de la stratégie de maintenance choisie.

Vale

ur

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nan

ce

TempsPériode de garantie

Mise à niveau et modernisation

Remplacement et recyclage

Maintenance

Maintenance optimiséeMise à niveau continue/remplace-ment

Maintenance

Remise en état

Réparation

Vieillissement

39Analyse productive

à la terre. Les deux courbes obtenues indiquent l’évolution dans le temps du courant pendant les mesures ➔ 5a. Elles servent à établir une valeur d’accumula-tion de charges de l’isolation, qui est comparée aux valeurs normales (réfé-rences). L’analyse est plus pointue que lorsque les seules valeurs RI et IP sont utilisées, et fournit des valeurs satisfai-santes même dans le cas de bobinages fortement contaminés. Ces mesures donnent une idée du niveau et de la loca-lisation d’accumulation de charges au sein de l’isolation du moteur ou du géné-rateur, et identifient les contaminations à la surface du bobinage. De plus, elles indiquent l’état du système d’isolation du bobinage (vieillissement, desserrage, etc.).

stades de son vieillissement, des proprié-tés qui ne peuvent être connues que par des mesures. LEAP nécessite quatre types de mesures qui renseignent sur l’état de surface et interne de l’isolation :– Courants de polarisation/dépolarisa-

tion ; – Tangente Delta (Tan δ) et capacité ; – Décharges partielles ; – Comportement non linéaire de

l’isolation. La mesure des courants de polarisation/dépolarisation (CPD) est beaucoup plus instructive que les habituelles valeurs de résistance d’isolement (RI) et d’indice de polarisation (IP). Ces mesures se font sous courant continu avec l’isolation du bobinage polarisé, puis dépolarisé au moyen d’un instrument de faible intensité

L’analyse des mesures de Tan δ et de capacité est une méthode standard cou-ramment utilisée avant expédition des moteurs et générateurs HT. Les mesures de Tan δ indiquent le niveau des pertes diélectriques dans l’isolation. À une ten-sion donnée, la courbe associée forme un coude lorsque les décharges partielles commencent à apparaître dans le bobi-nage ➔ 5b. Cette analyse fournit des informations sur le volume d’air des décharges, l’état de la résine, le degré de contamination, les bobines desserrées et d’autres défauts internes à l’isolation du stator.

Les mesures de décharges partielles per-mettent d’évaluer le niveau et la localisa-tion des décharges dans le système d’isolation du stator. Ces décharges sont

LEAP est bien plus qu’un simple outil de contrôle et de diagnostic car il permet la mise en œuvre d’une gestion de la main-tenance systéma-tique.

2 Pourcentage de défaillances résultant de défauts spécifiques aux moteurs et générateurs hT (enquête Ieee)

2a Détection en fonctionnement normal 2b Détection en cours de maintenance ou d’essai

Roulements Bobinage Dispositifs externes Arbre/accouplement Balais/bagues Rotor Non précisé

37 %

33 %

11 %

6 %

5 %

5 %

3 %

61 %

10 %

8%8 %

2 %

7 %

4 %

3 Évolution des contraintes électriques et de l’endurance de l’isolation. Une défaillance survient au point de croisement des courbes.

Endurance

Transitoires

ContraintesDéfaillance

Durée de vie

Avantage 1 : défaillance prématurée évitée

Avantage 2 : durée de vie prolongée

Interventions de maintenance conditionnelle

40 revue ABB 4|12

Les mesures CC renseignent sur l’état de surface alors que les mesures CA donnent plus d’informations sur le volume de l’iso-lation.

Analyse des donnéesPartant de toutes ces données et mesu-res, ABB procède à l’analyse LEAP à pro-prement parler. Celle-ci va permettre de caractériser l’état général de l’isolation

du bobinage stator sur la base du re-tour d’expérience et de calculs réali-sés avec un logiciel « propriétaire » dont les algorithmes ont été développés et affinés par ABB. Au fil des ans, ABB a créé et alimenté une base de don-nées avec des me-

sures et des analyses effectuées sur un parc mondial de plus de 5 000 moteurs et générateurs. Elle permet de connaître de manière fiable l’état d’un bobinage stator, de calculer les contraintes et d’estimer la durée de vie ➔ 6. LEAP ne dépend donc pas de mesures antérieures effectuées sur un générateur ou un moteur électrique donné.

tion de la résine, les harmoniques infor-ment également sur l’état du dispositif anti-effluves et du système de répartition des contraintes utilisé au niveau des extrémités d’encoche.

Ces différentes méthodes de mesure se chevauchent partiellement en termes de défauts détectés. Ainsi, un défaut mis en évidence par une mesure peut être confir-

mé par une autre. Les résultats sont également influencés par des facteurs externes comme la température et l’humi-dité qui doivent être pris en compte.

Toutes les mesures se font sous courant alternatif (CA), à l’exception de la mesure des courants de polarisation/dépolarisa-tion qui se fait sous courant continu (CC).

filtrées par un condensateur de couplage et une résistance de terminaison, puis enregistrées. Elles sont représentées dans un cycle de tension par les valeurs d’amplitude, de phase et de comptage d’impulsions collectées sur plusieurs cycles ➔ 5c. LEAP analyse l’amplitude et la forme de la courbe des décharges par-tielles sur les phases positives et néga-tives du cycle de tension pour différents niveaux de tension. Elle renseigne sur la localisation des décharges partielles dans le bobinage stator : par exemple, enco-ches entre la bobine et les tôles stator, extrémités de bobine ou cavités d’air inter nes provoquées par la déstratification de l’isolation.

L’analyse du comportement non linéaire de l’isolation est une méthode ABB exclu-sive qui s’intéresse à l’admittance de l’isolation du bobinage et complète de manière pointue l’analyse des mesures de Tan δ et de capacité. Elle étudie les har-moniques engendrés à l’intérieur de l’iso-lation du bobinage stator par leur com-portement non linéaire. Les variations d’harmoniques obtenues indiquent diffé-rents états de l’isolation, les harmoniques de rangs supérieurs révélant générale-ment un vieillissement plus avancé. En plus d’indiquer l’état de la dépolymérisa-

Calculs et analyses sont réalisés par des spécialistes ABB d’un centre d’excellence LEAP et ne se limitent pas aux machines de fabrication ABB.

Niveau echéancierLeAP

Moteur/générateur

Prestations Résultats

Base Tous les5 ans

En fonctionnement

– Collecte des données (sur site ou à distance) : temps de marche, tension, courant, puissance, glissement, nombre de démarrages et d’arrêts, température (bobinage, réfrigérant, t° ambiante), service type, régime de charge, historique de maintenance et des défaillances, alimentation, etc.

– Estimation de la durée de vie (niveau de probabilité : 65 %)

– Plan de contrôle et de maintenance conditionnelle

Standard Tous les10 ans

Assemblé mais arrêté

– Collecte des données (idem « Base »)– Mesure des courants de polarisation/dépolarisation – Analyse du comportement non linéaire de

l’isolation – Mesure de Tan δ/capacité – Analyse des décharges partielles

– Diagnostic du bobinage stator : degré de contamination, vieillissement, desserrage, déstratification, répartition des contraintes

– Estimation de la durée de vie (niveau de probabilité : 80 %)

– Plan de contrôle et de maintenance conditionnelle

Avancé Tous les25 ans

Partiellement démonté

– Collecte des données (idem « Standard »)– Contrôle visuel des extrémités de bobine– Mesure des décharges partielles – Réponse dynamique du bobinage mécanique – Analyse des contraintes sur les extrémités de

bobine

– Diagnostic du bobinage stator (idem « Standard ») et des extrémités de bobine

– Estimation de la durée de vie (niveau de probabilité : 85 %)

– Plan de contrôle et de maintenance conditionnelle

Supérieur Tous les50 ans

Rotor déposé – Collecte des données (idem « Avancé »)– Serrage des cales– Mesure de résistance des accouplements– Contrôle visuel, y compris encoches– Analyse des contraintes sur les bobines

– Diagnostic du bobinage stator (idem « Avancé ») et des encoches

– Estimation de la durée de vie (niveau de probabilité : 90 %)

– Plan de contrôle et de maintenance conditionnelle

4 Quatre niveaux d’analyse LeAP

41

Calculs et analyses sont réalisés par des spécialistes ABB au sein d’un centre d’excellence LEAP et ne se limitent pas aux machines de fabrication ABB. Les clients reçoivent des rapports complets accompagnés des résultats des analyses, d’un plan d’actions préconisées et d’esti-mation de la durée de vie. S’ils requièrent une aide pour la mise en œuvre de ces préconisations, ils peuvent s’adresser à l’un des nombreux centres ABB Services à travers le monde.

Valoriser les investissements Avec LEAP, ABB met au service des industriels un outil de maintenance pré-dictive précis qui leur permet de tirer le meilleur de leurs moteurs et générateurs électriques, et d’atteindre leurs objectifs de disponibilité et de maîtrise du coût global des équipements.

Analyse productive

Tobias Österholm

ABB Motors and Generators, Service

Västerås (Suède)

tobias.osterholm@se.abb.com

Cajetan T. Pinto

ABB Automation Products

Mumbai (Inde)

cajetan.t.pinto@in.abb.com

6 Prolongement de la durée de vie des moteurs et générateurs électriques

Endurance

Contraintes développées

Temps (années)

Durée de vie accrue suite au rétablissement du niveau

des contraintes d’origine

Durée de vie accrue suite à la réduction des contraintes par modification de la conception

Durée de vie accrue avec LeAP d’ABB

Défaillance

Défaillance prématurée

Con

trai

ntes

/end

uran

ce

5a Évolution du courant pendant les mesures

5b À une tension donnée, la courbe forme un coude lorsque des décharges partielles commencent à apparaître.

5c Décharges partielles relevées sur plusieurs cycles de tension

5 Mesures CC et CA de l’analyse LeAP Standard

Temps (s)

Cou

rant

s p

olar

is./

dép

olar

is.

(µA

)

0,01

0,1

1

10

100

1 10 100 1000

Temps (ms)

-80

-60

-40

-20

0

20

60

80

100

120

40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60

Phase U Phase V Phase W Phases U-V-W

Phase (°)

Am

plit

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(C)

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0,0

500p

1,0n

1,5n

2,0n

2,5n

3,0n

3,5n

4,0n

4,5n

5,2n

5,0n

0 60 120 180 240 300 360

1

10

100

1107

Cap

acité

(uni

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arb

itrai

res)

40