تجزیه و تحلیل کامل برای تشخیص و مکان¬یابی تخلیه¬های جزئی در کابل¬های XLPE، ترانسفورماتورهای قدرت و ژنراتورها
محورهای موضوعی : مهندسی قدرت
امیر قائدی
1
,
رضا صداقتی
2
,
مهرداد محمودیان
3
1 - گروه برق، واحد داریون، دانشگاه آزاد اسلامی، داریون، ایران.
2 - گروه برق، واحد بیضا، دانشگاه آزاد اسلامی، بیضا، ایران.
3 - گروه مهندسی برق و الکترونیک، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران.
کلید واژه: تخلیه جزئی, ترانسفورماتور قدرت, کابل XLPE, همبستگی, نرم‌افزار EMTP-RV,
چکیده مقاله :
اکثر خرابی‌های سیستم قدرت ناشی از آسیب‌های عایقی در تجهیزات فشار قوی از جمله ترانسفورماتورهای قدرت، کابلهای فشار قوی و موارد مشابه است که گران‌ترین تجهیزات در سیستم قدرت هستند. خرابی‌های عایقی در مراحل اولیه در قسمت‌های محدودی از عایق رخ می‌دهد که به آن تخلیه جزئی (PD) گفته می‌شود. اگر این تخلیه‌ها به موقع تشخیص داده نشوند، در امتداد عایق گسترش می‌یابند و کل عایق را پوشش داده و در نهایت منجر به تخلیه کامل و آسیب عایقی تجهیزات فشار قوی می‌شوند. در این مقاله، حسگرهای مختلفی مانند ترانسفورماتور جریان فرکانس بالا و خازن کوپلینگ که برای تشخیص PD در تجهیزات فشار قوی مختلف از جمله ترانسفورماتورهای قدرت، کابلهای فشار قوی، کلیدهای قدرت، موتورها و ژنراتورها مورد نیاز هستند، معرفی می‌شوند. ویژگی‌های سیگنالهای PD ایجاد شده در تجهیزات فشار قوی با استفاده از نتایج تجربی مربوط به سیگنالهای PD تشخیص داده شده از این تجهیزات فشار قوی تعیین می‌شود. سپس یک روش مبتنی بر همبستگی بین انرژی سیگنال‌ها برای تعیین محل PD رخ داده در تجهیزات فشار قوی پیشنهاد می‌شود. اثربخشی روش پیشنهادی با شبیه‌سازی سیگنالهای PD در نرم‌افزار EMTP-RV و پردازش سیگنالهای تشخیص داده شده با استفاده از نرم‌افزار MATLAB تأیید می‌شود. از نتایج تجربی استنباط می‌شود که حسگرهای پیشنهادی می‌توانند به دقت PD رخ داده در کابلهای XLPE و ترانسفورماتورها را تشخیص دهند. این نتایج نشان می‌دهند که تکنیک پیشنهادی مبتنی بر همبستگی بین انرژی سیگنال‌ها می‌تواند به دقت محل وقوع PD در تجهیزات فشار قوی را تعیین کند.
The failures of the power system are caused by insulation damages of HV apparatus including transformers, HV cables and generators. They are expensive. In the beginning, insulation failures occure in limited regions of insulation, which is called partial discharge (PD). When PDs are not detected online, they will spread along the insulation and bridge the whole of the insulation that eventually results in total breakdown. Thus, the HV apparatus fails. In this research, different sensors such as HFCT and coupling capacitor required to detect the PD of different HV devices including power transformers, HV cables, switchgears, motors and generators are introduced. The properties of PD signals occurred in HV apparatus is determined by experimental results related to PD signals detected from these HV apparatus. Then, an approach uses the correlation between signals energy is suggested to determine the location of PD occurred in the HV devices. The suitabality of the proposed approach is satisfied by simulating the PD signals in the EMTP-RV software and processing the detected signals by MATLAB software. It is concluded from the experimental outcomes that the suggested sensors can accurately detect the PD signals occurred in the XLPE cables and transformers. The outcomes shown that the suggested method based on the correlation between signals energy can accurately determine the location of PD source in HV devices.
مطالعه کامل بر روی سنسورهای مورد استفاده جهت آشکارسازی سیگنال تخلیه جزئی در ترانسفورماتورهای قدرت، کابلهای فشار قوی و ژنراتورها.
مکانیابی تخلیه جزئی در ترانسفورماتورهای قدرت، کابلهای فشار قوی و ژنراتورها با استفاده از شباهت و همبستگی بین سیگنالهای تخلیه جزئی.
بررسی کارایی روش مکانیابی سیگنالهای تخلیه جزئی در تجهیزات فشارقوی با انجام مطالعات در نرم افزارهای متلب و EMTP-RV.
[1] A. Baug, N. Ray Choudhury, R. Ghosh, S. Dalai and B. Chatterjee, “Identification of single and multiple partial discharge sources by optical method using mathematical morphology aided sparse representation classifier,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 24, no. 6, pp. 3703-3712, 2017, doi: 10.1109/TDEI.2017.006398.
[2] Y.B. Wang, D.G. Chang, Y.H. Fan, G.J. Zhang, J.Y. Zhan and X.J. Shao, “Acoustic localization of partial discharge sources in power transformers using a particle-swarm-optimization-route-searching algorithm,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 24, no. 6, pp. 3647-3656, 2017, doi: 10.1109/TDEI.2017.006857.
[3] G. Parent, M. Rossi, S. Duchesne and P. Dular, “Determination of Partial Discharge Inception Voltage and Location of Partial Discharges by Means of Paschen’s Theory and FEM,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 55, no. 6, pp. 1-4, 2019, doi: 10.1109/TMAG.2019.2902374.
[4] A.R. Mor, P.H.F. Morshuis, P. Liovera, V. Fuster and A. Quijano, “Localization techniques of partial discharges at cable ends in off-line single-sided partial discharge cable measurements,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 23, no. 1, pp. 428-434, 2016, doi: 10.1109/TDEI.2015.005395.
[5] A.B.J.M. Driessen, J. Van Duivenbode and P.A.A.F. Wouters, “Partial discharge detection for characterizing cable insulation under low and medium vacuum conditions,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation , vol. 25, no. 1, pp. 306-315, 2018, doi: 10.1109/TDEI.2018.006837.
[6] A. Wadi, W. Al-Masri, W. Siyam, M.F. Abdel-Hafez and A.H. El-Hag, “Accurate Estimation of Partial Discharge Location using Maximum Likelihood,” IEEE sensors letters, vol. 2, no. 4, pp. 1-4, doi: 10.1109/LSENS.2018.2878922.
[7] L.A. Renforth, R. Giussani, M.T. Mendiola and L. Dodd, “Online partial discharge insulation condition monitoring of complete high-voltage networks,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 55, no. 1, pp. 1021-1029, 2018, doi: 10.1109/TIA.2018.2866983.
[8] R. Ghosh, R., B. Chatterjee and S. Dalai, “A method for the localization of partial discharge sources using partial discharge pulse information from acoustic emissions,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation , vol. 24, no. 1, pp. 237-245, 2017, doi: 10.1109/TDEI.2016.006080.
[9] C. Gao, W. Wang, S. Song, S. Wang, L. Yu and Y. Wang, “Localization of partial discharge in transformer oil using Fabry-Pérot optical fiber sensor array,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 25, no. 6, pp. 2279-2286, 2018, doi: 10.1109/TDEI.2018.007065.
[10] L. Duan, J. Hu, G. Zhao, K. Chen, J. He and S.X. Wang, “Identification of partial discharge defects based on deep learning method,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 34, no. 4, pp. 1557-1568, 2019, doi: 10.1109/TPWRD.2019.2910583.
[11] M.Y. Wang, B.X. Du, X.T. Han and Z.L. Li, “Effects of magnetic field on partial discharge in epoxy resin for superconducting coil insulation,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 31, no. 8, pp. 1-3, 2021, doi: 10.1109/TASC.2021.3116560.
[12] A. Villa, L. Barbieri and R. Malgesini, “Precise partial discharge localization in axisymmetric geometries,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 27, no. 2, pp. 606-612, 2020, doi: 10.1109/TDEI.2019.008444.
[13] T. Okamoto and H. Uehara, “Partial Discharge Current Measurements with Small Discharge Gaps Over Polyimide Film,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 30, no. 1, pp. 158-164, 2022, doi: 10.1109/TDEI.2022.3226133.
[14] G. D. P.Mahidhar, R. Sarathi and B. Srinivasan, “Fluorescence fiber based identification of partial discharges in liquid nitrogen for high-temperature superconducting power apparatus,” IEEE Sensors Letters, vol. 4, no. 2, pp. 1-4, 2020, doi: 10.1109/LSENS.2020.2971015.
[15] Z. Li, Z. Zhang, T. Han, B. Du, J. Li and L. Zhang, “Effect of Harmonic Voltage On Partial Discharge Properties of LN 2/PPLP Insulation for HTS DC Cable,” IEEE Transactions on Applied Superconductivity , vol. 31, no. 8, pp. 1-4, 2021, doi: 10.1109/TASC.2021.3091055.
[16] M. Ren, Ming, J. Zhou and J. Miao, “Adopting spectral analysis in partial discharge fault diagnosis of GIS with a micro built-in optical sensor,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 36, no. 2, pp. 1237-1240, 2020, doi: 10.1109/TPWRD.2020.3028511.
[17] Y. Li, J. Han, Y. Du and H. Jin, “Time–frequency Maps for Multiple Partial Discharge Sources Separation in Cable Terminations,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 38, no. 3, pp. 2228-2231, 2023, doi: 10.1109/TPWRD.2023.3256127.
[18] L. Lu, S. Ichimura and T. Rokunohe, “Interaction between partial discharge and generated bubbles under repeated lightning impulses in transformers using a complex structure model,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 28, no. 2, pp. 727-735, 2021, doi: 10.1109/TDEI.2020.009341.
[19] C. He, L. Zhang, X. Zhang, J. Li and X. Yao, “Study on the influence of switching impulse superposition phase on AC partial discharge of epoxy surface in SF 6 Gas,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 35, no. 3, pp. 1596-1598, 2019, doi: 10.1109/TPWRD.2019.2941121.
[20] J. Tian, G. Zhang, C. Ming, L. He, Y. Liu, J. Liu and X. Zhang, “Design of a Flexible UHF Hilbert Antenna for Partial Discharge Detection in Gas-insulated Switchgear,” IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters , vol. 22, no. 4, pp. 794-798, 2022, doi: 10.1109/LAWP.2022.3225627.
[21] A. Ghaedi, M. Moeini Aghtaie and A. Ghaffari, “Detection of online PD signals in XLPE cables using the Bhattacharyya distance,” Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences, vol. 24, no. 5, pp. 3552-3563, 2016, doi: 10.3906/elk-1410-10.
[22] D. Pommerenke, T. Strehl, R. Heinrich, W. Kalkner, F. Schmidt and W. Weissenberg, “Discrimination between internal PD and other pulses using directional coupling sensors on HV cable systems,” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 6, no. 6, pp. 814-824, doi: 10.1109/94.822021.
[23] M. Ghaffarian, M. Vakilian, V. Parvin and A. Ghaedi, "Investigation of online detected partial discharges in power transformer," Australasian Universities Power Engineering Conference, Sydney, NSW, Australia, 2008, pp. 1-6.
[24] A.R. Alesaadi, A. Ghaedi, A. Ghaffari and V. Parvin, “De-noising of Online PD Signals in Power Transformers Using the Bhattacharyya Distance,” Trends in Applied Sciences Research, vol. 7, no.10, pp. 813-828, 2012, doi: tasr.2012.813.828.
[25] T. Pham-Gia and V. Choulakian, “Distribution of the sample correlation matrix and applications,” Open Journal of Statistics, vol. 4, no. 5, 2014, doi: 10.4236/ojs.2014.45033.
[26] N. Kartalović, D. Kovačević and S. Milosavljević, “An advanced model of partial discharge in electrical insulation,” Facta universitatis-series: Electronics and Energetics, vol. 24, no. 1, pp. 41-55, 2011, doi: 10.2298/FUEE1101041K.
[27] A. Mazhab Jafari, A. Akbari, H. R. Mirzaei, M. Kharezi and M. Allahbakhshi, "An algorithm for partial discharge localization in transformers using winding design data," International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis, Beijing, China, 2008, pp. 919-922, doi: 10.1109/CMD.2008.4580433.
[28] J.Q. Chan, W.J.K. Raymond, H.A. lllias and M. Othman, “Partial Discharge Localization Techniques: A Review of Recent Progress,” Energies, vol. 16, no. 6, p. 2863, 2023, doi: 10.3390/en16062863.