ЧАСТИЧНЫЕ РАЗРЯДЫ В ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ИЗОЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЕ

Format: B5

Wydział: Elektrotechnika

Wyładowania niezupełne są jedną z form wyładowań elektrycznych, których występowanie w wysokonapięciowych układach izolacyjnych urządzeń elektroenergetycznych może być - z powodu destrukcyjnego oddziaływania na materiały izolacyjne - przyczyną zmniejszenia niezawodności tych urządzeń. Zjawiska te są od ponad wieku przedmiotem badań w licznych ośrodkach na świecie i w Polsce, prowadzonych dla poznania ich mechanizmów fizykalnych w różnych materiałach izolacyjnych, w szczególności dielektryków polimerowych. Mimo to na rynku krajowym brakowało do tej pory monografii, która ujmowałaby te zagadnienia tak szeroko i kompleksowo.

Treścią książki są wybrane zagadnienia dotyczące mechanizmów wyładowań niezupełnych, ich detekcji, pomiarów w układach izolacyjnych i przetwarzania wyników oraz analityki. Opisano charakterystyczne cechy inicjowania i rozwoju tych zjawisk w dielektrykach w silnym polu elektrycznym. Analizowano wpływ wysokonapięciowych wymuszeń przy napięciu przemiennym (AC), stałym (DC), modulowanym (PWM) i impulsowym. Zastosowanie nieciągłego sekwencjonowania impulsów wyładowań niezupełnych przy napięciu przemiennym dało podstawy sformułowania i opisu teoretycznego zjawiska określonego jak "echo wyładowań niezupełnych". W zakresie problematyki przetwarzania sygnałów wyładowań niezupełnych - od akwizycji do przetwarzania obrazów - przedstawiono aspekty procesów degradacji dielektryków, mapowania powierzchniowych klastrów wyładowań i zmian ich morfologii. Zagadnienia analityki obejmują zastosowanie sztucznej inteligencji, na przykład do ekstrakcji charakterystycznych cech, grupowania lub segmentacji, a także klasyfikacji form wyładowań, opartej na głębokich konwolucyjnych sieciach neuronowych.

Książka prezentuje kompleksowe ujęcie zagadnień dotyczących wyładowań niezupełnych i przedstawia aktualne obszary badawcze. Dla wygody czytelnika została wyposażona w spis symboli oraz indeks rzeczowy.

Contents

Preface..9

CHAPTER 1

Exploitation stresses of high-voltage insulating systems of power equipment..13

CHAPTER 2

Physical aspects of partial discharge mechanism..22

2.1. Introduction..22

2.2. Discharge development and propagation..25

CHAPTER 3

Impulse character of partial discharges..34

3.1. Introduction..34

3.2. Partial discharge signals..35

3.3. Partial discharge models..38

3.3.1. Partial discharges at AC voltage..38

3.3.2. Partial discharges at DC voltage..46

3.4. Simulation of discharge mechanism in stochastic model..59

3.5. Multi-source PD model..64

CHAPTER 4.

Partial discharge detection, acquisition, and processing methods..67

4.1. Introduction..67

4.2. PD detection and acquisition methods..69

4.2.1. Optical PD detection..72

4.2.2. Electric PD detection..72

4.2.3. Acoustic PD detection..75

4.2.4. UHF PD detection..76

4.3. Phase-resolved partial discharge acquisition..78

4.4. Calibration of partial discharge measurements..83

CHAPTER 5

Partial discharges at AC, DC, PWM, and impulse voltages...85.

5.1. Influence of high-voltage harmonics on partial discharge images..85

5.1.1. Introduction..85

5.1.2. Influence of harmonics on partial discharge mechanism ..87

5.1.3. Simulation of partial discharges at distorted voltage..91

5.1.4. Investigations of partial discharges at distorted voltageby higher harmonics..99

5.1.5. Influence of harmonics on partial discharges in aging processes.. 114

5.1.6. Harmonic evaluation of high voltage.. 116

5.1.7. Partial discharges in HVDC insulationwith superimposed AC harmonics.. 122

5.1.7.1. Measurement methodology.. 124

5.1.7.2. Specimen and measurement setup.. 125

5.1.7.3. Evaluation techniques and results.. 127

5.2. Mechanism of partial discharges in non-homogeneous electric fieldat higher pressure.. 138

5.2.1. Introduction... 1385.2.2. Electric field distribution in non-homogenous configuration.. 140

5.2.3. Discharges in compressed gases.. 142

5.2.4. Influence of pressure on PD inception and breakdown voltages.. 146

5.3. Partial discharge forms for DC insulating systems at higher air pressure.. 154

5.3.1. Introduction.. 154

5.3.2. Experimental setup, specimens, and data acquisition.. 155

5.3.3. Influence of pressure on partial discharges at DC.. 157

5.4. Partial discharges in PWM-based power electronics applications.. 169

5.4.1. Introduction..169

5.4.2. Partial discharge model at semi-square voltage waveform.. 172

5.4.3. Influence of PWM parameters on partial discharges.. 176

5.4.4. Simulations of electric fiel in insulation of twisted-pair wires .. 192

5.4.5. Partial discharges in twisted-pair magnet wires subjectedto multi-level PWM stresses..199

5.5. Accumulative effect of partial discharges at impulse-voltage wave tail ..214

5.5.1. Introduction.. 214

5.5.2. Partial discharges at impulse voltage.. 216

5.5.3. Influence of rise and fall times of impulse voltage on PD .. 219

5.5.4. Mechanism of PDs at impulse-voltage tail ..230

CHAPTER 6

Non-continuous partial discharge sequencing and PD echo.. 234

6.1. Chopped partial discharge sequence.. 234

6.1.1. Introduction.. 234

6.1.2. Methodology of chopped sequence.. 234

6.1.3. Charge behavior in voids .. 237

6.1.4. Specimens, instrumentation, and measurement setup.. 239

6.1.5. Partial discharges at chopped sequence.. 240

6.2. Investigations on post-partial discharge charge decayin void using chopped sequence.. 254

6.2.1. Introduction.. 2546.2.2. Calculation methodology of charge decay in void .. 255

6.2.3. Evaluation of PD charge decay in various insulating materials.. 263

6.3. Partial discharge echo obtained by chopped sequence.. 268

6.3.1. Introduction.. 268

6.3.2. Measuring sequence and PD echo.. 269

6.3.3. Instrumentation for PD echo acquisition.. 274

6.3.4. Observations of PD echo in dielectric void applying chopped sequence .. 275

CHAPTER 7

Partial discharge effects on high-voltage insulating materials. .295

7.1. Interaction of conductor with polymeric materialsexposed to partial dischargs.. 295

7.1.1. Introduction.. 295

7.1.2. Assessment techniques and experimental conditions... 297

7.2. Metal migration at conductor/XLPE interface subjected to partial dischargesat different electrical stresses.. 312

7.2.1. Introduction.. 312

7.2.2. Metal migration process.. 313

7.3. Mapping of discharge channels in voids.. 323

7.3.1. Introduction.. 323

7.3.2. Aging procedure and evaluation technique.. 324

7.3.3. Mapping of surface resistance and discharge channels.. 326

7.3.4. Comparison of surface resistance mappingon various aged insulating materials.. 334

7.4. Hyperspectral imaging of insulating materials subjected to partial discharges ....... 339

7.4.1. Introduction.. 339

7.4.2. Hyperspectral analysis of void surface subjected to PD.. 342

7.4.3. Terahertz-based inspection of HV insulating materials... 349

7.5. PD imaging in non-uniform electric field.. 351

7.5.1. Introduction to discharge imaging... 351

7.5.2. Partial discharge mechanism in strongly non-uniform electric field ..352

7.5.2.1. Electrical discharges in air .. 352

7.5.2.2. Dielectric barrier discharges.. 365

7.5.2.3. Discharges in solid dielectrics.. 366

7.5.3. Experimental setup, instrumentation, and specimens.. 369

7.5.4. Imaging of corona and dielectric-barrier discharges and correspondencewith PD phase-resolved patterns.. 372

7.5.4.1. Point-plane electrode configuration with dielectric barrieron plane side.. 373

7.5.4.2. Point-plane electrode configurationwith inclined dielectric barrier.. 384

CHAPTER 8

PD signal and image processing and artificial intelligence.. 389

8.1. Wavelet-based partial discharge signal and image denoising.. 389

8.1.1. Introduction.. 389

8.1.2. Application of wavelets to partial discharge images.. 396

8.2. Phase-resolved rise time-based discrimination of partial discharge forms .. 409

8.2.1. Introduction.. 409

8.2.2. Phase-resolved rise-time method.. 410

8.3. Artificial intelligence applied to partial discharges.. 418

8.3.1. Introduction.. 418

8.3.2. Machine hirudina learning and PD pattern recognition.. 418

8.3.3. Features extraction, clustering and segmentation of PD images .. 424

8.3.4. Anomaly detection in partial discharge images.. 429

8.3.5. Neural networks... 431

8.3.5.1. Multi-layer perceptron-based recognitionof partial discharge forms.. 432

8.3.5.2. Classification of PD images using deep convolutionalneural networks.. 450

8.4. Autonomous tracking of PD pattern evolution.. 462

8.4.1. Introduction.. 462

8.4.2. Detection of motion in image processing.. 463

8.4.3. Motion detection in partial discharge images.. 468

CHAPTER 9

Partial discharge-based diagnostics of high voltage equipment.. 475

9.1. Introduction.. 475

9.2. Condition-assessment strategies in electric power.. 479

9.3. Partial discharges in electrical insulation of power apparatus.. 484

9.3.1. Gas-insulated substations.. 487

9.3.2. Power transformers.. 492

9.3.3. Rotating machines.. 494

9.3.4. Power cables.. 502

List of selected symbols and abbreviations.. 507

References.. 511

Index.. 567