Partial discharge modeling and associated transients along medium voltage distribution cables

Abstract

Η εξασφάλιση αξιόπιστης παροχής ηλεκτρικής ενέργειας σε βιομηχανικούς, εμπορικούς και οικιακούς καταναλωτές είναι μια σημαντική παράμετρος για κάθε εταιρεία ηλεκτρικής ενέργειας, λόγω της συνεχώς αυξανόμενης αξίωσης από τους πελάτες για μεγαλύτερη αξιοπιστία και υψηλή παραγωγικότητα. Επίσης, οι μη προγραμματισμένες διακοπές της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας οδηγεί σε αυξημένο κόστος συντήρησης των μηχανημάτων. Τέτοιες διακοπές μπορεί να οφείλονται σε αποτυχία της μόνωσης των καλώδιων μέσης τάσης. Η παρουσία των μερικών εκκενώσεων (partial discharges, PD) είναι ένας από τους σημαντικότερους δείκτες της συνεχούς υποβάθμισης της ηλεκτρικής μονώσεως. Καθώς ένα υψηλό ποσοστό των αποτυχιών συνδέονται με την παρουσία μερικών εκκενώσεων, η ανάγκη για την ταξινόμηση και αξιολόγηση των σημάτων PD είναι απαραίτητη. Για τους παραπάνω λόγους, ένα ηλεκτρικό μοντέλο του εν λόγω φαινομένου ως μέρος του ηλεκτρικού συστήματος είναι απαραίτητο. Η χωρητική αναπαράσταση ενός κενού εντός της μόνωσης (μοντέλο) έχει χρησιμοποιηθεί από καιρό για τη μελέτη των μεταβατικών φαινομένων που δημιουργούνται από μία μερική βλάβη του κενού εντός της μόνωσης. Ως εναλλακτική λύση για την χωρητική αναπαράσταση του κενού (μοντέλο) εντός της μόνωσης, η έννοια της επαγώμενου φορτίου έχει εισαχθεί από ερευνητές του Τεχνολογικού Πανεπιστήμιου της Δανίας εκφράζοντας την έντονη κριτική κατά της χωρητικής μοντελοποίησης του κενού εντός της μόνωσης. Αυτή η διατριβή συζητά και αντικρούει αυτή την κριτική και εκμεταλλεύεται τις δυνατότητες και τις αδυναμίες της κλασικής χωρητικής μοντελοποίησης του κενού εντός της μόνωσης από θεωρητική άποψη. Προτείνονται τρία νέα μοντέλα: α) μια βελτιωμένη έκδοση του κλασικού χωρητικού μοντέλου, β) ένα χωρητικό μοντέλο που βασίζεται στην επαγωγή του φορτίου και γ) ένα προηγμένο χωρητικό μοντέλο του κενού εντός της μόνωσης που βασίζεται σε έννοιες streamer. Επιπλέον, στην παρούσα διατριβή, οι γεωμετρικές και φυσικές παράμετροι που διέπουν το κλασσικό χωρητικό μοντέλο του κενού εντός της μόνωσης (σε βελτιωμένη έκδοση), όπως επίσης και τα άλλα δύο προτεινόμενα μοντέλα, υπολογίζονται με τη χρήση της κλασσικής ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας, με έννοιες του μηχανισμού streamer και της φυσικής που διέπει την ηλεκτρική εκκένωση αερίων. Τα τρία μοντέλα χρησιμοποιούνται για να αναπαράγουν μεταβατικά σήματα (PD σήματα) και να εξετάσουν την διάδοση τους κατά μήκος του πυρήνα ενός τυπικού καλωδίου μέσης τάσης σε πραγματικές συνθήκες δικτύου ηλεκτρικής ισχύος. Τα αποτέλεσμα των τριών μοντέλων συγκρίνονται με πειραματικά διαθέσιμα δεδομένα που λήφθηκαν από τη διεθνή βιβλιογραφία.

Ensuring a reliable electric service to industrial, commercial and residential customers is becoming an important parameter for every electricity company due to the increased demand from the customers for less downtime, high productivity and reduced maintenance cost of machinery caused by unscheduled frequent interruptions due to underground power cable failures. The presence of partial discharges (PD) is one of the most prominent indicators of defects and ongoing degradation processes of electrical insulation. As a high percentage of failures are associated with PD, the need for the classification, extraction and evaluation of PD signals is essential. For the above reasons, an electrical model of a breakdown void, modelled, as part of the power system is more than a necessity. The capacitive network representation of the void (model) has long been used for the study of the transients generated by a breakdown void. As an alternative to the capacitive representation of the void (model) the induced charge concept has been introduced by the researches at the technical university of Denmark [1] expressing strong criticism against the capacitance modelling of void.This thesis discusses and argues this criticism and exploits the potential and weaknesses of the classical capacitive representation of voids from a theoretical point of view and proposes three new models: a) an improved version of the classical capacitive model b) a model based on the induced charge concept for streamer inception c) an advanced capacitive model of the void based on streamer concepts. Furthermore in this thesis the geometrical and physical parameters governing the classical capacitive model of void (improved version) and the other two proposed models are calculated by utilizing classical electromagnetic theory, concepts of streamer breakdown mechanism and gas discharge physics. The three models are utilized to replicate the transients (PD signals) and propagate them along the core of a typical medium voltage cable from a breakdown void under real time power network conditions. The outcome of the three models is compared to experimental available data obtained from international literature.