Transcript درس تئوری وتکنولوژی پيشرفته فشار قوی استاد : دکتر حسینی دانشکده مهندس ی دانشگاه آزاد اسالمی واحد تهران جنوب بهار 1389 تئوری و تکنولوژی.

‫درس تئوری وتکنولوژی پيشرفته فشار قوی‬
‫استاد ‪ :‬دکتر حسینی‬
‫دانشکده مهندس ی دانشگاه آزاد اسالمی واحد تهران جنوب‬
‫بهار ‪1389‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪1‬‬
‫دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
 PD Classification
 PD Detection Methods
 Important Parameters For Partial Discharge Analysis
 Partial Discharge Sensors
 Different noises and PD patterns
 Wavelet transform
 Noise rejection from the recorded signals
 Frequency content of PD in power transformers
 Transformer winding modeling
 Modeling of Transformer winding using the MTL model
 Simulation result for PD location in a power transformer
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
2
PD Classification
 a- Internal Discharge
 b- Surface Discharge
 c- Corona Discharge
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
3
PD Detection Methods
Acoustic Detection
Light Detection
Heat Detection
Chemical Products
& Gas pressure
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
4
Single Test
On-line Detection
Periodic Tests
Continous Monitoring
Off-line Detection
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
5
‫‪Figure 1- Example of continous monitoring‬‬
‫‪6‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
Measurment in the working
condition
Outage time reduction
Advantages of On-line
Detection Methods
More preparation of personnel for
solving the existent problems
High voltage simulator equipments
is not needed
Higher safety
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
7
Important Parameters For Partial Discharge Analysis
 Maximum PD magnitude
 PD pulse repetition rate
 Partial discharge intensity or power
 PD trend
 Effects of voltage, humidity and temperature
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
8
Partial Discharge Sensors
Inductive coupling sensor
PD sensors
Capacitive coupling sensor
Galvanic coupling sensor
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
9
Partial Discharge Sensors
Figure 2. Example of capacitive sensors
Figure 2. Example of inductive sensors
(HFCT)
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
10
Partial Discharge Sensors
Figure 5. Capacitive sensor in power
transformer and a resistor
Figure 4. Capacitive sensor in power
transformer and HFCT
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
11
Partial Discharge Sensors
Safety and reliability
Good signal to noise ratio
The choice of the PD sensor
and the location of the sensor
must resolve the following
requirements
Minimal invasion into an equipment
design (best is no invasion)
Competitive cost and simplicity of
installation
Ability for field installation without
equipment shut down
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
12
PD patterns
Figure 7. Internal discharges in a solid
dielectric cavity
Figure 9. Discharges in voids in
cast-resin insulation
Figure 6. Classic corona in air
or gas from a sharp point
Figure 8. Partial discharge in gas bubbles in
an insulating liquid
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
13
‫‪14‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪15‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
Types of noises in the substations
 Discrete Spectral Interference
 Repetitive noises
 Switching noises
 Environmental noises
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
16
‫‪17‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪18‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪19‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪20‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪21‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪22‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪23‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪24‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
Wavelet Transform
 In fact the Wavelet Transform is generalize of Fourier
Transform
 Wavelet Transform has several benefits, for instance:
1- It can determine the frequency content of a waveform
2- It can determine the occurrence time of frequencies in the
waveform
Figure 10. De-noising procedure using wavelet transform
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
25
Wavelet Transform
Figure 11. Different Mother wavelets
a) Haar
Daubechies
Coiflet1
‫آزاد اسالمی‬b)
‫دانشگاه‬
‫ پیشرفته فشار قوی‬c)
‫تکنولوژی‬
‫تئوری و‬
e) Meyer
f) Morlet
g)
Mexican
Hat
‫جنوب‬
‫واحد تهران‬
d) Symlet2
26
Wavelet Transform
Mother wavelet selection
 PD pulse must be predicted (from the recorded PD signal)
 Suitable mother wavelet must be selected
 Partial discharge pulses should be combined with different
noises.
 Noise separation should be done using the different mother
wavelet.
 In each case the SNR (Signal to Noise Ratio) must be
calculated
 Mother wavelet which produce the highest SNR is the best
mother wavelet for de-noising
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
27
Selection of db8 for De-noising
40
30
30
20
20
10
10
0
0
-10
-10
-20
-20
-30
-30
-40
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-40
500
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Figure 12. PD pulse obtained from the 20kV distribution
transformer in high voltage laboratory
Figure 13. Reference noise
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Figure 14. PD pulse is combined with the reference noise
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
28
Selection of db8 for De-noising
20
a
10
0
-10
SNR=8.82dB
-20
-30
-40
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
40
500
30
Figure 15. De-noising using
the wavelet transform
a) db8 mother wavelet
b) har mother wavelet
c) db2 mother wavelet
c
30
20
10
0
-10
SNR=6.21dB
-20
b
20
10
0
-10
SNR=4.25dB
-20
-30
-40
-30
-50
-40
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
29
500
Hard-thresholding or Soft-thresholding ?
10
5
0
-5
SNR=-6.12dB
-10
-15
-20
Figure 17. db8 Mother Wavelet
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Figure 16. De-noising by using the db8
Mother Wavelet and soft-thresholding
 Because the SNR value is higher when De-noising is done using hardthresholding than soft-thresholding so the hard-threshoulding is selected
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
30
Experimental Result of PD Measurement On a Laboratory Winding
Figure 18. Experimental test set up
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
31
Experimental result of PD measurement On a Laboratory Winding
Figure 19. PD pulse shape, PD calibrator pulse- PD pulse after passing 6 turn- PD pulse after passing 12
turn- PD pulse after passing 33 turn (Respectively from top to down).
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
32
Experimental Result of PD Measurement On a Laboratory Winding
Figure 20. Frequency content, of PD calibrator pulse PD pulse after passing 6 turn - PD pulse after passing
12 turn - PD pulse after passing 33 turn (Respectively
from top to bottom).
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
33
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
a
-40
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
20
15
10
5
Fig.21. PD measurement circuit on a
20kV distribution transformer
0
-5
-10
-15
b
-20
-25
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Figure 22. PD signals recorded from a 20kV distribution
transformer
a- sample recorded at 2:10 PM
b- sample recorded at 2:20 PM
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
34
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Reference noise
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
0
-1
-1
-2
-2
-3
-3
-4
-5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
-4
0
50
100
150
200
b
250
300
350
400
450
500
a
Figure 23. Reference noise for the signals that is shown in the Fig. 22
a- sample recorded at 2:05PM
b- sample recorded at 2:15PM
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
35
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 24. ‫اسالمی‬
Obtained
thresholds using the reference noise (Fig. 23-a)
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد‬
‫واحد تهران جنوب‬
36
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 25. Using thresholds obtained in the Fig. 24 for de-noising (signal a)
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
37
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Figure 26. PD signal after de-nosing (signal a)
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
38
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 27.‫اسالمی‬
Obtained
thresholds using the reference noise (Fig. 23 -b)
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد‬
‫واحد تهران جنوب‬
39
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 28. Using thresholds obtained in the Fig. 27 for de-noising (signal b)
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
40
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Figure 29. PD signal after de-nosing (signal b)
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
41
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 11. Frequency content of recorded signal on 20kv Figure 30. Different recorded PD signal on 20kv distribution
distribution transformer
‫ تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬transformer after de-noising
‫واحد تهران جنوب‬
42
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
150
100
50
0
-50
-100
Figure 33. PD signals after de-noising, while accompany
50Hz cycle on a 20kV distribution transformer
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Figure 32. PD signals polluted with noise, recorded for 50ms
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
43
Experimental Result of PD Measurement On a a 420 kVY/21kV∆
Power Transformer
2.5
3
2.5
Signal 1
2
2
1.5
1.5
Signal 2
1
1
0.5
0.5
0
0
-0.5
-0.5
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-1
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
5
x 10
Figure 36. Signal after de-noising
Figure 35. PD Signal polluted with
noise, captured in Neka power plant
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
44
Experimental Result of PD Measurement On a a 420 kVY/21kV∆
Power Transformer
Frequency content of y
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
1
2
3
4
5
frequency (Hz)
6
7
8
9
6
x 10
Figure 37. Frequency spectrum of de-noised
signal (that is shown in the Fig.36)
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
45
Experimental Result of PD Measurement On a a 420 kVY/21kV∆
Power Transformer
0.8
2
0.6
1.5
0.4
1
0.2
0
0.5
-0.2
0
-0.4
-0.5
-0.6
-0.8
3.9514
3.9516
3.9518
3.952
3.9522
3.9524
3.9526
3.687
3.9528
3.6875
3.688
3.6885
3.689
5
x 10
5
x 10
Figure 39. PD signal (number 2) that is
shown in the Fig. 36 (opened in time scale)
Figure 38. PD signal (number 1) that is
shown in the Fig. 36 (opened in time scale)
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
46
Experimental Result of PD Measurement On a a 420 kVY/21kV∆
Power Transformer
-4
Frequency content of y
x 10
Frequency content of y
9
0.04
8
0.035
7
0.03
6
0.025
5
0.02
4
0.015
3
0.01
2
0.005
1
0
0
0
2
4
6
8
10
frequency (Hz)
12
14
16
18
0
1
2
6
x 10
Figure 41. Frequency content of signal
that is shown in the Fig. 39
3
4
5
frequency (Hz)
6
7
8
9
10
6
x 10
Figure 40. Frequency content of signal
that is shown in the Fig. 38
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
47
partial discharge mechanisms
Figure43. quickly developed partial
discharges (streamer mechanism)
Figure42. Slowly developed partial
discharges (townsend mechanism)
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
48
Conclusion about the frequency content of PD in Transformers
 PD signal in a power transformer are so large that easily can be
detected through the examination of captured signals against
the PD signals in XLPE cable that is usually buried in the noise
 main zones of frequency content of recorded PD signals in
power and distribution transformers are defined as the two
following zones, below 1MHz and between 7 to 9 MHz.
 transformer winding modeling for PD location must be done by
application of a model that is accurate for MHz frequency
range
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
49
The frequency limitation for the
validity of this model is in the
range of a few hundred kHz.
because of using the distributed
parameters, the model accuracy
will be expanded over MHz
frequency range.
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
Detailed model with
lumped elements
MTL Model
50
Detailed model with lumped elements
Figure 45. the simulation model for propagation
of PD pulses in a transformer winding
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
Figure 44. Equivalent circuit
for detailed model
51
‫‪Figure 46. Multi-conductor‬‬
‫‪transmission line model‬‬
‫‪52‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪Figure 47. PD measurement circuit for PD location‬‬
‫‪53‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪Figure 48. Transformer winding equivalent model for PD location study‬‬
‫‪54‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
‫‪Terminal Conditions and PD Location‬‬
‫]‪[A]=[X][B‬‬
‫‪55‬‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
Input Data
- Electrical characteristics
- Dimension of transformer winding
- PD pulse
Calculate capacitances
- Disk to Disk : KA, KB, … , KN
- Disk to ground: Cgi
And estimate model parameters
ω=0
MTL model and PD injection
ω=ω+δω
Sensitivity analysis
for different type of tgδ
If ω<= 5MHz
Yes
No
Out Put
Plot Ui(f) versus of f and Compared
with measured data
Calculate and plot frequency spectrum of Is/IN
Calculate frequency spectrum of Is/IN from
the measured data and compared with the
calculated values and finally PD located
END
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
Figure.49 Algorithm MTL
model
and PD injection
‫جنوب‬
‫واحد تهران‬
56
Ni
Case Study And Simulation Results
homogeneous transformer windings,
900MVA, 525kV, Shell type
Table1. Dimensions and characteristics of
the double disks
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
57
-3
3
x 10
2.5
I
2
1.5
1
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
frequency Hz
3.5
4
4.5
5
7
x 10
-4
x 10
Fig.50. Frequency spectrum of Is
2
I
a- PD occurred in the disk number 2
b- PD occurred in the disk number 6
c- PD occurred in the disk number 10
1
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
frequency Hz
3.5
4
4.5
5
7
-5
x 10
7
x 10
6
5
4
I
0
3
2
1
‫دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی‬
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
‫جنوب‬
‫تهران‬3 ‫واحد‬3.5
frequency Hz
4
4.5
5
7
x 10
58
-4
x 10
IN
2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
-3
1.2
x 10
2.5
3
frequency Hz
3.5
4
4.5
5
7
x 10
Fig.51. Frequency spectrum of In
1
a- PD occurred in the disk number 2
b- PD occurred in the disk number 6
c- PD occurred in the disk number 10
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
frequency Hz
3.5
4
4.5
5
7
x 10
-3
6
x 10
5
4
IN
IN
0.8
3
2
1
‫دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی‬
‫واحد تهران جنوب‬
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
frequency Hz
3.5
59
4
4.5
5
7
x 10
15
T
10
5
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
frequency Hz
3.5
4
4.5
5
6
x 10
1.4
Figure 52. Frequency spectrum of Is/IN
1.2
1
a- PD occurred in the disk number 2
b- PD occurred in the disk number 6
c- PD occurred in the disk number 10
T
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
frequency Hz
3.5
4
4.5
5
6
0.5
x 10
0.45
0.4
0.35
0.3
T
0
0.25
0.2
0.15
0.1
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
0
‫واحد‬
0
0.5
1
1.5
2 ‫جنوب‬
2.5 ‫تهران‬
3
3.5
0.05
frequency Hz
4
4.5
5
6
x 10
60
 On-line monitoring of PD have lots of advantage than off-line




methods
Wavelet Transform is a powerful tools for de-noising
db8 mother wavelet and soft-thresholding are appropriates for
separation noises from PD signals in transformers
main zones of frequency content of recorded PD signals in
power and distribution transformers are defined as the two
following zones, below 1MHz and between 7 to 9 MHz.
It has shown through the application of MTL model that by use
of winding parameters and frequency content of
one can
find the location of PD pulse in the winding.
‫تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسالمی‬
‫واحد تهران جنوب‬
61