Partial discharges in high-voltage insulating systems. Mechanism, processing and analytics

Partial discharges in high-voltage insulating systems. Mechanism, processing and analytics

rok wydania: 2020
ISBN: 978-83-66364-75-2
ilość stron: 570
format: B5
oprawa: twarda

Opis

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.

Spis treści

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 insulation with 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 field at higher pressure / 138
5.2.1. Introduction / 138
5.2.2. 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 / 254
6.2.2. 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 materials exposed to partial discharges / 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 correspondence with 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 configuration with 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 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 recognition of partial discharge forms / 432
8.3.5.2. Classification of PD images using deep convolutional neural 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