title: Development of a multi-sensor diagnostic method for the early detection of partial discharges in cable connectors of medium-voltage switchgears
Creators: name: Sinai, Ali
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
subject: partial discharge
subject: multi-sensor
subject: monitoring
subject: PD
subject: frequeny-selective
subject: sensors

description: The ever-increasing demand for electrical energy, along with the need for sustainable energy sources, have imposed new challenges for power grid operators. Namely, the need to extend their grids and partially overuse the existing assets. The lack of qualified staff and high equipment costs are additional problems. However, a stable electrical energy supply must be guaranteed, and the network operators should be able to solve upcoming problems quickly. For this reason, the continuous monitoring of electrical networks is gaining more importance. Monitoring systems must detect various issues in high- and medium-voltage grid assets and inform the grid operator at an early stage, in case of a problem. One of the problems that can lead to equipment breakdown and operational restrictions is partial discharges (PDs), generating a failure in the insulation materials. This work presents a novel frequency-selective multi-sensor PD diagnostic method for monitoring medium-voltage (MV) switchgear cable connectors during installation and operation. The developed measurement system makes it possible to detect faulty components reliably, even with massive background noise. The monitoring system can be installed during the switchgear’s first commissioning, or later maintenance. The developed prototype was successfully tested under various circumstances in the high-power test laboratory CESI / IPH, Berlin. The multi-sensor approach enables the simultaneous acquisition of PD signals in different frequency ranges and over various propagation paths. Hence, redundant decision-making is possible, increasing the PD diagnosis’s reliability. To this end, nine different sensing methods are investigated to find the most suitable sensors. In the next step, the disturbance signal propagation over the medium-voltage cable is studied. The frequency-selective measurement approach is developed based on the sensor’s and MV cable’s properties. The effectivity of the frequency selective PD measurement to reject external interferences is also discussed. The measurement system architecture and the corresponding analog signal processing are discussed. The PD diagnostic method is verified with various faulty cable connectors and external discharges while background noise signals disturb the measurements. Finally, the measurement system’s performance is validated in a high-power test laboratory with harsh noise conditions.
description: Die ständig steigende Nachfrage nach elektrischer Energie und der Bedarf an nachhaltigen Energiequellen stellen die Stromnetzbetreiber vor neue Herausforderungen. Sie müssen ihre Netze ausbauen und die vorhandenen Anlagen teilweise über die jeweils geplante Lebensdauer und Belastungsgrenzwerte hinaus nutzen. Der Mangel an qualifiziertem Personal und hohe Investitionskosten sind zusätzliche Probleme. Eine stabile Versorgung mit elektrischer Energie muss jederzeit gewährleistet sein. Netzbetreiber müssen daher auftretende Probleme in kürzester Zeit erkennen und beheben. Aus diesem Grund sollten elektrische Netze permanent überwacht werden. Die Überwachungssysteme müssen verschiedene Probleme in den Anlagen des Hoch- und Mittelspannungsnetzes erkennen und den Netzbetreiber im Falle eines Fehlers frühzeitig informieren. Eine Störung, die zum Ausfall von Anlagen und zu den Betriebseinschränkungen führen kann, ist Teilentladung (TE), die Isolationsversagen der Anlagenkomponenten hervorrufen kann. In dieser Arbeit wird ein neuartiges frequenzselektives Multisensor-TE-Diagnoseverfahren zur Inbetriebnahme und Überwachung von Kabelsteckern in Mittelspannungsschaltanlagen vorgestellt. Das entwickelte Messsystem ermöglicht es, die fehlerhaften Komponenten zuverlässig zu erkennen, selbst wenn starke Störsignale existieren. Der entwickelte Prototyp wurde unter verschiedenen Bedingungen im Labor und im CESI / IPH Institut für elektrische Hochleistungstechnik erfolgreich getestet. Der Multisensoransatz ermöglicht die gleichzeitige Erfassung verschiedener TE-Signalemissionen in unterschiedlichen Frequenzbereichen und auf zum Teil unterschiedlichen Ausbreitungswegen. Damit ist eine redundante Entscheidungsfindung möglich, was die Zuverlässigkeit der TE-Diagnose erhöht. In diesem Zusammenhang werden neun verschiedene Erfassungsmethoden untersucht um die effektivsten Sensoren auszuwählen. In einem weiteren Schritt wird die Ausbreitung von Störsignale über das Mittelspannungskabel untersucht. Anhand der Eigenschaften der Sensoren und des Mittelspannungskabels wird die frequenzselektive Messung erläutert. Die Effektivität der frequenzselektiven TE-Messung bei der Unterdrückung externer Störsignale wird diskutiert. Die Messsystemarchitektur und die hierzu zum Einsatz kommende analoge Signalverarbeitung wird vorgestellt und diskutiert. Schließlich wird die TE-Diagnosemethode mit verschiedenen fehlerhaften Kabelsteckern verifiziert, wobei verschiedene Störsignale und externe Entladungen die Messgüte beeinflussen.