Comparative evaluation of acoustic and electric signals of partial discharges
Creators: name: Najafi, Seyed Amir Mahmood
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2023
Subjects: subject: Partial Discharge
subject: Silent Partial Discharge
subject: non-Silent Partial Discharge
subject: Acoustic
subject: PD
subject: AE
subject: Acoustic Emission
subject: Teilentladung
subject: TE
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik

description: Failures of power electric components such as transformers and outages can lead to a huge economical loss in the electric power grid. One of the main parts of a power electric components is the insulation system, namely, insulation oil, impregnated pressboard and paper. Several methods exist for diagnostics of these insulation materials. Partial discharge (PD) measurement known as one of the main non-destructive monitoring systems of the insulation materials. However, it has been mainly done off-line in maintenance periods, and the existing on-line methods generally provide less information due to environment electric noises. In contrast to electric PD measurement system, the acoustic emission (AE) measurement system is well known for its immunity against environment electrical noises. In this thesis comparative evaluation of acoustic and electric signals of PD events generated in oil impregnated pressboard and papers is investigated. The thesis is focused on the characteristic of PD activity and the consequence of that on the electric and AE signal. PD classification is defined by using the relation between acoustic and electric signals of PD events. Although the sensitivity of the AE sensors has been improved over the years, but the detection of the acoustic signals from PD activity in power equipment mainly transformers remain the main challenge of acoustic measurement. Lack of information regarding evaluation of electric PD signals and AE signals beside the mechanical attenuation are two main disadvantages of AE measurement method. Due to mechanical and electrical mechanism of waves generated during PD activities, the mechanical and electrical behaviour of the waves is discussed in more detail to have better understanding about the electric and acoustic signals. PD sources were generated at different electrode configurations such as needle-plane and electrode ball arrangement within a sample in the tank to investigate different types of PD. Electric characteristics of PD and different PD measuring technics such as electric, UHF and acoustic beside the mechanical behaviour of the acoustic waves are also discussed. The corona in oil results regarding the relation between AE and electric PD signals shows the correlated behaviour between AE and PD apparent charge magnitude. However, in surface discharges these behaviours are uncorrelated. In this regards the surface discharge is studied in more detail, leading to the first results of PD with very low acoustic (no acoustic) activity. Regarding these results two different categories in term of AE signals of PDs are defined, silent PD and non-silent PD. Silent PDs are those PD activities without or with very low acoustic signal and non-silent PDs are with acoustic signal. The existence of the silent PD is validated via oscilloscope and digital signal processing (DSP) devices. Also, with different innovative methods and arrangements such as needle plane and ball electrodes with and without oil gap, the probable reasons of creation this phenomenon (silent PD) is investigated. It is found that the carbonization patterns start with non-silent PD and remain the same during silent PD activities even with very high electric apparent charges. It means the development in carbonization traces produce electric and AE signals and in contrast no changes in carbonization traces produce only electric signals with no AE signal. These results verify the advantages of using acoustic technics and electric measurement in terms of PD classification and localization.
description: Ausfälle von Komponenten in elektrischen Energiesystemen wie Transformatoren können zu einem enormen wirtschaftlichen Verlust im Energiesystem führen. Einer der Hauptbestandteile der Komponenten in elektrischen Energiesystemen ist das Isoliersystem, nämlich Öl, imprägniert Pressboard und Papier. Es gibt mehrere Methoden zur Diagnose dieser Isoliermaterialien. Die Messung der Teilentladung (TE) ist als eines der wichtigsten zerstörungsfreien Überwachungssysteme für Isoliermaterialien bekannt. Jedoch wird dies in Wartungsperioden hauptsächlich offline durchgeführt, und die existierenden Online-Verfahren liefern im Allgemeinen weniger Informationen aufgrund von elektromagnetischen Störungen. Im Gegensatz zum elektrischen TE-Messsystem ist das Schallemissionsmesssystem für seine Immunität gegen elektrische Umgebungsgeräusche bekannt. In dieser Arbeit wird die vergleichende Auswertung von akustischen und elektrischen Signalen von TE-Ereignissen untersucht, die in ölimprägnierten Pressboard und Papieren erzeugt werden. Sie konzentriert sich auf die Charakteristik der TE-Aktivität und deren Einfluss auf akustische Signale. Die TE-Klassifizierung wird definiert, indem die Beziehung zwischen akustischen und elektrischen Signalen von TE-Ereignissen verwendet wird. Obwohl die Empfindlichkeit der akustischen Sensoren im Laufe der Jahre verbessert wurde, bleibt die Erkennung der akustischen Signale von TE-Aktivität das Hauptproblem bei Komponenten in elektrischen Energiesystemen, hauptsächlich Transformatoren. Fehlende Informationen zur Auswertung von elektrischen TE-Signalen und akustischen Signalen sind neben der mechanischen Dämpfung zwei Hauptnachteile der akustischen Messung. Wegen der mechanischen und elektrischen Mechanismen von Wellen, die während der TE-Aktivitäten erzeugt werden, wird deren Verhalten ausführlicher diskutiert, um ein besseres Verständnis über die elektrischen und akustischen Signale zu erhalten. An verschiedenen Elektrodenkonfigurationen innerhalb einer Probe im Öltank werden TE-Quellen an verschiedenen Elektrodenkonfigurationen wie Spitze-Platte und Elektrodenkugelanordnung innerhalb einer Probe im Tank erzeugt, um verschiedene Arten von TE zu untersuchen. Neben dem mechanischen Verhalten der akustischen Wellen werden auch elektrische Eigenschaften von TE und verschiedene TE-Messtechniken wie elektrisch, UHF und akustisch behandelt. Die Ergebnisse bezüglich des Verhältnisses zwischen AE- und elektrischen TE-Signalen für Korona im Öl zeigen das korrelierte Verhalten zwischen AE- und TE-Signalen. Bei Oberflächenentladungen sind diese Verhaltensweisen jedoch unkorreliert. Die Oberflächenentladung wird genauer untersucht, was zu den ersten Ergebnissen von TE mit sehr geringer akustischer (keine akustischen Signale) Aktivität führt. In Bezug auf diese Ergebnisse werden zwei verschiedene Kategorien in Bezug auf elektrische und AE-Signale von TE definiert, stille TE und nicht-stille TE. Stille TE sind elektrische TE-Signale ohne oder mit sehr geringer akustischer Aktivität, und nicht-stille TE sind elektrische TE-Signale mit akustischer Aktivität. Die Existenz der stillen PD wird über Oszilloskope und digitale Signalverarbeitungsgeräte (DSP) validiert. Auch mit verschiedenen innovativen Methoden und Anordnungen wie Nadel und Kugelelektroden mit und ohne Ölspalt werden die wahrscheinlichen Entstehungsursachen dieses Phänomens (Silent TE) untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Karbonisierungsmuster mit nicht-stiller TE beginnen und während stiller TE-Aktivitäten selbst bei sehr hohen scheinbaren elektrischen Ladungen unverändert bleiben. Dies bedeutet, dass bei der Entwicklung der Karbonisierungsspuren elektrische und AE-Signale erzeugt werden und im Gegensatz dazu ohne Änderungen der Karbonisierungsspuren nur elektrische Signale (ohne AE-Signale) erzeugt werden. Diese Differenzierung ist nur möglich bei gleichzeitigem Einsatz der akustischen Technik und elektrischen Messung im Hinblick auf die TE-Klassifizierung und Lokalisierung.