The book presents selected aspects related to the partial discharge mechanism, its processing, and analytics in high-voltage insulating systems. Partial discharges (PD) have intrigued researchers for more than a century, yet some underlying physical mechanisms are still not fully understood and require a multiphysical research approach. The book comprises underlying physical PD phenomena in a strong electric field, various PD detection methods, with a special focus on electrical measurements and optical imaging, including various high voltage stimuli, such as AC, DC, PWM, and impulse voltages. The separate class refers to non-continuous PD sequencing called PD chopping and the discovered associated phenomenon called PD Echo. PD analytics deals with the application of artificial intelligence to partial discharges; for example, to feature extraction, clustering, or segmentation, as well as classification based on deep convolutional neural networks. This book presents a comprehensive approach to the problem of partial discharges while highlighting current research areas.
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 voltage by 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 subjected to 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 decay in 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 discharges at 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 mapping on 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 barrier on 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