Condition Assessment of Hydro Generator Stator Bar Insulation Examination of PD void activity versus AC voltage magnitude and frequency

Abstract

Innføringen av væravhengige fornybare energikilde i det eksisterende nettet vil påvirke det nåværende driftsmønsteret fra strømproduksjon vi kjenner i dag. Når man kombinerer energikilder som sol- og vindkraft med kraftproduksjon fra vannkraft, blir driften endret hvor maskiner blir utsatt for flere start og stopp, samtidig som det kjøres med en tyngre last. Det er uunngåelig at dette påvirker tilstanden til generatorer, men i hvilken grad denne overgangen i kjøremønsteret er skadelig for vannkraftsgeneratorer over tid er ikke kjent. Dette gjør det nødvendig å ha tilstrekkelig diagnostikk og tilstands analyse tilgjengelig for å forlenge levetiden til generatorene. Hensikten med denne oppgaven er å adressere problemstillingen rundt PD analyse, og bruke tilgjengelige metoder for påvisning og karakterisering av partielle utladninger i høyspennings isolasjon. Målet er å vurdere effekten av høyspenning AC-testing ved veldig lave frekvenser og opp til 50Hz både teoretisk og eksperimentelt. En litteraturstudie og teoretisk bakgrunn er presentert som et grunnlag for arbeidet som presenteres i resultat og diskusjon. Det er to deler til denne oppgaven, en teoretisk analyse av PD-egenskaper og et eksperimentelt forsøk for et sett med generator staver for å undersøke PD-egenskaper med tanke på PDIV/PDEV og utladningsstørrelse. For den teoretiske delen har det blitt simulert et sylindrisk og sfærisk hulrom for å undersøke endringen i det elektriske feltet ved økende hulromslengde og bredde med FEM-simulering. Når lengde/bredde forholdet avtar, er feltet nær homogent uten tilsynelatende kanteffekt for hulrommet med 0.2mm bredde og 2mm lengde fordi det svært høye feltet er påvist gjennom hele hulrommet. Kanteffekten hadde en liten økning av det totale arealet som ble påvirket da hulrommet ble mindre, denne effekten avtok ved hulrom over 10mm. Det maksimale feltet i hjørnene økte sammen med en økende lengde av hulrommet ved konstant bredde. Det elektriske feltet til et sfærisk hulrom var lik den teoretiske ligningen for hulrom under 10mm i diameter, da den totale isolasjonstykkelsen økte tilsvarende. Ved måling under konstant isolasjonstykkelse for sfærisk hulrom med endring i lengde, ble det oppdaget avvik fra teorien da hulrommets diameter overskred 1/3 av isolasjonstykkelsen allerede ved 1mm. En frekvensavhengighet ble påvist for de sylindriske hulrommene under svært lave frekvenser. Et avvik på 14% i PDIV for et hulrom på 2.2mm ble observert for en VLF på 10-6 sammenlignet med ved 50Hz. I de eksperimentelle laboratorieundersøkelsene ble det testet to brukte generatorstaver fra nær HV terminal og to tilsvarende ubrukte back-up staver. En av back-up stavene viste en PDIV på 50% av gjennomsnittet av de tre andre test-objektene. Under maksimal spenning i drift har stavene blitt utsatt for en spenning på 1.9kV, mens PDIV viste 500V under denne grensen. Gjennomsnittet av de tre stavene med like PDIV/PDEV-nivåer kunne tilnærme seg den teoretiske estimeringen av PDIV, der et hulrom på 1.9mm forårsaket den samme PDIV verdien som i test objektene. Gjennomsnittlig utladningsstørrelse for stav S2 og R2 var begge avhengig av frekvensen og PDIV-nivået. Gjennomsnittlig utladningsstørrelse var 87% høyere for den brukte staven S2, enn back-up staven R2.

The introduction of weather dependent renewable energy to the existing grid is affecting the current operating pattern of electricity production. When combining energy sources like PV and wind power to power production from hydro power, the operation is controlled with more starts and stops, and at a heavier load than known before. It is inevitable that this affects the condition of the generator, however in what degree this transition will be harmful for hydro generators over time is not clear. This makes proper diagnostic testing and condition assessment valuable to increase the lifetime of hydro generators. The main purpose of this thesis is to address the concerning issues using partial techniques for detection of internal critical voids in high voltage insulation. The aim is considering the effect of high voltage AC testing at very low frequencies to 50Hz both theoretically and experimentally. A literature survey is given together with the theory to provide a basis for the work presented in the results and discussion. There are two parts to this thesis, one theoretical analysis of PD characteristics and one experimental laboratory test for a set of stator rods testing their PD characteristics considering PDIV/PDEV and charge magnitude. For the theoretical part a cylindrical and spherical void has been simulated for their electric field with an increasing void length and gap distance in a FEM-tool. As the gap-length relation decreases, the field is close to homogeneous with no present edge effect for the void with 0.2mm gap distance and 2mm length due to the very high field throughout the field. The edge effect had a small increase in terms of total area affected as the void grew smaller, and no noticeable difference was proven with void lengths bigger than 10mm. The magnitude of the electric field at the very corners increased along with an increasing length when the gap distance was fixed. The electric field of a spherical void was equal to the theoretical limitation for voids under 10mm diameter when the total insulation thickness increased accordingly. With a fixed insulation thickness and the void diameter increasing, a deviation from the theory was seen already when the void diameter exceeded 1/3 of the insulation thickness by 1mm. A frequency dependency was proven for the cylindrical voids under very low frequencies. A 14% deviation in PDIV for a 2.2mm void was observed for a VLF of 10-6 compared to at 50Hz. In the experimental laboratory tests, two service aged near HV and 2 back-up stator rods from a Norwegian run-of-the-river power plant was tested. One of the back-up rods proved a PDIV of 50% of the average of the 3 other rods tested. The peak operating voltage for the rods were 1.9kV, while the PDIV was 500V under this limit. The average of the three rods with equal PDIV/PDEV levels could be approximated to the theoretical estimation of PDIV, where a void of 1.9mm could cause the equal PDIV in the rods. Rod, S2, with a low PDIV did not fit the theoretical model. The average charge magnitude for rod S2 and R2 were both dependent on the frequency and the PDIV level. The average charge magnitude was 87% higher for the service rod than the back-up rod at 50Hz.