On-line Condition Assessment of 420 kV Terminations - design and development of PD sensors

Abstract

Termineringer er ansett som et svakt punkt i transmisjonsnettet, og industrien erfarer at dårlig terminering er en av hovedgrunnene til feil i kabelsystemer. Partielle utladninger som en konsekvens av hulromsdannelse i overgangen mellom den feltregulerende spenningskonusen til termineringen og kabelen er en av de største årsakene til havari. SmartACT-prosjektet har som mål å utvikle en ny maskinvare basert på sensorer plassert inne i 420 kV oljefylte termineringer for online tilstandsvurdering for å øke forsyningssikkerheten. Dette utstyret skal, blant annet, måle partielle utladninger (PD). PD måling er et veletablert kriterium for tilstandsvurdering og følger ofte den konvensjonelle prosedyren beskrevet av IEC. PD måling har også blitt undersøkt ved å bruke ukonvensjonelle elektriske målemetoder.

Denne oppgaven undersøker om en kapasitiv sensor kan bli konstruert av kobbernetting for å måle PD aktivitet i høyspent termineringer. Frekvensresponsen til fem preliminære sensorforslag har blitt undersøkt. Videre ble det valgt å fokusere på et av disse forslagene. For denne målemetoden har det blitt gjennomført sensitivitetsanalyse og analyser i LtSpice. Denne oppgaven tar også for seg hvordan et kunstig hulrom kan dannes av en mikroglass-sfære med reproduserbare signaler for å teste sensitiviteten til sensoren relatert til en defekt. Beregninger og testing av tennspenning, samt feltsimuleringer i Comsol har blitt utført for å undersøke sammenbrudds-feltet til sfæren.

Resultatene indikerer at forsterkningen til de fem sensorforslagene, unntatt forslag nummer 5, øker med økende frekvens. Høyest forsterkning er oppnådd på en frekvens mellom 10 MHz og 100 MHz. Simuleringer i LtSpice viser at Cs burde være så lav som mulig og Rs så høy som mulig. Kobbernettingssensoren klarer å måle ladningsverdier ned til 5 pC. Tennspenningstesten resulterte i et sammenbrudds-felt på 5.64 kV/mm, som korresponderer godt med det simulerte feltet i Comsol. Kobbernettingssensoren målte 2.84% flere utladninger enn den konvensjonelle målemetoden under PD-sensortesten. Samtidig er den målte tennspenningen til sfæren lavere enn forventet, og signalene er ikke reproduserbare.

Det er usikkert hvordan forsterkningen til sensorforslagene vil være på frekvenser over 10^8 Hz. Endringer av Cs og Rs kan være vanskelig å få til uten ytterligere endringer av målekretsen. Sensitiviteten til kobbernettingssensoren kunne vært bedre om båndbredden under PD-sensortesten var justert i henhold til resultatene i frekvensrespons analysen. Det er usikker om de målte PD signalene fra PD-sensortesten stammer fra den implementerte mikroglass sfæren. I tillegg, viser feltsimuleringer av konusen at forventet tennspenning er lavere en faktisk tennspenning.

Kobbernettingssensoren har vist tilstrekkelig følsomhet basert på sensitivitetsanalysen og PD-sensortesten. Likevel, de målte utladningene fra sensortesten stammer ikke fra den implementerte glasskulen. De målte utladningene er mest sannsynlig fra et usymmetrisk hulrom i silikonfettet. Som en konsekvens, er ikke forsøket med å lage en kunstig hulromsdefekt vellykket. Eksperimentene i denne oppgaven kan benyttes som et konseptbevis av kobbernettingssensoren. Flere tester og forsøk er nødvendig for å oppnå en fullt fungerende PD sensor.

Terminations are considered a weak point in the transmission grid, and utilities experience that poor termination is a major cause of cable system failures. Partial discharges caused by void formation at the intersection between the field regulating stress cone of the termination and the cable are one of the significant causes of breakdown. The SmartACT project aims to develop a novel hardware based on sensors placed inside 420 kV oil-filled terminations for on-line condition assessment to increase the security of supply. This hardware shall, among other factors, measure partial discharge activity. A PD measurement is a well-established criterion for condition assessment and often follows the conventional measuring technique as established by IEC. However, PD detection has also been investigated by employing non-conventional electrical coupling methods.

This project examines if a capacitive coupler can be constructed by screen copper mesh to measure PD activity in a HV termination. Five preliminary sensor proposals have been analysed in terms of frequency response analysis (FRA). Further, it was chosen to focus on one of the sensor proposals. This sensing method has been examined in terms of sensitivity analysis and analysis in LtSpice. This thesis also addresses how a micro-glass sphere can be utilised to create an artificial void defect with reproducible PD characteristics to test the sensitivity of the sensor proposal relevant to a defect. PDIV calculations, testing, and field simulations in Comsol have been conducted to examine the breakdown field of one micro-glass sphere cast into the cable insulation.

The results indicate that the frequency response gain of the five sensor proposals, except case 5, increases with increasing frequency. The highest gain is achieved at frequencies ranging from 10 MHZ to 100 MHz. Simulations in LtSpice indicate that Cs should be as low as possible and Rs as high as possible. The sensitivity analysis illustrate that the copper mesh sensor can measure charges down to 5 pC. The PDIV tests of the micro-glass spheres resulted in a breakdown field of the spheres equal to 5.64 kV/mm, which corresponds well to the simulated field in Comsol. During the PD sensor test of the implemented void defect, the copper mesh sensor captured 2.84% more apparent charge values than the conventional measuring technique. Meanwhile, the PDIV of the implemented micro-glass sphere was measured lower than expected, and the measured signals were not reproducible.

It is uncertain how the sensor proposals will perform at frequencies above $10^8$ Hz. Changes of Cs and Rs may not be achieved without additional adjustments to the measuring circuit. A better sensitivity of the copper mesh sensor during the PD sensor test could have been achieved by utilising a bandwidth in accordance with the FRA measurements. The measured PD signals during the PD-sensor test may not stem from the micro-glass sphere. In addition, the field simulations of the stress cone may indicate that the calculated expected PDIV is lower than the actual PDIV.

The copper mesh sensor has proven adequate sensitivity based on the sensitivity analysis and the PD sensor test. Nevertheless, the measured void discharges do not stem from the implemented micro-glass sphere. The measured discharges are probably due to an unsymmetrical void in the silicone grease. Consequently, the generation of an artificial void defect is not successful. The experiments in this thesis can be used as a proof of concept of the copper mesh sensor. Several tests and experiments are necessary to obtain a full-functioning PD sensor.