Influence of voltage frequency and rate of change on internal partial discharges

Abstract

Interne, partielle utladninger i elektriske maskiner utgjør en betydelig kilde til degradering og havari. Høyspentmaskiner blir i økende grad utsatt for raske, repetitive spenningspulser forårsaket av transistor-switching i kraftelektronikk. En grundigere forståelse av hvordan slike høyspentpulser påvirker adferden til partielle utladninger er derfor nødvendig.

Målet med denne avhandlingen er å undersøke og forklare hvordan adferden til partielle utladninger blir påvirket av høyspentpulser med korte stigetider, sammenlignet med sinusspenning. For å svare på denne problemstillingen har en utladningsmodell, bygget på den kjente kapasitive modellen, blitt utviklet. I tillegg er det gjennomført eksperimentelle forsøk på prøveobjekter med ulike hulromstykkelser laget av mica-epoxy generatorisolasjon med sylindriske hulrom. Forsøkene er gjennomført med spenningsamplituder like over tennspenningene, og utladningene er målt med en høyfrekvent strømtransformator koblet til et oscilloskop. Utladningsegenskapene som er av interesse er repetisjonsraten og størrelsen, i tillegg til faseposisjonen til utladningene.

Den kapasitive modellen er utvidet til å inkludere en frekvensavhengig statistisk tidsforsinkelse og remanent spenning, og en avtagende restladning. Sammenlignet med de eksperimentelle måleresultatene klarer modellen å beskrive enkelte deler av adferden til utladningene, mens andre deler er svært ulike. De numeriske verdiene er svært ulike, noe som antas å skyldes de forenklingene som er gjort knyttet til utladningstype og endringer i overflateegenskaper i hulrommet.

Internal partial discharges in electric machine insulation represents a significant source of degradation, ultimately leading to breakdown. High voltage machines are, to an increasingly degree, exposed to fast repetitive voltage pulses caused by transistor-switching in power electronic converters. An understanding of how such high-voltage pulses affects the behaviour of partial discharges is therefore necessary.

The purpose of this thesis is to investigate and explain how the behaviour of partial discharges are affected by high-voltage pulses with short rise times, compared with sinusoidal voltage. To answer this, a partial discharge prediction model is developed that expands on the well-known capacitance model, in addition to experimental measurements performed on test objects with various void gap distances. Experiments are performed on mica-epoxy groundwall insulation with cylindrical cavities at voltages slightly above the inception voltage levels, and a high-frequency transformer connected to an oscilloscope is used to measure the discharges. The partial discharge characteristics of interest are the repetition rate and magnitude, as well as the phase-distribution of the discharges.

The capacitance model is expanded to include a frequency-dependent statistical time lag and remanent voltage, and a residual charge decay. Compared to the experimental results, qualitatively similar results are achieved in some of the investigated characteristics, although other aspects differ greatly. A significant numerical difference is observed, which is mainly thought to stem from the simplifications made in regards to discharge types and changing void surface characteristics.