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

Abstract

En kabelterminering er en nødvendig komponent når man går fra en kabel til et annet apparat i kraftsystemet. Det har derimot vist seg at kabeltermineringer er mer utsatt for feil enn kabelen i seg selv, mest fordi den består av en mer kompleks geometrisk oppbygging og installeres ute i felt. Denne masteroppgaven er skrevet som en del av SmartACT-prosjektet, som har som mål å utvikle ulike sensorer som skal kunne advare før noe går galt med 420 kV kabeltermineringer. En av disse sensorene skal oppdage partielle utladninger (PD) som vanligvis er et tegn på at noe er i ferd med å gå galt.

Denne masteroppgaven er en videreføring av spesialiseringsprosjektet som ble fullført høsten 2022, og baserer seg på å vurdere hvordan transiente magnetiske felt påvirker den induktive PD sensoren. Den induktive PD sensoren består av surret kobbernetting og en høyfrekvent strømtransformator (HFCT) for å induktivt koble partielle utladningsstrømmer. Men, kombinasjonen av HFCT'en sin ferromagnetiske kjerne og at den skal plasseres inni kabeltermingeringshuset, gjør den mer sårbar til magnetiske felt. For å vurdere hvordan den induktive sensoren ble påvirket av transiente magnetiske felt så ble det gjennomført tre eksperimenter: 50 Hz AC-strøm, koblingstransienter og lynimpulser. I tillegg så ble det utført magnetfeltsimuleringer i COMSOL for å validere de eksperimentelle funnene.

Resultatene fra 50 Hz AC-strøm eksperimentet viste at både orienteringen til HFCT og avstanden fra kabelen var betydelige faktorer for hvor påvirket HFCT’en ble. For HFCT-orienteringen, så ble det oppdaget at orientering 1 var betydelig mindre påvirket av det magnetiske feltet sammenlignet med orientering 2 og 3. For avstanden mellom kabelen og HFCT’en, så viste det seg at HFCT’ens utgangsspenning avtok omvendt proporsjonalt med økende avstand.

Resultatene fra eksperimentene med koblingstransienter og lynimpulser viste at det kan oppstå raske utgangsspenninger med høy amplitude for en HFCT som er plassert inn i termineringshuset. Problemet med de høye spenningsamplitudene er ikke relatert direkte til HFCT’en i seg selv, men heller til det følsomme systemet for deteksjon av PD. Derfor bør det tas hensyn til disse spenningsamplitudene, og som et resultat bør det implementeres en beskyttelsesordning mot overspenninger.

For å verifisere resultatene fra 50 Hz AC eksperimentet, ble det utført magnetfeltsimuleringer i COMSOL. Individuelle 3D-modeller ble laget for å legge til rette for de forskjellige orienteringene. Resultatene fra magnetfelt-simuleringene stemte generelt overens med de eksperimentelle funnene, men noen avvik ble observert. Det antas at avvikene hovedsakelig skyldes unøyaktig modellering av HFCT i COMSOL, ukjent materialoppbygning av kjerne og lav grad av masking i modell (meshing).

Denne oppgaven gir et grunnlag for å bestemme den optimale orienteringen og avstanden til den induktive sensoren ved installasjon i en fullskalert 420 kV oljefylt terminering. Basert på eksperimentelle og simuleringsfunn, anbefales det å plassere HFCT'en i orientering 1, vinkelrett på kabelen. I tillegg anbefales det å plassere sensoren så langt unna kabelen som mulig, med hensyn til begrensninger som finnes på innsiden i en kabelterminering. For å sikre den nødvendige levetiden til sensoren, bør videre arbeid innebære etablering av en beskyttelsesplan mot overspenning.

A cable termination is an essential component when transitioning from a cable to another power apparatus. However, it has been shown that cable terminations are more vulnerable to failure than the cable itself, mainly because they consist of a more complex geometrical structure and are installed on-site. This thesis is part of the SmartACT project, which aims to develop various sensors to warn before something goes wrong with 420 kV cable terminations. One of these sensors will detect partial discharges (PD) which is usually a sign that something is about to go wrong.

This master thesis is a continuation of the specialisation project completed in the fall of 2022 and is based on evaluating the effect transient magnetic fields have on the inductive PD sensor. The inductive PD sensor consists of wrapped copper mesh and a High-Frequency Current Transformer (HFCT) to inductively couple the partial discharge signals. However, the combination of the HFCT ferromagnetic core and the sensor being positioned inside the cable termination housing makes it susceptible to magnetic fields. To evaluate how the inductive sensor was affected by transient magnetic fields three experimental studies were conducted: 50 Hz AC current, switching transients and lightning impulses. In addition, magnetic field simulations in COMSOL were conducted to validate the experimentally found results.

The results from the 50 Hz AC current experiments revealed that both the orientation of the HFCT and distance away from the cable were significant factors in HFCT performance. For HFCT orientation, it was discovered that orientation 1 was substantially less affected by the magnetic field compared to orientations 2 and 3. For the distance between HFCT and the cable, it was found that an increase in distance will decrease the HFCT output voltage inversely proportionally.

Based on the conducted switching transient and lighting impulse experiments, it was discovered that high HFCT output voltage amplitudes can occur for an HFCT positioned inside a cable termination housing. The problem with the high voltage amplitudes is not related to the HFCT itself, but rather to the sensitive partial discharge measuring system. As a result, considerations to sufficiently dampen the voltage spikes should be taken and a proper protection scheme against overvoltages should be implemented.

Magnetic field simulations were successfully carried out in COMSOL, with the intention of verifying the 50 Hz AC current experiment results. Individual 3D models had to be created in order to facilitate the different orientations. The results from the magnetic field simulations generally aligned with the experimental findings, but some deviations were observed. It is assumed that the deviations mainly originated due to inaccurate modelling of the HFCT in COMSOL, unknown material composition of the ferrite core and low degree of model meshing.

This thesis provides a foundation for determining the optimal orientation and distance of the inductive sensor when installing it within a full-sized 420 kV oil-filled termination. Based on the experimental and simulation findings, it is recommended to position the HFCT in orientation 1, perpendicular to the cable. Additionally, it is advised to place the sensor as far away from the cable as possible, taking into account limitations imposed by the cable termination itself. To ensure the longevity required from the sensor, further work should involve establishing an overvoltage protection scheme.