Non-destructive condition assessment methodology for generator bars - Investigating Partial Discharge Activity in Stator Coils Under Multi-Stress Accelerated Aging

Abstract

During the intermittent operation of power stations, the stator mainwall insulation is subjected to in-creased thermomechanical stress, which can lead to insulation failure. This study employs multi-stress testing involving thermal load cycling and voltage stress to investigate the degradation of stator winding insulation. Service-aged, backup, and dummy coils were subjected to stresses representative of opera-tional conditions in a laboratory setup. Partial discharge (PD) measurements were used to monitor the condition of the main wall insulation, with both on-cycle and off-cycle PD diagnostics applied. The coils underwent 2000 thermal load cycles, where each cycle consisted of heating the coils from 40°C to 110°C for 50 minutes, followed by a cooling period of 45 minutes. Additionally, the service-aged and backup coils were stressed at 1.5 times their nominal phase-to-ground voltage. In regular intervals, PD measurements were performed at nominal voltage levels. The PD inception voltage (PDIV), dielectric losses (tan δ), and average PD magnitude were analyzed under multi-stress conditions. The results indicate that thermal cycling accelerates the aging process in the stator winding insulation system. PD activity and dielectric loss measurements reveal clear signs of degradation.

Ved intermitterende drift av vannkraftgeneratorer utsettes hovedisolasjonen i viklingene for økte ter-momekaniske påkjenninger, som igjen kan føre til isolasjonsfeil og havari. I dette arbeidet har degrade-ring av hovedisolasjonen i statorspoler som følge av lastsykling (start/stopp) blitt undersøkt. Spoler som er tatt ut av drift etter 40 år i et elvekraftverk, og reseservespoler til samme generator, har blitt utsatt for påkjenninger i laboratoriet som er representative for intermitterende drift. Måling av elektriske del-utladninger (partial discharge, PD) har blitt målt både kontinuerlig (on-line) under lastsyklusene, og mer nøyaktig off-line PD-måling og dielektriske tap (tan δ) ved utvalgte stopp-tidspunkter, som en del av til-standskontrollregimet. Spolene ble utsatt for 2000 termiske lastsykluser. Hver syklus besto av oppvarming fra 40°C til 110°C i løpet av 50 minutter, etterfulgt av en kjøleperiode på 45 minutter. I tillegg var spolene spenningssatt med 1,5 ganger nominell fase-til-jord-spenning. De viktigste parameterne for tilstandskontroll som ble målt og trendet var tennspenning for PD (PD inception voltage, PDIV), gjennomsnittlig PD ladningsstør-relse, dielektriske tap (tan δ). Økt PD-nivå, lavere PD og økte dielektriske tap som funksjon av antall lastsykluser ble registrert og indi-kerer at termisk sykling akselererer aldringsprosessen i isolasjonen til statorspoler.