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A contribution to the online monitoring of partial discharges in high-voltage grid components

Ein Beitrag zum Online-Monitoring von Teilentladungen in Betriebsmitteln des Höchstspannungsnetzes

  • Increasing utilization of HV power cable lines, and particularly the advent of long HVDC underground links, results in the need to sensitively monitor their condition, such as by tracking the emergence and development of partial discharges. This study demonstrates that existing solutions are poorly suited to the case of HVDC lines, and that a new, more sophisticated monitoring system needs to address a wide array of diverse problems. First of all, the overview of the task and main functional blocks of the monitoring system is given. Following this, selected blocks are subject to detailed examination in subsequent chapters. The first of these blocks, a high-frequency current transformer (HFCT), is responsible for capturing the signal in the power line and transferring it to the electronics. This component receives in-depth coverage: general design considerations, computation of leakage inductance, operation in presence of a power current, resonant behavior, balanced design. Particular attention is given to the application of FiniteIncreasing utilization of HV power cable lines, and particularly the advent of long HVDC underground links, results in the need to sensitively monitor their condition, such as by tracking the emergence and development of partial discharges. This study demonstrates that existing solutions are poorly suited to the case of HVDC lines, and that a new, more sophisticated monitoring system needs to address a wide array of diverse problems. First of all, the overview of the task and main functional blocks of the monitoring system is given. Following this, selected blocks are subject to detailed examination in subsequent chapters. The first of these blocks, a high-frequency current transformer (HFCT), is responsible for capturing the signal in the power line and transferring it to the electronics. This component receives in-depth coverage: general design considerations, computation of leakage inductance, operation in presence of a power current, resonant behavior, balanced design. Particular attention is given to the application of Finite Element Analysis (FEA) in relation to the HFCT, however, the demonstrated techniques can also be applied to other magnetic devices. Last section of the chapter presents various stages of development, experimental setups, prototypes, and the final device which has been put into series production. The next block addresses extraction of signals from noise. A literature analysis is conducted concerning noise suppression in partial discharge recordings, and the application of the signal separation approach based on Linear Predictive Coding is shown. In the section on localization, examples illustrating problems encountered during the development of a partial discharge localization algorithm are presented. In the chapter devoted to laboratory tests, various auxiliary experiments conducted during the system's development are compiled, where some of them are: Time Domain Reflectometry (TDR) TDR-based line characterization, estimation of monitoring sensitivity, measurement of the cable attenuation and reflection coefficients of the accessories. In the final chapter – field tests – the installation of the system on a 110 kV line and the measured transfer function are demonstrated.show moreshow less
  • Mit der zunehmenden Nutzung von Hochspannungs-Stromkabeln, insbesondere durch das Aufkommen langer HVDC(HGÜ)-Leitungen, entsteht die Notwendigkeit, ihren Zustand sensibel zu überwachen, etwa durch die Verfolgung der Entstehung und Entwicklung von Teilentladungen. Diese Studie zeigt, dass bestehende Lösungen schlecht auf den Fall von HVDC-Leitungen zugeschnitten sind und dass ein neues, ausgeklügelteres Überwachungssystem eine Vielzahl von unterschiedlichen Problemen angehen muss. Zunächst wird ein Überblick über die Aufgabe und die Hauptfunktionsblöcke des Überwachungssystems gegeben. Anschließend werden ausgewählte Blöcke in den folgenden Kapiteln detailliert untersucht. Der erste dieser Blöcke, ein Hochfrequenz-Stromtransformator, ist dafür verantwortlich, das Signal in der Stromleitung zu erfassen und an die Elektronik weiterzuleiten. Diese Komponente erhält eine ausführliche Behandlung: allgemeine Designüberlegungen, Berechnung der Streuinduktivität, Betrieb in Anwesenheit eines Leistungsstroms, Resonanzverhalten, ausgewogenesMit der zunehmenden Nutzung von Hochspannungs-Stromkabeln, insbesondere durch das Aufkommen langer HVDC(HGÜ)-Leitungen, entsteht die Notwendigkeit, ihren Zustand sensibel zu überwachen, etwa durch die Verfolgung der Entstehung und Entwicklung von Teilentladungen. Diese Studie zeigt, dass bestehende Lösungen schlecht auf den Fall von HVDC-Leitungen zugeschnitten sind und dass ein neues, ausgeklügelteres Überwachungssystem eine Vielzahl von unterschiedlichen Problemen angehen muss. Zunächst wird ein Überblick über die Aufgabe und die Hauptfunktionsblöcke des Überwachungssystems gegeben. Anschließend werden ausgewählte Blöcke in den folgenden Kapiteln detailliert untersucht. Der erste dieser Blöcke, ein Hochfrequenz-Stromtransformator, ist dafür verantwortlich, das Signal in der Stromleitung zu erfassen und an die Elektronik weiterzuleiten. Diese Komponente erhält eine ausführliche Behandlung: allgemeine Designüberlegungen, Berechnung der Streuinduktivität, Betrieb in Anwesenheit eines Leistungsstroms, Resonanzverhalten, ausgewogenes Design. Besonderes Augenmerk wird auf die Anwendung der Finite-Elemente-Analyse (FEA) in Bezug auf den Hochfrequenz-Stromtransformator (HFCT) gelegt. Die vorgestellten Techniken können jedoch auch auf andere magnetische Geräte angewendet werden. Der letzte Abschnitt des Kapitels präsentiert verschiedene Entwicklungsstufen, experimentelle Aufbauten, Prototypmodelle und das endgültige Gerät, das in Serienproduktion gegangen ist. Der nächste Block befasst sich mit dem Problem der Signalextraktion aus dem Rauschen. Es wird eine Literaturanalyse durchgeführt, die sich auf die Rauschunterdrückung in Teilentladungsdaten bezieht, und die Anwendung des Signalabtrennungsansatzes basierend auf der linearen prädiktiven Codierung wird gezeigt. Im Abschnitt über die Lokalisierung werden Beispiele für Probleme vorgestellt, die bei der Entwicklung eines Algorithmus zur Lokalisierung von Teilentladungen aufgetreten sind. In dem Kapitel, das den Labortests gewidmet ist, werden verschiedene Hilfsexperimente zusammengefasst, die während der Entwicklung des Systems durchgeführt wurden. Einige davon sind: TDR-basierte Leitungscharakterisierung, Schätzung der Überwachungsempfindlichkeit, Messung der Kabeldämpfung und der Reflexionskoeffizienten der Zubehörteile. Im abschließenden Kapitel - den Feldtests - wird die Installation des Systems auf einer 110-kV-Leitung und die gemessene Übertragungsfunktion vorgestellt.show moreshow less

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Metadaten
Author: Iaroslav ShevchenkoORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66294
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6629
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. mult. Harald Schwarz, Prof. Dr.-Ing. Peter Birkholz
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2024
Date of final exam:2023/10/20
Release Date:2024/03/13
Tag:Erdkabel; Finite-Elemente-Methode; Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung; Stromwandler; Teilentladungen
Finite element analysis; High voltage direct current; High-frequency current transformer; Partial discharge; Underground cable
GND Keyword:Erdkabel; Hochspannungskabel; Hochspannungsgleichstromübertragung; Stromwandler; Finite-Elemente-Methode; Teilentladung
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Energieverteilung und Hochspannungstechnik
Licence (German):Creative Commons - CC BY-SA - Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International
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