Application of Signal Processing Methods for Precision Impulse Voltage and Partial Discharge Measurements
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2023-11-03
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
64 + app. 41
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 163/2023
Abstract
High-quality grid components are the basis for reliable power grid. Different high-voltage tests are applied to grid components according to international standards after manufacturing to ensure the claimed performance. Accuracy of the used measuring systems is crucial when more cost-efficient and better-quality products are being developed. Accuracy and traceability to SI system can be verified by calibration services provided by national metrology institutes, like VTT MIKES in Finland. This thesis presents impulse voltage and partial discharge measuring systems whose performance has been evaluated and improved using signal processing methods at VTT MIKES. Impulse voltage tests are performed to test how a test object withstands lightning strike or switching overvoltage in the grid. Test voltage is generated by an impulse generator and is measured across the test object using a measuring system based on a voltage divider. Approved measuring systems used for testing need to be periodically calibrated traceable to national or international measurement standards. Commercial systems are primarily designed to withstand the stresses of the industrial environment with sufficient measurement uncertainty for testing. Therefore, their performance is not sufficient for references used in calibration. This thesis presents three implemented methods to improve the performance of an impulse voltage measuring system. The first method is based on deconvolution, and it corrects the measured signal in frequency domain by utilizing the measured step response of the system. Time parameter errors of 1 % were improved to be circa 0.1 %. The second method is a time domain correction of the drooping response of a damped-capacitive voltage divider. Correction is based on the measured time constant of the low-voltage arm improving the used system from not-approved to low-uncertainty reference. The third method reduces the distortion caused by the signal cable of a resistive voltage divider by shortening the signal cable or by matching the signal cable only on the divider end. Insulations used in high-voltage systems may have imperfections. Under high-voltage stress, these can cause a local electric field enhancement so that the intrinsic field strength is exceeded causing a localized electrical discharge. Partial discharge can cause premature ageing of the insulation or lead to unrecoverable damage. To enable accurate detection of partial discharge, each test setup must be separately calibrated using a partial discharge calibrator. The lowest charges of calibrators have been difficult to calibrate with reasonable measurement uncertainty using the traditional calibration methods. This thesis presents a calibration method based on charge-sensitive preamplifiers which allows to measure small charges more accurately. New calibration services introduced, lowest calibration limit is extended from 1 pC down to 0.01 pC, with typical uncertainty of 1 %.Luotettavan sähköverkon komponenttien on oltava laadukkaita, joten ne koestetaan valmistuksen jälkeen kansainvälisten standardien mukaisesti. Koestuksessa käytettävien mittausjärjestelmien tarkkuus on tärkeää kehitettäessä entistä kustannustehokkaampia ja laadukkaampia tuotteita. Tarkkuus ja jäljitettävyys SI-järjestelmään voidaan varmentaa kansallisten mittanormaalilaboratorioiden, kuten VTT MIKES, tarjoamien kalibrointipalveluiden avulla. Tässä väitöskirjassa esitetään syöksyjännite- ja osittaispurkausmittauksiin kehitettyjä järjestelmiä, joiden suorituskykyä on arvioitu ja parannettu signaalinkäsittelyn menetelmin VTT MIKESissä. Syöksyjännitepulssien avulla testataan koekappaleen kykyä kestää salamaniskusta tai verkossa tehdystä kytkennästä aiheutuva ylijännite. Syöksyjännitegeneraattorin synnyttämä koejännite mitataan jännitteenjakajaan perustuvalla mittausjärjestelmällä testikappaleen yli. Koestukseen hyväksyttyjen järjestelmien on oltava säännöllisesti kalibroituja jäljitettävästi kansallisiin mittanormaaleihin. Kaupalliset järjestelmät on suunniteltu kestämään teollisen ympäristön rasitukset testaukseen riittävällä mittausepävarmuudella, joten niiden suorituskyky on riittämätön kalibrointireferenssiksi. Tässä väitöskirjassa esitetään kolme käyttöönotettua menetelmää syöksyjännitemittausjärjestelmien parantamiseksi. Ensimmäinen perustuu dekonvoluutioon, jossa järjestelmän mitattua askelvastetta käytetään mitatun signaalin korjaamiseen taajuustasossa. Menetelmällä onnistuttiin pienentämään aikaparametrivirheitä 1 %:sta 0.1 %:iin. Toisessa menetelmässä vaimennetun kapasitiivisen jännitteenjakajan vasteen valuma korjataan aikatasossa käyttäen alajänniteosan mitattua aikavakiota. Menetelmän avulla mittausjärjestelmän luokitus saatiin parannettua ei-hyväksytystä referenssiluokkaan. Kolmannessa menetelmässä resistiivisen jännitteenjakajan mittauskaapelin aiheuttamaa vääristymää vähennetään lyhentämällä mittauskaapelia tai sovittamalla mittauskaapeli pelkästään jakajan puolelta. Suurjännitelaitteistoissa käytettävät eristeet voivat sisältää epäpuhtauksia tai onteloita, jotka aiheuttavat osittaispurkauksia jänniterasituksessa. Tällöin paikallinen sähkökentän voimakkuus ylittää kentänvoimakkuuden raja-arvon, ja epäpuhtauden läpi syntyy sähköpurkaus. Toistuvat purkaukset voivat lyhentää eristeen elinikää tai aiheuttaa sen pysyvän rikkoutumisen. Osittaispurkauksen tarkka havaitseminen edellyttää, että jokainen testausjärjestely kalibroidaan erikseen kalibraattorilla. Kalibraattorien pienimpiä varaustasoja ei ole perinteisin menetelmin pystytty kalibroimaan riittävän pienellä epävarmuudella. Tässä väitöskirjassa esitetään varausvahvistimiin perustuva menetelmä, jonka avulla voidaan mitata pienempiä varauksia tarkemmin. Uusia kalibrointipalveluja on otettu käyttöön, ja alin kalibrointiraja on laajentunut 1 pC:sta 0.01 pC:iin tyypillisellä 1 % kalibrointiepävarmuudella.Description
Supervising professor
Ikonen, Erkki, Prof., Aalto University, Department of Information and Communications Engineering, FinlandThesis advisor
Hällström, Jari, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, FinlandKeywords
high voltage, metrology, lightning impulse voltage, switching impulse voltage, partial discharge, signal processing, measuring system, suurjännite, mittaustekniikka, salamasyöksyjännite, kytkentäsyöksyjännite, osittaispurkaus, signaalinkäsittely, mittausjärjestelmä
Other note
Parts
-
[Publication 1]: J. Havunen, J. Hällström, A. Bergman and A. E. Bergman. Using deconvolution for correction of non-ideal step response of lightning impulse digitizers and measurement systems. In Proceedings of the 20th International Symposium on High Voltage Engineering (ISH), 2017, 8 pages. ISBN978-987-45745-6-5.
DOI: 10.5281/zenodo.3568022 View at publisher
-
[Publication 2]: J. Havunen and J. Hällström. Application of charge-sensitive preamplifier for the calibration of partial discharge calibrators below 1 pC. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 68, no. 6, pages 2034-2040, June 2019. ISSN1557-9662.
DOI: 10.1109/TIM.2019.2895437 View at publisher
-
[Publication 3]: J. Havunen and J. Hällström. Reference Switching Impulse Voltage Measuring System Based on Correcting the Voltage Divider Response with Software. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 70, pp. 1-8, 2021, ISSN1557-9662.
DOI: 10.1109/TIM.2021.3063753 View at publisher
-
[Publication 4]: J. Havunen, S. Passon, J. Hällström, J. Meisner and T.-C. Schlüterbusch. Empirical Characterization of Cable Effects on a Reference Lightning Impulse Voltage Divider. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 72, pp. 1-9, 2023, ISSN1557-9662.
DOI: 10.1109/TIM.2023.3276028 View at publisher
