Methods for Arc-Flash Prediction in Medium Voltage and Low Voltage Switchgear

Abstract

Nowadays we are highly dependent on the electricity. It has become a need of daily life including domestic, commercial, transformational, industrial, health care and telecommunication purposes. Switchgear forms an integral part of the distribution network in power system. Hence, the occurrence of an electrical fault in switchgear causes interruption of electricity to the end users. Being highly dependent on electricity, such unexpected interruptions are unbearable by the modern society. Arc-flash is the unintentional discharge of electricity through air which produces very high temperature (19,600 ºC), which is hotter than the surface of the sun and a force equivalent to being hit by a hand grenade. Occurrence of an arc-flash in switchgear not only causes interruption of electric supply but damage to the equipment and personnel working in the vicinity. In the worst cases, damage is extended to the whole substation, hence maintenance duration can last upto few weeks. In USA alone, five to ten explosions occur due to arc-flashes every day. Due to the importance of the matter, arc-flash protection has been highly demanded for last two decades. Several reactive protection techniques have been introduced in the literature and some of them were implemented commercially. Continuous monitoring of the equipment and earlier detection of potential failures can facilitate a more proactive and a comprehensive arc-flash prevention system. This thesis mainly focuses on the pre-emptive detection of potential arc-flash in medium voltage (MV) and low voltage (LV) switchgear using online condition monitoring techniques. Three non-intrusive sensors i.e. D-dot sensor, Rogowski coil and thermal ionization detector have been designed, implemented and tested in switchgear to detect partial discharge, low power arcing and hotspots due to bad connections. Assessment of reliability, sensitivity and operability of the mentioned sensors is done in the laboratory. D-dot sensor is also tested on-site in operational MV switchgear for partial discharge. An effective de-noising technique based on discrete wavelet transform (DWT) is presented in this thesis. Moreover a novel idea for the detection of multiple faults in a panel based on correlation between the cumulative energy and apparent charge of discharge events is also presented. Hybrid low cost and non-intrusive solution integrated to the supervisory control and data acquisition (SCADA) system capable of continuous monitoring of switchgear and indicating any potential arc faults in switchgear before they lead to severe damage to the equipment and vicinity will be a breakthrough solution in minimizing arc-flash accidents, emergency interruptions and saving precious lives.

Nykyään olemme riippuvaisia sähköstä. Sitä tarvitaan jokapäiväisessä elämässä kotitalouksissa, kaupallisessa toiminnassa, liikenteessä, teollisessa toiminnassa, terveydenhoidossa ja tietoliikenteessä. Kojeistot muodostavat olennaisen osan sähkönjakeluverkoissa. Sähkötekninen vika kojeistossa aiheuttaa keskeytyksen. Odottamattomia keskeytyksiä ei juuri suvaita. Vikavalokaari on tahattomasti syntynyt sähköpurkaus ilmassa, ja se synnyttää hyvin korkean lämpötilan (19600 ˚C), joka on kuumempi kuin auringon pinta. Valokaari synnyttää myös voimavaikutuksen joka tuhoaa laitteita ja aiheuttaa vaaran läheisyydessä työskenteleville ihmisille. Pahimmissa tapauksissa tuhovaikutus ulottuu koko sähköasemaan, jolloin vaikutusten korjaaminen voi kestää useita viikkoja. Yksin Yhdysvalloissa tapahtuu 5-10 valokaarivikaa joka päivä. Koska asialla on suuri merkitys, valokaarisuojaukselle on syntynyt suuri kysyntä parin viime vuosikymmenen aikana. Useita reaktiivisia suojausmenetelmiä on esitelty kirjallisuudessa, ja joitakin niistä on otettu kaupalliseen käyttöön. Jatkuvatoiminen laitteistojen seuranta ja vikaantumisten varhainen toteaminen voivat johtaa valokaarivikoja estävään järjestelmään. Tämä järjestelmä tähtää pääasiassa valokaarivikojen ennaltaehkäisevään havaitsemiseen keski- ja pienjännitekojeistoissa jatkuvatoimisten monitorointitekniikoiden avulla. Kolme sensorityyppiä, jotka eivät edellytä suojattaviin laitteisiin tunkeutumista, D-Dot -sensori, Rogowski-kela ja lämpöionisaatiosensori on suunniteltu, toteutettu ja testattu kojeistossa, jotta osittaispurkaukset, pienitehoiset valokaaret ja huonoista liitoksista aiheutuvat kuumat pisteet voidaan havaita. Em. sensorien luotettavuus, herkkyys ja toiminnallisuus on arvioitu laboratoriossa. D-dot -sensori on testattu myös käytössä olevassa keskijännitekojeistossa. Työssä on esitetty myös tehokas diskreettiin wavelet-muunnokseen perustuva mittaussignaalin kohinanpoistotekniikka. Edullinen, laitteisiin tunkeutumaton hybridiratkaisu, joka voidaan liittää käytönvalvontajärjestelmään (SCADA) ja joka pystyy jatkuvatoimisesti monitoroimaan kojeistoa ja indikoimaan kaikki mahdolliset valokaariviat, ennen kuin ne kehittyvät ja johtavat vakavaan laitteiden ja lähiympäristön vaurioitumiseen, tulee olemaan läpimurto valokaarionnettomuuksien ja niistä aiheutuvien vikakeskeytysten minimoinnissa ja ihmishenkien pelastamisessa.