This thesis describes properties of windings of electric rotating machines and their insulation systems. There are winding and insulation low voltage machines tests listed with their procedures and criteria. Further it deals with coordination methodology and the last part contains execution and results assessment of tests conducted on stator samples.

Partial discharge (PD) measurements have been widely accepted as an efficient online insulation condition assessment method in high voltage equipment. Two sets of experimental PD measuring setups were established with the aim to study the variations in the partial discharge characteristics over the insulation degradation in terms of the physical phenomena taking place in PD sources, up to the point of failure. Probabilistic lifetime modeling techniques based on classification, regression and multivariate time series analysis were performed for a system of PD response variables, i.e. average charge, pulse repetition rate, average charge current, and largest repetitive discharge magnitude over the data acquisition period. Experimental lifelong PD data obtained from samples subjected to accelerated degradation was used to study the dynamic trends and relationships among those aforementioned response variables. Distinguishable data clusters detected by the T-Stochastics Neighborhood Embedding (tSNE) algorithm allows for the examination of the state-of-the-art modeling techniques over PD data. The response behavior of trained models allows for distinguishing the different stages of the insulation degradation. An alternative approach utilizing a multivariate time series analysis was performed in parallel with Classification and Regression models for the purpose of forecasting PD activity (PD response variables corresponding to insulation degradation). True observed data and forecasted data mean values lie within the 95th percentile confidence interval responses for a definite horizon period, which demonstrates the soundness and accuracy of models. A life-predicting model based on the cointegrated relations between the multiple response variables, trained model responses correlated with experimentally evaluated time-to-breakdown values and well-known physical discharge mechanisms, can be used to set an emergent alarming trigger and as a step towards establishing long-term continuous monitoring of partial discharge activity. Furthermore, this dissertation also proposes an effective PD monitoring system based on wavelet and deflation compression techniques required for an optimal data acquisition as well as an algorithm for high-scale, big data reduction to minimize PD data size and account only for the useful PD information. This historically recorded useful information can thus be used for, not only postault diagnostics, but also for the purpose of improving the performance of modelling algorithms as well as for an accurate threshold detection.

Insulation in rotating machines is a common cause for failure. Therefore, research in the area is large and is important to further increase the knowledge of the phenomena related to insulation degradation. This thesis is a case study on 20 stator bars obtained from a generator that had been showing signs of insulation degradation while in operation. The insulation was investigated using a range of measurements to be able to evaluate the degradation of these bars. The measurements performed were electrical partial discharge measurements, acoustic partial discharge measurements, dielectric response measurements, and breakdown testing. Furthermore, a more scientific approach to the commonly used tap test in the industry was conducted, which has not been done before and the purpose was to validate this commonly used test method. It was concluded that the bars have a significant amount of partial discharges within them, and that the stress grading is likely to be blamed in many of the worst cases. Furthermore, the dielectric response measurements provided good information on the thermal stability of the insulation. The set-up of the tap test did not provide reasonable results, and the method approach as well as the experimental set-up was to blame for this. In future work, investigating this specific area could be beneficial. The electrical partial discharge measurements and the breakdown test provided unexpected results when compared, where the former indicated much degradation while the latter proved that the bars can withstand very high voltage levels. / Isolering i roterande maskiner är en vanlig orsak till fel. Forskningen på området är därför omfattande och viktig för att ytterligare öka kunskapen om fenomen som rör isoleringsnedbrytning. Denna avhandling är en fallstudie på 20 statorstänger som erhållits från en generator som hade visat tecken på isoleringsnedbrytning under drift. Isoleringen undersöktes med hjälp av en rad olika mätningar för att kunna utvärdera nedbrytningen av dessa stänger. De mätningar som utfördes var mätningar av elektriska partiella urladdningar, akustiska partiella urladdningar, mätningar av dielektrisk respons och genombrottstester. Dessutom genomfördes ett mer vetenskapligt tillvägagångssätt för det allmänt använda tapptestet i branschen, vilket inte har gjorts tidigare och syftet var att validera denna allmänt använda testmetod. Slutsatsen blev att stängerna har en betydande mängd partiella urladdningar i sig, och att spänningsgraderingen sannolikt får skulden i många av de värsta fallen. Dessutom gav mätningarna av den dielektriska responsen god information om isoleringens termiska stabilitet. Upplägget för tapptestet gav inte rimliga resultat, och detta berodde både på metodiken och på försöksupplägget. I framtida arbete kan det vara bra att undersöka detta specifika område. Mätningarna av den elektriska partiella urladdningen och genombrottstestet gav oväntade resultat när de jämfördes, där de förstnämnda visade på mycket försämring medan de sistnämnda bevisade att stängerna kan motstå mycket höga spänningsnivåer.

The transmission of electric power over long distances has historically posed challenges. However, the advent of high-voltage engineering has not only addressed distance barriers and power losses in electricity transmission and distribution, but it has also significantly improved the efficiency and transmission capacity of power grids. However, the use of high-voltage techniques has presented new challenges in identifying suitable insulator materials capable of withstanding high electrical stresses associated with elevated voltages. A significant issue arising from these extreme electrical stresses is the occurrence of partial discharges (PDs). Those are electrical sparks or pulses in the magnitude order of pico- or nano-coulombs (pC or nC) emitted from high voltage conductors due to the presence of impurities, contaminants or defects in their insulation system. PDs pose a serious threat to the insulation material due to their aggressive nature in breaking down weak points or links inside the insulation system leading to short-circuit and system failure. Means of offline or conventional testing of power assets against partial discharges has proven to be extremely precise but it is often an unavailable option since it requires a total power shutdown. In this paper, the performance of existing online PD detection techniques is tested and evaluated in terms of performance against conventional PD monitoring methods. Five non-intrusive detectors including an infrared camera (IR-camera), an ultrasonic sensor , a temperature and relative humidity sensor (TRH-sensor), high-frequency current transformer (HFCT sensor) and transient earth voltage antenna (TEV-antenna) were tested in a laboratory experiment for detection of PDs emitted by artificially-created defects inside a medium-voltage cable termination. The results showed varying sensitivity levels among the sensors, with the HFCT sensor demonstrating the highest sensitivity to all types and magnitudes of PDs. The IR-camera and ultrasonic sensor also showed potential, while the TRH-sensor exhibited poor sensitivity. The TEV-antenna had limited reliability. The findings of this study are that the HFCT system proved to be highly reliable for online PD monitoring, followed by the IR-camera and ultrasonic sensor, while the TEV-antenna and TRH-sensor showed lower reliability. In future work, further research on testing the HFCT system on-site can be conducted along with performing longer thermographic detection tests using the IR-camera to further investigate their potential in online PD detection. / Överföring av elektrisk kraft över långa avstånd har historiskt sett varit utmanande. Införandet av högspänningsteknik har inte bara övervunnit avståndsbarriärer och effektförluster vid överföring och distribution av elkraft, utan det har också avsevärt förbättrat kraftnätens effektivitet och överföringskapacitet. Användningen av högspänningsteknik har dock också inneburit nya utmaningar såsom utveckling av lämpliga isoleringsmaterial som tål höga elektriska påfrestningar vid höga spänningar. Ett betydande problem som härrör från dessa extrema elektriska spänningar är förekomsten av partiella urladdningar. Dessa urladdningar identifieras vara elektriska gnistor eller pulser i storleksordningen pico- eller nanocoulombs (pC eller nC) som emitteras från högspänningsledare på grund av närvaron av föroreningar eller defekter i närliggande isoleringssystem. PD:er utgör ett allvarligt hot mot isoleringsmaterialet på grund av deras aggressiva natur för att bryta ner svaga punkter eller länkar i isoleringssystemet, vilket kan leda till kortslutningar och systemfel. Konventionella metoder för att testa nätkomponenter mot partiella urladdningar har visat sig vara extremt noggranna, men detta är ofta inte ett tillgängligt alternativ eftersom det kräver ett totalt strömavbrott för att utföras. I denna studie testades och utvärderades prestandan hos befintliga metoder för online-detektering av partiell urladdning i förhållande till konventionella övervakningsmetoder. Fem icke-invasiva detektorer, inklusive en infraröd kamera, en ultraljudssensor, en temperatur- och relativ fuktighetssensor, en högfrekvent strömtransformator och en transient jordspänningsantenn, testades i ett laboratorieexperiment för att upptäcka partiella urladdningar orsakade av artificiellt skapade defekter i en mellanspänningskabelavslutning. Resultaten visade varierande känslighetsnivåer bland sensorerna, där högfrekventa strömtransformatorn visade den högsta känsligheten för alla typer och storlekar av partiella urladdningar. Den infraröda kameran och ultraljudssensorn visade också potential, medan temperatur- och relativ fuktighetssensorn visade låg känslighet. Den transienta jordspänningsantennen hade begränsad tillförlitlighet. Slutsatsen av denna studie är att den högfrekventa strömtransformatorn visade sig vara mycket tillförlitlig för online-övervakning av partiella urladdningar, följt av den infraröda kameran och ultraljudssensorn, medan den transienta jordspänningsantennen, temperatur- och fuktighetssensorn visade lägre tillförlitlighet. I framtida forskning kan ytterligare undersökningar av det högfrekventa strömtransformatorsystemet utföras på plats, tillsammans med längre termografiska detekteringstester med hjälp av den infraröda kameran för att ytterligare undersöka deras potential för onlinedetektering av partiella urladdningar.