<p>This thesis concerns partial discharges in stator windings and the possibility of analyzing data using statistical methods. Partial discharges, or PD, are a physical phenomenon in which discharges occur locally due to large electric fields. PD can occur in or adjacent to the insulation of stator windings and causes breakdown of the insulating materials. PD measurement can provide an idea of how widespread the PD activity is. A technique to measure and analyze PD that has become very popular over the last few decades is phase resolved PD patterns. These patterns supplies a "fingerprint" of the PD activity and by visually interpreting this patterns one can, in addition to read the intensity of the PD, also get a picture of what type of PD that is active. The problem with phase resolved PD patterns is that they are very complex and difficult to interpret. By applying statistical methods to PD patterns it has been investigated in this thesis whether the interpretation of the PD patterns can be simplified. The results show that the proposed methods have some advantages as they can quantify trends in the patterns. The methods have also shown to have severe limitations due to the fundamental properties of the PD patterns.</p> / <p>Detta examensarbete berör partiella urladdningar i statorlindningar och möjligheten att analysera mätdata med hjälp av statistiska metoder. Partiella urladdningar, eller PD, är ett fysikaliskt fenomen som innebär att urladdningar sker lokalt på grund av stora elektriska fältstyrkor. PD kan ske i eller intill isoleringen i statorlindningar och medför att isoleringsmaterialen bryts ner. Genom att mäta aktiviteten av PD kan man få en uppfattningav hur utbredd förekomsten av PD är. En teknik för att mäta och analysera PD som blivit mycket populär senaste decennierna är fasupplösta PD-mönster. Med dessa fås ett ”fingeravtryck” av PD-aktiviteten och genom att visuellt tolka det mönster som åskådliggörs kan man förutom intensitet av PD även få en god bild av vilken typ av PD somär aktiv. Problemet med fasupplösta PD-mönster är att de är mycket komplexa och svårtolkade. Genom att applicera statistiska metoder på fasupplösta PD-mönster har det i detta examensarbete undersökts om tolkningen kan förenklas. Resultaten visar på att de föreslagna metoderna har vissa fördelar då de kan kvantifiera tendenser som finns i mönstren. Metoderna har även stora begränsningar då egenskaperna i fasupplösta PDmönster ofta beror på många andra faktorer än bara de partiella urladdningarna i sig.</p>

This thesis concerns partial discharges in stator windings and the possibility of analyzing data using statistical methods. Partial discharges, or PD, are a physical phenomenon in which discharges occur locally due to large electric fields. PD can occur in or adjacent to the insulation of stator windings and causes breakdown of the insulating materials. PD measurement can provide an idea of how widespread the PD activity is. A technique to measure and analyze PD that has become very popular over the last few decades is phase resolved PD patterns. These patterns supplies a "fingerprint" of the PD activity and by visually interpreting this patterns one can, in addition to read the intensity of the PD, also get a picture of what type of PD that is active. The problem with phase resolved PD patterns is that they are very complex and difficult to interpret. By applying statistical methods to PD patterns it has been investigated in this thesis whether the interpretation of the PD patterns can be simplified. The results show that the proposed methods have some advantages as they can quantify trends in the patterns. The methods have also shown to have severe limitations due to the fundamental properties of the PD patterns. / Detta examensarbete berör partiella urladdningar i statorlindningar och möjligheten att analysera mätdata med hjälp av statistiska metoder. Partiella urladdningar, eller PD, är ett fysikaliskt fenomen som innebär att urladdningar sker lokalt på grund av stora elektriska fältstyrkor. PD kan ske i eller intill isoleringen i statorlindningar och medför att isoleringsmaterialen bryts ner. Genom att mäta aktiviteten av PD kan man få en uppfattningav hur utbredd förekomsten av PD är. En teknik för att mäta och analysera PD som blivit mycket populär senaste decennierna är fasupplösta PD-mönster. Med dessa fås ett ”fingeravtryck” av PD-aktiviteten och genom att visuellt tolka det mönster som åskådliggörs kan man förutom intensitet av PD även få en god bild av vilken typ av PD somär aktiv. Problemet med fasupplösta PD-mönster är att de är mycket komplexa och svårtolkade. Genom att applicera statistiska metoder på fasupplösta PD-mönster har det i detta examensarbete undersökts om tolkningen kan förenklas. Resultaten visar på att de föreslagna metoderna har vissa fördelar då de kan kvantifiera tendenser som finns i mönstren. Metoderna har även stora begränsningar då egenskaperna i fasupplösta PDmönster ofta beror på många andra faktorer än bara de partiella urladdningarna i sig.

Electrical discharges with a variety of different forms (streamers, glow corona, leaders, etc.) broadly exist in nature and in industrial applications. Under certain conditions, one electrical discharge can be transformed into another form. This thesis is aimed to develop and use numerical simulation models in order to provide a better physical understanding of two of such transitions, namely the glow-to-streamer and the streamer-to-leader transitions in air. In the first part, the thesis includes the two-dimensional simulation of the glow-to-streamer transition under a fast changing background electric field. The simulation is performed with a fluid model taking into account electrons. An efficient semi-Lagrangian algorithm is proposed to solve the convection-dominated continuity equations present in the model. The condition required for the glow-to-streamer transition is evaluated and discussed. In order to enable such simulations for configurations with large interelectrode gaps and long simulation times, an efficient simplified model for glow corona discharges and their transition into streamers is also proposed. The second part of the thesis is dedicated to investigate the dynamics of the streamer-to-leader transition in long air gaps at atmospheric pressure. The transition is studied with a one-dimensional thermo-hydrodynamic model and a detailed kinetic scheme for N2/O2/H2O mixtures. In order to evaluate the effect of humidity, the kinetic scheme includes the most important reactions with the H2O molecule and its derivatives. The analysis includes the simulation of the corresponding streamer bursts, dark periods and aborted leaders that may occur prior to the inception of a stable leader. The comparison between the proposed model and the widely-used model of Gallimberti is also presented. / Elektriska urladdningar av olika former (streamers (från engelska), glöd-korona, ledare, etc.) förekommer i stor utsträckning i naturen och i industriella applikationer. Under vissa förhållanden kan en elektrisk urladdning omvandlas till en annan form av elektrisk urladdning. Denna avhandling syftar till att utveckla och använda numeriska simuleringsmodeller för att ge en bättre fysikalisk förståelse av två sådana övergångar, nämligen glöd-till-streamer- och streamer-till-ledar-övergångar, i luft. I den första delen, avhandlas en tvådimensionell simulering av glöd-till-streamer-övergången med ett hastigt föränderligt elektriskt fält i bakgrunden. Simuleringen utförs med en flödesmodell som tar hänsyn till elektronerna. En effektiv semi-Lagrangesk algoritm föreslås för att lösa de konvektionsdominerade kontinuitetsekvationerna i modellen. Vidare utvärderas och diskuteras förutsättningarna för glöd-till-streamer-övergången. För att möjliggöra sådana simuleringar i konfigurationer med stora elektrodavstånd och långa simuleringstider, föreslås också en effektiv och förenklad modell för glöd-korona-urladdningar samt deras övergång till streamers. Den andra delen av avhandlingen är tillägnad att undersöka dynamiken i streamer-till-ledar-övergångar över långa avstånd i luft, under atmosfäriskt tryck. Övergången studeras med en endimensionell termohydrodynamisk modell och en detaljerad kinetisk modell för blandningar av N2/O2/H2O. För att utvärdera effekten av luftfuktighet, innefattar den kinetiska modellen de viktigaste reaktionerna med H2O-molekylen och dess derivat. Analysen innefattar simuleringen av motsvarande streamer-kedjor, mörka perioder och avbrutna ledare som kan förekomma före starten av en stabil ledare. En jämförelse mellan den föreslagna modellen och den allmänt använda modellen av Gallimberti presenteras också. / <p>QC 20170418</p>

Detta examensarbete utfördes vid Bodens Energi Nät AB under våren 2017 och behandlar mätmetoder och olika tester som kan utföras på markförlagd kabel för kontroll av tillståndet på exempelvis isolation, mantel och skarvar. Bakgrunden till arbetet är att man inom Bodens Energi Nät har ett flertal kilometer kabel på mellanspänningsnivå 20 kV. En stor del av kablarna är isolerade med tvärbunden polyeten, PEX och härstammar från 1970 och 1980-talet. Dessa kablar har i efterhand visat sig ha problem med vattenträd, vilket kan beskrivas som trädliknande strukturer som uppstår i en kabels isolation på grund av fukt och orenheter när dessa blir utsatta för kraftigare elektriska fält. Problem med vattenträd i kablar leder efter en tid, ofrånkomligen till genomslag i isolationen med påföljande jordfel.  Syftet med denna rapport är att undersöka och kartlägga olika tillståndsbedömningsmetoder för kraftkabel avsedd för 12/24 kV-nät. Rapporten avser att vara en metodbeskrivning för de vanligaste diagnostiska mätmetoder samt redogör för dess för- och nackdelar. Följande frågeställningar ämnas besvaras: Vilka metoder finns tillgängliga för tillståndsbedömning av mellanspänningskabel och vilka egenskaper är mätbara? Vad har respektive mätmetod för svagheter och styrkor samt vilka begränsningar finns det? Finns det möjlighet att utföra mätningar på en kabel i drift eller måste den tilltänkta kabelsträckan frånskiljas den övriga anläggningen?Om mätningar kan utföras på en kabel i drift, vilka metoder gäller detta? Rapporten bygger till största del på en litteraturstudie där mycket av informationen är hämtad ifrån standarder, handböcker och guider. Rapporten behandlar dels allmän information om kraftkablar samt PEX-kabelns konstruktion vilket bör kännas till för att kunna tillgodogöra sig informationen på bästa sätt. Vidare avhandlas åldringsmekanismer för PEX-isolerad kabel. Metoderna som presenteras i rapporten omfattar bland annat; mantelprovning, hållprov med olika typer av spänning, mätning av den dielektriska förlustfaktorn tan delta samt mätning av partiella urladdningar, PD. I kapitel 5 presenteras mätresultat från ett antal olika tan delta-mätningar samt en mätning av partiella urladdningar, vidare ges en kortare förklaring till mätresultaten. Vid mätning av de dielektriska förlusterna fås information om isolationens totala skick. Mätning av partiella urladdningar (även kallat glimning) ger information om var eventuella ojämnheter och håligheter finns. Det är dock viktigt att komma ihåg att de metoder som finns måste anpassas till den kabel som avses mätas eftersom det inte går att identifiera alla typer av defekter och fel med hjälp av endast en metod. Metoderna bör användas som diagnostiska hjälpmedel som i sin tur ger fingervisningar om kabelanläggningens totala tillstånd. De är därmed inte att betrakta som en definitiv bekräftelse avseende funktionsdugligheten för kabeln. / The work in this bachelor’s thesis was conducted at Bodens Energi Nät AB during the spring of 2017. The report describes common methods available for testing and diagnostic measurements of electric power cables. Bodens Energi Nät manages a medium voltage power grid which consists of around 700 kilometers of power lines and about 200 kilometers of cables. A large part of these cables have an insulating layer consisting of cross-linked polyethylene (XLPE) and originates from the 1970s and the 1980s. These particular XLPE cables have a higher than normal tendency to develop problems with water trees. Water trees can be described as tree-shaped structures forming inside the insulating layer of the cable in the presence of an electrical field and water. Issues with water trees leads to local degradation of the dielectric material in the cable and usually ends with a phase-to-ground fault. The purpose of this thesis is to examine and describe different methods for diagnostic measurements of medium voltage cables. Through the use of a literature study the following questions will be answered: Which methods are available for diagnostic measurements and what properties can be measured? What are the strengths and weaknesses for each of these methods? Can measurements be performed on cables on-line or is it required to disconnect the cables from the grid before any measurements can be performed?In the case of on-line testing, which methods does this apply to?  The overall disposition of this thesis starts with a general description of power cables including XLPE cables, as well as aging mechanisms in extruded cables. Subsequent chapters describes testing methods such as cable sheath testing, hipot testing using different types of voltages, measurements of the dielectric dissipation factor tan , as well as partial discharge testing.  Chapter 5 discloses the results from some different tan  measurements including a partial discharge measurement. A short description and explanation is included with every figure.  Measuring the dielectric dissipation factor yields information about the total condition of the insulation. Partial discharge offers information regarding the location of irregularities, cavities and impurities within the insulation. It is important to have in mind that each of these methods on its own will not be able to identify all types of defects. Therefore it may be required to carry out several measurements using different types of methods in order to get a general idea of the condition of the cable. Methods for cable diagnostic measurements should be seen as a tool to get an estimate about the total condition of a power cable and is not considered a fail safe way to determine the operational ability.

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.