1. IEC A Prospective Standard for Acoustic and Electromagnetic Partial Discharge Measurements Michael Muhr Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Dr.h.c. Institute of High Voltage Engineering and System Management University of Technology Graz

2. Partial Discharge (PD) Measurement
Sensitive nondestructive method
as important diagnostic tool
for evaluation of the insulation condition
PD-defect
Location and Detection
Electrical
Non electrical methods
M. Muhr

3. Partial Discharge Measurement
Optical
Mechanical
Chemical
Acoustic
Opto-acoustic HV
Electrical
IEC 60270
HF/VHF/UHF
Optical Effects (Light)
Pressure Wave (Sound)
Discharge Effects Dielectric Losses High Frequency
Waves
Chemical Effects
Heat
Macroscopic-Physical
Effects
Detection Methods
Partial discharges are local enhancements of the electric field in the area of inhomogenities, either in gaseous, liquid or solid media.
These discharges can be detected with optical, electrical, mechanical or chemical methods.
At the electrical methods the conventional partial discharge measuring technique with measuring circles due to the guidelines of the IEC and high frequency, very high frequency and ultra high frequency measuring system are mentioned.
Mechanical methods are the acoustical methods with microphones and the Opto - acoustic pressure measurement.
M. Muhr

4. PD-Detection Methods IEC 60270
Conventional electrical measurement
Integration at frequency domain
Narrow-band
Wide-band
Integration at time domain G
ZFilter
HV-Source
Test object
Coupling capacitor
PD-System
HV measure PD
Pulse
Quadripole
Measuring impedance
M. Muhr

5. PD-Detection Methods Electrical measurements with high frequencies
HF / VHF method – 3 MHz to 300 MHz
UHF method – 300 MHz to 3 GHz
Acoustic measurements – 10 kHz to 300 kHz
Optical measurements – ultraviolet – visible – infrared range
Chemical measurements
- Optical
- Chemical
Directional
microphone PD HV
Acoustic
M. Muhr

6. Optical – PD-Measurement
Fiber-optic cable
Infrared camera
Eye
Optical sensor
Coronascope
Light produced
during the discharge
Low-light
enhancer
Optical detection and localisation
Outside not accessible:
- Fibre-optic cable
- Collimator
- Photodiodes
Outside accessible:
Low-light amplifier
- Coronascope
Different kinds of methods for the optical detection are are possible.
We can use the eyes
low-light enhancer
infrared camera
Coronascope ….
For discharge of freely accessible surfaces of electrical equipment low-light amplifiers and coronascope are used.
On the other side inside and at inaccessible places of the equipment the use of fiber-optic cables is necessary.
M. Muhr

7. PD – Optical Detection M. Muhr Measuring circuit after IEC 60270
and optical measuring system
Optical fibre with lens
Optical fibre
Lens
Peak
Medium oil
Observation area
Fluorescent optical fibre
conventional
opt. fibre
fluorescent
Plate Rd PC
LWL M ST CC VP PR W
IEC 270
optical system
Oscilloscope,
ADU
Signal-
conversion
Voltage supply
The next illustration shows the schematic experimental setup in the laboratory.
In order to get reproducible discharge conditions a peak plate arrangement is used.
PR ... Test setup M ... Test container ( air, oil)
LWL ... Optical Fibre CK ... couple capacity
ST ... Divider
Systems
Wideband: 40kHz - 800kHz
Cc ... 1nF
Optical detection system
Optical fibre - Spectrum nm
Optical detector - PIN diode
Amplifier basic circuit
A particularly developed converter and amplifer circuit
On the right side we sees the schematic arrangement of the lens and the fluorescent fibre-optic cable.
The fluorescent fibre-optic cables is placed as a straight line and as circle around the peak.
The optical system supplies a voltage as output signal.
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8. Optical – PD-Detection in GIS
SF6
Photomultiplier
Conv.
PD Detector
ADU
I/U
Oscilloscope
Emission spectrum of
corona discharges in SF6
Test arrangement for optical PD-measurement
M. Muhr

9. Chemical – PD-Measurement
SF6
Higher temperatures
Arc
Partial discharge
decomposition
fluoric compounds (Fluoride)
Sulfur-compounds (Sulfate, Sulfide)
Sulfur- fluoric-compounds
Bei der chemischen Teilentladungsmessung handelt es sich um ein integrales Verfahren der Bestimmung von durch Teilentladungen entstandenen Zersetzungsprodukten im Isoliergas.
SF6 ist ein stabiles Gas, unter Einwirkung von Lichtbögen erfolgt eine Zersetzung des Gases (ab ca. 600 °C)
Diese Zersetzungsprodukte rekombinieren wieder rasch zu SF6
Bei Anwessenheit von Wasserstoff- oder Sauerstoffmolekühlen Bildung weiterer Reaktionsprodukte
Für die Messung relevant SO2F2 und SOF2 (stabile Verbindungen)
SOF2 bei hochenergetischen Entladungen
SO2F2 eher bei niederenergetischen Entladung
Heutzutage können mittels Ionenbeweglichkeitsspektrometer Detektion der Spurengase.
Dabei reagieren Indikatorsubstanzen mit Verfärbungen auf bestimmte Zersetzungsprodukte.
Hohe Empfindlichkeit
Kurzer Zeitaufwand
Keine genaue Ortung möglich
Keine TE Analyse in GIS Abschnitten mit Schaltern oder Trennern
Sensors and analyser
H2 Sensor
DGA (Gas in oil analysis)
Ozone analysis
Gas Analysis
M. Muhr

10. Chemical – PD-Measurement
IEC DGA Gas ratio values
PD partial discharges
T1 temperatures T < 300° C
D1 discharges with low energy
T2 temperatures 300° C < T < 700° C
D2 discharges with high energy
T3 temperatures T > 700° C
M. Muhr

11. HF / VHF – PD-Measurement
HF / VHF – Partial Discharge Detection
Frequency range 3 MHz to 300 MHz
HF – 30 MHz
VHF – 300 MHz
Measuring systems
Narrow-band, band width < 2 MHz
Wide-band, band width > 50 MHz
Sensors
Capacitive, inductive, electromagnetic
M. Muhr

12. HF / VHF – PD-Measurement
Rogowski coil
Rogowski coil
PD Analyser
Weil nun physikalisch verschiedene Defekte unterschiedliche Frequenzbereiche in Anspruch nehmen, lässt sich dies effektiv zur Störunterdrückung verwenden.
Mit der sogenannten Schmalbandmethode (5MHz) werden nur die Signalanteile in einem engen Frequenzband ausgewertet – dadurch kann man ein sehr hohes Signal-Rauschverhältnis erzielen.
Breitbandige Messung kostengünstiger jedoch geringerer Signal-Rauschabstand
Measuring for HF – PD-detection on machines, VHF – PD-coupler,
Split ring Rogowski coil
M. Muhr

13. HF / VHF – PD-Measurement
Principle of the coupler sensor 2 1 3
direct. coupling
A B
C D
impulse source / - No.
signal at coupling output A B C D
joint /1 – X
left cable / 2
right cable / 3
M. Muhr

14. HF / VHF – PD-Signal Damping
Damping effects:
Geometric proportions
Discontinuities
Impulse form
Refraction
Reflection
Frequency
Material B A
C-Sensor
LDP-5
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15. UHF – PD-Measurement UHF – Partial Discharge Detection
Transient electromagnetic waves
Frequency range 300 MHz to 3 GHz
Narrow band (~ 5 MHz)
Wide band (~ 2 GHz)
Propagation : - TM Wave (Transversal magnetic wave)
- TE Wave (Transversal electric wave)
- TEM Wave
Not coupled to the conductor
M. Muhr

16. UHF – PD-Measurement M. Muhr Wide band Narrow band
low-pass
filter
Peak detector
PD measuring
instrument
PRPD
pattern
Wide band
Narrow band
Spectrum
analyser
amplifiers
Weil nun physikalisch verschiedene Defekte unterschiedliche Frequenzbereiche in Anspruch nehmen, lässt sich dies effektiv zur Störunterdrückung verwenden.
Mit der sogenannten Schmalbandmethode (5MHz) werden nur die Signalanteile in einem engen Frequenzband ausgewertet – dadurch kann man ein sehr hohes Signal-Rauschverhältnis erzielen.
Breitbandige Messung kostengünstiger jedoch geringerer Signal-Rauschabstand
UHF – PD-measurement
M. Muhr

17. Field grading electrodes
UHF – PD-Sensors
- Mobile
UHF-window
sensor
Conventional
UHF-sensors
Disc sensor
Cone sensor
Conductor
Cage
Dectector
Field grading electrodes
Detector
Sensoren können entweder fest eingebaut sein oder bei Bedarf dauerhaft oder temporär nachgerüstet werden. Je nach Typ der GIS ist die mehr oder weniger aufwendig.
Die scheibenförmigen Elektroden haben einen Durchmesser von 100 – 200 mm.
Sie sind isoliert an der Innenseite der Kapselung angebracht mit einer koaxialen Durchführung zum äußeren Messanschluss.
Bei realen Konstruktionen wird die Feldgeometrie nur geringfügig verändert, so dass keine negativen Auswirkungen auf die Betriebssicherheit der Anlage zu beführten sind.
Bei Altanlagen wurde die Nachrüstung einen erheblichen Aufwand bedeuten, daher kommen mobile Scheibensensoren zum Einsatz.
Diese können ohne Betriebsunterbrechung direkt auf Plexiglasfenster aufgesetzt werden.
M. Muhr

18. Sensitivity Verification
UHF
measurement C1 C2
Signal 1
Defect PG
Signal 2
Impulses of
variable
amplitude
Nachweis der Möglichkeit der Detektion von Teilentladungen innerhalb der Anlage oberhalb eines bestimmten Pegels.
Vergleichsmessung konventionelle und UHF Methode.
Handelsübliche Kalibratoren ungeeignet, da das Frequenzspektrum nur bis zu eineigen 10 MHz reicht.
Von Cigre wurde ein Empfindlichkeitsnachweis vorgeschlagen, hierbei ist die Detektionsmöglichkeit von einem tanzenden Partikel mit einer scheinbaren Ladung von 5 pC an der kompletten Anlage nachzuweisen.
M. Muhr

19. UHF – PD-Fault Location
Schematic arrangement
Sensor 1
Pre amplifier
Measuring
instrument L2
Sensor 2
1 ... Sensor 1
2 ... Sensor 2
Time delay
Zeit
Amplitude 1 2
Defect
Der Ort der Teilentladungsquelle kann durch die Bestimmung der Zeitdifferenz der an zwei unterschiedliche platzierten Sensoren Signalflanken bestimmt werden.
Dabei müssen jedoch die Verbindungsleitungen zwischen Sonden und Messgerät und die daraus möglichen Laufzeitunterschiede berücksichtigt werden.
Weiters muss man die unterschiedlichen Ausbreitungs-geschwindigkeiten der Wellen berücksichtigen, wenn diese durch Isolatoren treten.
Da das Gas eine von Luft unterschiedliche Dielektrizitätszahl aufweist, muss die Lichtgeschwindigkeit umgerechnet werden.
Cgas = Cluft / r
Die Zeitmessung ist mit Abweichungen von etwa 1 ns behaftet, was zu einer Unsicherheit in der Ortsbestimmung von ca. 10 cm führt
M. Muhr

20. UHF – PD-Signal Damping, Sensitivity
Damping effects:
Frequency
Geometries
Conductor material
Mode type
Reflection and refraction
Sensivity:
Facility configuration
Failure location
Location of the sensor
Measurement equipment
Sensitivity of developed UHF-sensors
M. Muhr

21. Acoustic – PD-Measurement
Acoustic Partial Discharge Detection
Acoustic signal as a result of the pressure wave produced by PD
Frequency spectrum 10 Hz up to 300 kHz
SF6
Box
AE Sensor
Air
Principle schematic to the acoustic PD-detection
M. Muhr

22. Acoustic – PD-Sensors HV
Time delay
Sensor PD
Time
Signal
Directional
microphone
- Piezo-electric (sound emission) - Condenser microphones
Structure-born sound-resonance - Accelerometer
Opto-acoustic-sensor
Therefore special techniques are in use.
One is to use the time delay of two areal separated sensors. Therefore electrical sensors like antennas or acoustical sensors like microphones can be used.
The premise is a knowledge of the internal structure of the system.
An other possibility is use of directional sensors like microphones or antennas. The difficult here is to detect the source and not a reflection.
By using different sensor positions can the risk of a false measurement reduced.
M. Muhr

23. Acoustic – PD-Measurement
PD-Detector
AE Sensor
Oscilloscope
amplifier
Filter
Akustisches Messystem zur Aufnahme von Körperschall. Die Aufnahme des Schalles erfolgt durch einen Piezoaufnehmer welcher an die metallische Außenfläche der Anlage aufgedrückt wird.
Das Signal kann direkt oder indirekt über einen Zwischenverstärker in das Messgerät eingespeist werden.
Ein Eingriff in die Anlage ist für die akustische Messung nicht erforderlich, da die Signalerfassung mit Hilfe von außen auf der Kapselung angebrachten Sensoren erfolgt.
Aufgrund der hohen Dämpfung von Flanschverbindungen und Gießharzdurchführungen muss jeder Gasraum einzeln auf TE untersucht werden.
Abhängig vom Dämpfungsverhalten der umliegenden Materialien kann das Signal von aussen zugänglichen Stellen gemessen werden.
SF6 ist ein schlechtes UHF Übertragungsmedium
A/D Converter
Acoustic – PD-detection system
M. Muhr

24. Acoustic – PD-Measurement
Damping effects:
Equipment dispersion
Construction
Insulation structures
Gas pressure
Encapsulation material
Absorption during a medium to another
Geometrical spreading of the wave
Acoustic fingerprint of a overhead line conductor
M. Muhr

25. Opto-Acoustic – PD-Measurement
Laser
Reference optical fibre coil
Sensing optical
fibre coil
Oil tank
High
Voltage
PD-source
Detector
Beam
Splitter
Experimental setup of the optical interferometric detection of PD
M. Muhr

26. IEC TC42 WG 14 Content 1 Scope Phenomena
PD occurrence in discharging defects
Frequency / time behaviour
Specifies of HV-components
Applicability for detection
Normative References
Definitions
Sensors
Types, parameters, positioning
Location (time and frequency domain) vs measurement only
M. Muhr

27. IEC TC42 WG 14 Content 2 Transmission Aspects A) UHF Aspects
PD source, quantity E [V/m] spectrum, filed mode, signal strength, magnitude, characteristic impedance, velocity of medium, distance, activity
Sensor-antenna, basic quantity [m] type, bandwidth, position, receiving area, transfer impedance, characteristics
Reading quantity [V]
Derived quantity measuring equipment, bandwidth, center frequency, tuning
M. Muhr

28. IEC TC42 WG 14 Content 3 B) HF / VHF Aspects
PD source, quantity [V] or [A] electric or magnetic signal, impedance, signal magnitude, distance, activity
Sensor – impedance [R, L, C] type, bandwidth, position, dielectric attenuation, distortion, polarity aspects
Reading quantity [V, A]
Derived quantity measuring equipment, center frequency, tuning, bandwidth, pulse resolution
M. Muhr

29. IEC TC42 WG 14 Content 4 C) Acoustic Aspects
Mechanical pressure, quantity [Pascal] pressure waves, modes, acoustic impedance, delay, propagation velocity, distance
Sensor – impedance piezo electric, composite material, optical, microphone, directivity, position, coupling, bandwidth, linearity
Reading quantity [V]
Derived quantity measuring equipment, pulse counter, pulse pattern
M. Muhr

30. IEC TC42 WG 14 Content 5 System Checks
Performance and sensitivity check
UHF Aspects performance check: functional check of the whole measuring path including sensor and PD acquisition system sensitivity check: emission of electromagnetic waves into test objects, distance
HF / VHF Aspects performance check: sensor to sensor coupling in a specific arrangement sensitivity check: injection of field signal to test object, distance
Acoustic Aspects performance and sensitivity check: recommendation of acoustic standards
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31. IEC TC42 WG 14 Content 6 pC Correlation
HF / VHF / UHF – pulse generator injection to determine relation between pC and measured quantities
Acoustic: can not compared to pC without knowing the type of PD source
New quantities
parameters linear with sensor output [mV]
parameters quadratic with sensor output [mW]
effective height [mm] – ratio between sensor output and incoming electrical field
Effective aperture [mm2] – ratio between maximum sensor output power and power density of incoming electrical field
sensor gain [dBi] – ratio between receiving power antenna and receiving power of isotropic radiator
M. Muhr

32. Definition of Transfer
IEC TC42 WG 14
Content 7
EM – PD Source
Basic Quantity
E [Volt / meter]
Sensor – Antenna
Basic Quantity e.g.
[meter]
Reading
Quantity
[Volt]
PD [pC]
Quantity [m Watt]
Low Standard Deviation
Definition of Transfer Characteristic
Definition of Transfer
Characteristic
System Check
Physical
Generic
Aspect
Mathematical
Term
Quantity [Volt]
High Standard Deviation
M. Muhr

33. IEC TC42 WG 14 Content 8 Non Standardization Applicable sensor
Test and measuring configurations
Interpretation – task of the component panels
M. Muhr

34. Thank You for Your Attention
M. Muhr