1. درس تئوری وتکنولوژی پيشرفته فشار قوی
استاد : دکتر حسینی
دانشکده مهندسی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب
بهار 1389
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب
دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران جنوب

2. Contents PD Classification PD Detection Methods
Important Parameters For Partial Discharge Analysis
Partial Discharge Sensors
Different noises and PD patterns
Wavelet transform
Noise rejection from the recorded signals
Frequency content of PD in power transformers
Transformer winding modeling
Modeling of Transformer winding using the MTL model
Simulation result for PD location in a power transformer
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

3. PD Classification a- Internal Discharge b- Surface Discharge
c- Corona Discharge
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

4. PD Detection Methods Acoustic Detection Light Detection Heat Detection
Electrical Methods
Acoustic Detection
Light Detection
Non-Electrical Methods
Heat Detection
Chemical Products
& Gas pressure
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

5. PD Detection Methods Single Test On-line Detection Periodic Tests
Continous Monitoring
Off-line Detection
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

6. PD Detection Methods Figure 1- Example of continous monitoring
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

7. PD Detection Methods Measurment in the working condition
Outage time reduction
Advantages of On-line
Detection Methods
More preparation of personnel for solving the existent problems
High voltage simulator equipments is not needed
Higher safety
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

8. PD pulse repetition rate Partial discharge intensity or power PD trend
Important Parameters For Partial Discharge Analysis
Maximum PD magnitude
PD pulse repetition rate
Partial discharge intensity or power
PD trend
Effects of voltage, humidity and temperature
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

9. Partial Discharge Sensors
Inductive coupling sensor
PD sensors
Capacitive coupling sensor
Galvanic coupling sensor
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

10. Partial Discharge Sensors
Figure 2. Example of capacitive sensors
Figure 2. Example of inductive sensors (HFCT)
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

11. Partial Discharge Sensors
Figure 4. Capacitive sensor in power transformer and HFCT
Figure 5. Capacitive sensor in power transformer and a resistor
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

12. Partial Discharge Sensors
Safety and reliability
Good signal to noise ratio
The choice of the PD sensor and the location of the sensor must resolve the following requirements
Minimal invasion into an equipment design (best is no invasion)
Competitive cost and simplicity of installation
Ability for field installation without equipment shut down
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

13. PD patterns Figure 6. Classic corona in air or gas from a sharp point
Figure 7. Internal discharges in a solid dielectric cavity
Figure 9. Discharges in voids in cast-resin insulation
Figure 8. Partial discharge in gas bubbles in an insulating liquid
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

14. تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

15. تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

16. Types of noises in the substations
Discrete Spectral Interference
Repetitive noises
Switching noises
Environmental noises
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

17. تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

18. تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

19. تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

20. تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

21. تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

22. تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

23. تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

24. تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

25. Wavelet Transform
In fact the Wavelet Transform is generalize of Fourier Transform
Wavelet Transform has several benefits, for instance:
1- It can determine the frequency content of a waveform
2- It can determine the occurrence time of frequencies in the waveform
Figure 10. De-noising procedure using wavelet transform
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

26. Wavelet Transform Figure 11. Different Mother wavelets
a) Haar b) Daubechies c) Coiflet d) Symlet2
e) Meyer f) Morlet g) Mexican Hat
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

27. Mother wavelet selection
Wavelet Transform
Mother wavelet selection
PD pulse must be predicted (from the recorded PD signal)
Suitable mother wavelet must be selected
Partial discharge pulses should be combined with different noises.
Noise separation should be done using the different mother wavelet.
In each case the SNR (Signal to Noise Ratio) must be calculated
Mother wavelet which produce the highest SNR is the best mother wavelet for de-noising
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

28. Selection of db8 for De-noising
Figure 12. PD pulse obtained from the 20kV distribution transformer in high voltage laboratory
Figure 13. Reference noise
Figure 14. PD pulse is combined with the reference noise
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

29. Selection of db8 for De-noisinga
SNR=8.82dB
Figure 15. De-noising using the wavelet transform
db8 mother wavelet
har mother wavelet
db2 mother wavelet c b
SNR=4.25dB
SNR=6.21dB
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

30. Figure 17. db8 Mother Wavelet
Hard-thresholding or Soft-thresholding ?
SNR=-6.12dB
Figure 17. db8 Mother Wavelet
Figure 16. De-noising by using the db8 Mother Wavelet and soft-thresholding
Because the SNR value is higher when De-noising is done using hard-thresholding than soft-thresholding so the hard-threshoulding is selected
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

31. Experimental Result of PD Measurement On a Laboratory Winding
Figure 18. Experimental test set up
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

32. Experimental result of PD measurement On a Laboratory Winding
Figure 19. PD pulse shape, PD calibrator pulse- PD pulse after passing 6 turn- PD pulse after passing 12 turn- PD pulse after passing 33 turn (Respectively from top to down).
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

33. Experimental Result of PD Measurement On a Laboratory Winding
Figure 20. Frequency content, of PD calibrator pulse - PD pulse after passing 6 turn - PD pulse after passing 12 turn - PD pulse after passing 33 turn (Respectively from top to bottom).
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

34. Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Fig.21. PD measurement circuit on a 20kV distribution transformer b
Figure 22. PD signals recorded from a 20kV distribution transformer
a- sample recorded at 2:10 PM
b- sample recorded at 2:20 PM
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

35. Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Reference noise b a
Figure 23. Reference noise for the signals that is shown in the Fig. 22
a- sample recorded at 2:05PM
b- sample recorded at 2:15PM
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

36. Figure 24. Obtained thresholds using the reference noise (Fig. 23-a)
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 24. Obtained thresholds using the reference noise (Fig. 23-a)
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

37. Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 25. Using thresholds obtained in the Fig. 24 for de-noising (signal a)
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

38. Figure 26. PD signal after de-nosing (signal a)
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 26. PD signal after de-nosing (signal a)
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

39. Figure 27. Obtained thresholds using the reference noise (Fig. 23 -b)
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 27. Obtained thresholds using the reference noise (Fig. 23 -b)
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

40. Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 28. Using thresholds obtained in the Fig. 27 for de-noising (signal b)
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

41. Figure 29. PD signal after de-nosing (signal b)
Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 29. PD signal after de-nosing (signal b)
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

42. Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 11. Frequency content of recorded signal on 20kv distribution transformer
Figure 30. Different recorded PD signal on 20kv distribution transformer after de-noising
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

43. Experimental Result of PD Measurement On a 20KV Distribution Transformer
Figure 33. PD signals after de-noising, while accompany 50Hz cycle on a 20kV distribution transformer
Figure 32. PD signals polluted with noise, recorded for 50ms
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

44. Figure 36. Signal after de-noising
Experimental Result of PD Measurement On a a 420 kVY/21kV Power Transformer ∆
Figure 35. PD Signal polluted with noise, captured in Neka power plant
Figure 36. Signal after de-noising
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

45. Experimental Result of PD Measurement On a a 420 kVY/21kV Power Transformer∆
Figure 37. Frequency spectrum of de-noised signal (that is shown in the Fig.36)
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

46. Experimental Result of PD Measurement On a a 420 kVY/21kV Power Transformer∆
Figure 39. PD signal (number 2) that is shown in the Fig. 36 (opened in time scale)
Figure 38. PD signal (number 1) that is shown in the Fig. 36 (opened in time scale)
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

47. Experimental Result of PD Measurement On a a 420 kVY/21kV Power Transformer∆
Figure 41. Frequency content of signal that is shown in the Fig. 39
Figure 40. Frequency content of signal that is shown in the Fig. 38
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

48. partial discharge mechanisms
Figure43. quickly developed partial discharges (streamer mechanism)
Figure42. Slowly developed partial discharges (townsend mechanism)
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

49. Conclusion about the frequency content of PD in Transformers
PD signal in a power transformer are so large that easily can be detected through the examination of captured signals against the PD signals in XLPE cable that is usually buried in the noise
main zones of frequency content of recorded PD signals in power and distribution transformers are defined as the two following zones, below 1MHz and between 7 to 9 MHz.
transformer winding modeling for PD location must be done by application of a model that is accurate for MHz frequency range
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

50. Transformer Winding Modeling And PD Location
The frequency limitation for the validity of this model is in the range of a few hundred kHz.
Detailed model with lumped elements
because of using the distributed parameters, the model accuracy will be expanded over MHz frequency range.
MTL Model
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

51. Transformer Winding Modeling And PD Location
Detailed model with lumped elements
Figure 45. the simulation model for propagation of PD pulses in a transformer winding
Figure 44. Equivalent circuit for detailed model
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

52. Transformer Winding Modeling And PD Location
MTL Model
Figure 46. Multi-conductor transmission line model
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

53. Figure 47. PD measurement circuit for PD location
MTL Model
Figure 47. PD measurement circuit for PD location
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

54. Figure 48. Transformer winding equivalent model for PD location study
MTL Model
Figure 48. Transformer winding equivalent model for PD location study
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

55. MTL Model [A]=[X][B] Terminal Conditions and PD Location
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

56. MTL Model And PD Location
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب
Figure.49 Algorithm MTL model and PD injection

57. Case Study And Simulation Results
homogeneous transformer windings, 900MVA, 525kV, Shell type
Table1. Dimensions and characteristics of the double disks
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

58. Is= Calculated current from the head of winding
Simulation results
Is= Calculated current from the head of winding a
Fig.50. Frequency spectrum of Is
a- PD occurred in the disk number 2
b- PD occurred in the disk number 6
c- PD occurred in the disk number 10 b c
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

59. In= Calculated current from the end of winding
Simulation results
In= Calculated current from the end of winding a
Fig.51. Frequency spectrum of In
a- PD occurred in the disk number 2
b- PD occurred in the disk number 6
c- PD occurred in the disk number 10 b c
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

60. Simulation results T= Is/In a b c
Figure 52. Frequency spectrum of Is/IN
a- PD occurred in the disk number 2
b- PD occurred in the disk number 6
c- PD occurred in the disk number 10 c
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

61. Coclusion
On-line monitoring of PD have lots of advantage than off-line methods
Wavelet Transform is a powerful tools for de-noising
db8 mother wavelet and soft-thresholding are appropriates for separation noises from PD signals in transformers
main zones of frequency content of recorded PD signals in power and distribution transformers are defined as the two following zones, below 1MHz and between 7 to 9 MHz.
It has shown through the application of MTL model that by use of winding parameters and frequency content of Is/In one can find the location of PD pulse in the winding.
تئوری و تکنولوژی پیشرفته فشار قوی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب