Repeatability of offline partial discharge measurement for high-voltage stator windings

Abstract

Partial discharge measurements are used with high-voltage rotating machines to evaluate the condition of the insulation system. Measurement is, by nature, sensitive to disturbances. To produce reliable measurements, experienced operator is needed to minimize the effect of disturbances. Partial discharge measurement is a well-established condition monitoring tool, where the results are evaluated by following the trend created from several successive measurements made with the same measurement instrument. For high-voltage rotating machines, there are no international standard required acceptance limits for partial discharge measurement results. This is different from other similar standard measurements.

This study focuses on variables that may affect the measurement result and on creating a measurement specification for partial discharge measurement, that follows international standards. The goal was to produce as reliable measurement results as possible. The study was limited to offline measurements made at power frequency with measurement instruments that detect partial discharge caused current pulses. The role and the quality of the measurement instruments was not in the focus and therefore exact manufacturing and model information is not given. Instead, this work concentrates on a measurement procedure to produce reliable measurement results regardless of the measurement instrument.

Measurements in this study were performed in two phases. The first phase studied variables that affect the measurement results by measuring the same test object using one measurement instrument at one physical location in stable conditions. From these results a measurement specification was created, which was tested with several different measurement instruments. At phase two, measurements were performed using the same test specification utilising eight measurement instruments twice, and measurements were done to seven different test objects. In result analysing phase, variation in measured apparent charges and phase resolved partial discharge patterns, were compared to measurement with the same measurement instrument and also between different measurement instruments.

Main conclusions of this work were that even in a controlled environment, using the same measurement instrument and only varying the measurement specification, variation between measured apparent charges can be of several magnitudes. Measurement repeatability between different measurement instruments was also found to be related to the magnitude of the apparent charge. Comparison of measurements made with different instruments should only be done with phase resolved partial discharge pattern.

Osittaispurkauksien mittausta käytetään suurjännitteisten pyörivien sähkökoneiden eristysrakenteiden kunnon arvioinnissa. Mittaus on luonteeltaan herkkä häiriöille, joten mittaustulokseen vaikuttavien parametrien hallinta vaatii asiantuntemusta mittauksen suorittajalta. Osittaispurkauksien mittaus on kuitenkin vakiintunut työkalu, jonka tuloksia usein seurataan pitkällä aikavälillä useiden mittauksien muodostamasta trendistä. Mittauksen tulokselle ei ole olemassa kansainvälisten standardien asettamaa hyväksyntä rajaa, mikä poikkeaa muista vastaavista, laajasti käytössä olevista mittauksista.

Tässä tutkimuksessa on selvitetty mittaukseen vaikuttavia parametrejä, tarkoituksena luoda standardien mukainen ohjeistus osittaispurkauksien mittaamiseen. Mittausprosessin tarkoitus on tuottaa mahdollisimman luotettavia tuloksia. Tutkimus rajoittuu verkkotaajuudella suoritettaviin off-line mittauksiin, joissa mittalaiteet havaitsevat osittaispurkauksien aiheuttamia virtapulsseja. Mittalaitteiden rooli ja laatu eivät olleet tutkimuksen painopisteessä, joten tarkkoja valmistus- ja mallitietoja ei anneta. Sen sijaan työssä keskityttiin luomaan mittausprosessi, joka tuottaa luotettavia mittaustuloksia laitteesta riippumatta.

Tutkimuksessa tehtiin mittauksia kahdessa osassa. Ensimmäisessä tarkasteltiin mittaus prosessiin liittyviä parametrejä suorittamalla mittauksia samalla mittalaitteella ja koekappaleella samassa, olosuhteiltaan vakioidussa paikassa. Ensimmäisen osan tuloksien pohjalta luotiin ohjeistus, jota testattiin useilla eri mittalaitteilla. Toisen osan mittauksissa mitattiin seitsemää eri koekappaletta kahdeksalla eri mittalaitteella kahdesti, samaa ohjeistusta käyttäen. Tuloksien käsittelyssä analysoitiin vaihtelua mitatuissa näennäisvarauksissa sekä vaihekulmakuvaajissa. Jokaisen mittalaitteen tuloksia verrattiin saman mittalaitteen tuloksiin sekä kaikkiin muihin mittalaitteisiin.

Johtopäätöksissä havaitaan, että vaihtelemalla ainoastaan mittausprosessiin liittyviä parametrejä, mittaustuloksien vaihteluväli voi olla useita satoja prosentteja. Eri mittalaitteilla suoritettujen mittauksien toistettavuuden havaittiin riippuvan myös mitattavan näennäisvarauksen suuruudesta. Mikäli tuloksia on tarve vertailla erilaisten mittalaitteiden välillä, se on mahdollista ainoastaan vaihekulmakuvaajien kautta.