Study of oil/pressboard progressive creeping discharge under highly divergent electric field

Abstract

As one of the most dangerous failure modes of transformers, the oil/pressboard progressive creeping discharge, as well as the corresponding insulation failure mechanisms, have thus far not been fully understood. The present thesis aims to gain a sound fundamental knowledge of the progressive creeping discharge, their influential factors, and the relevant failure mechanisms, as well as to contribute to an effective monitoring and diagnostic methodology. This study explored the progressive creeping discharges under highly divergent AC and DC voltages, respectively. The tests conditions were configured to investigate the impacts of critical influential factors, including ageing, voltage level, temperature, stress waveform, and oil flowing, on creeping discharges. The discharge processes were systematically evaluated using tools such as partial discharge, gas analysis, temperature monitoring, and finite-element simulation. Comparative analyses and theoretical examinations were made to the insulation faults as well as their correlated physicochemical phenomena. A conventional techniques-based monitoring framework was proposed for the dangerous creeping discharges, and the applicability of a new detection technique based on synchronous PD and dielectric measurements was tested as well. The characteristics of damage-free AC progressive creeping discharge, as well as the influences of pressboard ageing and field intensity, were investigated. It was found the progressive creeping discharge is a compound discharge that comprises mainly oil corona discharge and surface discharge. Pressboard ageing affected the discharge inception but had no influence on the interface breakdown strength. The damage-free discharge exhibited a constant PRPD pattern but had a diminishing PD intensity, where the pressboard ageing and voltage level jointly determine whether the discharges can be sustained or not. The damage-free discharge generated hydrogen principally and was located between D1/ D2 fault zones in the classical Duval’s Triangle. The insulation failures due to dangerous creeping discharges were comparatively studied. It was found the AC progressive creeping discharge could generate two faults to the pressboard, i.e., internal treeing (internal treeing) and surface tracking (surface tracking). The faults exhibited distinct electrical as well as physicochemical characteristics, and their occurrences were subject to pressboard ageing, voltage level, and pressboard density. A four-staged model was proposed to illustrate the development of internal treeing. The model highlighted the central role of the filament-like carbonization tracks in the pressboard interior, of which the onset and growth were theoretically expounded as well. A detection methodology was proposed for internal treeing, which was mainly based on continuous PD measurement, online temperature monitoring, and gas analysis. However, it was found still hard to detect a severe surface tracking fault due to the PD disappearance. The influences of temperature and voltage waveforms on AC progressive creeping discharge were studied. Temperature affected the short-time electric strength of either interface or oil gap and could form a synergistic effect with a strong field in exacerbating the dissipation factor of pressboard. Moreover, it was found temperature can determine the fault types and discharge severity under either constant or step-wise stress, whereas the stress waveform had an obvious effect on the fault type only at high temperatures. Depending on the test temperature and stress waveforms, the test specimens failed due to tracking-free interface flashover, surface tracking, and internal treeing, respectively. Their PD quantities were comparatively evaluated. Moreover, it was found the synchronous PD and dielectric measurement is highly indicative of the internal treeing process, and it exhibited both high detection sensitivity and discharge identification capability. The DC progressive creeping discharge was evaluated against temperatures and forced oil flows. Temperature affected the DC conductivity of both oil and pressboard, the resistivity ratio of pressboard to oil, and the oil/pressboard interface charge relaxation time. Accordingly, the interface field distributions were evaluated against temperatures using the finite-element method. Moreover, both oil flow speed and temperatures affected the short-time DC interface electric strength as well as the progressive creeping discharge. Two types of discharges were found under static oil condition. They exhibited distinct PD characteristics and showed different responses to temperature changes. They were presumably associated with discharges in oil and pressboard, respectively. Furthermore, it was found that forced oil flows can alter the behaviors of DC creeping discharges drastically and generated a peculiar PD type (Pulse Train). The occurrence of the pulse train was subject to applied voltage level, temperature, and oil flowing velocity. A theoretical model was proposed to elucidate the pulse train, in which the interactions between space charges from different sources were discussed against voltage levels, oil flows, and temperatures. The present thesis extends the knowledge of the oil/pressboard progressive creeping discharges. The research results are expected to serve as a base for future scientific studies and a piece of reference information for practical applications pertinent to progressive creeping discharges.

Eine der gefährlichsten Fehlerarten in Transformatoren, die fortschreitende Kriechentladung in Öl/Feststoff Anordnungen sowie der dazugehörige Mechanismus des Isolationsfehlers sind noch nicht völlig geklärt. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Erreichung einer soliden fundamentalen Kenntnis der fortschreitenden Kriechentladung, ihrer Einflussfaktoren und der entsprechenden Fehlermechanismen ab. Weiterhin soll sie einen Beitrag zur effektiven Überwachung und diagnostischen Methoden liefern. Die Untersuchungen beinhalten die fortschreitenden Kriechentladungen bei stark inhomogenen elektrischen Feldern unter Wechsel- und Gleichspannung. Die Versuchsbedingungen wurden so konfiguriert, dass die Wirkung der kritischen Einflussfaktoren auf die Kriechentladungen wie Alterung, Höhe der Spannung, Temperatur, Beanspruchungsform und Ölfluss, untersucht werden konnte. Die Entladungsvorgänge wurden systematisch ausgewertet unter Verwendung von Methoden wie Teilentladung, Gasanalyse, Temperaturerfassung und Simulation mit Finiten Elementen. Vergleichende Analysen und theoretische Prüfungen wurden im Hinblick auf Isolierungsfehler und der dazugehörigen physio-chemischen Erscheinungen durchgeführt. Ein auf konventioneller Technik basierendes Monitoring Konzept wurde für die gefährlichen Kriechentladungen vorgeschlagen und die Anwendung neuer Detektionstechniken basierend auf synchroner Teilentladungserfassung und dielektrischen Messungen geprüft. Die Eigenschaften von beschädigungsfreien fortschreitenden Kriechentladungen bei Wechsel-spannung und der Einfluss der Alterung des Pressspan sowie der Feldstärke wurden untersucht. Es wurde herausgefunden, dass die fortschreitende Kriechentladung eine zusammengesetzte Entladung ist, bestehend aus Korona-Entladungen in Öl und Oberflächenentladungen. Die Alterung von Pressspan beeinflusst den Einsatz der Entladung aber hat keinen Einfluss auf die Durchschlagsfestigkeit der Grenzfläche. Die beschädigungsfreie Entladung zeigt ein konstantes PRPD Muster aber mit abnehmender Teilentladungs-Aktivität, wobei die Alterung des Pressspans und die Spannungshöhe gemeinsam bestimmen, ob die die Entladungen unterbrochen werden oder nicht. Die beschädigungsfreie Entladung erzeugt grundsätzlich Wasserstoff und ist den Fehlerzonen D1/D2 des klassischen Duval Dreiecks zugeordnet. Die Fehler der Isolierung infolge der gefährlichen Kriechentladungen wurden vergleichend untersucht. Es wurde herausgefunden, dass die fortschreitende Kriechentladung bei Wechselspannung zwei Fehlerarten im Pressspan erzeugen kann, die schnelle Kriechwegbildung (internes Treeing) und die langsame Kriechwegbildung (Oberflächen Kriechweg). Die Fehler weisen deutlich elektrische als auch physio-chemische Eigenschaften auf und ihr Erscheinen war abhängig vom Alterungszustand des Pressspans, Spannungshöhe und Dichte des Pressspans. Ein vierstufiges Modell wurde vorgeschlagen um die Entwicklung der schnellen Kriechwegbildung darzustellen. Das Modell betont die zentrale Rolle der faserähnlichen karbonisierten Kriechwege im Inneren des Pressspans, wobei Einsatz und Wachstum theoretisch erklärt werden. Eine Erkennungsmethode für die Schnelle Kriechwegbildung wurde vorgeschlagen, die im Wesentlichen auf Teilentladungsmessungen, online Temperaturerfassung und Gas Analyse basiert. Es war dennoch schwierig eine langsame Kriechwegbildung zu erfassen, da Teilentladungen verschwanden. Die Einflüsse von Temperatur und Spannungsform auf fortschreitende Kriechwegentladungen wurden untersucht. Die Temperatur beeinflusste die kurzzeitige elektrische Feldstärke der Grenzschicht und der Ölstrecke und kann eine synergetische Auswirkung mit einem starken Feld auslösen, indem sich der Verlustfaktor des Pressspans erhöht. Es wurde weiterhin herausgefunden, dass die Temperatur die Fehlertypen und Entladungsstärke unter konstanter oder stufenweise Beanspruchung beeinflussen kann, wobei die Art der Beanspruchung einen klar erkennbaren Einfluss auf die Fehlerart nur bei hohen Temperaturen hat. Abhängig von der Prüftemperatur und der Beanspruchungsforme versagten die Prüflinge durch Grenzschichtüberschlag ohne Kriechwegspuren, langsame Kriechwegbildung und schnelle Kriechwegbildung. Ihre Teilentladungsgrößen wurden vergleichend ausgewertet. Darüber hinaus wurde herausgefunden, dass synchrone Teilentladungen und dielektrische Messungen eine gute Kennzeichnung für schnelle Kriechwegbildungsprozesse sind und es zeigt die Fähigkeit einer hohen Erkennungsempfindlichkeit und Entladungserkennung. Die fortschreitenden Kriechentladungen bei Gleichspannung wurden in Abhängigkeit der Temperatur und der Ölflussstärke ermittelt. Die Temperatur beeinflusst die Gleichspannungsleitfähigkeit von beiden, Öl und Pressspan, das Widerstandsverhältnis von Pressspan und Öl, und die Relaxationszeit der Grenzschichtladungen Öl/Pressspan. Dementsprechend wurde die Grenzschichtfeldverteilung in Abhängigkeit der Temperatur mit Hilfe der Finite-Elemente Methode ausgewertet. Außerdem beeinflussten die Geschwindigkeit des Ölflusses und die Temperaturen die kurzzeitige Grenzflächenfeldstärke bei Gleichspannung und fortschreitenden Kriechwegentladung. Zwei Arten von Entladungen wurde bei ruhendem Öl gefunden. Sie zeigen deutliche Teilentladungsmerkmale und unterschiedliches Verhalten bei Temperaturänderungen. Sie waren vermutlich verbunden mit Entladungen im Öl und Pressspan. Es wurde weiterhin herausgefunden, dass forcierte Ölströmung das Verhalten der Kriechentladungen bei Gleichspannung drastisch verändert und einen besonderen Typ von Teilentladungen erzeugt (Pulsfolge). Die Erscheinung dieser Pulsfolge war abhängig von der Höhe der angelegten Spannung, der Temperatur und der Geschwindigkeit des Ölflusses. Es wurde ein theoretisches Modell zur Verdeutlichung der Pulsfolge vorgeschlagen, bei dem die Wechselwirkungen zwischen Raumladungen von verschiedenen Quellen behandelt wurden in Abhängigkeit der Spannungshöhe, des Ölflusses und der Temperatur. Die vorliegende Arbeit erweitert die Kenntnis der fortschreitenden Kriechentladungen in der Anordnung Öl/Pressspan. Es wird erwartet, dass die Untersuchungsergebnisse als Basis für zukünftige wissenschaftliche Studien dienen und einen Beitrag mit hinweisenden Informationen für die praktische Anwendung zur Thematik fortschreitender Kriechentladungen liefern.