SENSOREN VOOR ON-LlNE PARTIËLE ONTLADINGSMETINGEN

F A C U L TEl T Vak g r o e p

E LEK T ROT E C H N lEK

H oog spa n n i n 9 s t e c h n i e k

(EHO)

SENSOREN VOOR ON-LlNE PARTIËLE ONTLADINGSMETINGEN

door:

M.H.T. Teng EH.91.A.118 Aug '91

De faculteit Elektrotechniek van de Technische Universiteit Eindhoven QlJnvaardJ geen verantwoordelijkheid voor de inhoud van stage- en afstudeerverslagen.

Afstudeeropdracht verricht o.l.v.: ing. A.J.M. Pemen

TEe H NIS C H E

U N I VER S I TEl T E l N D H 0 VEN

•

.\'.....

I

I

Wie begint, heeft de taak al voor de helft volbracht. Horatius

SUMMARY In the High- Voltage and EMC (e/ectromagnetic compatibility) group of the Eindhoven University of Techn%gy a research project has recently been staned on the on-line monitoring of panial discharges in turbo-generators. This project is carried out in cooperation with N. V. KEMA and utility companies. Panial discharge pulses in generators exhibit highfrequency signais,' the frequency range ofthe diagnostics shou/d runfrom 1 MHz to J()() MHz at least. A literature search showed, that most measuring systems, now used, are sensitive to nearby radio transmitters or other high frequency sourees, extemal to the machine. Clearly the EMC-propenies of the measuring system must be good. When the sensors or antennas are placed near the generator, a reduced sensitivity for extemal signals is feasib/e. Since positioning of sensors in or near the stator s/ots wil/ not be allowed in this experimental stage, the next best location is as close as possible to the generator terminals. This means placing them in the isolated Jlhase lz.us and at generator neutra!. Installation ofsensors at those positions is relatively easy, compared to installation in the stator slots. Current sensors and voltage sensors wiJl be developed and installed in the Hemweg 6 generator unit in Amsterdam. A cIearer view on design ru/es for current sensors, suilable for highfrequencies, was developed during this graduation work. The higher thefrequency, the more advantageous it is, 10 reduce the number oftums ofa current sensor, ultimately leading 10 a single turn. This sensor can have very good high frequency response, in addition to relatively low parasitic capacitance. Also il may be tai/ored such, that it does not show capacitive pickup from one direction. The disadvantage is quite a/ow sensitivity. Provided good cable connections are used, such that /itt/e inteiferenee is being pieked up, the signal may be amplified before measurement. Because of the very low se/f inductance this sensor wilt invariably be used in the differentiating mode. For rogowski eoUs with several tums, with the tumover point in the midd/e of the desired frequency range, the load resistanee may be redueed, by placing a number of 50 () coaxial cab/es in parallel, or by conneeting a resistor in parallel 10 the sensor. The result is that the first turnover point, determined by the se/f inductance, is lowered, whereas the seeond, determined by parasitie eapacitance is moved upward. In that case the sensor is being used in the self-integrating mode.

SAMENVATTING Binnen de groep voor Hoogspanningstechniek en EMC is onlangs een onderzoek gestart om on-line (deel-) ontladingsmetingen aan genergtoren te verrichten. Dit onderzoek wordt uitgevoerd in samenwerking met N. V. KEMA en eleJariciteitsproduetiebedrijven. Deelontladingen vertonen hoogfrequente signalen, he! gewenste meetbereik loopt tot minimaal /00 MHz. Literatuuronderzoek toonde. dat veel van de totnulOe gebruiJae meetmethoden storing ondervinden van nabije (telecommunicatie-) zenders, of andere hoogfrequente bronnen. Het leidt geen twiffel, tûu de EMC eigenschappen van het meetsysteem onberispelijk zullen moeten zijn. Sensoren die dichtbij de generator geplaatst worden, zullen minder gevoelig zijn voor externe (stoor-) signalen. Plaatsing van sensoren in of dichtbij de stator zal niet worden gedoogd door de beheerder van de generator. De plaats die vervolgens het meest in aanmerking komt, is zo dicht mogelijk bij de klemmen. Dat betekent: in het generator sterpunt en, aan hoogspanningszijde, in het railJwkersysteem. Installatie hier is minder ingrijpend, dan in de stator (-groeven). Stroom- en spanningsensoren zullen worden ontwikkeld en gefnstalleerd in de Hemweg Ó centrale te Amsterdam. Een duidelijk zicht op het ontwerp van stroomsensoren voor hoogfrequent metingen, is tijdens dil afstudeerwerk gegroeid. Hoe hoger de frequentie van hel te meten signaal, des te voordeliger het wordt, om minder wikkelingen loe Ie passen. Dit leidt uiteindelijk tot één enkele winding (éénwindingsrogowski). Dit type sensor kan een goed hoogfrequent bereik hebben met weinig parasitaire capaciteit. En verder kan hij zodanig worden ontworpen, dat capacitieve stroom uit één richting niet wordt meegemeten. Nadeel is de wat lage gevoeligheid. Mits goede kabelverbindingen gebruikt worden (EMe), zodat weinig storing wordt opgepikt, kan het signaal worden versterkt, alvorens het bij de meetapparatuur komt. Omdat dit type sensor een zeer lage zelfinductie bezit, zal hij worden toegepasI als differentiërende sensor. Bij rogowski spoelen met enkele windingen. met het eerste kantelpunt midden in hel gewenstefrequentiebereik, kan dil punt verlaagd worden door zwaardere belasting, met meerdere parallel geschakelde meelkabels. Gevolg voor het tweede kantelpunt, dat bepaald wordt door parasitaire capaciteil, is, dat dit omhoog opschuift. Op deze wijze wordt de sensor op zelfintegrerende wijze toegepast.

Inhoud

blz.

1. Inleiding

2

2. Partiële Ontladingen

4

2.1 Isolatie en opbouw statorstaven

4

2.2 Wat is een partiële ontlading? 2.3 Partiële ontladingen in een stator 2.4 Voortplanting van signalen 2.5 On-line versus off-line 2.6 Bestaande meetmethoden

5 5 6 7 7

3. Meettechnieken

11

3.1 Differentiërende sensoren 3.1.1 Variatie van de parasitaire capaciteit C 3.1.2 Variatie van de belastingsweerstand R 3.1.3 Variatie van de zelfinductie L

11 13 13 13

3.2 Eisen aan sensoren voor dit onderzoek 3.2.1 Capacitieve sensoren 3.2.2 Inductieve sensoren

14 14 14

3.3 Sensoren gebruikt in de loop van het onderzoek 3.3. 1 Raam sensoren 3.3.2 Grote uitwendige oppiklus 3.3.3 Inwendige oppiklus

15 15 15 16

3.4 Theorie rogowskispoelen 3.4.1 Meerwindingsrogowski

17 18

3.5 Eénwindingsrogowski 3.5 Effect van de capaciteit tussen sensor en geleider: aspecten van afscherming.

21 21

3.6 De sensor voor de Hemweg 6 railkoker

23

4. Conclusies en aanbevelingen

24

Lijst van gebruikte afkortingen Literatuur Bijlagen

26 27 32 - 1-

1. Inleiding

Onze hedendaagse samenleving. is in zeer grote mate van elektriciteit afhankelijk. De elektriciteitsbedrijven dragen de verantwoordelijkheid voor de levering van elektriciteit. Zij stellen zich tot taak: de continue levering van elektrische energie. Daarbij gelden de randvoorwaarden: - veiligheid, - bedrijfszekerheid, - goede kwaliteit, - aanvaardbare kosten en prijzen (zo laag mogelijk), - milieu technisch verantwoord. Elektriciteit wordt opgewekt in centrales en getransporteerd via het hoogspanningsnet. Via dit z.g. koppelnet zijn alle generatoren met elkaar verbonden. ze lopen derhalve synchroon en isochroon. Wanneer er een generator uitvalt, treedt het principe in werking van de enkelvoudige storingsreserve: "het net moet bestand zijn tegen het uitvallen van een willekeurig element, zonder dat dit overbelasting, of overschrijding van spanningsgrenzen tot gevolg heeft" [dictaat EO 1]. Dit betekent in i.c. dat de nog draaiende generatoren het plotselinge tekort moeten kunnen opvangen. Voor de argeloze gebruiker heeft een dergelijke storing dus nauwelijks gevolgen. Hoe anders ligt dat voor de beheerder van de uitgevallen generator! Ter bepaling van de omvang van de sèhade volgt een rekensom. De grootste in Nederland voorkomende generatoren wekken een maximaal vermogen van 650 MW op. Als dit een basislast eenheid is, werkt deze gewoonlijk dag en nacht. Er is altijd een marge van 3 à 5 % om te kunnen regelen. De elektriciteit, die per etmaal wordt opgewekt bedraagt: 650 . 0,95 . 24 = 14.820 MWh. Per etmaal levert deze generator de producent een vergoeding van 1,2 MFI. (bij een vergoeding van 8,5 ct/kWh daguren en 7,5 ct/kWh nachturen). Dit bedrag loopt hij mis, als de generator onvoorzien niet levert. Maar er is meer. Wanneer een producent niet volgens afspraak kan leveren, staat daar een boete op. Per etmaal beloopt dat in dit voorbeeld ruwweg 450 kF!. Nu verbruikt hij ook geen brandstof, dus dat wint hij weer (ongeveer 5ct/kWh). In totaal belopen de kosten per 24 uur op een werkdag bijna 1 miljoen gulden. Hieruit moge blijken, dat het de elektriciteitsproducenten er alles aan gelegen is, om hun productiemiddelen draaiende te houden. Op afgesproken tijdstippen gaan de generatoren in revisie. Dan wordt er een standaard

programma afgewerkt, van onderdelen die worden gecontroleerd/vervangen. Voordat de generator weer ingeschakeld wordt, worden nog enkele metingen gedaan, onder andere om de toestand van de isolatie te beoordelen. Hierbij is echter geen sprake van een belasting, -2-

zoals die optreedt in bedrijf. Er lopen immers niet de nominale stromen bij een dergelijke test, er treden dus ook niet de krachten op [5, IS). Daarom wordt er momenteel veel onderzoek gedaan naar on-line meetmethoden. Dat betreft metingen, terwijl de machine in bedrijf is.

Het is een gegeven, dat deelontladingen een indicator vormen voor de conditie van de isolatie. Onze opzet richt zich op het meten van h.f. signalen, veroorzaakt door deelontladingen, die zich buiten de generator voortplanten in het railkoker systeem en in het sterpunt. Door gelijktijdige meting van spanning en stroom, kunnen voortplantingsrichting en polariteit van een puls eenduidig bepaald worden. Voor deze metingen zijn specifieke spanning- en stroomsensoren nodig. Voor mijn afstudeerwerk heb ik een tijd aan het onderzoek meegedaan en meegedacht. Een literatuurstudie naar vergelijkbare metingen aan generatoren vormde de start. Daarna is gekeken naar het ontwerp van sensoren, in het bijzonder de stroomsensoren.

. 3 .

2. Partiële ontladingen

·2.1 Isolatie en opbouw van statorstaven Het magnetische draaiveld van de rotor induceert een spanning in de statorwikkelingen. De stator is, voor wat betreft het magnetisch gedeelte, opgebouwd uit gestapeld blik. De blikken zijn geponsd, zodanig dat na stapeling groeven en kanalen ontstaan. In de groeven worden de geleiderstaven geplaatst. Deze zijn ieder aan de uiteinden met de volgende staaf verbonden, en vormen zo de wikkeling. Op de uitgangsklemmen is de spanning gewoonlijk tussen 6 kV en 30 kV. Deze spanning maakt het noodzakelijk de statorstaven te isoleren, t.o. v. elkaar en van het statorblikpakket. De isolatie is als volgt uitgevoerd (figuur 1). Veelal bevat iedere gleuf 2 staven. Op de bodem ligt een vulband en aan één zijkant ook. Tussen de staven wordt ook een opvulling gelegd. De staven zelf bestaan uit deelgeleiders, die ook geïsoleerd zijn t.o.v. elkaar. De reden voor toepassing van deelgeleiders is stroomverdringing. Bij een massieve geleider kiest de stroom een voorkeursweg door de geleider. De rest van de geleider speelt geen rol. Bij deelgeleiders die cyclisch verwisseld zijn, is geen voorkeursweg aanwezig. In alle geleiders gaat een gedeelte van de stroom lopen. Het gevolg is: minder dissipatie, het koper wordt efficiënter benut en de belastbaarheid gaat omhoog.

1 B'echpake:

2

Nutverschlu~keil

3 Rutscnstreifen

12 13 14

4 NutkoDffeder 5 DecKschleber 6 Halbleltenoe Schutzhulse 7 Masslvtei lIelter 8 LanQs-Zwschenstreifen 9 Hohlteillelter '0 Oberstab " ZWlschenschleber '2 Unterstab '3 Mica/sstic®·lsollerunc '4 Halbleitender Seitenf~lIstrejfen '5 AusglelchSStreite n

figuur 1: opbouw staafisolatie, uit 1231

De isolatie van de deelgeleiders bestaat uit laklagen, matten van glasvezel, polyestervezel, asbestvezel, of combinaties hiervan [24]. Ze worden bijeen gehouden door bindlak, harsen, of omwikkelingen met folie of micaband. De staaf wordt tot één geheel onder aanwending van epoxy-, of polyesterhars. Hij wordt daarmee bestreken, of men zorgt ervoor, dat tussen deelgeleiders voldoende voorbewerkt hars aanwezig is. Dan gaat de staaf in een verwarmde pers, zodat het kunsthars uithardt. Bij montage van de staaf in de groef, wordt op de staaf een gegolfde veerplaat uit glasfiber geplaatst. De groef wordt afgesloten met een wig van mechanisch stevig, isolerend materiaal -4 -

(hardpapier, pertinax, of iets dergelijks).

2.2 Wat is een partiële ontlading? Soms komen binnen isolerende media holtes voor. Deze holtes bevatten gewoonlijk een gas. Wanneer de elektrische veldsterkte in een holte tot boven een kritische waarde komt, volgt een ontlading. Dit is een deelontlading of partiële ontlading. In figuur 2 is de spanning afgebeeld, gemeten over een serieweerstand, tengevolge van een deelontlading onder laboratoriumomstandigheden. Duidelijk is, dat er een figuur 2: partiële ontlading in holte in epoxy, laboratoriumcondities aanzienlijk hoogfrequent aandeel is. Algemeen kan voor partiële ontladingen gesteld worden, dat het hoogfrequente verschijnselen betreft [19,21].

2.3 Partiële ontladingen in een stator Ter voorkoming van partiële ontladingen word een 'half-geleidende laag (meestal verf) aangebracht op de staaf. Wanneer deze laag goed hecht, blijven eventuele holtes tussen de staaf en het statorijzer spanningsloos en vinden er geen ontladingen plaats. Onder invloed van thermische, mechanische en elektrische invloeden, of combinaties daarvan, kan de kwaliteit van de geleidende laag achteruit gaan. In een statorgroef kunnen op een aantal plaatsen ontladingen optreden. Te weten: tussen de staafisolatie en de staafgeleider, binnen de isolatie, tussen isolatie en groefwand [15, 18, 16]. Dit laatste met name op plaatsen, waar de geleidende laag is aangetast, of waar de staaf los in de groef zit [16]. Ook wanneer er een eilandje van de geleidende laag niet met de rest verbonden is, kan dit tot vrij forse ontladingen leiden. Partiële ontladingen in de isolatie zijn wat minder schadelijk dan tussen isolatie en groefwand, want het epoxy-mica isolatiemateriaal is goed tegen ontladingen bestand. Al deze ontladingen in de groef vallen onder de noemer: groefontladingen (eng. 'slot discharge'). Groefontladingen zijn een zeer belangrijke oorzaak van isolatieverslechtering. Er is een publicatie, die gaat over een uitgebreidere isolatiemethode [18]. Daarbij wordt over de geleidende laag nog een isolerende beschermlaag aangebracht. De geleidende laag wordt via draden aan de uiteinden verbonden met het statorijzer. Gesteld wordt, dat via deze aansluitdraden partiële ontladingsactiviteit goed te meten is. Hoewel het een elegante oplossing lijkt, om beschadiging van de geleidende laag te voorkomen, wordt deze isolatie nog niet op grote schaal toegepast. . 5·

Afgezien van deze groefontladingen kunnen ook in de spoelkopisolatie partiële ontladingen voorkomen. Behalve groefontladingen is er nog een defect, dat gepaard gaat met hoogfrequente signalen: een gebroken deelgeleider. Hierbij zijn de signalen gewoonlijk zeer groot t.O.V. die van groefontladingen. Ze worden veroorzaakt door vonken tussen de kapotte geleiders. Er is sprake van een snelle erosie en het duurt niet lang (uren - weken, geen maanden), totdat naastliggende deelgeleiders eveneens aangetast worden. Het is duidelijk, dat hier snel iets aan gebeuren moet. Deze aantasting van de staaf kan zich ook in de spoelkop voordoen.

2.4 Voortplanting van signalen De genoemde ontladingsverschijnselen uiten zich als elektromagnetische golven, die zich voortplanten door de isolatie van de staaf [7,19,20,25]. Hoe deze golf zich vervolgens, buiten het statorijzer, verder voortplant, is een vraag. Een gedeelte za] zich via de aansluitklemmen tot buiten de generator verplaatsen. Zowel in het sterpunt, als aan de hoogspanningsklemmen moet in dit geval de golf te meten zijn. Over de voortplanting van hoogfrequente signalen door een roterende machine bestaan verschillende publicaties [7,11,12, 13,14,21]. Vaak worden daarbij signalen geïnjecteerd 10 een staaf in een laboratorium-opstelling. Er zijn echter ook oJ Ol enkele papers die injectie in een generator o beschrijven [12,13,14]. Uit de experimenten __ blijkt, dat een sterke verzwakking optreedt, "" ""100 telkens wanneer de afgelegde weg een staaf F'G J UlAnV[ CHANGr 'N O[Trcno IIGllAl FOI IN)[CnONU [ACH llJlA iN fQ@IOQIHIMTOft"HOIMi langer is. Dit geldt met name voor de lel _ ......._ •• 17_ '" '1I1ClllMllC'l' ,. ~'IlIGMlCY_UA~.·"_ hogere frequenties, lagere frequenties worden minder verzwakt (zie fig.3). Van partiële ontladingen is het te verwachten, figuur 3: verzwakking geïnjecteerde pulsen bij meting aan dat ze zich het eerst/sterkst manifesteren, verschillende steven en bij 3 verschillende frequentiegebieden (uit 1141l daar waar de spanning het hoogst is: in de laatste staaf voor de aansluiting aan de hoogspannings-zijde. Dus als we het hoogfrequente deel goed willen meten, moeten we in de buurt van de hoogspanningsaansluiting blijven. I

1_~'OlNTS'I1WU"

~CM

- 6 -

11_..__

Hoe de signalen zich buiten de generator voortplanten, wordt uit de literatuur niet duidelijk. De verwachting is, dat aan de hoogspanningszijde het signaal zich, dankzij de grote capacitieve koppeling van railkoker naar statorijzer, de railkoker in beweegt (tig.4). figuur 4: voortplanting signalen. hoogspanningszijde Aan laagspanningszijde zullen stromen uit één fase zich, via de beide andere fasen en capacitieve koppelingen naar het statorblik, sluiten (tig.5). Het onderzoek zal moeten uitwijzen of deze voorstelling klopt.

~-~

2.5 Oo-line versus off-line

~--=-

]

Er worden gewoonlijk, voor het weer in bedrijf gaan na een revisie ook ontladingstests gedaan. Dit gebeurt om de conditie van de isolatie na te gaan. Hieraan kleven echter een paar nadelen. figuur 5: voortplanting signelen in het sterpunt De situatie komt namelijk niet goed overeen met het geval, dat de generator in bedrijf is. De mechanische, thermische en elektrische belastingen zijn compleet verschillend van de bedrijfssituatie. On-line metingen zijn daarom eerlijker, ze bieden een betrouwbaarder beeld. Een ander voordeel van on-Hne meten is, dat ontwikkelingen die tot een fout kunnen leiden, op de voet gevolgd kunnen worden. Tenslotte hoeft voor on-line metingen de generator niet stopgezet te worden, terwijl voor off-Hne metingen tenminste I dag (langer) uit bedrijf zijn vereist is.

~

2.6 Bestaande meetmethoden Momenteel bestaat er een aantal methoden, waarbij sprake is van h. f. metingen aan generatoren in bedrijf. Een aantal wetenschappers, onder meer van Westinghouse in de USA meet in de aardleiding van het sterpunt [3,4,6,9] met een hoogfrequente stroomtrafo (fig.6). Dit voorbeeld heeft navolging gevonden bij CEGB in Engeland [15]. Daar meet men echter met een stroomprobe de stroom door een rogowskispoel die aan de klemmen is kortgesloten. Bij dit soort metingen kan niet worden aangegeven uit welke fase een signaal afkomstig is, zelfs niet of het wel uit

10 50Q IftJUl Of RIdio HoiSt

t .....

2mH --i~

Delection

Relly

8

_er

su,.. R. F. Yol!l!le

Gruund

("O.D1uF 6lXlV

I I

l u.en

GentrllDr

lnnaol'1lllr

11t-----~9-..:.:N+-:~+--...::
figuur 6: meting stroom door aardgeleider (uit (3))

-7.

10 fWer Syslflll

de generator komt. Een andere methode, ontwikkeld bij KWU (Siemens) berust op meten via condensatoren die als~oofdfunctie hebben: het onderdrukken van hoogfrequente transiënten [23] (zie fig.7). Het systeem is gevoelig voor oppik in de lussen, mede gevormd door de meetdraden. Het blijkt namelijk, dat ook (telecommunicatie-)zenders in het meetbereik worden gedetecteerd [9]. Over de herkomst van het gemeten signaal (uit de generator relf1) is bij beide methoden weinig duidelijkheid. Men calibreert het meetsysteem met de generator uit bedrijf. Alles wat dan wordt gemeten, heet 'achtergrondruis'. Bij Ontario Hydro in Canada is voor waterkrachtgeneratoren een methode ontwikkeld, die gebruik maakt van capacitieve opnemers, gemonteerd in het 'ring bus' (verzamelrail) systeem. Met twee opnemers per fase, (l per parallelwikkeling), wordt gediscrimineerd tussen signalen van buitenaf en vanuit de generator. Een speciaal daartoe ontwikkeld apparaat registreert de pulsen. Dit systeem is zeer succesvol en wordt gebruikt door veel elektriciteitsbedrijven [1,2,5,8,10,17,20]. De ring bus van een turbinegenerator is echter te klein om hierbij op dezelfde wijze metingen te verrichten. Pogingen om in het railkokersysteem Qsolated fhase Bus) op gelijksoortige wijze te meten, zijn, naar eigen zeggen, gestrand op stoorsignalen (vonken) vanuit de IPB [22].

cv \

\

cp cy

~1

/ /

~I

I /

\

1 Auxil. power tran,tonne,

\ Main

L-...J-.+-l-e3---,.---~-+-+----1tran.tonner

L----l.-+--E=I-+--,.---.....,--....,

su'ge wave protec:tion capacitors

+--+---;----------High.trequencv ,..il1or

Peripheric diallnOl1ic: equipment

Broad·band

~-E~--t RF Monitor

figuur 7: meting via overspannings condensatoren (uit 123))

- 8 -

I

Er bestaan andere methodes, gebaseerd op metingen "dichter bij het vuur" [16,22]. Men profiteert dan van een betere signaal/stoor verhouding, dichter bij de bron is het signaal t.O.V. stoorsignalen van buiten relatief groter. Arbour [16] van het amerikaanse bureau of Reclamation bespreekt een opneemspoel in de generator, aan het uiteinde van een groef (fig. 8). Voor waterkrachtgeneratoren wordt melding gemaakt van een systeem, waarbij op de rotor een antenne meedraait [5]. Bij turbinegeneratoren ontbreekt voor een dergelijk systeem eenvoudig de ruimte. Een van de nieuwste ontwikkelingen, eveneens van Ontario Hydro, bestaat r stator Iron uit de toepassing van een Stator Slot CoupIer [22], een soort stripantenne front back die in de isolatie geplaatst wordt. 1/4" ferrite red clamping finger support coil ceil Partiële ontladingen worden zo vlak ring stainless steel bij de bron gedetecteerd. Deze sensor bracket heeft twee aansluitingen en vertoont RG 58 A/U sterke gelijkenis met een richtingskoppelaar. Er kan bij metingen AI'_ worden bepaald, wat de richting van het gemeten signaal is. Een nadeel dat echter aan deze opzet kleeft, is dat de sensoren in de stator zijn ingebouwd. sta1nless Dit kan alleen bij een nieuwe steel bracke generator, of bij een revisie, waarbij de afsluitwiggen verwijderd worden. Section A-~ Verder moet gegarandeerd kunnen figuur 8: inductieve opnemer aan het einde van de groef {uit (36)) worden, dat de sensoren op geen enkele wijze schade aan de machine zullen berokkenen. Installatie van sensoren in de stator is iets, waar men zeer huiverig voor zal zijn. Deze methode za] pas worden toegepast, wanneer die zich op langere termijn heeft bewezen, in het bijzonder voor wat betreft de betrouwbaarheid van de generator. Dit geldt natuurlijk ook voor de eerder genoemde opneemspoel. Omdat men toch nog iets verder van de staven af zit met de sensor, zal men weliswaar wat minder bevreesd zijn. Maar voor de verantwoordelijke voor de generator blijft het beangstigend.

r

In tabel I staan nogmaals de eigenschappen van verschillende meetsystemen.

-9 -

Tabel 1: kwalificering

van de verschillende meetsystemen frequentiegevoeligheid befeik

selectiviteit fase gen.

stoorgevoeligheid borstels

++

0

IPB '1

elet.bron

'1

'1

+

+

'1

+

+

+

0

'1

++

++

0

1 rf eardstroommeting - (Wèstinghouse)

+

+

1a • met rogowskispoel (CEGB)

++

+

2 ferriet antenne (Reclamation)

+

3 overspannings cand. (Siemens)

++

+

+

4 cap. opnemers ring bus (Ontario Hydra) (alleen waterkracht)

+

+

+

4e cap. opnemers IPB (Ontario Hydro)

++

+

5 Stator Slot Coupiers (Onterio Hydro)

+++

+

+/0

+

++

score:

7 0 + ++ +++

: : : : : :

onbekend slecht metig redelijk goed zeer goed

Het is duidelijk, dat aan de verschillende systemen nog het een en ander hapert. Slechts het SSC systeem scoort behoorlijk op alle fronten. Het feit dat dit systeem in de generator moet worden ingebouwd, kan echter van doorslaggevende betekenis zijn om het niet toe te passen. Dit onderzoek is gericht op de mogelijkheden om met sensoren in de IPB, zo dicht mogelijk bij de generatorklemmen en het generator sterpunt ontladingen te meten die uit de generator komen.

. 10·

3. Meettechnieken

3.1 Differentiërende sensoren Binnen de groep hoogspanningstechniek en EMC is ervaring opgedaan met metingen bij hoge spanning en in een elektromagnetisch lawaaiige omgeving. Daarbij wordt ook gebruik gemaakt van differentiërend/integrerend meten. Deze wijze van meten ligt voor de hand, als we ons realiseren, dat een aantal sensoren van nature een gedifferentiëerd signaal afgeeft. Ter illustratie beschouwen we eerst een capacitieve opnemer, daarna gaan we wat dieper in op een inductieve sensor, waarbij wordt nagegaan wat het effect is van variatie van de parameters R,L en C op de overdracht.

v·

+

Voor de capacitieve opnemer uit figuur 9 geldt de volgende overdrachtsfunctie:

I

sRCm H(s) = Vu = Vi sR(Cm +Cp )+ I

= Cm

S

C, s+_l_

Re,

Hier is Cp de parasitaire capaciteit, die altijd aanwezig is. Het kantelpunt is: Wc = lIRCt • In fig.9b. is gestyleerd het bodediagram voor het amplitudeverloop I H(s=jw) I afgebeeld. Tevens is te zien, wat er gebeurt, als verschillende constanten gevariëerd worden. figuur 9: a. capacitieve opnemer, b. bodediagram amplitudeverloop

De sensor vertoont een Ie orde hoogdoorlaatgedrag. Naarmate Cp groter wordt, verschuift Wc langs de grafiek omlaag (stippellijn). Wanneer echter Cm groter wordt, verschuift het schuine gedeelte in verticale richting. Het horizontale gedeelte ligt op Cm/Ct en schuift bij Cm toename mee met het schuine gedeelte, als Cp ~ Cm, het blijft echter vrijwel op zijn plaats, als Cm~ Cp' Dus in dit laatste geval is het, alsof de gehele grafiek naar links verschuift (onderbroken lijn). Dit is ook zo bij variatie van R, het kantelpunt verschuift dan in horizontale richting. In het gebied beneden het kantelpunt werkt de sensor differentiërend. Het aldus verkregen signaal kan worden opgenomen met een digitizer of een geheugenoscilloscoop voor latere bewerking (numerieke integratie). Het is ook mogelijk een integrator in de signaalweg op te nemen, om zo direct het oorspronkelijke signaal van de bron op een factor na te meten (binnen de frequentieband van het meetbereik). Dit is het differentiërend/integrerend meetsysteem [50,51,52]. Ook de inductieve sensor, een opnemer voor het H-veld dat veroorzaakt wordt door een stroom, heeft de eigenschap te differentiëren. Het vervangingsschema is afgebeeld in fig.W . • 11 -

Onbelast levert de spoel een uitgangsspanning M di , waarbij i de netto stroom is, die door

dl

de spoel omvat wordt. J?e uitgangsspanning wordt gemeten over belastings-weerstand R. Verder heeft de spoel een parasitaire capaciteit Cp naar aarde (of een afscherming). De overdracht van de te meten stroom naar de uitgangsspanning is: 1

r----------, rv-L~r__~-+

Vu _ Të Ms I..r 2 1 1 S +-s+RC LC Het betreft een 2e orde systeem met een banddoorlaat karakteristiek. De karakteristieke polynoom kent de

figuur 10: vervangingsschema inductieve sensor

volgende schrijfwijzen (zie bijlage 1):

De nulpunten van de karakteristieke polynoom zijn polen van de overdrachtsfunctie. Voor de demping en de kringkwaliteit geldt bij figuur 10:

r= _1_ JL 2R C

• Q- R

re. L

Er zijn drie

duidelijk onderscheidbare situaties: ten eerste een overgedempt systeem, 2 polen liggen op verschillende plaatsen op de reële as van het s-vlak. Er is geen overshoot of oscillatie in de stapresponsie. Vergelijking 1 is het eenvoudigst te hanteren, de polen liggen op s=-al en s=a2'

Het tweede geval heet: kritische demping, de polen liggen op één en dezelfde positie op de reële as. Alle 3 de vergelijkingen zijn te gebruiken, in vergelijking 1 zijn al en a 2 aan elkaar gelijk, in vergelijking 2 is w=O, in vergelijking 3 is dempingsconstante 1 en dus is wn=a. In de stapresponsie is overshoot mogelijk (zie ook bijlage 1), maar géén oscillatie.

r=

Tenslotte in geval 3 spreken we van een ondergedempt systeem. De polen zijn elkaars complex geconjugeerden, ze liggen op -a±jw in het complexe vlak. De stapresponsie heeft een trillingsterm die met een e-macht uitdempt. De radiaalfrequentie van de oscillatie is w, de tijdconstante van de e-macht is a. In dit geval spreekt men ook van een resonantiekring, de dempingsconstante is kleiner dan 1. Zie voor meer over poolliggingen en stapresponsies bijlage I. Voor waarden van kleiner dan 0,8 is er overshoot op de stapresponsie. Bij grotere demping wordt de ±5 % band rond de eindwaarde monotoon bereikt, hoe groter de demping, des te langer dit duurt. Vaak wordt bij regelsystemen een demping van Ihv2 aangehouden, want dit geeft een snelle staprespons met aanvaardbare overshoot.

r

r

- 12 -

3.1.1 Variatie van de parasitaire capaciteit Cp Wanneer de parasitaire C erg klein is, zodat het systeem sterk overgedempt is, gaat de overdrachtsfunctie over in: H(s) = sMR , wederom een I C orde hoogdoorlaatsysteem, met een sL+R

pool op s=- R . De tweede ~lligt dan zo ver weg, dat hij geen invloed meer heeft en is daarom niet langer interessant. De limietwaarde bij kleine C van de eerste pool is dus _ R . L

Als C groter wordt, schuiven de polen naar elkaar. Voor

C=-!::..-

4R 2

hebben we kritische

demping met dubbele polen op s = __1_ =- 2R. Het kantelpunt (-3dB) ligt op 1,3 R, hoger ~C L L dus dan in de situatie met C zeer klein. Door verder vergroten van C bewegen de polen het complexe vlak in. Bij een demping van Ihv2 blijft het systeem zolang mogelijk vlak en

r=

ligt het kantelpunt bij

Wc

=J2~ [27]. Bij nog grotere C en dus nog kleinere r wordt de

oscillatie in de stapresponsie steeds groter en dempt deze steeds langzamer uit. Let wel, wanneer de polen dicht bij elkaar liggen, of complex zijn, is het bij een differentiërende sensor niet mogelijk om (zelt)integrerend te meten! Het rechte gedeelte in de frequentiegrafiek is immers of klein, of het is er helemaal niet.

3.1.2 Variatie van de belastingsweerstand R

r.

Bij variatie van R verandert in vergelijking 3 alleen Stel de polen liggen in het complexe vlak. Kleiner maken van R (r groter) heeft tot gevolg, dat de polen langs de cirkel met straal WD naar het uitbreekpunt bewegen en vandaar van elkaar af over de reële as.

..

('

figuur 11: poolbeweging bij kleiner maken van R

3.1.3 Variatie van de zelf"mductie L Ga uit van ver uiteen liggende polen: IC pool -RIL, 2c pool op ongeveer -lIRC. Verkleining van L leidt tot vergroting van de modulus van de IC pool, dus tot verhoging van Wc. De polen bewegen naar elkaar toe, want hun gemiddelde (a) is onafhankelijk van L. Wanneer er kritische demping is geweest, bewegen de polen in verticale richting, bij constante a.

figuur 12: poolbeweging bij kleiner worden van L

- '3 -

In de formules en figuur 10 is M de wederzijdse inductie en L de zelfinductie van de sensor. Voordeel van een differentiërende sensor is de vergrote gevoeligheid voor hoogfrequente signalen. Dit levert een verbetering in de sIn ratio, de signaal-stoor verhouding. Zolang we beneden het (eerste) kantelpunt bliJven, meten we differentiërend. Willen we niet differentiërend en niet dli meten, dan zullen we ervoor moeten zorgen, dat ons meetgebied boven de kantelfrequentie ligt. In dat gebied hebben de sensoren een totale overdracht die vlak is, d.w.z. niet differentiërend en niet integrerend. Wanneer sensoren op deze wijze gebruikt worden, noemt men ze ook wel zelfintegrerend. 3.2 Eisen aan sensoren voor dit onderzoek De te stellen eisen voor onze sensoren voor wat betreft bandbreedte en gevoeligheid zijn: een bereik van 1 MHz tot minimaal rond 100 MHz en maximaal 1 GHz en een maximale gevoeligheid van liefst 1 VIV capacitief en 10 VI A inductief (verwachte signalen liggen in de orde van tientallen milliampères en enkele volten). Overigens is de ondergrens van 1 MHz geen absolute eis, maar eerder bedoeld als een richtlijn. Wel van groot belang is ongevoeligheid van het meetsysteem voor 50 Hz stromen en spanningen. We zullen de verschillende mogelijkheden met hun beperkingen achtereenvolgens de revue laten passeren. 3.2.1 Capacitieve sensoren Zoals getoond, heeft de capacitieve sensor een eerste orde overdracht. Om met een dergelijke sensor differentiërend te meten, moet het kantelpunt liggen boven wc =2...108 radIs. Bij belasting met 50 (} betekent dit voor Cl een maximum waarde van 31,8 pF. De gevoeligheid bij differentiërend meten is wRCm • Bij niet-differentiërend meten willen we het kantelpunt zo dicht mogelijk bij de ondergrens van ons bereik. Immers hoe hoger Wc, des te groter de verzwakking voor de 50 Hz hoogspanning. Een kantelpunt van wc =2'l1"106 rad/s geeft bij 50 (} belasting een totale capaciteit van CI =3,18 nFo Dit is een zeer grote waarde. De praktische uitvoering van de capacitieve sensoren is een gemodificeerde steunisolator in de railkoker. Deze moet nog worden ontworpen, maar simulaties met een finite element programma laten zien, dat de meetcapaciteit, die gehaald kan worden (bij uitvoering als een grote punaise tegenover de rail), op omstreeks 10 pF ligt. Om differentiërend te kunnen meten, mag Cp niet te groot worden (voor Cm = 10 pF geldt: Cp maximaal ongeveer 22 pF). 3.2.2 Inductieve sensoren Op twee plaatsen zullen inductieve sensoren worden geplaatst, namelijk aan de "koude" kant van de machine, in het sterpunt bij elk van de 3 fasen en aan de "hete" kant, rond de uitgangsklemmen. Bij differentiërend meten moet het kantelpunt boven 2...108 rad/s liggen. - 14 -

Dit betekent, bij SO 0 belasting, een waarde van L van minder dan 80 nH. Dit is een naar verhouding zeer kleine waarde. Bij een gewenste Q en t van Ihv2 betekent dit voor de parasitaire capaciteit een toegestane waarde van omstreeks 16 pF. Dit is een kleine capaciteit. Bij niet-differentiërend meten mag het kantelpunt bij 1 MHz liggen, wat resulteert in een zelfinductie van 8 JtH. Het einde van het meetbereik wordt gemarkeerd door het kantelpunt veroorzaakt door Cp en de belastingsweerstand. Voor 100 MHz mag Cp 31,8 pF bedragen.

3.3 Sensoren gebruikt in de loop van het onderzoek 3.3.1 Raamsensoren In de loop van het onderzoek zijn verschillende sensoren geprobeerd. r-r;===~ Eén idee was: plaats 2 raamwerksensoren tussen de kokers van het railsysteem (figuur 13, 14). Deze raamwerken meten de naar buiten doordringende fluxen t.g.v. de netto kokerstromen. Dit soort sensoren I--.. is gemaakt in twee afmetingen: 1 m bij 28 cm en SO cm bij 28 cm. Om ) het raamwerk heen is een brede geleidende strip geplaatst, om de figuur 13: uitwendige raam sensoren sensor af te schermen tegen E-velden. Deze strip is verbonden met de buitenmantel van de meetkabel. Het E-veld scherm zal weinig extra capaciteit naar "aarde" tot gevolg hebben. Immers dit scherm omvat vrijwel dezelfde flux en er is dus weinig E-veld tussen scherm en sensor. Echter, wanneer een E-veld op het scherm inkoppelt, gaat in het scherm een stroom lopen, die flux in de sensor veroorzaakt. Echt goed is dit scherm dus niet. De eerste resonantiefrequentie is bepaald en ligt voor de kleine sensor op 28 MHz, voor de grote op 13 MHz. Met deze sensoren zijn ook enkele metingen verricht in de Hemweg 6 centrale te Amsterdam (bijlage 3). Het blijkt, dat we op deze manier inderdaad hoogfrequente signalen meten. Netto stromen langs de middelste fase heen en door de beide buitenste terug, zullen in beide ramen spanningen induceren, die gelijk in amplitude zijn. Netto stromen door één der buitenste kokers heen en door de beide andere terug, zullen een groter signaal in de dichtstbijzijnde sensor teweegbrengen. " ' ....1 Op deze manier kan worden vastgesteld, uit welke fase het figuur 14: positionering raamsensoren signaal komt.

3.3.2 Grote uitwendige oppiklus Voortbordurend op dit idee is een sensor geconstrueerd, bestaande uit SO 0 coaxiale kabel, opgespannen in een rechthoekig raam (fig. IS). De binnengeleider dient als inductieve opneemlus. De buitenmantel is in het midden onderbroken, opdat evenveel capacitieve stroom linksom vloeit als rechtsom. Deze constructie heeft wel een extra Cp tot gevolg. Aan de ene kant is de binnengeleider naar de mantel verbonden. Aan de andere kant zijn mantel en - 15 -

binnengeleider geïsoleerd van elkaar doorgevoerd. De r---sensor wordt via een T-stuk aangesloten. , De lengte is precies 2 maal de hartafstand tussen 2 , , kokers. Wanneer de sensor over een koker gelegd I·'==----==r-'-~r wordt, zodat deze aan beide zijden evenveel uitsteekt (fig. 15), wordt flux van een stroom door die koker L.flg-u-ur-1--5-:o-p-bo-u-w-e-n-p-Iee-t-sin-g-g-ro-te-I-us-v-e-n-.i . omvat. Alleen stromen In . d e b'd met el e an dere k0 kers coex kabel veroorzaken flux in de sensor. Deze sensor is dus selectiever. Met 3 van deze sensoren zouden stromen gemeten kunnen worden op 3 verschillende posities. Met een matrixvermenigvuldiging kunnen de originele stromen weer worden achterhaald. In de GIS opstelling in het hoogspanningslab zijn wat metingen gedaan met een dergelijke sensor. Pulsen werden geïnjecteerd met een reed relais pulsbron (zie ook [49]). Echter, het signaal veranderde weinig of niets in sterkte, wanneer het vlak van de sensor evenwijdig aan de magnetische veldlijnen geplaatst werd, terwijl dan geen signaal meer te verwachten is. Het is duidelijk, dat deze soort uitwendige sensoren (te) gevoelig is voor andere (stoor)signalen van buitenaf. Daarom is geen verdere aandacht besteed aan uitwendige sensoren.

3.3.3 Inwendige oppiklus De aandacht is vervolgens verlegd naar sensoren binnen de behuizing van het GIS. Allereerst zijn pogingen ondernomen met een sensor met dezelfde opbouw als de uitwendige van coax. kabel, zoals beschreven in 3.3.2. Deze sensor liet de puls weliswaar zien, maar er ontstond tevens een aanzienlijke oscillatie. Nadat een ferrietring (Kitigawa,TR-28-16-20,materiaal 3A4) aangebracht was om de capacitieve common mode stroom over de aansluitkabel van de sensor naar de behuizing te onderdrukken, bleek inderdaad de oscillatie een stuk minder te zijn (fig. 16 en 17). In de beide metingen werd differentiërend gemeten met de digitizer en vervolgens werd het signaal numeriek geïntegreerd. Ook de zelfinductie van de sensor is gemeten en die bedraagt 0,7 IlH. 'fIltl1 ft?r",-Itp

No feorrltes

•.. ,-_......----==c..:.:...:;:==--

_ t C l a •• " I . . . . . ...,

'.' '.'

0.' -0.7

·D....

figuur 16: puls zonder ferriet

figuur 17: puls met ferriet

. 16 .

--,

Een nadeel van deze sensor is zijn geringe selectiviteit. Deze sensor is namelijk ook gevoelig voor andere nabije velden. De stroomsensor die hier niet gevoelig voor is, is de rogowskispoel.

3.4 Theorie rogowskispoeleo De standaard rogowskispoel bestaat in essentie uit een toroïdale wikkeling met een constante oppervlakte [dictaat MGK]. De drijvende spanning aan de uitgang kan worden berekend met behulp van de wetten van Maxwell. d~

Vu = LJ dt

q,. dq,

+-c,

I

eJ>;

dt

=

11

_ B.ndA

opp.w· diaci

Bij voldoende windingen (n windingen per lengte-eenheid) gaat de somterm over in een integraal. Wanneer de spoel een gesloten buis vormt, is deze integraal een kringintegraal over de flux omvat door de windingen over een stukje dl. De integratie grenzen zijn constant en de integrand continu, dus integraaltekens mogen verwisseld worden.

L eJ>i-fn Jf B.ndAdl = n JJllofH.OTdA Een oppervlakte integraal over fluxbuizen met doorsnede dA resulteert. De Ie wet van Maxwell zegt:

I

I"D.ndA

fH.az = f1.ïidA + ~ J

Dus uit de oppervlakte integraal komt: n

= totale omvatte stroom.

JfJloIoo1sdA

= nJloAI oms •

De tweede term van de uitgangsspanning van de sensor wordt veroorzaakt door het feit, dat de toroïdale wikkeling in feite ook I grote winding vormt. Als het axiale magneetveld ongelijk nul is, kan deze term worden vereffend door een retourgeleider door het centrum . dI OIDll van de torus terug te voeren. De uitgangsspannlOg wordt nu: Vu =JlcAn
. 17·

kantelpunt is de uitgangsspanning frequentieonafuankelijk, gevoeligheid MRJL=RlN. Dit geldt natuurlijk tot het punt waarop de parasitaire capaciteit van invloed wordt. Een paar opmerkingen: kantelpunt Wc variëert evenredig met de belastingsweerstand R van de sensor, zolang _1_

Re

~ R . Verder variëert Wc omgekeerd evenredig-met L en met -het aantal L

windingen in het kwadraat, bij gegeven afmetingen. Zoals gezegd geldt de overgang van som over de windingen naar integraal bij veel windingen per lengte-eenheid. Wanneer er weinig windingen zijn, is er toch een mogelijkheid om tot een redelijke schatting van de gevoeligheid te komen. De voorwaarde is dan alleen, dat de flux van winding tot winding weinig variëert. Dit is bijvoorbeeld altijd het geval, als er sprake is van cylindersymmetrie. 3.4.1 Meerwindingsrogowski Bij de meerwindingsrogowski met gering aantal windingen wordt de M, ten opzichte van de nog te bespreken éénwindingsrogowski, vergroot met het windingstal N. Dus bij differentiërend meten wordt de gevoeligheid vergroot met het windingstal. De zelfinductie gaat daarentegen omhoog met ongeveer Nl, mits de flux netjes opgesloten zit in de torus. Als dat niet het geval is, gaat door spreiding de zelfinductie nog harder omhoog. Bij nietdifferentiërend meten gaat de gevoeligheid er dus op achteruit, dan wordt deze gegeven door MR L en zakt dus met minstens lIN. Een ander punt van aandacht bij meerdere windingen, is dat de parasitaire capaciteit naar de omgeving stijgt, zeker wanneer de spoel is afgeschermd. Tenslotte gaan looptijdeffecten een steeds grotere rol spelen, naarmate er meer windingen zijn. Al met al wordt het frequentiegedrag voor hoge tot zeer hoge frequenties dus slechter, wanneer we meer windingen maken. Enkele van de in het onderzoek gemaakte rogowskispoelen lIJ. 1k hadden een zelfinductie van ongeveer 1 ]LH. .~ Bij differentiërend/integrerend meten wordt aan het einde van M ~: ~~50 de kabel, die met de sensor is verbonden, een integrator L--~-~~~--:---_--I .• .. . . figuur 18: djffentiërende 8ensor met aangesloten. DIt IS bI] voorkeur een passIeve mtegrator (EMC integrator beter en minder alineair). Het schema van het meetsysteem is dan zoals in figuur 18. De parasitaire capaciteit uit figuur IQ is weggelaten, deze veroorzaakt een derde kantelpunt boven de bovengrens van het horizontale gedeelte. De lage kantelfrequentie wordt bepaald door de integrator en ligt op 3,6 kHz, de eerste hoge kantelfrequentie wordt bepaald door RIL en ligt op 8 MHz. Voor een demping van l/iv2 geldt voor deze waarden van L en R een toegestane parasitaire e van ongeveer 200 pF.

. 18 .

Het bereik is duidelijk te laagfrequent. De enige zinvolle oplossing luidt: - verlaag het kantelpunt tot de ondergrens van het meetbereik door een grotere Ukleinere belastings R, dus niet-differentiërend meten; gevoeligheid MR. L De mutuele inductie M gaat omhoog, als L groter wordt gemaakt, door vergroting van het windingstaI N. Willen we het kantelpunt bij ongeveer 1 MHz, dan moet Longeveer 8 maal zo groot worden. We hebben danV8 keer zoveel windingen, dus M wordtV8 keer zo groot. De gevoeligheid gaat echter een factor VS omlaag. Als R kleiner wordt gemaakt, wordt de

Tabe' 2: waarden voor L en C en N bij verschillende belasting en kantelpunten op 1 en 100 MHz.

gevoeligheid evenredig kleiner. In beide gevallen wordt de invloed van de parasitaire RIO) MR/LIV/A) capaciteit verkleind, de polen komen in principe verder uit elkaar te liggen. In tabel 1,25 50 31 /8 40 8 1,6 10 159 18 0 / 55 2 zijn enkele waarden van L en de 0,8 0,38 5 318 13 toegestane Cp gegeven voor kantelpunten bij 1 en 100 MHz. Daarbij is voor L geen rekening gehouden met de extra flux in het middenvlak of t.g.v. de retourgeleider. Vergroting van L heeft echter ook vergroting van de parasitaire capaciteit zelf tot gevolg. Daarom zal vergroting van L niet tot grote verplaatsing van de verste pool leiden. De bovenste kantelfrequentie blijft dus ongeveer liggen. Wanneer we R verkleinen door toepassen van meerdere parallelle belastingen, waarvan het signaal bij de meetapparatuur weer wordt opgeteld, dan daalt wel het kantelpunt, maar blijft de totale output gelijk. Beschouw ter illustratie een rogowskispoel gemaakt voor dit onderzoek. Het betreft een vijf windingsspoel gewikkeld om een flexibele buis, diameter 8 cm., die gesloten een straal had van circa 20 cm. De geleider is een zelfklevende folie. De zelfinductie is zoveel mogelijk verkleind door toepassing van parallelle geleiders. De op deze wijze minimaal gehaalde zelfinductie is 0,7 Jl H. Toepassing van een retourgeleider had geen reductie van de zelfinductie tot gevolg. De reden hiervoor is waarschijnlijk dat tussen

1.1..---,------------,

I.'

-0.:.'

:::: . +----.-----r-----.----,.-.....---....---~____r____r_____l II

",a 'MI

figuur 19: signaal 5-turns rogowski met 4 parallelle windingen en ferriet

retourgeleider en spoel flux wordt omvat en daardoor wordt de zelfinductie weer vergroot (met circa 0,6 #LH). De netto flux door deze spoel omsloten bedraagt circa 5 nH maal de stroom (benaderd door de magnetische inductie • 19 •

in het midden van de buis maal de doorsnede van de buis). Bij vijf windingen betekent dat een minimale L (als gevolg van flux in de torus gevangen) van 125 nH. We zitten een factor 6 hoger vanwege flux door het binnenvlak (circa 0,4 ",H) en spreidingsflux, die niet door de torus gevangen is. Met dit soort spoelen zijn in het GIS metingen gedaan, waarbij het aantal (parallelle) windingen gevariëerdis, om te zien hoever -de L te reduceren is. De spreidingsflux is te verkleinen door toepassing van meerdere parallelle geleiders. Tijdens de metingen bleken er aanzienlijke common mode stromen te lopen over de aansluitkabel. Deze veroorzaakten resonanties in het meetsignaal. Na aanbrengen van ferriet om de aansluitkabel van sensor naar behuizing, was een aanzienlijk verschil te constateren: resonanties werden onderdrukt (fig. 19, 20 en 21). De common mode stroom zelf is echter nog niet geheel onderdrukt. Hieruit blijke de rol van de parasitaire capaciteit tussens sensor en geleider. We kunnen een schatting maken van de grootte van deze capaciteit, door de sensor voor te stellen als een strip rond de geleider van het GIS, met een breedte van 6 cm op een straal van 16 cm en bij een binnengeleider met straal 5 cm. De capaciteit hiervan bedraagt 2,8 pF. We hebben ook de common mode stroom van de sensor naar de GIS behuizing gemeten met een Ailtech stroomprobe. De puls van het reedrelais had een amplitude van 20 V en een stijgtijd van 5 ns. De top van de gemeten stroom is 16 mA. Een grove berekening met i =C dv , geeft: 4 pF. Geen grote afwijking dus van de schatting. Het verschil met meten met dt ferriet wordt ook duidelijk uit deze metingen. Met ferriet meten we namelijk een capacitieve piekstroom van 5 mA.

,. - r - - - . - - - - - - - - - - - ,

.,

., tlldt . . )

tIJd[ . . )

figuur 20: capacitieve common mode stroom, zonder ferriet figuur 21: capacitieve c.m. stroom: onderdrukking met ferriet

- 20 -

3.5 De eenwindingsrogowski Dit is een speciaal geval van de rogowskispoel. Als de situatie is als in figuur 22, kunnen we de omvatte flux berekenen. Het magnetisch veld t.g.v. een stroom in het midden, in verticale richting is

!

It:====::::::-

i 2'1'r .

r.

. dus De omvatte ft ux IS

•

hi hi r l ""o-dr = ""o-ln- . 2'1'r 2'1' ro

figuur 22: eenwindings rogowski

h r Daaruit volgt, voor de mutuele inductie: M =""o-In-l (= 7nH in dit geval).

21: r o

Wanneer er stroom in de sensor zelf loopt, ontstaat hetzelfde fluxbeeld in de torus. Dus L is gelijk aan M. De eenwindingsrogowski is niet gevoelig voor axiale velden, deze worden bovendien door kringstromen in tangentiële richting in de spoel vereffend. Een extra flux in het middenvlak wordt evenmin opgebouwd, alle flux zit in de torus gevangen en daarom is de zelfinductie zeer klein.

3.S.1 Effect van de capaciteit tussen sensor en geleider: aspecten van afscherming

o

_._-_._._._.-

b

-

-'-'-'-'-'-'-

c

_._._._._._.-

d

_._._._._._.-

figuur 23 '. b. c. d: invloed van de pleats van de spleet op meting van capacitieve stromen

Een punt van aandacht is de stroom, die door de sensor gaat lopen, als gevolg van capacitieve koppeling met de geleider. Door verstandige plaatsing van de spleet kan gezorgd worden, dat stroom, van een kant afkomstig, niet meegemeten wordt. Drie problemen kunnen worden onderscheiden: 1. Iemv =IacwClUl + Icap, de capacitieve stroom wordt ook omvat, door de eerlijk metende rogowskispoel, 2. VZB=VgCWeDJt+Zo maal deel(Icap), de capacitieve stroom loopt geheel of gedeeltelijk door de meetimpedantie, 3. VZB=VgewellSt+Vzar, de capacitieve stroom loopt over de meetkabel en zorgt voor inkoppeling via de transfer impedantie [dictaat EMc] .

. 21 •

Laat ons voor de gedachtenbepaling uit gaan van een net coaxiaal golfgeleidersysteem, met een binnengeleider met straal 7,5 cm en een buitenmantel op 52,5 cm van het middelpunt. Gevuld met lucht is de karakteristieke impedantie gelijk aan: .

.

Z =601n r _ = 1170. r_

Veronderstel dat daarin een sensor gemonteerd wordt met afmetingen als in figuur 22. De

. " .IS 2'lreo capaciteit van sensor naar bmnengelelder -l = 6,4pF. In ti19uur 23 zijn de vier ln~ r_

mogelijke situaties geschetst, bij twee verschillende spleetposities. De capacitieve stroom volgt vooral de weg van de minste impedantie. In situatie a is dat volledig de contour van de sensor, deze weg biedt geen impedantie voor de stroom, in het vervangingsschema kan een kortsluiting worden getekend. Als de sensor niet rechtstreeks 2v Ls verbonden is met de behuizing, kunnen we ons zorgen maken over ZB probleem 3. Het vervangingsschema wordt nu als figuur 24. De Cso extra zelfinductie, 4, gevormd door de kabel hangt af van de wijze figuur 24: sensor via • •• • meetkabel verbonden met waarop de kabel mantel vla een omweg met de behuIzmg IS behuizing verbonden. De capaciteit van sensor naar de behuizing, C.., is groot, hier zal, zeker voor hoge frequenties, een leeuwedeel van de stroom lopen. Door Lt en C.. wordt een resonantiekring gevormd. Resonantie kan op twee manieren worden voorkomen. Ten eerste door ferriet om de kabel te leggen met een complexe permittiviteit p.. Het imaginaire deel van p. zorgt voor dissipatie; het is alsof een weerstand in serie met de zelfinductie staat. De andere manier is het simpelweg kortsluiten van Csa, dan zijn we weer terug bij de begintoestand. Als de capacitieve stroom rechtsom om de sensor vloeit, wanneer die in de geleider van rechts afkomstig is, dan wordt deze door de sensor netto niet omvat (figuur 23 a.). De spoel meet dus alleen de gewenste omvatte stroom. Wanneer de stroom uit de andere richting komt, ziet het er plotseling anders uit (figuur 23 c). Als de stroom nu rechtsom gaat, dan wordt in de sensor extra flux opgebouwd. De zelfinductie L. staat nu dus parallel aan de meetweerstand. De stroom wordt nu bovendien door de sensor omvat. De totale omvatte stroom die nu gemeten wordt is: 1= I,cweast + Icap. De stroom lcap wordt gegeven door I

r

_

-r

= C dV , met V de signaalspanning. Neem een signaal aan dt

van 100 MHz met een amplitude van 2,5 V. De stroomamplitude door de golfgeleider is dan 21 mA. De piekstroom door de Cse bedraagt: 6,4'10,12'2,5'27'108 A= 10 mA. De piek van de capacitieve stroom zal samenvallen met het steilste punt van de gewenste stroom. De stroom zal via de zelfinductie vloeien, zolang deze de laagste impedantie vormt. Het ·22·

kantelpunt ligt (50 {} belasting) bij 7 Grad/s, dat is iets boven I GHz. Hierboven zal de stroom door de afsluitweerstand lopen (probleem 2: directe E-veld beïnvloeding). Dit is echter al het einde van het door ons gewenste meetbereik, dus we hoeven niet bang te zijn voor dit effect. In geval b is iets soortgelijks aan de hand als in geval c. Het verschil zit hem in de capaciteit van de sensor naar de omhulling. De capaciteit naar de omhulling wordt op dezelfde manier berekend als de capaciteit naar de geleider, deze is: 228 pF. Dat heeft als gevolg dat de resonantiekring, gevormd door La, Cp en Zo een natuurlijke resonantiefrequentie heeft van 126 MHz. Bij 50 {} belasting is de demping 0,06 (Q=9) en we hebben een sterk ondergedempt systeem. Het is duidelijk, dat we niet bang hoeven te zijn voor directe Eoppik, maar we moeten wel oppassen met resonantie. De remedie is een zwaardere belasting van de sensor, bijvoorbeeld 10 maal zo zwaar (5 0). De resonantiefrequentie wordt dan 105 MHz en de demping 0,55 (Q=0,9). De capaciteit van de sensor naar de omhulling zal ons ook parten spelen bij het meten, zoals al eerder geschetst. Tenslotte is er nog geval d. De capacitieve stromen worden kortgesloten en vloeien altijd via de laagst impedante weg (Z=O) terug. Netto wordt door de sensor geen capacitieve stroom omvat. Ook is er geen directe E-veld inkoppeling in de meetweerstand. Wel hebben we bij het meten opnieuw te maken met de grote parasitaire capaciteit, deze zorgt ook hier, dat de sensor een resonant 2 e orde circuit wordt. Bij afscherming van meerwindingsrogowskispoelen geldt voor capaCItieve stromen een soortgelijke gedachtengang als in het voorafgaande. Zorg dat deze door de sensor niet omvat worden, d.m.v. aarding aan bronzijde.

3.6 De sensor voor de Remweg 6 railkoker Voor metingen in de Hemweg 6 centrale te Amsterdam is een éénwindings Rogowskispoel gebouwd, volgens figuur 22 op blz.21. De spoel wordt gemonteerd om de hoogspanningsklemmen van de generator. De spleet is overeenkomstig situatie b in fig.23 geplaatst (generator als bron beschouwd). Dat wil zeggen: capacitieve stromen uit de generator worden omvat en dus meegemeten. De sensor is ongevoelig voor capacitieve stromen uit de railkoker. Deze sensor heeft een meetbereik tot ongeveer 100 MHz in zijn huidige uitvoering. Hij moet daartoe wel belast worden met een lagere weerstand dan 50 0, anders wordt hij resonant. De natuurlijke resonantiefrequentie ligt op 126 MHz bij de geschatte parasitaire capaciteit van 228 pF. Een en ander ligt wat gunstiger als de werkelijke capaciteit kleiner uitvalt. Een zelfde soort sensor met alleen andere afmetingen wordt in de drie fasen in het sterpunt ingebouwd. De parasitaire capaciteit van deze sensor laat zich moeilijker schatten.

- 23-

4. Conclusies en aanbevelingen Differentiërend meten? Het wel of niet differentiërend meten hangt samen met de karakteristiek van de sensor en het gewenste meetgebied. Bij ze orde resonante sensoren is differentiërend (of dl i) meten de enige mogelijkheid. Bij niet·differentiërende, zelfintegrerende systemen kunnen lage frequenties worden onderdrukt, door het kantelpunt zo dicht mogelijk bij de ondergrens van het gewenste meetgebied te leggen. Het sterker doorgeven van hogere frequenties, bij differentiërend meten, kan nadelig zijn, wanneer het frequenties betreft die het meetgebied te boven gaan. Deze frequenties kunnen namelijk invloed hebben op een actieve ingang van het meetinstrument. Bij differentiërend meten is het dus van belang om tenminste 1 extra kantelpunt te hebben aan de bovengrens van het meetgebied. Bij DIl meten zorgt de integrator voor een kantelpunt aan de ondergrens van het meetgebied. Vanaf het kantelpunt van de sensor valt de amplitude van het signaal dat de ingang bereikt, af. Overigens bestaat er, in verband met dli meten, de behoefte aan een hoogfrequente (tot 1 GHz) buffer-Hne driver om een passieve integrator niet te hoeven belasten met 50 O. H veld meetlussen Ten aanzien van H-veld meetlussen geldt: minimaliseer de capacitieve common mode stroom. Maak daartoe m.b.v. ferriet (let op !L(w» de aansluitkabel voor e.m. stromen hoogimpedant. meerwindings Rogowski spoelen voor hoge frequenties Een veelwindings Rogowski zal door de relatief grote L een laag kantelpunt hebben (enkele MHz). Deze spoelen kunnen daardoor voor hoge frequenties niet als differentiërende sensor gebruikt worden, kantelpunt ligt bij

~. Voor hoge

frequenties zal, daarom moeten worden teruggevallen op zelf-integrerend meten. Maak dan het aantal windingen zo gering mogelijk, zodat het eerste kantelpunt tegen de gewenste ondergrens ligt. Onderdrukking van lagere frequenties blijft dan gewaarborgd. De gevoeligheid wordt nu

M:,

dit is omgekeerd evenredig met

het windingstal. Ook wordt Cp verkleind bij verkleining van N. Meerdere parallelle windingen kunnen leiden tot een kleine L (grotere MIL), door reductie van de spreidingsflux. Terugvoeren van een retourgeleider om axiale gevoeligheid te reduceren kan een hogere zelfinductie tot gevolg hebben, als de flux tussen retourgeleider en buitengeleider groter is, dan die door het middenvlak van de spoel. De hierdoor ontstane zelfinductie kan dominant zijn bij rogowski spoelen met slechts enkele windingen. De bovengrens van het meetbereik wordt bepaald door de parasitaire capaciteit.

Kies het aantal windingen zodanig, dat het kantelpunt bepaald door de parasitaire - 24·

capaciteit op, of iets boven de bovengrens van het gewenste meetbereik ligt. Als dit kantelpunt onder de bovengrens van het meetbereik komt, kan de belastingsweerstand R worden verkleind, waardoor de kantelfrequentie weer toeneemt. Als de sensor niet is afgeschermd, hangt de parasitaire capaciteit ook af van naburig metaal en variëert deze dus met de plaatsing van de sensor.

éénwindings Rogowski, capacitieve oppik; afschenning van Rogowski spoelen, Als gevolg van de lage zelfinductie (geen extra flux door middenvlak, of als gevolg van de retourgeleider) van de eenwindings-rogowski zal deze altijd als differentiërende sensor gebruikt worden, ook voor hoge frequenties. Als nadeel geldt, dat de sensor zo geplaatst moet worden, dat de stroom door het middelpunt gaat. Een ander nadeel is de geringe gevoeligheid. Meerdere parallelle belastingen zijn mogelijk totdat het kantelpunt, bepaald door R en L op de bovengrens van het meetbereik ligt. Zwaardere belasting kan zelfs gewenst zijn om de invloed van de parasitaire capaciteit te verminderen, dit verschilt per situatie.. Indien nodig, kan het signaal, voor het bij de scoop komt, worden versterkt met een videoversterker, bijvoorbeeld een Philips NE 5205 met een bandbreedte van 600 MHz. Deze versterker moet geplaatst en ontworpen zijn met inachtneming van EMC regels. Het verdient aanbeveling om hier nog verder onderzoek aan te besteden. Als de richting, waaruit het signaal komt, bekend is, kan adequate afscherming hulp bieden, waarbij het scherm aan bronzijde geaard moet zijn. Dan wordt de capacitieve stroom niet omvat en heeft deze dus geen meetfout tot gevolg. Bij de eenwindings-rogowski is de plaats van de spleet ook bepalend voor de capaciteit Cp van de sensor naar aarde (retourgeleider te meten stroom). Door uitgekiende plaatsing van de spleet valt Cp te minimaliseren. Ongevoeligheid voor capacitieve stromen uit 2 richtingen kan gevonden worden in: een afschermende geleidende laag met hoge weerstand. Indien goed uitgevoerd is het resultaat in netwerktermen: een weerstand in serie met de koppel condensator. Als deze weerstand voldoende groot is, zal de capacitieve stroom aanzienlijk beperkt worden. Onderzoek naar deze wijze van afscherming zou nuttig zijn.

- 25 -

Epiloog Zonder twijfel is een afstudeerverslag een van de belangrijkste rapporten in iemands leven. Niet zozeer vanwege de hoogstaande wetenschappelijke kwaliteit, hoewel er natuurlijk een wetenschappelijke grondslag is. Ook niet omdat het zo fraai oogt, of omdat het zo dik is, of juist niet zo dik, of omdat het onleesbaar is voor hen, die in het vakgebied weinig onderlegd zijn. Neen, het grootste belang van een afstudeerverslag is dat, waar het voor staat: de voltooiing van de studie. Dit laatste verdient echter enige relativering. Het is namelijk niet zo, dat de afstudeerder, die zijn verslag af heeft, voor de rest van zijn leven op zijn lauweren kan rusten, integendeel. Het afstudeerverslag is een van de eerste uit een lange rij. Bovendien betekent het behalen van een titel niet meer, dan dat men in staat is, zich bepaalde denkwijzen, methodieken eigen te maken. Daarbij is het van belang om inzicht te ontwikkelen en creativiteit, hoewel dit niet altijd het geval is. De titel opent deuren naar verschillende wegen. Hoewel de afstudeerder de hoofdrolspeler is, in het voleindigen van de studie, zou het resultaat niet hetzelfde zijn zonder de hulp en steun van velen op de achtergrond. Het is geen stand-alone prestatie! Ook voor dit afstuderen geldt dat. Ik zou bij deze allen die op enige wijze hebben bijgedragen aan mijn studie, zeer van harte wiJlen danken.

- 258-

Lijst van gebruikte afkortingen:

h.f. lP8 SSC CEGB KWU H(s) Vu,V i

R C,Cm,Cp,C, L M H, H-veld E, E-veld IA. C

B

o W,WC,W D

r

Q d/i. 0/1 A

j

eP,ePi'cP. N

n 'Ir

r h I

hoogfrequent .. -isolated phase .bus: railkokersYl!t~g1 stator slot coupier: sensor die in de statorisolatie gemonteerd wordt Central Electricity Generating Board KraftwerkUnion overdrachtsfunctie in laplace domein uitgangs- respectievelijk ingangsspanning weerstand Capaciteit/condensator inductiviteit, zelfinductie mutuele inductie magnetisch veld elektrisch veld permeabiliteit pennittiviteit magnetische inductie; B = IA.H diélectrische doorlaatbaarheid; O=cE (kantel. natuurlijke) radiaalfrequentie dempingsconstante kringkwaliteit differentiërend/integrerend oppervlakte imaginaire eenheid; /=-1 magnetische flux (van winding i, door centrum c) aantal windingen windingsdichtheid (aantal windingen per meter) constante pi = 3.1415926535... straal hoogte lengte

- 26 -

Literatuur at1cortingen: ELINSL: IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ELECTRICAL INSULATION. canf.ree.of the EEIC: ELECfRICAL ELECTRONICS INSULATION CONFERENCE. proc. of the, IEEE EI: TRANSACTIONS ON ELECfRICAL INSULATION, IEEE PAS: TRANSACTIONS ON POWER APPARATUS AND SYSTEMS, IEEE EC: TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, IEEE EI-M: ELECTRICAL INSULATION MAGAZINE, IEEE EMDA: ELECTRICAL MACHINES -DESIGN AND APPLICATIONS. int. conf. on, lEE NORO IS: Nordiskt symposium om elektriska insuleringar.

Verwijzingen in de tekst: 1.

Kurtz, M. and StoDe, a.c. PartiaJ discharge testing of generator in.'iulation ELINSL 1978 Philadelphia PA JUDe 12-14 p73

2.

Kurtz, M. and Lyles, J.F. Generator insulation diagnostic testing PAS 98 1979 p1596

3.

Harrold, R.T., Emery, F.T., Murphy, F.J. and Drinkut, S.A. Radio frequency sensing of incipient arcing faults within large turbine generators PAS 98 1979 p17

4.

Emery, F.T. and Harrold, R.T. On-line incipient are detection in large turbine generator stator windings PAS 99 1980 p2232

5.

Kurtz, M. et al. Diagnostic testing of generator insulation without service interruption CIGRE paper 11-09 conf. 8-1980

6.

Emery, F.T., Lenderking, B.N. and Couch, R.D. Turbine generator on-line diagnostics using rf monitoring PAS 100 1981 p4974

7.

MiIler, R., Hogg, W.K., Black, LA. Measuring techniques ror identifying partial machines EMDA 1 1982 13-15 July lEE 1982 p221

~es

in stator windings of electricaJ

8.

Kurtz, M., Lyles, J.F., Stone, G.C. Experience with the CEA generator insulation partial discharge test EEIC th Chicago 111. October 3-6 1983 1'65

9.

Timperley J.E. Incipient fault identification through neutral RF monitoring of large rotating machines - 27 -

PAS 102 1983 p693 10.

Kurtz, M., Lyles, J.F., Stone, G.C. Application of partial discharge testiDg to hydro generator maintenance PAS 103 1984 p2148

11.

Malik, A.K., Cook, R.F. and Tavner, P.J. The detection of discharges in aJternators usiDg wideband radio frequency techniques EMDA 2 Sept. 17-19 1985 pl21

12.

Wilson, A., Jackson, R.J. and Wang, N. Discharge detection techniques for stator windings lEE proc. B 132 1985 p234

13.

Henriksen, M., Stone, G.C., Kurtz, M. Propagation of partial discharxe and white noise pulses in turbine generators EC I 19863 pi

14.

Wilson A. Stator winding testing ming partial discharge techniques EEIC 18 Chicago 111. Oet. 5-8 1987 p87

15.

Burn1ey, K.G. On-line monitoring of arcing and sparking phenomena in generators EMDA 3 Nov. 16-18 1987 lEE p38

16.

Arbour, R.e., Milano, B. Development of a stationary partial discharge monitoring system for high voltage rotating machine stator windings EEIC 19 Chicago 111. Sept. 25-28 1989 p212

17.

Tychsen R.C. InitiaJ experience in the Snowy Mountains scheme with the PDA and instaJlation and use of permanent capacitive coupiers on Hydro generators EEIC 19 1989 p219

18.

Basu, A. Prevention of slot discharge and on-line condition monitoring of high voltage machine insulation EElC 19 1989 p30S

19.

Bartnikas, R. Detection of partial discharges (corona) in electrical apparatus EI 25 1990 P111

20.

Colombo, E., Tortini, G. ENEL's experience with on-line partial discharge measurement on stator windings of large synchronow; hydro generators ELINSL 1990 Toronto June 3-6 pl20

21.

Geary, R., Kemp, 1.1., Wilson, A., Wood, J.W. Towarm improved caJibration in the measurement of partial clischarges in rotating machinery ELINSL 1990 pl41

22.

Sedding, H.G., Campbell, S.R., Stone, G.C., Klempner, G.S. A new sensor for detecting partial di'iCharges in operating turbine generators ·28·

IEEE Power Engineering Society Winter Meeting 91 paper WM 065-3 EC 23.

Wichmann, A., GtÜnewald, P., Weidner, J.

On-line monitoring (or incipient (ault detection in HV equipment 6 dl International symposium on High Voltage Engineering New Orleans 1989

24.

Wichmann, A.

Stabwicklungen Uit: HerstelJung der WickJungen Elektrischer Maschinen Springer Verlag WieD 1973, ed. H. Sequenz. 25.

WilsoD, A.

Slot discharge damage in air cooled stator windings lEE Proc.-A Vol. 138 00.3, May 1991

Relevante Literatuur statorisolatie, niet geciteerd: 26.

Kurtz, M. and StoDe, O.C.

In-service partial discharge testing of generator insulation EI 14 1979 p94 27.

Emery, F.T. et al.

On-line monitoring and diagnostic systems (or generators EPRl NP-902 1979 final report Palo Alto CA 28.

Ooffaux, R. A new electrical metrology of HV insulation of rotating machines ELINSL 1982 Pbiladelphia PA June 7-9 p3

29.

Timperley, J.E.

Detection of insuJation degeneration through electrical spectrum anaIysis EEIC 161'60 30.

Wichmann, A.

Evaluation of rotating machinery insulation by partial discharge pulse testing EEIC 16 p271 31.

Smith, J.W.R.

Some lldvantages in eJectrical diagnostic

testi~

of generators and large ac motors

EEIC 17 Boston MA Sept. 30- Oct.3 1985 32.

Kelen, A.

Diagnostics of rotating machine insulation Nord IS 19869-11 juni Hanaholmeo 33.

Emery, F.T., Harrold, R.T.

Radio frequency rfSponse of a large turbine generator stator winding EC 1 19862 pl72 34.

Yosbida, H., Umemoto K.

InsuJation diagnosis for rotating machine insulation EI 21 1986 pl021 35.

Harrold, R.T., Emery, F.T.

Radio frequenty diagnostic monitoring of electrical machines EI-M 2 1986 pl8 - 29 -

36.

Tavner, P.J., Gaydon, B.G., Ward, O.M. Monitoring generators and large motors lEE Proc. B 133 1986 p9

37.

Bartnikas, R. A eommentary on partial discharge measurement and detection EI 22 1987 p629

38.

Yoshida, H., Umemoto, K., StoDe, O.C., Gupta, B.K., Lloyd, B.A. Discussion on (34] EI 22 1987 p527

39.

Rabach, 0., CoDtin, A., Tosato, F. The meaning of partial discharge pattern detection in ae rotating electrical machinery windings EEIC 18 Chicago lil. Oet. 5-81987 p7

40.

Kemp, 1.1., Gupta, B.K., StoDe, G.C. Calibration difficulties associated with partial discharge detectors in rotating machine applications EEIC 18 p92

41.

Lyles, J.F., Stone, O.c., Kurtz, M. Experience with PDA diagnostic testing on hydraulie generators EC 1988 p824

42.

Stone, O.C., Sedding, H.G., Lloyd, B.A., Gupta, B.K. The ability of diagnostie tests to estimate the remaining lire of stator insuJation EC 1988 pS33

43.

Sedding, H.G., Stone, O.C. A discharge locating probe for rotating machines EEIC 19 1989 p225

44.

Culbert, 1., Sedding, H.O., Stone, O.C. A method to estimate the insulation condition of high voltage stator windings EEIC 19 1989 p236

45.

SOOding, H.G., Stone, G.C. A discharge locating probe for rotating machines EI-M 5.5 1989 p14

46.

Mohammed, O.A., Mundulas, J.M. hnprovements in re mOlÛtoring system on generators EC 1989 p231

47.

Boseolo, A., Contin, A., Rabach, 0., Tosato, F., Cimbrico, P.L. A monitoring and diagnostie technology pdad detection and anaIysis for HV generators ELINSL 1990 p137

48.

Fuhr, J., Haessig, M., Fruth, B., Kaiser, T. PD fingerprints of some high voltage apparatus ELINSL 1990 p129

Overige literatuur:

. 30·

49.

Bakleer, M.F.J. Onderzoek naar hoogfrequente sensoren turbogeneratoren Afstudeerverslag EH.9I.A.113 HBO

voor metingen aan partii!le ontladingen in

50.

Minkman, J.A. Een differenti&ende/integrerende meetmethode voor spanning en stroom in 50 Hz systemen Afstudeerverslag EH.82.A.66

SI.

van Heescb, E.J.M., van Rooij, J.N.A.M, Noij, R.G., van der Laan, p.e.T. A new current and voltage measuring system; tests in a 150 kV and 400 kV GIS 5'" International Symposium on High Voltage Engineering, Braunscbweig aug. 1987.

52.

van Heescb, E.J.M., van Deursen, A.P.J., Houten, M.A., Jacobs, a.A.p, Kersten, W.FJ., van der Laan, p.e.T. Field Tests and Response of the Dil H. V. measuring system 6'" International Symposium on High Voltage Engin~ring, New Orleans, 1989.

Algemene Literatuur: Dictaat EO I nr.5691 door: prof.ir. M. Antal; bij hoofdstuk 1. Dictaat EMe door: dr. A.P.J. van Deursen en prof.dr.ir. P.C.T. van der Laan; bij hoofdstuk 2,3. Dictaat MOK or.5572 door: dr.ir. E.J.M. van hoofdstuk 3.

H~sch,

- 31 •

E.J.M. en prof.dr.ir. P.C.T. van der Laan; bij

Bijlage 1: 2° orde systemen

Overdracht en responsie Tweede orde systemen worden beschreven. met 2"

ord~

differentiaal vergelijkingen van de vorm:

waarin y(t) de responsie van het systeem is op excitatie r{t). De totale responsie y{t) bestaat uit de responsie op r(t) (particuliere oplossing), plus een deel afhankelijk van beginvoorwaarden (homogene oplossing). Laplace transformatie en verzameling van termen levert:

Y(S)I~

De overdrachtsfunctie is: T(s)=-R(s)

met wortels (=polen overdrachtsfunctie)

b s ID+.. +b,s+b = ~lD-...,._'--';_"':'o be~. S2+818 +110

en bet systeem heeft als karakteristiek

-a ± la\2-48o

s1.2 = _,;.,'-::--_....:. 2

Als de wortels verschillende reële getallen zijn (in een fysisch systeem negatiet), dan is het natuurlijke deel van de responsie (dat de eigentrilling van bet systeem weergeeft) als volgt te ontbinden: Y(s)= teorde polynoom s 2+als+80

dit is in bet tijddomein:

=

teller =~+ ~ (S-SI)(S-S2) S-Sl S- S2

y(t) =K,e'·I+Kzea"

Zo'n systeem heet overgedempt. Voorbeeld: T(s)=

1 , excitatie met stap: R{s) =.!. S s2+2.!.s+1 z

Responsie: Y(s)-

I 11 1 -3 , =_+_3 s{s+2)(s+.!.) s s+2 s+.!.

1

2

2

'I

y{t)=l+.!.e-2t-~e-~

3

.

3

figuur 1: steprosponsio, overgedempt

De polen reflecteren de kantelpunten in de frequentieresponsie. Algemeen ziet deze er als volgt (gestyleerd) uit voor een 2" orde laagdoorlaatsysteem (figuur 2): dB

Voor een band-, of boogdoorlaat systeem met I dezelfde polen moet de overdrachtsfunctie met s, respectievelijk S2 worden vennenigvuldigd. Dit houdt in, voor het frequentiedomein, bij weergave met log-log schaal: optelling met w dan wel W2 (figuur 3).

(J

+--------.

-20

40

40 dB/"ec

20

-40 -60 -80

0.01

0,1

1

10

'00 1000

-"

figuur 2: frequontieresponsie 2· orde IS8gdoorls8t filter

·32 -

figuur 3: frequentieresponsie W,

w2

Bijlage 1: 2- orde systemen Als de karakteristieke wortels aan elkaar gelijk zijn, is de natuurlijke responsie: dB

Y_(s):::

I

teller ::: teller , y(t):::Kle·.I+~te'" s2+a,s+1Io (S-S,)2 .

0+-----. -20

-'0 -60

-BO

Zo'n tweede orde systeem beet kritisch gedempt. figuur 4: frequentieresponBie kritisch gedempt

Voorbeeld:

T(s)"

4

, stapresponsie (zie ook figuur 4):

8 2 +4s+4

1 2_ Y(s)= _4 _1 =_-_-_

S(S+2)2

s s+2 (S+2)2

y(t)=1-e-Jl -2te-Jl

Als de wortels complex zijn, zijn re elkaars complex geconjugeerden. Natuurlijke responsie: teller (s+a+jw)(s+a-jw)

teller figuur 6: staprasponsie kritisch gedempt

y(t) =Ae-olcos(wt-~) Zo'n systeem heet ondergedempt. Voorbeeld:

T(s) =

200 s2+205+200

stapresponsie: Y(s) =

zoo

_1

s(s+lO+lQj)(s+lO-lOj)

I

I'

ï-?

-8- s+lO-lOj

I)'

'ï+?

s+IO+lOj

y(t) = l-J2e-IOtcos(IOt-!.?l") . 4

Een andere beschrijving van bet karakteristieke polynoom is met de figuur 6: stapresponsie ondergedempt natuurlijke oscillatie radiaalfrequentie WDen de demping(-sverbouding)

t: 8 2+a,8+1Io =s2+2tWDS+W; .

De verschillende constanten kunnen in elkaar overgaan:

s2+2as+a 2 +w 2:::s 2 +Ztw s+w

2

•

ft

...

a=tw 2 w• . w:::Jt-t {

In figuur 7 zijn de poolliggingen in het s-vlak getekend bij de verschillende situaties. Voor 0< t< 1 is het systeem ondergedempt, voor t= 1 kritisch gedempt en voor t> lovergedempt. In figuur 6 is t gelijk aan 1#/2. Figuur 8 laat zien wat er met de staprespon8ie gebeurt bij verandering van de demping. In figuur 9 wordt dat getoond voor de frequentieresponsie.

figuur 7: poolliggingen onderscheidbere situaties

- 33 -

bij

de

drie

Bijlage 1: 2" orde systemen ylll

figuur 8: genormaliseerde stapresponsie 2· orde systeem bij varietie demping ., 5 ~--+--+-+--+...L.i+1~=::::J~~:..t-+--1+f-++---!---

.'0 r--j-t-H-H1J:lt:::::=t .5

r----t---t--r:::!2~~===-1

o db f--

-II!!!!!II!!!!I ~~+l::1è~q;~rH-+-++-t+--t--

-i--+-+--+R"~~

··5 I - -

-10 I--+----i-t-+-+-t+t+---:>o.,; -20 ~-""""'---i--+-++H-H---F"f--I~-+++++---+--

I

0.1

0.2

0.1

0'2

0.30.4

0.6 0.8 I

0.30.4

0.60.8 1

-

J

u/GJIf

fjguur 9: genormeliseerde frequentieresponsie 2· orde laagdoorlaat systeem bij veriatie van de demping

Toepassing elektrische netwerken Deze theorie kan toegepast won.ltm op elektrische 'l! orde netwerken. Voor ons interessant is het vervangingsschema van de rogowskispoel (figuur 10). De overdrachtsfunctie van de te meten stroom naar de uitgangsspanning is: 1 LC

V -1-" "'--:---....,--Ms . De dempingsconstante is 1 1 s 2 +_s+_

RC

lff

L

VI·

M

~~
figuur 10: tweede orde LRC circuit

r=- . Als het 2R C

LC

systeem ondergedempt is, spreken we ook wel van een resonante kring. Een veel gebruikte grootheid in de elektrotechniek voor karakterisering van resonantiekringen is de kringkwaliteit

Q cR

I~

(parallelresonantie). Deze is de verhouding tussen de maximaal opgeslagen energie en de per periode gedissipeerde energie. Het is duidelijk, dat de kwaliteitsfactor en demping direct verband met elkaar hebben: Q '"

2r1 . Een grote Q correspondeert met een kleine demping en m.m. een kleine Q met een grote

demping. Literatuur: Elektrische ndwèrken, H.l. Bulterweck, 1974, Het Spectrum, Utrecht. Design of feedback control systems, Hostetter G.H., Savant, C.L., Stefani, R.T., Holt-Saunders 1982 New York. -34-

Bijlage 2: bediening digitizer Digitizer bediening Met het programma "dig.exe" kan data uit de digitizer naar de pc getransporteerd worden. Van de pc kan het vervolgens op disk worden geschreven. Gestreefd is naar een ZD logisch mogelijke bediening. Daarom is afgezien van mogelijkheden om de digitizer via de computer te besturen. Het opnemen van data en wegschrijven op diskette verloopt in de volgende stappen: - Zet de digitizer in tv-mode. - Stel hem in, zodat er een gewenst plaatje op bet tv beeld komt. Pas op om de intensiteit van de straal niet te oversturen. - zet de digitizer in digitize mode. Iedere keer wanneer de dig toets wordt gedrukt, slaat de digitizer data op. Op het scoopbeeld zijn twee parallelle lijnen te zien. De uiteindelijke data wordt gevormd door voor ieder horizontaal pUDt het gemiddelde van de twee lijnen te nemen. Maak de afstand tussen de 2 lijnen zo klein mogelijk door aan de intensity knop te draaien. Zorg echter, dat de lijnen niet verbrokkelen. - Kies keuze 1: ·data van digitizer naar computer". De 2 lijnen worden nu 1 lijn, dit is de uiteindelijke data. De data is nu in het computergeheugen getransporteerd. De digitizer staat in remote mode en reageert niet op de knoppen tot afwikkeling van de volgende vraag: ·write to disk?". - Antwoord 'n' als het plaatje niet als zodanig hoeft te worden bewaard. Er wordt teruggekeerd naar de beginstatus. - Antwoord 'y' als het plaatje wel bewaard moet worden op disk. De computer vraagt nu om de filenaam. Voer die in. Het programma is beveiligd tegen het per ongeluk overschrijven van een bestaande file. Vervolgens vraagt de computer om de waveform id. Hier kunnen tot maximaal 32 tekens worden ingevoerd met extra gegevens over de meting. Voorbeeld:"1. input 21 0 50V sensA". De data wordt weggeschreven naar de drive van waaruit "dig" werd opgestart (gewoonlijk b:). -De digitizer kan weer bediend worden. Naderhand kan de data in Vu point worden gelezen en

~werkt.

Opstarten: stop de disk met het programma in drive a:, datadisk in b: en reboot de computer (ctrl-alt-deIJ. Een autoexec.bat file wordt nu gestart, na invoeren van tijd en datum wordt b: de actieve drive en vandaar wordt het programma opgestart. Data wordt naar b: weggeschreven.

NIET DOEN !!!;- settings veranderen na digitize operatie en voor transport naar de computer. De data krijgt dan de verkeerde schaalfactoren mee. - Meten over ingang B van de 2 kanaals ingangsversterker. Hiervan krijgt bet programma de verticale schaalfactor niet binnen. Dit resulteert in hele kleine amplitudes in Vu-point: factoren 10-300 die nergens op slaan. Kort samengevat: digitizer tv, V/div, time/div, intens dig,

"I. dig > > comp" "Write to disk?" 'y' "filename" ·wfid"

·35 -

Bijlage 2: programmering digitizer Hints for programming of the

eEe pc488 card in the C programming language.

The functions RECVA, XMITA, OMA need_ the array to be operated upon, to start at an even adress in memory; 4 lowest bits = O. This may be achieved with 'gpibseg' and declaring the array 16 bytes longer than wanted. gpibseg(array,&seg,&indexl puts the segment of 'array' in seg, to be used by the data transfer routines and gives an index to 'array', such that array[index] is the first actual data element. Routines used by the program: mkhdr(header ·char,filename ·char,scale ·char) • writes header data to 'header' . These data consist of: time and date, filename, waveform id, scalefactors. Puts the word 'CURVE' at header(256). This function is compiled and needs only to be linked with the calling program. getfilename(fn • char) - gets a filename from the user, checks for existence of the file, returns if nonexisting, asks wether to overwrite or not if existing. If overwriting is not wanted, the seQuence is repeated. In the end the filename is at fn, with extension ".WFM". It does not check for an extension within the first 8 characters. int getdata(cm(} char, data ·char,seg ·int) - gets data from digitizer and puts it at 'data'. 'data' must be an even adress, 4lSB=0. Returns status, if anything went wrong, status is uneQual to zero. int chwf(wf ·char) • puts wfdata in normal pc format: low byte first. Checks checksum at the end of the data. Returns (checksum = checksum + checked data) = 0 if all was correct.

Other remarks of errors encountered: The file written by the program has a ".WFM" extension and can be read by vu-point directly. This file has to be written in binary format, otherwise a Iinefeed (ascii 10) is put after every carriage return (ascii 13), even if a part of memory is eopied to disk. Scalefactors of the B input of a two channel input unit are not read by the program. It is advised to use input A only, the apparatus cannot sample two signals at the same time anyway. Do not mess with the controls, after data was digitized, but before transferring it to the pc. Ooing sa will result in erroneous scalefactors.

literature: The C programming language, 2 nd edition 1988, by Kernighan Prentiee Hall, New Jersey. CEC pc < > 488 manual Tektronix digitizer AD7912 manual

·36·

a.w. and Ritchie,

O.M.

Bijlage 2: programma digitizer #include < stdio.h > #include <string.h> #include < ms-c488.h > int mvaddress = 21 ,control = 0; char WFS[)= "MTA REN LISTEN 4 CMD 96 LLO DATA'ATC;REA ATC;'END MLA TALK 4 CMD

96"; char SCS[J="MTA LISTEN 4 CMD 96 DATA'REA SC1;'END MLA TALK 4 CMD 96"; int GETDATA(char cm[],int *seg)

{ int status,l,cnt = 1032; transmit(&status,em); if (!status) recva(&status,&I,&cnt,seg); if (status & = 311 printf("\nstatus error; status = %d ,status); return status; R

} int CHWF(ehar *p)

{ int cs =O,i; char h; ehar ·cp; es = p[ 1] + p[2] + p[ 1027]; for(i=3;i<1027;i+ =2)

{ cs+ =h=p[i]; cs + =p[i) =p[i + 1]; p[i + 1) =h; cs& =255; } return cs; } void dumpstream(void) { while(geteharl)! = '\n'); } void getfilename(char fnm { char c; FILE *fp; for(c='n';c= ='n' I1 c= ='N';)

{ c=O; printf("filename? "); gets(fnl; strncPv(fn, fn,81; streat(fn, " .wfm"); '·check existence·/ if ((fp =fopen(fn, "r"))! = NULLl{ fclose(fp); printf("\a\nWarning !! file exists! Overwrite? [YIN]"); while((c = getcharOI! = 'n' && c! = 'N' && c! = 'V' && cl dumpstream() ; ·37·

='V');

Bijlage 2: programma digitizer

} }/~for*'

-

return;

} main ()

{ char c,a; int st,cs,i,indx,wfseg,scseg; char datablk[ 131 O),scspace[48]; char fn[ 12]; char *header, *wf, *sc; FilE *fp; '* init *' initialize(&control, &myaddress); wf = databIk + 261 ; gpibseg(wf,&wfseg,&indx}; wf+ =indx; header = wf-261 ; gpibseg(scspace, &scseg, &indx}; sc = &scspace[indx]; I*main loop*1 while (1) { transmit(&st,"MTA DCl GTl"); printf("\nl. digitizer > > computer\n2. computer> > disk\n"}; c = getchar(}; dumpstream (); switch(cl{ case '1': memset(sc,O,32};I*c1ear sc *1 if (st=GETDATA(WFS,&wfseg)) break; printf("data captured\n"}; if (st = GETDATAISCS,&scseg)) break; if (cs = CHWF(wf)) {printf("\achecksum error");break;} printf(" %s" ,sc}; printf("write to disk? [y'n]"}; while((a=getchar(}}! ='y'&& a! ='Y' && al ='n' && al ='N'); dumpstream(}; if (a= ='n' I1 a= ='N') break; case '2': getfilename(fn}; mkhdr(header,fn,sc); fp =fopen(fn, "wb"}; if lfwrite(header, 1, 1289,fp} = = 1289) printfl"\nok\n"); else printf("\n\adisk 1/0 error I\n"); fclose(fp); }/*switch* , }'*while*' }'*main*'

- 38 .

Bijlage 2: programma digitizer #include #include #include #include

< stdio.h > < string.h > < stdlib.h >

void mkhdr(char ·hdr,char fn[],char sfs[)) {/·make header of wfm file to be written·1 time_t tim; char hs[80]; char ·hp; float xincr, ymult; memset[hdr,0,256); time(&tim); strcpy(hs,ctime(&tim)); strcpy(hdr,fn); strcat(hdr, ";.); if Ihs[S]! ='0') strncat(hdr,&hs[8l,1); strncatlhdr,&hs[9], 1); strncatlhdr,&hs[4],3); strncat(hdr, &hs[22],2); strcat(hdr," @ a); strncat(hdr,&hs[ll ],8); strcat(hdr, "'r'nWFMPRE WFlO:'·"); printf("'nenter waveform id (max 32)\n"); gets(hs); strncatlhdr,hs,32); strcat(hdr, "'" ,NR.PT:512,PT.OFF:0.00E + OO,PT.FMT:U,XUNIT:SEC,XINCR:"); ymult = atof(strchr(sfs,' + 2)/128; xincr = atof(strrchr(sfs,' 1') + 2)/51 .1; sprintf(hs," %E" ,xincr); strncat(hdr,hs,strlen(hs)-3); strncat(hdr, & hs[strlen(hs)-2],2); strcatlhdr," ,YMULT:"); sprintf(hs," %E" ,ymultl; strncat(hdr,hs,strJenlhs)-3); strncat(hdr, & hs[strlen (hs)-2l, 2); strcat(hdr,", YOFF:O.OE + 00, YUNIT:VOLTS,ENCOG:BINARY,BIT/NR: 16,BYT/NR:2,\r\n\r\n"); strncpy(&hdr[256l, "CURVE" ,5);

n

}

- 39-

Bijlage 3: metingen Hemweg met raamsensoren Tijdens een expeditie naar de Hemweg 6 centrale, die bedoeld was om 50 Hz stromen te meten, is onder meer met behulp van raamsensoren tussen railkokers geprobeerd om hoogfrequente signalen te meten. Er werden meerkanaals metingen g~daan met de Nicolet scoop, maar deze had, naar later bleek, tijdsverschillen tussen de ingangen. Bovendien waren de meetkabels daarbij niet -afgesloten- met hun karakteristi~)çe impedantie. Aanzienlijke oscillaties in deze metingen kunnen daardoor verklaard worden. Er zijn ook een paar metingen gedaan met de digitizer, deze heeft een 50 {} ingangsimpedantie. SignaaItjes die op partiële ontladingen kunnen duiden werden daarbij gemeten. Deze zijn in de volgende grafieken afgebeeld, de eerste twee afbeeldingen zijn dichtbij de generator opgenomen, de volgende wat verder weg. Bij deze verdere is duidelijk een soort reflectie zichtbaar. De verticale lijn op ongeveer 3/4 van de tijd wordt veroorzaakt door een defect in de digitizer. 8.1

8.85

E g

8.8

-8.85

8.8.

25.8n.

58.lIna TIME

8.815

•• 85

•. 825 00

!:A 0 :>

8.8

-1.825

-8.e5 11.8.

8.825

8. 8l---L+--Hl--f---t--+\-t-1It;-ti-t'-tjr-~l-n

-8.1125

8.e.

- 40 .