Contribution à l'amélioration de la méthode en ligne de mesure de champ électrique pour détecter la présence de défauts internes au sein des isolateurs composites

L’utilisation des isolateurs composites dans les réseaux aériens de transport d’énergie électrique s’est accrue ses dernières années. Il devient alors important d’avoir une bonne connaissance de tous les phénomènes liés à leur exploitation afin de garantir leur bon état pour éviter toute défaillance qui entraîne une interruption de la fourniture en énergie électrique. En outre, les équipes de maintenance qui installent et remplacent régulièrement des isolateurs composites sur les lignes aériennes de transport d’énergie électrique ont besoin d’obtenir des informations pertinentes sur leur état de dégradation avant d’effectuer des travaux. Cela passe par la mise à disposition de méthodes qui permettent de détecter le plutôt possible les défauts sur les isolateurs composites. L’objectif général de ce travail de recherche est de mener en premier lieu des études numériques pour étudier l’influence des défauts internes au sein des isolateurs composites sur la distribution du champ électrique. Les défauts internes constituent la deuxième cause de défaillance des isolateurs composites. La détection précoce des défauts internes contribuera à garantir la fiabilité des réseaux d’énergie électrique et la sécurité des opérateurs pour les travaux en ligne. La validation expérimentale de ce projet de recherche, a été réalisée avec un capteur électro-optique (EO) qui permet de mesurer de manière déportée et ponctuelle deux composantes perpendiculaire du champ électrique. Aux meilleurs de nos connaissances, le capteur EO n’a encore fait l’objet d’aucune application à la détection des défauts internes au sein des isolateurs composites. Dans un premier temps des études numériques basées sur l’utilisation des éléments finis à travers le logiciel Comsol Multiphysics ont été menées avec des modèles numériques tridimensionnels d’isolateurs composites utilisés aussi bien dans le domaine de la distribution que du transport de l’énergie électrique. Les défauts internes ont été modélisés sous la forme de cylindres semi-conducteurs et positionnés conformément à la majorité des observations réalisées sur le terrain. Dans un second temps, des études expérimentales ont été menées. La mesure du champ électrique a été réalisée avec un capteur électro-optique (EO. Étant donné la difficulté à créer un défaut interne au sein d’un isolateur composite, un prototype d’isolateur composite 69 kV démontable a été utilisé. Le défaut interne a été simulé par un ruban de semi-conducteur. Les résultats des simulations ont permis de mettre en évidence plusieurs avantages liés à la mesure simultanée des composantes axiale et radiale du champ électrique près de la surface de l’enveloppe d’un isolateur composite. Premièrement, une meilleure sensibilité de la détection d’un défaut interne par la mesure du champ électrique est obtenue lorsque les mesures s’effectuent au plus près du défaut interne (près de la surface de l’enveloppe). Deuxièmement, la mesure simultanée des composantes axiale et radiale du champ électrique permet de déterminer l’orientation du champ électrique le long d’une ligne près de la surface de l’enveloppe qui peut être exploitée pour la détection des défauts internes. Troisièmement, il a été démontré par simulation la faisabilité et la pertinence de la méthode de diagnostic proposée car elle permet une évaluation précise de la partie défectueuse (risques de contournement) d’un isolateur composite avant les travaux en ligne de maintenance. Enfin, le calcul des composantes du champ électrique (E) le long d’une ligne circulaire centrée sur l’enveloppe de l’isolateur permet de détecter et localier les défauts internes. En outre, l’allure particulière des courbes du champ E obtenues peut être utilisée pour la détection automatique des défauts internes. Les résultats des études expérimentales montrent qu’un défaut interne semi-conducteur de longueur correspondant à 3,5 % de la longueur totale de l’isolateur est visible quel soit sa position. Ceci constitue une grande avancée par rapport aux limites (grande taille, moins sensible et mesure loin du défaut) du dispositif actuellement utilisé pour le diagnostic des isolateurs composites par la mesure du champ électrique. D’après ce qui précède nous pouvons dire que le capteur EO utilisé dans ce travail peut permettre d’améliorer la sensibilité de la méthode de diagnostic des isolateurs composites par la mesure du champ électrique. En outre, le calcul des composantes du champ électrique le long d’une ligne circulaire centrée sur l’enveloppe de l’isolateur peut être utilisé pour le diagnostic automatique des défauts internes. Cette méthode aura l’avantage d’être réalisée sans les valeurs références du champ électrique préenregistrées de l’isolateur testé comme c’est le cas actuellement. Ainsi, on pourra entreprendre toute action de diagnostic d’un isolateur sans avoir besoins de ses données de références. Composite insulators and non-ceramic insulators (NCI) have been widely used on electrical networks since last year. Hence, it is important to ensure their good condition in order to avoid a threat to the network integrity. In addition, the live line workers need relevant information about insulators integrity before starting work. This requires appropriate diagnostic methods that can detect as soon as possible the defective insulators. The aim of this research is to investigate the influence of composite insulators internal defects on the electric field distribution. Internal defects are the second cause of composite insulators failures. Internal defects early detection will help to ensure electric power systems reliability and operator safety for live line work. The experimental validation of this research was done with an EO sensor, which allows a remote measurement of axial and radial E-field components. First, three-dimensional numerical simulations were performed with the Comsol Multiphysics software to find the optimal position of the EO probe for maximum sensitivity regarding internal defects position and size. Internal defects have been modeled as semi conductive cylinder and positioned according literature review. Secondly, experimental tests were performed with a semi conductive defect at different position in a 69 kV composite insulator. The simulation results show some important advantages when E-field axial and radial components measurement were done near the insulator housing. First, better sensitivity in defect detection has been obtained near the insulator housing. Secondly, E-field axial and radial components measurement allows E-field orientation determination along the insulator housing which can be used in internal defects detection. Finally, for the same EO probe position along the insulator, it is possible to locate precisely the defect by moving the probe around the insulator rod. In this case, the E-field curves particular shape can be used to detect internal faults automatically. The experimental results show that EO sensor was able to detect and locate semi conductive internal defect with length 3.5% times insulator. This is an important improvement compared to the actual device. In summary, EO sensor used in this work can improve E-field method sensitivity. In addition, computing E-field components around insulator rod can be used to detect internal defects automatically

Évaluation de l’état des revêtements anti-effluves présents sur les barres statoriques des alternateurs par cartographie du champ électrique

Les revêtements anti-effluves sont des composants très critiques du système d’isolation des barres statoriques des alternateurs et des moteurs fonctionnant à 6 kV ou plus. Ils sont utilisés pour éviter des décharges partielles dites « externes » dans la partie des barres statoriques appelée « développante ». L’action d’un revêtement anti-effluves se manifeste par la réduction du champ électrique à l’endroit où il est disposé, permettant ainsi d’inhiber la présence de décharges partielles. Par conséquent, la connaissance des distributions du champ électrique à la surface des revêtements anti-effluves est essentielle pour juger de l’efficacité de ces matériaux. En outre, en raison de la faible épaisseur (dixième de millimètre) des revêtements anti-effluves, l’utilisation de la formulation normale (approche volumique) de la méthode des éléments finis pour l’étude numérique des barres statoriques devient problématique (divergence de la solution) particulièrement dans le domaine temporel. L’objectif du présent projet de recherche, réalisé en collaboration avec l’Institut de Recherche d’Hydro-Québec (IREQ) et qui comprend deux parties (numérique et expérimentale) vise à étudier la distribution du champ électrique à la surface des revêtements anti-effluves installés sur les barres statoriques des groupes turbines alternateurs. La méthode numérique consiste à réaliser avec différents modèles (2D axisymétrique et 3D) l’étude thermoélectrique d’une barre statorique par la méthode des éléments finis (MEF) en utilisant une formulation surfacique (approche surfacique). La méthode expérimentale est basée sur l’utilisation d’un nouveau capteur électro-optique (EO) pour la mesure directe des composantes tangentielle et normale du champ électrique. Les mesures expérimentales et numériques ont été comparées afin de valider le nouveau modèle numérique tridimensionnel d’une barre statorique qui a été développé dans le cadre de ce projet. L’étude numérique a permis de démontrer que l'approche surfacique peut être utilisée en lieu et place de l'approche volumique pour déterminer les distributions de la température et du champ électrique le long du revêtement anti-effluves avec une précision fiable et un temps de simulation plus court (1/5 du temps de simulation de l’approche volumique). C'est un résultat intéressant qui permet de résoudre le problème de la modélisation des couches minces par la MEF qui conduit, dans le cas de l'approche volumique à des éléments du maillage avec des « aspects ratios » médiocres, conduisant ainsi à une instabilité numérique, notamment dans le domaine temporel. En outre, il a été observé que pour une étude en 3D d’une barre statorique par la MEF, il convient d’utiliser la géométrie réelle d’une barre statorique en lieu et place des modèles simplifiés comme dans les travaux antérieurs. En effet, les résultats obtenus dans ce travail ont montré une différence entre les distributions du champ électrique obtenues avec la géométrie réelle d’une barre et les modèles simplifiés. Enfin, les distributions des composantes du champ électrique obtenues numériquement ont montré une très bonne concordance avec les résultats expérimentaux. Les mesures expérimentales avec le capteur EO ont permis, dans un premier temps de démontrer l’aptitude du nouveau système de mesure utilisé dans le cadre de ce projet de recherche, à mesurer les composantes tangentielle et normale du champ électrique avec une très grande précision. La connaissance des deux composantes du champ E a permis de déterminer le champ E résultant qui doit être considérer pour une meilleure évaluation de la contrainte électrique subit par la zone de chevauchement revêtements conducteur (RC) et anti-effluves (RAE) en vue d’améliorer sa conception. La mesure de la composante tangentielle du champ électrique démontre que la largeur de la zone où les valeurs du champ électrique sont élevées augmente avec la valeur de la tension appliquée. Ce résultat indique que l’étendue du revêtement anti-effluves sur une barre statorique doit augmenter avec la tension appliquée. Un autre résultat obtenu met en évidence la déformation l’onde temporelle de la composante normale du champ E en présence du revêtement anti-effluves. Ce résultat, qui est dû à la non-linéarité du matériau anti-effluves, peut être utilisé pour vérifier cette propriété. La mesure de la composante normale du champ électrique a permis une démonstration de la loi de réfraction. En effet, il a été observé que la valeur du champ électrique est significative à la jonction RC/RAE (point triple) et dans le coude de la barre (irrégularité dans la surface du revêtement anti-effluves). Tous ces résultats expérimentaux obtenus avec le nouveau capteur EO utilisé dans ce travail et qui ont été justifiés par des lois théoriques montrent qu’il peut être employé pour évaluer l’efficacité des revêtements anti-effluves présents sur les barres statoriques des alternateurs. Cela permettra de réduire les défaillances du système d’isolation des barres statoriques causées par un défaut des revêtements anti-effluves. Stress Grading Tape (SGT) is critical component of stators Bars (Roebel Type) insulation system operating at 6 kV or above and Invert Fed Drive (IFD) motor stators rated 3.3 kV and above. It is present to avoid partial discharge from occurring in the end winding near the end of the stator core. The Stress grading acts by reducing the field where it was arranged, thus leading to inhibit the presence of partial discharge. Therefore, the evaluation and analysis of electric-field distributions is essential to prove the functionality of SGT. In addition, the SGT is typically only tenths of a millimetre thick, this means that its depth is orders of magnitude smaller than the other dimensions associated with the stator bar. Therefore, modeling the SGT using volume approach can lead to a numerically instability (convergence problem) particularly in transient and non-linear (with a high non-linearity coefficient). The purpose of this work which consists of two parts (numerical and experimental) and carried out in collaboration with the Hydro-Québec Research Institute (IREQ), aims to study E field distribution along SGT on stators bars. The numerical study focused on the comparison between volume and surface approach to calculate electric field and temperature distributions along the SGT under sinusoidal ac voltage. The simulations were performed using 2D-axisymetric and 3D finite element method (FEM) of the Roebel Bar type model in Comsol Multiphysics®. The experimental method is based on the use of a new compact size electro-optic (EO) E-field probe for direct measurement of tangential and perpendicular E-field components. The numerical results are compared qualitatively as well as quantitatively to those obtained experimentally. The numerical results obtained demonstrated that surface approach can be used instead volume approach to compute temperature and electric field distributions along the SGT at with a reliable precision. This is an interesting result because it solves the problem of thin layers modeling that leads in the case of the volume approach to elements in the mesh with poor aspect ratios which can, in turn, lead to numerical instability, particularly in a non-linear and transient regime. In addition, it has been observed that for a 3D FEM modeling of stator bar, it is appropriate to use real geometry instead simplified models as in previous works. Indeed, E field distributions obtained with stator bar real geometry are different to those obtained with simplified models. Finally, it has been observed a concordance between numerical and experimental results. The experimental measurements showed ability of the new measurement system used in this work to measure with accurately tangential and perpendicular E-field components. The knowledge of these two E-field components allows the determination of resultant E-field that must be considered for proper design of overlap region. The tangential E-field distribution showed that the SGT extent on a stator bar should increase with the applied voltage. Another result obtained showed the deformation of perpendicular E-field temporal waveform in presence of SGT, in high electrical stress region, due SGT non-linearity. This result can be used to verify SGT non-linearity. Perpendicular E-field measurement allowed a demonstration of refraction law. Indeed, it has been observed that perpendicular E-field is significant at the triple point of the conductor, the dielectric and the air, and where there are irregularities in the surface. All these experimental results obtained with the new sensor used in this work have been justified by theoretical laws. This showed that the new measurement system can be used to prove the functionality of SGT presents on the alternators stator bars. The present work will contribute to reduce failures of stator bar main insulation caused by SGT defect

Experimental investigation of the spatial and temporal evolution of the tangential and normal E-Field components along the stress grading system of a real stator bar

This paper presents results based on direct experimental measurements of tangential (Et) and normal (En) E-field components along the stress grading system (SGS) of a real stator bar (Roebel type) for different AC 60 Hz applied voltages. These measurements were made with a new electro-optic system allowing for the study of both spatial distributions of two E-field components along the bar and their temporal evolution at critical points. The results obtained allowed us to calculate the correlation between the distribution of En and Et along the SGS. In particular, it was demonstrated that the En distribution presents a characteristic minimum, which can be used to identify the zone of partial discharge inception. Moreover, it was possible to observe an enlargement of the Et component distribution followed by a saturation in magnitude with the applied voltage increase. Moreover, the results have demonstrated that the waveform of the En component is mostly affected by the SG material used, producing a greater distortion in its waveform than those obtained for the Et component. The more significant distortion was obtained at the end of the outer corona protection (OCP) material, corresponding to the first maximum of the En component and characterized by the appearance of a third harmonic of large amplitude

Using structured laser illumination planar imaging (SLIPI) as a new technique to monitor the degradation of biodegradable oils in electrical power transformers

The aging process of the insulating oils of an electrical transformer is initiated as soon as the transformer is put into service. The quality of these oils must therefore be rigorously evaluated to have reliable and exploitable data for decision-making. In general, the decision is to continue monitoring, reclaiming/regenerating, or replacing the oil in extreme cases. Thus, early diagnosis of power transformer oils helps prevent potential breakdowns that could considerably impact the electrical energy transmission and distribution network. This research used an imaging technique called SLIPI (Structured Laser Illumination Planar Imaging) to accurately determine the extinction coefficient in different samples of optically dense biodegradable oils (natural and synthetic esters). The variation in the extinction coefficient as a function of the aging of these biodegradable oils under test has been investigated. The results indicate that the SLIPI is reliable as a diagnostic tool for biodegradable oils in power transformers. This technique could therefore be an alternative solution to the conventional monitoring methods

Comparison of the volume and surface approaches to compute temperature and electric field along the stress-grading on stators bars

This paper describes the comparison between volume and surface approaches to compute electric field and temperature distributions along the stress-grading system on Stators Bars (Roebel Type) under 60 Hz sinusoidal ac voltage. For the surface approach, a specific boundary condition available in the commercial FEM software Comsol Multiphysics® was used to model the stress-grading system whereas for the volume approach, the thickness of each component is taken into account. The investigations were focused on the comparison of the axial electric field and surface temperature distributions along the stress-grading system using 2D axisymmetric FEM model of a stator bar (Roebel Type). The results obtained demonstrate that the surface approach can be a good alternative to the volume approach to compute the electric field and temperature distributions along the stress grading system. Thus, the numerical surface approach study provides an alternative to calculate the axial electric field and surface temperature distributions along the stress-grading system without numerical instability. In addition, the numerical results obtained using surface approach was confirmed experimentally

Numerical investigation of transient potential distribution along stress-grading on stators bars (Roebel Type)

This paper presents the potential distribution along the stress-grading system (Roebel Bar Type) under 50 Hz sinusoidal AC voltage based on the finite element method (FEM). In order to reduce the number of mesh elements and simulation time, a comparative study of two different approaches was examined using commercial software based on the Finite Element Method. The first one is a volume approach which takes into account the thickness of the stress-grading system. The second is the surface approach where the stress-grading system is treated as a specific boundary condition. The investigations have focused on the comparison of the surface potential and electric field distributions along the stress-grading system as well as the number of mesh elements and simulation time using 2D-axisymetric finite element method. The results obtained showed that the surface approach is the best method as it provides the same results as the volume approach with less mesh elements. In addition, a good agreement was found qualitatively as well as quantitatively between numerical and experimental results. Thus, the numerical study provides an alternative to calculate the surface potential distribution along the stress grading with sufficient accuracy using surface approach

Numerical investigation of electric field distortion induced by internal defects in composite insulators

This paper presents an exhaustive study of numerical investigations based on three-dimensional finite-element method modelling of several non-ceramic insulators of 69, 110 and 230 kV having different internal semi-conductive defects in terms of size and position. The internal defects were positioned close to the high-voltage electrode, the ground electrode and at floating potential. The simulations effected on the distortion of the axial and radial E-field components close to the insulator shank between sheds. The results obtained showed that the radial E-field component is more sensitive to the presence of an internal defect as it shows a greater distortion in presence of the defect. It was also observed that the E-field component distortion increases with longer internal defect and that this increase is particularly important for a defect at floating potential. Moreover, it was demonstrated that the length of the insulator, for a defect of constant length, has no significant influence on the E-field component distortion. Finally, the results demonstrated that the presence of a grading ring, as used on the 230 kV insulator, does not have any influence on the E-field component distortion, independently of the defect position

3D numerical investigation of internal defects in a 28 kV composite insulator

This paper presents a numerical investigation based on 3D finite element method modeling of a dead-end 28 kV non-ceramic insulator having different internal semi-conductive defects in terms of size and position. All the internal defects were modeled as cylinders of 1.5 mm of radius having different lengths: 15 mm and 30 mm which correspond to 3.5 % and 7 % of the insulator length respectively. The internal defect was positioned close to the HV electrode and in the middle of the insulator (floating potential) at equal distance between the sheds. The simulations have been focused on the modification of the axial and radial E-field components closed to the insulator shank surface as well as at the vicinity of the insulator shed extremity. The results obtained demonstrated that small conductive internal defects (lower than 3.5 % of the insulator length) led to a significant distortion of the axial and radial E-field components at the shank surface. The E-field component distortion obtained for a small defect (floating potential) positioned in the middle of insulator between sheds is detectable at the shank surface but invisible at the shed extremity

Development of a Simple Experimental Setup for the Study of the Formation of Dry Bands on Composite Insulators

This paper introduces a new geometry for the study of dry band formation. Firstly, a thermoelectric simulation of a 69 kV uniformly polluted composite insulator was performed. The results obtained show that thermal stress is greater at the rod surface where current density is maximum. In order to experimentally reproduce the constriction of current density lines on the insulator rod surface, which is the cause of dry band formation, the development of a new simple geometric setup, which was then tested experimentally, was proposed. For this purpose, an ESDD value corresponding to a high level of pollution was used for each polluted sample, and the samples were placed in a climate chamber at constant 90% relative humidity and a constant ambient temperature of 20 °C. Low-voltage tests permitted the determination of the wetting duration, which corresponds to the maximum surface conductance of the polluted layer. The values obtained agree with the 10–40 min duration recommended in IEC 60507. Moreover, the tests performed at a higher voltage demonstrated the efficiency of the proposed setup to simulate the complex process of dry band formation in a reproducible way in terms of leakage current and temperature behavior. The proposed setup is a new and simple method that can be easily used by the electrical industry to develop new material for the next generation of overhead line composite insulators without requiring costly HV equipment

Development of a Simple Experimental Setup for the Study of the Formation of Dry Bands on Composite Insulators

This paper introduces a new geometry for the study of dry band formation. Firstly, a thermoelectric simulation of a 69 kV uniformly polluted composite insulator was performed. The results obtained show that thermal stress is greater at the rod surface where current density is maximum. In order to experimentally reproduce the constriction of current density lines on the insulator rod surface, which is the cause of dry band formation, the development of a new simple geometric setup, which was then tested experimentally, was proposed. For this purpose, an ESDD value corresponding to a high level of pollution was used for each polluted sample, and the samples were placed in a climate chamber at constant 90% relative humidity and a constant ambient temperature of 20 °C. Low-voltage tests permitted the determination of the wetting duration, which corresponds to the maximum surface conductance of the polluted layer. The values obtained agree with the 10–40 min duration recommended in IEC 60507. Moreover, the tests performed at a higher voltage demonstrated the efficiency of the proposed setup to simulate the complex process of dry band formation in a reproducible way in terms of leakage current and temperature behavior. The proposed setup is a new and simple method that can be easily used by the electrical industry to develop new material for the next generation of overhead line composite insulators without requiring costly HV equipment