Выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов
Определены возможные значения напряжения начала частичных разрядов для модели цилиндрического воздушного зазора вблизи токопроводящей жилы силового кабеля. Показано, что при одинаковых приложенных напряжениях к высоковольтной изоляции в последнем случае активизируются воздушные включения меньшей тол...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Дата: | 2019 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2019
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159080 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов / А.В. Беспрозванных, А.Г. Кессаев, И.А. Мирчук, А.В. Рогинский // Електротехніка і електромеханіка. — 2019. — № 4. — С. 53-58. — Бібліогр.: 19 назв. — рос., англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-159080 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Беспрозванных, А.В. Кессаев, А.Г. Мирчук, И.А. Рогинский, А.В. 2019-09-22T10:27:25Z 2019-09-22T10:27:25Z 2019 Выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов / А.В. Беспрозванных, А.Г. Кессаев, И.А. Мирчук, А.В. Рогинский // Електротехніка і електромеханіка. — 2019. — № 4. — С. 53-58. — Бібліогр.: 19 назв. — рос., англ. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2019.4.08 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159080 621.319 Определены возможные значения напряжения начала частичных разрядов для модели цилиндрического воздушного зазора вблизи токопроводящей жилы силового кабеля. Показано, что при одинаковых приложенных напряжениях к высоковольтной изоляции в последнем случае активизируются воздушные включения меньшей толщины в сравнении с плоской конструкцией. На основании результатов проведенных испытаний силового кабеля на напряжение 3 кВ установлено, что грубые технологические дефекты в толще изоляции отсутствуют. Амплитуда разрядов в воздушных включениях не превышает 10 пКл при приложенном испытательном напряжении 5 кВ частоты 50 Гц. Показана эффективность выявления технологических дефектов в твердой композитной корпусной изоляции статорной обмотки турбо- и гидрогенераторов. Установлено, что в макетах, изоляция которых выполнена лентами меньшей толщины, технологические дефекты расположены в толще изоляции. Визначено можливі значення напруги початку часткових розрядів для моделі циліндричного повітряного зазору поблизу струмопровідної жили силового кабелю. Показано, що при однакових прикладених напругах до високовольтної ізоляції в останньому випадку активізуються повітряні включення меншої товщини в порівнянні з пласкою конструкцією. На підставі результатів проведених випробувань силового кабелю на напругу 3 кВ встановлено, що грубі технологічні дефекти в товщі ізоляції відсутні. Амплітуда розрядів в повітряних включеннях не перевищує 10 пКл при прикладеній випробувальній напрузі 5 кВ частоти 50 Гц. Показана ефективність виявлення технологічних дефектів у твердої композитної корпусної ізоляції обмотки статора турбо- і гідрогенераторів. Встановлено, що в макетах, ізоляція яких виконана стрічками меншої товщини, технологічні дефекти розташовані в товщі ізоляції. The possible values of the voltage of the beginning of partial discharges are determined for a model of a cylindrical air gap near the conductor of a power cable. It is shown that with the same applied voltages to high-voltage insulation, in the latter case, air inclusions of smaller thickness are activated in comparison with a flat structure. The efficiency of detection of technological defects in solid composite case insulation of the stator winding of turbo- and hydrogenerators is shown. Based on the comparison of the amplitude of the pulses of partial discharges of positive and negative polarity, the estimated location of the technological defects in the insulation has been established. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Техніка сильних електричних та магнітних полів Выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов Identification of technological defects in high-voltage solid insulation of electrical insulation structures on the characteristics of partial discharges Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов |
| spellingShingle |
Выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов Беспрозванных, А.В. Кессаев, А.Г. Мирчук, И.А. Рогинский, А.В. Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| title_short |
Выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов |
| title_full |
Выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов |
| title_fullStr |
Выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов |
| title_full_unstemmed |
Выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов |
| title_sort |
выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов |
| author |
Беспрозванных, А.В. Кессаев, А.Г. Мирчук, И.А. Рогинский, А.В. |
| author_facet |
Беспрозванных, А.В. Кессаев, А.Г. Мирчук, И.А. Рогинский, А.В. |
| topic |
Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| topic_facet |
Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| publishDate |
2019 |
| language |
Russian |
| container_title |
Електротехніка і електромеханіка |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Identification of technological defects in high-voltage solid insulation of electrical insulation structures on the characteristics of partial discharges |
| description |
Определены возможные значения напряжения начала частичных разрядов для модели цилиндрического воздушного зазора вблизи токопроводящей жилы силового кабеля. Показано, что при одинаковых приложенных напряжениях к высоковольтной изоляции в последнем случае активизируются воздушные включения меньшей толщины в сравнении с плоской конструкцией. На основании результатов проведенных испытаний силового кабеля на напряжение 3 кВ установлено, что грубые технологические дефекты в толще изоляции отсутствуют. Амплитуда разрядов в воздушных включениях не превышает 10 пКл при приложенном испытательном напряжении 5 кВ частоты 50 Гц. Показана эффективность выявления технологических дефектов в твердой композитной корпусной изоляции статорной обмотки турбо- и гидрогенераторов. Установлено, что в макетах, изоляция которых выполнена лентами меньшей толщины, технологические дефекты расположены в толще изоляции.
Визначено можливі значення напруги початку часткових розрядів для моделі циліндричного повітряного зазору поблизу струмопровідної жили силового кабелю. Показано, що при однакових прикладених напругах до високовольтної ізоляції в останньому випадку активізуються повітряні включення меншої товщини в порівнянні з пласкою конструкцією. На підставі результатів проведених випробувань силового кабелю на напругу 3 кВ встановлено, що грубі технологічні дефекти в товщі ізоляції відсутні. Амплітуда розрядів в повітряних включеннях не перевищує 10 пКл при прикладеній випробувальній напрузі 5 кВ частоти 50 Гц. Показана ефективність виявлення технологічних дефектів у твердої композитної корпусної ізоляції обмотки статора турбо- і гідрогенераторів. Встановлено, що в макетах, ізоляція яких виконана стрічками меншої товщини, технологічні дефекти розташовані в товщі ізоляції.
The possible values of the voltage of the beginning of partial discharges are determined for a model of a cylindrical air gap near the conductor of a power cable. It is shown that with the same applied voltages to high-voltage insulation, in the latter case, air inclusions of smaller thickness are activated in comparison with a flat structure. The efficiency of detection of technological defects in solid composite case insulation of the stator winding of turbo- and hydrogenerators is shown. Based on the comparison of the amplitude of the pulses of partial discharges of positive and negative polarity, the estimated location of the technological defects in the insulation has been established.
|
| issn |
2074-272X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159080 |
| citation_txt |
Выявление технологических дефектов в высоковольтной твердой изоляции электроизоляционных конструкций по характеристикам частичных разрядов / А.В. Беспрозванных, А.Г. Кессаев, И.А. Мирчук, А.В. Рогинский // Електротехніка і електромеханіка. — 2019. — № 4. — С. 53-58. — Бібліогр.: 19 назв. — рос., англ. |
| work_keys_str_mv |
AT besprozvannyhav vyâvlenietehnologičeskihdefektovvvysokovolʹtnoitverdoiizolâciiélektroizolâcionnyhkonstrukciipoharakteristikamčastičnyhrazrâdov AT kessaevag vyâvlenietehnologičeskihdefektovvvysokovolʹtnoitverdoiizolâciiélektroizolâcionnyhkonstrukciipoharakteristikamčastičnyhrazrâdov AT mirčukia vyâvlenietehnologičeskihdefektovvvysokovolʹtnoitverdoiizolâciiélektroizolâcionnyhkonstrukciipoharakteristikamčastičnyhrazrâdov AT roginskiiav vyâvlenietehnologičeskihdefektovvvysokovolʹtnoitverdoiizolâciiélektroizolâcionnyhkonstrukciipoharakteristikamčastičnyhrazrâdov AT besprozvannyhav identificationoftechnologicaldefectsinhighvoltagesolidinsulationofelectricalinsulationstructuresonthecharacteristicsofpartialdischarges AT kessaevag identificationoftechnologicaldefectsinhighvoltagesolidinsulationofelectricalinsulationstructuresonthecharacteristicsofpartialdischarges AT mirčukia identificationoftechnologicaldefectsinhighvoltagesolidinsulationofelectricalinsulationstructuresonthecharacteristicsofpartialdischarges AT roginskiiav identificationoftechnologicaldefectsinhighvoltagesolidinsulationofelectricalinsulationstructuresonthecharacteristicsofpartialdischarges |
| first_indexed |
2025-11-25T22:33:41Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:33:41Z |
| _version_ |
1850570728136507392 |
| fulltext |
ISSN 2074-272X. Electrical Engineering & Electromechanics. 2019. no.4 53
© G.V. Bezprozvannych, A.G. Kyessayev, I.A. Mirchuk, A.V. Roginskiy
UDC 621.319 doi: 10.20998/2074-272X.2019.4.08
G.V. Bezprozvannych, A.G. Kyessayev, I.A. Mirchuk, A.V. Roginskiy
IDENTIFICATION OF TECHNOLOGICAL DEFECTS IN HIGH-VOLTAGE SOLID
INSULATION OF ELECTRICAL INSULATION STRUCTURES ON THE
CHARACTERISTICS OF PARTIAL DISCHARGES
Introduction. High-voltage insulation systems always have some background level of the partial discharges, which does not have
any significant effect on the life of the electrical insulation design. At the same time, partial discharges destroy high-voltage
insulation, leading to a carburization zone around the defect. This is the «hidden» period of development of the defect. The
development of a defect zone, sooner or later, leads to an arc breakdown of the entire insulating gap. Purpose. The substantiation
of the efficiency of detection of technological defects in high-voltage solid insulation of electrical insulating structures according
to the characteristics of partial discharges. Methodology. The conditions for the occurrence of partial discharges in the thickness
of the polymer insulation are considered. The possible values of the voltage of the beginning of partial discharges are determined
for a model of a cylindrical air gap near the conductor of a power cable. It is shown that with the same applied voltages to high-
voltage insulation, in the latter case, air inclusions of smaller thickness are activated in comparison with a flat structure.
Practical value. The efficiency of detection of technological defects in solid composite case insulation of the stator winding of
turbo- and hydrogenerators is shown. Based on the comparison of the amplitude of the pulses of partial discharges of positive and
negative polarity, the estimated location of the technological defects in the insulation has been established. References 19,
figures 7, table 1.
Key words: technological defects, partial discharges, voltage of the start of partial discharges, glass-mica paper tape,
amplitude of pulses of partial discharges, location of the defect.
Визначено можливі значення напруги початку часткових розрядів для моделі циліндричного повітряного зазору
поблизу струмопровідної жили силового кабелю. Показано, що при однакових прикладених напругах до високовольтної
ізоляції в останньому випадку активізуються повітряні включення меншої товщини в порівнянні з пласкою
конструкцією. На підставі результатів проведених випробувань силового кабелю на напругу 3 кВ встановлено, що грубі
технологічні дефекти в товщі ізоляції відсутні. Амплітуда розрядів в повітряних включеннях не перевищує 10 пКл при
прикладеній випробувальній напрузі 5 кВ частоти 50 Гц. Показана ефективність виявлення технологічних дефектів у
твердої композитної корпусної ізоляції обмотки статора турбо- і гідрогенераторів. Встановлено, що в макетах,
ізоляція яких виконана стрічками меншої товщини, технологічні дефекти розташовані в товщі ізоляції. Для макета,
ізоляція якого виконана стрічками більшої товщини, технологічні дефекти у вигляді розшарування розташовані на
кордоні розділу провідник – композитна ізоляція. Бібл. 19, табл. 1, рис. 7.
Ключові слова: технологічні дефекти, часткові розряди, напруга початку часткових розрядів, склослюдопаперова
стрічка, амплітуда імпульсів часткових розрядів, місце розташування дефекту.
Определены возможные значения напряжения начала частичных разрядов для модели цилиндрического воздушного
зазора вблизи токопроводящей жилы силового кабеля. Показано, что при одинаковых приложенных напряжениях к
высоковольтной изоляции в последнем случае активизируются воздушные включения меньшей толщины в сравнении
с плоской конструкцией. На основании результатов проведенных испытаний силового кабеля на напряжение 3 кВ
установлено, что грубые технологические дефекты в толще изоляции отсутствуют. Амплитуда разрядов в
воздушных включениях не превышает 10 пКл при приложенном испытательном напряжении 5 кВ частоты 50 Гц.
Показана эффективность выявления технологических дефектов в твердой композитной корпусной изоляции
статорной обмотки турбо- и гидрогенераторов. Установлено, что в макетах, изоляция которых выполнена лентами
меньшей толщины, технологические дефекты расположены в толще изоляции. Для макета, изоляция которого
выполнена лентами большей толщины, технологические дефекты в виде расслоения расположены на границе раздела
проводник – композитная изоляция. Библ. 19, табл. 1, рис. 7.
Ключевые слова: технологические дефекты, частичные разряды, напряжение начала частичных разрядов,
стеклослюдобумажная лента, амплитуда импульсов частичных разрядов, место расположения дефекта.
Introduction. The most typical defects in solid
high-voltage insulation during the production of electrical
insulating structures are air inclusions. The reason for
their occurrence in the thickness of the insulation may be
manufacturing errors. For example, in power cables –
insufficient drying of polymer granules before loading
them into the extruder or the insulation cooling rate at the
exit from the extruder is too high [1-3].
Internal gas inclusions during the process of
vacuum-injection impregnation and baking are inevitably
present in thermosetting insulation systems based on mica
tapes used in high-voltage electrical machines. As a rule,
each electric machine manufacturer uses its own design
and manufacturing technology for coil and cabinet high-
voltage insulation, which differs from other
manufacturers in the types and thickness of materials
used, in the number of layers and total insulation
thickness, in duration and value of temperature effects
during its manufacture [4 -6].
When operating under high voltage of power
frequency of high voltage solid insulation, in air
54 ISSN 2074-272X. Electrical Engineering & Electromechanics. 2019. no.4
inclusions partial discharges (PDs) occur. High-voltage
insulation systems always have some background level of
the PD, which does not have any significant effect on the
life of the electrical insulation design. At the same time,
partial discharges destroy high-voltage insulation, leading
to a carburization of the zone around the defect. This is
the «hidden» period of development of the defect. The
development of a defect zone, sooner or later, leads to an
arc breakdown of the entire insulating gap.
The goal of the paper is substantiation of the
efficiency of detection of technological defects in high-
voltage solid insulation of electrical insulating structures
according to the characteristics of partial discharges.
Problem definition. For partial discharges there are
no standard normalized values. The existing local norms
and recommendations are valid only for small groups of
electrical insulating structures [7, 8]. For this reason, in
most cases, a quantitative assessment of the state of the
insulation of electrical machines using partial discharge
parameters can be made only by comparison with the
results of previous measurements performed on the same
equipment [9, 10].
For power cables with cross-linked polyethylene
insulation, measurements of PD characteristics are
performed with a smooth rise of the test voltage to twice
the operating voltage of the power frequency for 10
seconds, and then slowly decrease to 1.73 from the
nominal value [11]. PD level should not exceed 10 pC.
Partial discharges are characterized by the following
parameters: voltage of the beginning of the PD; apparent
charge amplitude; frequency of pulses of PD. In modern
diagnostic systems, the following are used: maximum
amplitude of partial discharge pulses of positive and
negative polarity, measured in millivolts (mV); level of
PD of positive and negative polarity (pC); amplitude-
phase diagrams of PD pulses (dependence of the number
of discharges with specific values of the apparent charge
on the voltage phase of the power frequency – the so-
called PD-diagrams) [7-10, 12-19].
The connection of the start of partial discharges
with the thickness of the air inclusions. Suppose that in
the insulation layer with thickness h there is an air
inclusion with thickness x (Fig. 1,b). For quality
insulation, usually x << h [18].
In Fig. 1 the following is indicated: x – the thickness
of air inclusion in the insulation; h – the thickness of the
insulation; ε – the dielectric permeability of the dielectric,
Сх – the inclusion capacitance; Сh-x – the capacitance of
the insulation part opposite the inclusion; С0 – the
capacitance of the rest of the insulation [18].
Let us determine what part Ux of external voltage U
falls on inclusion with thickness x (Fig. 1,b).
Inclusion capacitance is defined as
xSC xx /0 , (1)
where 0 is the dielectric constant (0 = 8,8510–12 F/m);
Sx is the inclusion area, m2.
h
x
h
x
a
0C
X
C
C
X
h-
x h
Cx
Ch–x
C0
hx
b c
Fig. 1. Flat (a) and cylindrical (c) models for calculating the
voltage of the beginning of the PDs on the basis of a capacitive
replacement circuit (b) of insulation
Capacitance of a continuous dielectric layer located
opposite the inclusion
)(/0 xhSC xxh . (2)
From the capacitive replacement circuit (Fig. 1,b)
we find Ux
xh
x
U
CC
C
UU
xhx
x
x )1()/(1)/(1
)(/1
. (3)
At x0, the voltage on the inclusion tends to zero
Ux0 (because its own capacitance increases
indefinitely), at xh all external voltage falls on the
inclusion UxU (because the inclusion takes up the entire
insulating gap).
When the voltage on the inclusion reaches the level
of the breakdown voltage Uxbr the inclusion breaks
through
xbrx UU . (4)
Since here only part x of the insulating gap h breaks
through, the discharge is accordingly called partial. The
corresponding voltage on the electrodes, at which the
condition (4) begins to be fulfilled, is the voltage of the
beginning of the PD [12-18].
The breakdown voltage Uxbr of inclusion depends on
its thickness x. This experimental relationship (Paschen
curve) is shown in Fig. 2, curve 1. As the thickness x
decreases, the breakdown voltage decreases and at x = 7 μm
it reaches a minimum of Uxbr = 320 V ampl. = 226 V eff.,
and then even increases slightly [18]. In accordance with
the empirical Paschen law, the breakdown voltage of the
gas gap is a function of the product of pressure p and
thickness x: Uxbr = Uxbr (px).
Consider the conditions of occurrence of PD in the
thickness of the insulation. The results of calculations
according to (1) – (3) are shown in Fig. 2,a (curves 2 – 4)
and Fig. 2,b (curves 2 – 5).
ISSN 2074-272X. Electrical Engineering & Electromechanics. 2019. no.4 55
10
-6
10
-5
10
-4
10
-310
0
10
1
10
2
10
3
10
4
x, m
Ux, Uxbr
V
1
2
34
h = 3 mm
= 2,2
a
10
-6
10
-5
10
-4
10
-310
0
10
1
10
2
10
3
10
4
x, m
Ux, Uxbr
V 1
x, mx, m
2
3
45
b
Fig. 2. Dependencies on the thickness (x) of the air inclusion of
its breakdown voltage Uxbr and the calculated voltages Ux on the
inclusions
Insulation voltages (Fig. 2,a): 2.5 kV (curve 2), 5 kV
(curve 3) and 10 kV (curve 4). Insulation thickness
h = 3 mm, dielectric permeability ε = 2.2 (polyethylene
non-polar insulation of power cables). At voltage of
2.5 kV, the PDs are impossible in insulation (Fig. 2,a):
curve 2 – Ux(x) lies below curve 1 of the breakdown
voltage of air inclusions. At voltage of 5 kV, the PDs in
insulation are possible if it contains 0.6 mm thick air
inclusions (intersection of curves 3 and 1). At voltage of
10 kV PDs in insulation are possible if it contains air
inclusions with a thickness of 0.08 to 3 mm. Note that
these are very large inclusions compared with a dielectric
thickness of 3 mm. Measurement of the PDs allows to
detect the presence of very coarse defects in the
insulation.
Insulation voltages (Fig. 2,b): 2.5 kV (curve 2), 5 kV
(curve 4) for an insulation thickness of 1.8 mm; 2.5 kV
(curve 3) and 5 kV (curve 5) for an insulation thickness of
1.4 mm, respectively. The dielectric permeability is
ε = 4.5 (characteristic values for composite glass-mica
insulation of electrical machines). At voltage of 5 kV PDs
in insulation with a thickness of 1.8 mm are possible if it
has air inclusions with a thickness of 0.03 mm and more,
i.e. from 30 µs (see Fig. 2,b, curve 4). For thinner
composite insulation (1.4 mm) at applied voltage of 5 kV,
air inclusions with a thickness of 20 μm and more are
activated (see Fig. 2,b, curve 5).
Figure 3 shows the effect of the dielectric
permeability of composite insulation with a thickness of
1.8 mm on the calculated voltages Ux on inclusions.
Curve 2 corresponds to = 4.5; curve 3 – to = 4.8 for
the same value of the applied voltage, equal to 5 kV.
Increasing the dielectric permeability of composite
insulation, i.e. the proportion of mica leads to a shift of
the Ux(x) curve to the region of smaller values of
activated air inclusions (see curve 3 in Fig. 3).
10
-6
10
-5
10
-4
10
-310
1
10
2
10
3
10
4
Ux, Uxbr
V
1
23
x, mm
h = 1,8 mm
Fig. 3. The effect of the dielectric permeability of composite
insulation on the calculated voltages Ux on air inclusions
The influence of the location of the defect on the
voltage of the beginning of partial discharges in the
power cable. In the process of cooling of extruded
polymer insulation on a conductive core, the formation of
internal voids in the thickness of the extruded insulation is
possible. Here, the probability of formation of bubbles
and voids near the core, whose temperature is higher in
comparison with the outer layers of insulation, increases
significantly [2]. It should be taken into account that the
electric field strength near the core is also higher [18]. Let
us determine the possible values of the voltage of the
beginning of the PDs, using the model of a cylindrical air
gap near the core (Fig. 1,c).
The results are presented in Fig. 4: the cross section
of the conductive core is 25 mm2, the thickness of the
polyethylene insulation is 3 mm, ε = 2.2.
10
-4
10
-310
1
10
2
10
3
10
4
10
5
Ux, Uxbr
V
1
x, m
2
h =3 mm
S=25 mm 5
4
3
3,5
2
Fig. 4. The influence of the location of technological
defect on the voltage of the beginning of the PDs in extruded
power cable insulation
56 ISSN 2074-272X. Electrical Engineering & Electromechanics. 2019. no.4
Curve 1 – breakdown voltage Uxbr of the inclusion;
curves 2 and 3 correspond to the case of a technological
air defect near the conductive core at 4 and 5 kV on the
insulation; curves 4 and 5 – when the air defect is located
near the outer surface of the insulation at voltage of 5 and
10 kV on the insulation, respectively. As the results of the
calculation show, when applying the test voltage,
technological defects located near the conductive core are
activated first. When the voltage on the insulation is 5 kV,
PDs arise in inclusions with a thickness of 200 µs. At
voltage of 10 kV, air inclusions located near the insulation
surface are not activated (see Fig. 4, curve 5).
Efficiency of detection of technological defects in
solid insulation according to the characteristics of
PDs. Figure 5 shows the PDs oscillogram in a sample of a
power cable for voltage of 3 kV (cross section of a
conductive core 25 mm2, thickness of polyethylene
insulation 3 mm). In the thickness of the insulation there
are air inclusions, which are activated at test voltage of
5 kV 50 Hz. The amplitude of the PDs does not exceed
10 pC, which corresponds to the requirements of the
Standard [11]. It should be noted that at the operating
voltage partial discharges in the cable do not occur.
Fig. 5. PDs oscillogram in the thickness of the solid
polyethylene insulation of the power cable (the mark in the
center of the sweep is a calibration signal of amplitude 2 pC)
Experimental studies on the detection of
technological defects in high-voltage composite case
insulation of the stator winding of the turbo- and
hydrogenerators are carried out on 5 layouts of the same
thickness. The insulation of the layouts is made of glass-
mica paper tapes of different thickness from different
manufacturers (6 samples for each layout).
The PD monitoring method is based, for example,
on the use of a portable analyzer with a set of epoxy-mica
capacitors with a capacitance of 80 pF as capacitive
sensors, which allow measuring PDs in the high
frequency range, in which the PD amplitude significantly
exceeds the interference amplitude [8-10, 19]. This allows
to automatically reliably separate the PDs and
interference. The principle of the system operation is
based on the detection of voltage pulses of partial
discharges arising inside the insulation, using PD sensors,
followed by their analog-digital conversion using a PD
meter and displaying the PD amplitude of both positive
and negative polarity. It should be taken into account that
the maximum voltage of the PD pulse in mV is measured
(see Fig. 5). The suppliers of relevant measuring
equipment indicate the measured value not with a voltage
symbol (U), but with a charge symbol (Q), assuming that
there is an obvious connection between voltage and
charge. The proportionality factor is the electrical
capacitance of an insulation system, for example, a stator
winding, which can always be measured.
An effective way to determine the state of the
insulation system is to compare the results with the
database [9. 10] presented in Table 1.
Table 1
Evaluation of insulation by maximum
PD pulse amplitude values
PD category PD pulse amplitude, mV
Minor 0-45
Low 46-98
Typical 99-210
Moderate 211-412
Figure 6 shows the results of measurements of the
maximum amplitude of partial discharge pulses of
positive and negative polarity in layouts with high-voltage
solid composite insulation based on glass-mica paper
tapes at voltage of 3.6 kV (Fig. 6,a) and 6 kV (Fig. 6,b).
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Q, mV
n
U=3,6 kV
1 1' 2
2'
3
3' 4
4'
5
5'
a
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
5
10
15
20
25
30
35
40
Q, mV
U=6 kV
1 1' 2
2'
3
3'
4 4'
5
5'
n
b
Fig. 6. The results of the statistical distribution of the maximum
amplitude of partial discharge pulses depending on the applied
voltage of power frequency in composite solid high-voltage
insulation
ISSN 2074-272X. Electrical Engineering & Electromechanics. 2019. no.4 57
The thickness of the tapes: 1 – h = 0.14 mm, 2 –
h = 0.14 mm, 3 – h = 0.15 mm, 4 – h = 0.18 mm, 5 –
h = 0.18 mm. The amplitude of the partial discharge
pulses of positive polarity is denoted as 1, 2, .., 5; the
amplitude of the partial discharge pulses of negative
polarity: 1', 2', ..., 5', respectively. PD pulses of negative
polarity occur at a positive half-wave of the test voltage of
power frequency, positive – at a negative half-wave of
voltage.
Comparison of positive and negative PD pulses
indicates that the discharges occur exactly inside the
insulation for the layouts, the thickness of the tapes of
which is less than 0.18 mm (Fig. 7,a). The amplitude of
the discharges of positive and negative polarity is almost
the same (compare 1 and 1', 2 and 2', 3 and 3', 4 and 4',
Fig. 6,b). These results are consistent with the calculated
dependencies (see Fig. 2,b and Fig. 3). For samples with
glass-mica paper tape 0.18 mm thick, the amplitude of
negative polarity pulses is almost 4 times higher than the
amplitude of positive polarity pulses (compare 5 and 5',
Fig. 6,b).
a b
Fig. 7. The locations of technological defects in the composite
insulation of the windings of electrical machines
Obviously, such a difference is due to the location of
the technological defect in the form of a bundle at the
interface between the conductor and composite insulation
(Fig. 7,b). At voltage of 6 kV, the amplitude of the
discharge pulses reaches an upper value of 40 mV in the
category of the PDs as a minor level (see Table 1).
Conclusions. The dependencies on the thickness of
air inclusion of its breakdown voltage and calculated
voltages on inclusions for a flat and cylindrical insulation
model are obtained. At the same applied voltages to high-
voltage insulation, in the latter case, air inclusions of
smaller thickness are activated in comparison with the flat
structure.
The possible values of the voltage of the beginning
of partial discharges and the range of activated
technological defects are determined depending on the
location of the air inclusion in the structure of the power
cable of a coaxial design.
The efficiency of detection of technological defects
in solid high-voltage composite case insulation of the
stator winding of turbo- and hydrogenerators is shown.
Based on the comparison of the amplitude of the pulses of
partial discharges of positive and negative polarity, the
location of technological defects in the structure is
determined.
The results of the studies confirm the efficiency of
registration of partial discharges in high-voltage solid
insulation for detecting defects at the technological stage
of manufacturing of electrical insulating structures, as
well as for setting up the technological process itself.
REFERENCES
1. Leonov V.M., Peshkov I.B., Ryazanov I.B., Kholodnyy S.D.
Osnovy kabelnoy tehniki [Basics of cable technology]. Moscow,
Akademiya Publ., 2006. 432 p. (Rus).
2. Bezprozvannych G.V., Mirchuk I.A., Kyessayev A.G.
Technological parameters of the cooling mode of polymer
insulation of power cables. Electrical engineering &
electromechanics, 2019, no.3, pp. 44-49. doi: 10.20998/2074-
272X.2019.3.07.
3. Rao Natti S., Shott Nik R. Tekhnologicheskie raschety v
pererabotke plastmass [Technological calculations in plastics
processing]. Saint Petersburg, Professiya Publ., 2013. 200 p.
(Rus).
4. Ogonkov V.G., Serebryannikov S.V. Elektroizoliatsionnye
materialy i sistemy izoliatsii dlia elektricheskikh mashin. V
dvukh knigakh. Kn. 2 [Electrical insulation materials and
insulation systems for electrical machines. In 2 books. Book 2].
Moscow, Publishing house MEI, 2012. 304 p. (Rus).
5. Pak V.M., Trubachev S.G. Novye materialy i sistemy
izoliatsii vysokovol'tnykh elektricheskikh mashin [New materials
and systems for isolation of high-voltage electrical machines].
Moscow, Energoatomizdat Publ., 2007. 416 p. (Rus).
6. Bezprozvannych G.V., Boyko A.N., Roginskiy A.V. Effect
of a dielectric barrier on the electric field distribution in high-
voltage composite insulation of electric machines. Electrical
engineering & electromechanics, 2018, no.6, pp. 63-67. doi:
10.20998/2074-272X.2018.6.09.
7. IEEE Standards 1434. Guide for the measurement of partial
discharges in AC electric machinery. IEEE Park Avenue, New
York, USA. 2014. 89 p.
8. CIGRE Working Group A1.01.06 Application. Of on-line
partial discharge tests to rotating machines. CIGRE. December
2010. 58 p.
9. Iris Power TGA-BTM. Periodic On-line Partial Discharge
Monitoring Using a Portable Instrument for Motors and High
Speed Turbine Generators. Iris Power Ver 5. 08/10. Canada,
2010.
10. Interpretation of PD results – on-line testing. Version 3.2
Iris QMS 08/10. Ver. 3.2. 2008.
11. Shidlovsky A.K., Shcherba A.A., Zolotarev V.M., Podoltsev
A.D., Kucheryavaya I.N. Kabeli s polimernoi izoliatsiei na
sverkhvysokie napriazheniia [Polymer insulation cables for
ultra-high voltages]. Kyiv, IED of NASU Publ., 2013. 552 p.
(Rus).
12. Kuchinsky G.S. Chastichnye razriady v vysokovol'tnykh
konstruktsiiakh [Partial discharges in high voltage structures].
Leningrad, Energiia Publ., 1979. (Rus).
13. Vdoviko V.P. Chastichnye razriady v diagnostirovanii
vysokovol'tnogo oborudovaniia [Partial discharges in diagnosing
high-voltage equipment]. Novosibirsk, Nauka Publ., 2007. 55 p.
(Rus).
14. Naboka B.G., Bezprozvannych G.V., Gladchenko V.Ya.
Method of measuring the differential amplitude spectra of
partial discharge pulses. Electricity, 1990, no.1, pp. 71-74.
(Rus).
15. Naboka B.G., Bezprozvannych G.V., Gladchenko V.Ya.
Diagnostics of high-voltage insulation using multichannel
analyzers. Electricity, 1991, no.5, pp. 5-9. (Rus).
16. Bezprozvannych G. V., Kessaev A. G. Analysis of the field
structure and justification of the diagnostics voltage for partial
insulation discharges of shielded twisted pairs. Electrical
58 ISSN 2074-272X. Electrical Engineering & Electromechanics. 2019. no.4
engineering & electromechanics, 2014, no.6, pp. 61-65. (Rus).
doi: 10.20998/2074-272X.2014.6.11.
17. Bezprozvannych A.V. Ways of representation of differential
peak spectra of pulses of partial discharges in solid insulation.
Technical electrodynamics, 2011, no.4, pp. 12-19. (Rus).
18. Bezprozvannych A.V. High electric field and partial
discharges in bundled cables. Technical electrodynamics, 2010,
no.1, pp. 23-29. (Rus).
19. IEC Standard 60270. High-voltage test techniques – Partial
discharge measurements. IEC, 2000. 55 p.
Received 05.04.2019
G.V. Bezprozvannych1, Doctor of Technical Science, Professor,
A.G. Kyessayev1, Candidate of Technical Science,
I.A. Mirchuk2, Postgraduate Student,
A.V. Roginskiy3 , Postgraduate Student,
1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute»,
2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine,
phone +380 57 7076010,
e-mail: bezprozvannych@kpi.kharkov.ua
2 Private Joint Stock Company «Ukraine Scientific-Research
Institute of Cable Industry»,
2-P, Promychlennaya Str., Berdyansk, Zaporozhye Region,
71101, Ukraine,
phone +380 66 8288554,
e-mail: garik710@ukr.net
3 SE Рlant Electrotyazhmash,
299, Moskovsky Ave., Kharkiv, 61089, Ukraine,
e-mail: roginskiy.av@gmail.com
How to cite this article:
Bezprozvannych G.V., Kyessayev A.G., Mirchuk I.A., Roginskiy A.V. Identification of technological defects in high-
voltage solid insulation of electrical insulation structures on the characteristics of partial discharges. Electrical
engineering & electromechanics, 2019, no.4, pp. 53-58. doi: 10.20998/2074-272X.2019.4.08.
|