Location by travelling waves

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1 Location by travelling waves
7.5 Location in cables by travelling waves 7.6 Location by travelling waves(short cables and switchgear)

2 7.5 Location in cables by travelling waves
Cable 내 : 30m이상길이에선 적용하기 힘듬 Cable내의 고전압방전은 고속도로 travelling wave함 Wave - 수미터 진행하다 멈춤 - cable끝단에서 반사되고 다른 끝단에서 반복적 반사 - travel동안 wave는 감쇄 - cable끝단에서 impulse의 높이가 감소 Conventional discharge detection - 짧거나 빠른 travel은 single impulse로 감지 - 매우 작은 시정수의 impulse는 분해 - 장점 : impulse 사이의 시간측정으로 방전위치 알아냄

3 7.5.1 Magnitude of the travelling wave
c: void, b: c와 직렬연결된 capacitance 특성임피던스 Z로 표현 i : void를 통과하는 전류 Voltage wave의 시작부터 끝까지의 전압대 시간의 적분표현 (식7.1) b의 전하의 총합은 방전크기 q와 같으므로 (식7.2) 그러므로, voltage wave의 시적분은 방전크기에 비례

4 7.5.2 Shape of the travelling wave
전압과 방전 channel에 흐르는 전류는 -Voltage wave의 순간높이 i의 순간크기 -시간길이 5~20ns인 구형파형 -impulse의 높이는 이 모델로 계산 여기서, 좌변은 (Z/2)q와 같으므로 - The height of the internal discharge는 그림7.11 내부방전모양 t0=20ns

5 - 초기상승시간(1ns), 끝단 시정수 = 50 ~ 100 ns - 이 파형의 높이는
-좌변은 (Z/2)q와 동일하므로 -미터당 loss-free cable이라면 식(7.5)와 식(7.7)에 Z를 대입 여기서, v는 Cable내 전달속도 그림7.12 코로나방전의 파형모양 = 50 ~ 100 ns -cable길이가 6~8m이내 일때 : v는 150~200 m/us t0는 약 20 ns 이다. square 파형높이 exponential 파형 높이

6 7.5.3 Straght detection Travelling wave는 cable의 끝의 coupled impedance로 detect됨 R에 걸리는 전압 v는 Wave 시간길이 : t 0 RC가 파형기간의 5배이므로 예) R=20Ω, t0 = 20ns이면 C >> 5000pF 이 되야 한다. -50~60Hz sin wave와 disturbance를 제거하기위해 simple high-pass filter는 resistor에 병렬로 연결되어야 하고, 100KHz이상의 주파수는 제거해야함 광대역증폭기나 광대역오실로스코프는 이 filter에 연결됨

7 7.5.4 Detection without coupling capacitor
Cable의 길이 L1은 reflection의 signal이 끝나거나 signal높이가 감소되지 않게 하려면 적어도 가 되어야만 Separated된다. 반면에, L1은 reflection은 나중에나타나거나 다른 reflection에 의해 혼란되어지기 때문에 이상이 되어서도 않된다. 7.5.5 Balanced detection -Trevelling wave는 대개 각 양단에 동시에 도착하지 않기 때문에 balanced detection은 Cable의 one length의 동작만으로 가능하다.

8 7.5.5 Balanced detection 7.5.6 Sensitivity
-The terminal은 cable과 접지로부터 분리됨 -Terminal내, 외부회로의 방전은 이 회로로 제거가 가능하다. -이러한 억제는 더 크게 주파수 간격이Balanced되어야하기 때문에 conventional differential circuit에는 부적절하다. 7.5.6 Sensitivity -Detection resistor에서 일어나는 impulse는 증폭기에서 distorted된다. -Distorted impulse의 최고치는 original impulse보다도 작다. -Square wave가 증폭되면 resulting voltage는 끝단에 도달될 때(t0)까지 급속히 증가된다.Transmission coefficient가 1이면 top v’는 (여기서 original wave의 top은 e’, 증폭기의 시정수 a) -Wave는 travelling동안 감쇄된다. -Rudenberg : wave는 distortion이 없다면 first approximation에서 exponentially 감소한다.

9 7.5.6 Sensitivity -Example of this attenuation
-Attenuation의 effect는 여기서, x는 signal에 의해 travelled된 cable의 길이, γ는 cable의 attenuation. -Example of this attenuation -Observed signal의 높이는 discharge와 detector사이의 거리의 함수 -Wave와 reflected wave가 일치하므로 cable의 끝단에서의 signal은 이 값의 두 배를 얻는다. -Observed signal의 높이에 대한 일반적인 공식은 I II III IV

10 -Cable에의해 일반화된 noise는 순수저항의 것이며 그 효과적인 noise voltage는
-Factor I = 식(7.5), Factor II = 식(7.11), Factor III = 식(7.15), Factor IV = 식(7.16) -Cable에의해 일반화된 noise는 순수저항의 것이며 그 효과적인 noise voltage는 (여기서, K는 볼쯔만 상수, T는 절대온도, Re는 detection resistor와 병렬인 cable의 resistance, B는 증폭된 대역폭) -오실로스코프의 noise band Un의 높이는 이다. -방전에 의한 signal은 적어도 두배의 크기가 되어야 보이기때문에 이며 최소의 검출가능한 방전의 크기는, 식 (7.20) -t0=30ns, B=7Mc/s의 internal discharge에서 최적의 대역폭을 2 Bto = 1.3을 얻음 -최적의 대역폭을 취하고 약 1500m의 cable이고 R=Z=30이면 => sensitivity는 약 0.2pC

11 7.5.7 Calibration -위의 sensitivity는 얻기는 힘들다.
-이유1) 변압기의 승압이 약 20배를 필요로 하므로 증폭기의 노이즈대역은 100uV, 회로의 noise대역은 5uV로 큰 차이; 광대역에서는 이러한 승압을 얻기는 힘들다. -이유2) Cable의 HV부분회로의 distortion 예방이 힘들고 sensitivity에 영향을 준다. 실제로 0.5~2pC은 이상적 환경에서는 도달되지만 실제실험상에서는 2~5pC이 된다. 7.5.7 Calibration -방전크기 q는 impulse wave에 비례하지않지만, surface of impulse는 비례 : => detection resistor를 흐르는 전압 v로 표현하면 ; signal이 증폭기에서 distored되고 cable에서 atteenuated 되더라도 surface of wave의 signal 시적분은 일정 결론적으로 방전크기는 =>

12 -Z를 알지 못하면 discharge standard나 calirator는 calibration으로 사용
-Defferent discharge는 relevant impulse의 areas에 비례하므로 -방전의 크기는 surface of impulse wave측정으로 결정하나, 실제로는 impulse의 높이고 결정 -Calibrating impulse는 internal discharge와 같은 duration이어야 한다. -이는 point-sphere gap으로부터의 corona discharge의 calibate나 height에 의한 internal discharge의 measure는 맞지 않다.

13 7.5.8 Location in cables -Detector connection
-xv[s]에 impulse발생, reflecte impulse는 (2l-2x)/v[s]에 또 발생되므로 -(a)two impulse는 time difference g1이라면 -(b)g2=2x/v 이며 -(c)g3=(l-2x)/v 이며 -v(속도)로 cable의 끝단에서 discharge standard의 위치를 결정 가능하다.

14 7.5.9 Multicore cables -RB를 balanced circuit으로 test, 두 core의 끝단에 6개
Testing three-core cables Oscillogram obtained with the circuit -RB를 balanced circuit으로 test, 두 core의 끝단에 6개 Combination이 가능하며 Balanced circuit 동축에 cond- uctoer의 연결로 2와 ½획득. -즉, 9개 combination으로 방전의 위치나 발생형상을 알아낼 수 있다. -cable에서 three-core screened로 구성되야 하며 belted이면 않된다. -Belted cables은 discharge detection이 아니라 Schering bridge의 test에 사용된다.

15 7.5.10 actual circuits for location in cables
-Travelling-wave의 경우 약10MHz의 대역폭과 20~30Ω의 detection resistor 을 지닌 medium-speed 오실로스코프로 표현 -Beyer : digital technique으로 정교화, 이 detector의 특성; 1) pulse shaping : attenuation, distortion의 영향 제거 2) Data processing : 10ns이내의 지연시간을 자동 측정 3) Comparator unit : external discharge에 의한 지연이 없으며 그 영향 제거 수 ns보다 작은 discharge pulse의 jitter(전압의 요동에 의한 파형의 난조)를 체크 4) 1000번의 실험으로 평균값결정 -위 operator는 fault position의 자동인식으로 각 unit은 따로 계산할 필요없다 -routine test는 훈련없이 행해지고 sensitivity는 2pC보다 좋으며 1500m의 길이 cable의 3m이상의 위치정확도를 가지며 simple detection circuit비교에 장점

16 7.5.11 Multiple discharge sites
-Cable내에서 discharge는 하나이상의 지점에서 일어난다. -discharge는 두,세 개의 연속적 방전이 발생 -오실로스코프의 trigger level의 변화에 의해 분리되어 관측가능하며 위치추정도 가능하다. -Discharge가 불안정하면 위치추정은 어렵거나 할 수 없다. -Beywe, Lemke의 digital processing으로 several 방전 부분의 위치를 단순화 하며 여러 번 관측으로 불안정위치측정을 개선하며 일시적 ignite 방전의 위치도 측정이 가능하다.

17 7.6 Location by travelling waves
7.6.1 Short cables -약 50 m이내에서는 5~20MHz의 대역폭을 가진 detection method -50m이상에서는 1GHz이상이 필요 -Wolzak : 400MHz의 대역폭 이용(AVANTEK pre-amplifier, type 402 or 462) ‘soft separation’으로 광대역 검출, 고전압 cable내의 0.5pC의 sesitivity semiconducting screen으로 고주파의 attenuation를 야기 telecommunication용도의 coax cable => 10배의 sensitivity 개선, 위치정확도는 30mm, Screended room에서 측정한 것으로 실제로는 사용되지 않음.

18 7.6.2 Gas-insulated switchgear
-Gas-insulated systems (10~50m 길이제한) -Reeves : 100MHz 대역폭의 dual-beam 오실로스코프사용 Delay time은 반사파가 도달하기 전에 trigger를 발생시킴 -그림7.17(c)와 같으며 time lag는 -wave velocity v는 simple의 끝단에서 인위적 방전을 발생으로 nS당 l의 비율로 calibrate함 -Oscillogram : sensitivity는 약 3pC이고 위치정확도는 250mm -Transient recorder와 digital processing을 사용하여 signal의 시측정과 system의 특성을 개선하였다.