Design and fabrication of a 3D e-field probe to measure high frequency electromagnetic radiation

High and ultra-high voltage technologies are developing really quickly in China because of the wide spread of ultra-high power grid. High-voltage breakers represent the key for a continuous and safe service in this perspective. Research and improvement of the technology involved in their realization, operation and diagnostics is a very hot topic in this field. This thesis takes inspiration from a method that proposes the exploitation of the high frequency electromagnetic radiation excited during the operation of high-voltage breakers to diagnose the condition of the insulating material inside the breaker. Electromagnetic radiation can in fact prove that partial discharge is happening inside the insulation and, more importantly, it can assess the presence of partial discharge at its early stage. This translates in an early diagnostic of the insulation failure, which eliminates the risk of complete dielectric breakdown and mechanical fault of the breaker. To measure these electromagnetic radiations, a three dimensional probe for the detection of the electrical field is designed and realized. The probe is characterized by a large frequency bandwidth in order to be able to measure the high frequency pulses excited by partial discharge. The 3D E-field probe is then used in field experiments during the synthetic test of high-voltage breakers at the Xi’an High Voltage Apparatus Research Institute to evaluate the state of the work. Results of the experiments are then analyzed to investigate the validity of the noninvasive method to prevent insulation failure in the insulation of breakers.

Le tecnologie di alta e altissima tensione si stanno sviluppando molto rapidamente in Cina a causa dell’ampia diffusione della rete ad altissima potenza. Gli interruttori ad alta tensione rappresentano la chiave per un servizio sicuro e continuo in questa prospettiva: perciò, la ricerca e il miglioramento della tecnologia coinvolta nelle fasi di realizzazione, lavoro e diagnostica rappresentano ambiti di grande interesse e attualità. Il lavoro di tesi si ispira ad un metodo che propone lo sfruttamento delle radiazioni elettromagnetiche ad alta frequenza emesse durante lo svolgimento delle operazioni di interruttori ad alta tensione, con la finalità di diagnosticare lo stato del materiale isolante all’interno dell’interruttore. Queste radiazioni elettromagnetiche possono infatti indicare la presenza di scariche parziali dentro l’isolante e, soprattutto, possono provarne la presenza al loro stato iniziale. Tutto ciò si traduce nella possibilità di individuare guasti nell’isolante ad uno stato non avanzato, scongiurando i rischi di rottura completa e guasto meccanico dell’interruttore. Per misurare queste radiazioni elettromagnetiche, è stata progettata e fabbricata una sonda per il rilevamento del campo elettrico in tre dimensioni. La sonda è caratterizzata da una larga banda di frequenza, affinché sia possibile misurare gli impulsi ad alta frequenza emessi dalle scariche parziali. Una volta realizzata, la sonda viene utilizzata durante il synthetic test di interruttori ad alta tensione presso lo Xi’an High Voltage Apparatus Research Institute, per valutare la bontà del lavoro svolto. I risultati degli esperimenti sono analizzati nell’ottica di investigare la validità del metodo non invasivo per la prevenzione dei guasti all’isolamento degli interruttori.