Partial discharges diagnostics: localization in complex bounded domains

The aim of this Ph.D. research is to develop a novel diagnostic method to localize Partial Discharges (PDs) inside Medium Voltage (MV) and High Voltage (HV) equipment. The method is well suited for that equipment presenting a bounded domain with fixed Boundary Conditions (BCs) such as Oil-Filled Power Transformers (OFPTs), Air Insulated Switchgears (AISs), Gas Insulated Switchgears (GISs) or Gas Insulated Transmission Lines (GILs). It is based on Electromagnetic (EM) measurements which are used to reconstruct the EM field produced by the PD and in order to localize this latter. The reconstruction and localization tasks are based on the eigenfunctions series expansion method which intrinsically accounts for the physical information of the propagation phenomenon. This fact makes the proposed diagnostic method very robust and accurate even in real and complex scenarios. The thesis demonstrates a promising diagnostics solution to PD localization in complex domains by means of an extensive analytical formulation, numerical simulation and experimental validation. The analytical part shows the formalization of the physical model (or Direct Problem - DP) describing the observable EM field generated by a PD which can be expressed in terms of eigenfunctions series. This mathematical model intrinsically encapsulates physical information such as domain geometry, propagation media properties as well as the boundary and initial conditions. The numerical part comprises the implementation of Finite Element Model (FEM) for eigenfunctions computations in complex domains and implementation of the Inverse Problem - IP) solution algorithm. The experimental part includes the description of laboratory setup used to validate both the introduced model and the proposed localization algorithm. The main goal of this work is fully achieved. The results confirm the efficacy of the proposed PD localization method. The obtained theoretical and numerical tools, and experimental standpoints are of general interest for both academic and industrial technical communities and they can be now used as starting point for future developments.

Lo scopo di questo Dottorato di Ricerca è quello di sviluppare un nuovo metodo diagnostico per localizzare scariche parziali all'interno di apparecchiature di media e alta tensione. Il metodo è adatto per tutte le apparecchiature che presentano un dominio limitato con condizioni al contorno imposte come trasformatori di potenza in olio, quadri e linee di tranmissione isolate in aria o gas. Il metodo si basa su misure elettromagnetiche che vengono utilizzate per ricostruire il campo elettromagnetico prodotto dalla scarica parziale, al fine di localizzarla. I processi di ricostruzione e localizzazione si basano sul metodo di espansione in serie delle autofunzioni che tiene conto intrinsecamente della fisica del fenomeno di propagazione. Questo rende il metodo diagnostico proposto molto robusto e accurato anche in scenari reali e complessi. La tesi dimostra una promettente soluzione diagnostica per la localizzazione di scariche parziali in complessi domini limitati attraverso una esauriente formulazione analitica e un'ampia parte di simulazione numerica e validazione sperimentale. La parte analitica mostra la formalizzazione del modello fisico (o Problema Diretto) descrivendo come il campo elettromagnetico generato da una scarica parziale può essere espresso in serie di autofunzioni. Questo strumento matematico incapsula intrinsecamente informazioni fisiche come la geometria del dominio, le proprietà dei mezzi di propagazione nonché le condizioni al contorno e iniziali. La parte numerica comprende la realizzazione del modello agli elementi finiti per il calcolo delle autofunzioni in complessi domini limitati e l'implementazione dell'algoritmo di soluzione del Problema Inverso. La parte sperimentale include la descrizione delle prove sperimentali utilizzate per validare il modello elettromagnetico introdotto e l'algoritmo di localizzazione proposto. L'obiettivo principale di questo lavoro è pienamente raggiunto. I risultati confermano l'efficacia del metodo proposto per la localizzazione delle scariche parziali. I conseguenti strumenti analitici e numerici, e i risultati sperimentali, sono di interesse generale per le comunità accademiche e industriali e possono essere utilizzati come punto di partenza per sviluppi futuri.