Monitoring strategies for capacitive voltage transformers

Capacitive Voltage Transformers (CVTs) are part of the core of power stations as they allow for real-time monitoring, operation, and protection of the electric grid. Despite their widespread adoption and reliability, as any other device, CVTs are vulnerable to a variety of failure modes and degradation patterns. If some of these are not detected early, the probability of a catastrophic event increases. This thesis presents a review of CVT components, failure modes, existing monitoring strategies, and proposes an online sensor-based strategy for CVT condition monitoring that is capable of identifying partial discharges (PDs) and estimate dielectric losses (Tan delta), which are early indicators of deterioration. The proposed strategy uses the modeling of the main internal components of CVTs together with high-frequency sensors to provide selective and sensitive alarms. The modeling and simulation were performed using Simulink-Simscape, the detailed model introduced for the voltage divider that includes parasitic elements and stray capacitances is a result of the work of this thesis. By analyzing the frequency spectrum characteristics of the current through ground, the method can detect PDs inside the capacitor stack with high selectivity, rejecting signals from PDs on external devices. In addition, by analyzing the magnitude of the ground current response to a standard pulse injection, it is possible to detect changes in insulation losses. The presented strategy is sensitive to early signs of degradation and could be used as an additional support for other reviewed methodologies that might still lack selectivity or sensitivity. This work sets some basic foundations and concepts that could be used for future developments such as the expansion to additional failure modes, and field applications.

I Trasformatori di Tensione Capacitivi (CVT) fanno parte del nucleo delle sottostazione elettriche poiché permettono il monitoraggio, l’operazione e la protezione in tempo reale della rete elettrica. Nonostante la loro ampia adozione e affidabilità, come qualsiasi altro dispositivo, i CVT sono vulnerabili a una varietà di modalità di guasto e schemi di degrado; se alcuni di questi guasti o degradi non vengono rilevati in tempo, aumenta la probabilità di un evento catastrofico. Questa tesi presenta una revisione dei componenti dei CVT, delle modalità di guasto, delle strategie di monitoraggio esistenti, e propone una strategia di monitoraggio della condizione dei CVT basata su sensori online, capace di identificare scariche parziali (PD) e perdite dielettriche (tan delta), che sono indicatori precoci di deterioramento. La strategia proposta utilizza la modellazione dei principali componenti interni dei CVT insieme a sensori ad alta frequenza. La modellazione e la simulazione sono state eseguite usando Simulink-Simscape; il modello dettagliato introdotto per il divisore di tensione, che include elementi parassiti, è un risultato del lavoro di questa tesi. Analizzando lo spettro in frequenza della corrente verso terra, il metodo può rilevare PD all’interno della colonna capacitiva con alta selettività, rifiutando i segnali di PD provenienti da dispositivi esterni. Inoltre, analizzando la magnitudine della risposta in corrente verso terra a un’iniezione di impulso standard, è possibile rilevare cambiamenti nelle perdite dielettriche. La strategia presentata è sensibile ai segni precoci di degrado e potrebbe essere utilizzata come supporto aggiuntivo ad altre metodologie riviste che potrebbero ancora mancare di selettività o sensibilità. Questo lavoro stabilisce alcune basi e concetti fondamentali che potrebbero essere usati per sviluppi futuri, come l’integrazione con gemelli digitali, l’inclusione di ulteriori modalità di guasto e applicazioni sul campo.