PD-Wellenform-Fingerprinting: Identifizierung von Entladungsquellen

PD-Wellenform-Fingerprinting: Identifizierung von Entladungsquellen

Abstract

Ein Teilentladungsimpuls besitzt eine charakteristische Form, die auf den Defekt hinweist: Eine Koronaentladung ist schnell und scharf, eine Hohlraumentladung langsamer mit einem gedämpften Ausklang, und eine Oberflächenentladung erstreckt sich über Hunderte von Nanosekunden. Beim Fingerabdruckvergleich wird der erfasste Impuls mit einer Datenbank entsprechender Daten verglichen. Dieser Artikel beschreibt die Impulsform und die spektralen Eigenschaften, die fünf Feldfehler, die zu einem Abbruch des Abgleichs führen, sowie die Schritte zur Sicherstellung der Stabilität der Datenbank.

1. Einleitung

Eine Teilentladung ist kein strukturloses Klicken. Der Nanosekunden-Stromimpuls besitzt eine Form, und diese Form folgt den physikalischen Gegebenheiten der Quelle: der Geometrie des Defekts, dem Gasdruck im Inneren eines Hohlraums, der Oberflächenleitfähigkeit eines Kriechpfads und der Impedanz eines frei beweglichen Partikels.

Eine Koronaentladung an einer Nadelspitze erzeugt einen schnellen Impuls. Eine Entladung in einem gasgefüllten Hohlraum führt zu einem langsameren Ereignis mit gedämpftem Ausklang. Oberflächenentladungen dehnen sich zu einem längeren Signal mit niedrigerer Frequenz aus. Diese Unterschiede bilden den Fingerabdruck der Quelle, und die Wellenformanalyse ermöglicht die Identifizierung des Entladungsmechanismus anhand eines einzelnen erfassten Impulses.

Der Nutzen ist unmittelbar. Ein System, das Koronaentladungen an einer beweglichen Schraube anstatt an einer Luftbrücke in einer Kabelverbindung meldet, verlagert die Wartungsentscheidung von der nächsten Abschaltung hin zu einer Inspektion im spannungslosen Zustand. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die erfasste Wellenform nicht der ursprünglichen Wellenform entspricht. Sie hat einen Koppelkondensator, ein Kabel, einen Verstärker und einen Digitalisierer durchlaufen, und jede Stufe verändert sie.

Dieser Artikel beschreibt die Physik der Impulsform, die Verzerrungen, die einen Fingerabdruck verfälschen, die fünf Feldfehler, die die Übereinstimmung unterbrechen, und die Konstruktionsschritte, die die Methode in einem Umspannwerk wiederholbar machen.

2. Kernmechanismus

2.1 Die physikalische Impulsform

Ein TE-Impuls passt zu einem doppelt-exponentiellen Strommodell.

i(t) = I_0 · (e^(−t/τ_f) − e^(−t/τ_r))

Dabei ist i(t) der Entladungsstrom in A, I₀ der Spitzenstrom in A, τₜ die Anstiegszeitkonstante in ns und τₜ die Abfallzeitkonstante in ns. Koronaimpulse liegen nahe τₜ = 2 ns mit τₜ zwischen 5 ns und 20 ns. Eine Hohlraumentladung in fester Isolierung zeigt τₜ zwischen 5 ns und 20 ns mit einem gedämpften oszillatorischen Ausläufer. Oberflächenentladungen erstrecken sich bis zu einem τₜ von mehreren hundert Nanosekunden.

Die Scheinladung ist das Integral dieses Stroms.

q = ∫ i(t) dt = I_0 · (τ_f − τ_r)

Dabei ist q die scheinbare Ladung in pC. Die normalisierte Form, also das Verhältnis τ_r/τ_f plus der spektrale Schwerpunkt, enthält die Klasseninformation. Diese beiden Parameter entscheiden darüber, ob eine Quelle mittels Fingerprinting identifiziert werden kann; die absolute Amplitude hingegen nicht.

2.2 Die spektrale Signatur

Ein doppelexponentieller Impuls klingt bei hohen Frequenzen ab. Sein spektraler Schwerpunkt folgt den beiden Zeitkonstanten.

f_c ≈ 1 / (2π · √(τ_r · τ_f))

Dabei ist f_c der spektrale Schwerpunkt in MHz, τ_r die Anstiegszeitkonstante in ns und τ_f die Abfallzeitkonstante in ns. Ein Koronaimpuls mit τ_r = 2 ns und τ_f = 10 ns ergibt 112 MHz. Eine Oberflächenentladung mit τ_r = 20 ns und τ_f = 200 ns ergibt 25 MHz.

Das Energieverhältnis zwischen dem oberen Frequenzband von 100 MHz bis 1 GHz und dem unteren Frequenzband von 1 MHz bis 50 MHz trennt diese beiden Klassen um mehr als den Faktor zehn. Dieses Verhältnis bleibt auch bei Amplitudenänderungen bestehen. Fügt man die Phasenposition im Leistungszyklus hinzu, so trennt der Fingerabdruckbereich die Hauptklassen mit deutlichen Abständen.

2.3 Die Kette, die den Fingerabdruck überschreibt

Jede Stufe zwischen der Entladung und dem Digitalisierer bildet ein lineares System. Jede Stufe faltet ihre Impulsantwort mit dem eigentlichen Impuls.

i_meas(t) = i_true(t) ∗ h_chain(t)

Dabei ist i_meas der gemessene Strom in Ampere, i_true der Quellstrom in Ampere und h_chain die Impulsantwort der Kette. Das Kopplungsnetzwerk schneidet den niederfrequenten Ausläufer mit seiner Grenzfrequenz f_c = 1/(2πRC) ab, wodurch sich die scheinbare Abfallzeit verkürzt. Das Kabel dämpft hohe Frequenzen, wodurch sich die scheinbare Anstiegszeit verlängert.

Eine Serienresonanz im Koppelkondensator erzeugt zusätzlich zum Impuls eine gedämpfte Schwingung.

f_SR = 1 / (2π · √(L_ESL · C))

Dabei ist f_SR die Eigenresonanzfrequenz in MHz, L_ESL die äquivalente Serieninduktivität in nH und C die Kopplungskapazität in pF. Ein 22 nH-Teil mit 100 pF resoniert bei 339 MHz und überlagert eine Schwingung innerhalb des Bandes, das die charakteristischen Merkmale trägt. Die Stabilität der Kette, nicht ihre Flachheit, bestimmt die Feldreproduzierbarkeit.

2.4 Abgleich und der Schwellenwert

Das Verfahren vergleicht den Merkmalsvektor eines erfassten Pulses mit einer Datenbank annotierter Daten. Als Metrik dient eine normalisierte Korrelation oder die Mahalanobis-Distanz. Der Puls erhält die Kennzeichnung des besten Treffers, sobald die Ähnlichkeit einen Schwellenwert überschreitet. Unterhalb des Schwellenwerts bleibt der Datensatz unidentifiziert.

Der Schwellenwert wägt ein falsches Etikett gegen ein übersehenes ab und muss auf Felddaten basieren, die bestätigt wurden. Die Merkmalsvarianz bestimmt die Trennung. Kettendrift und Ausbreitungspfad dominieren diese Varianz. Eine Kette mit einer Merkmalswiederholbarkeit von ±2 % trennt die Hauptklassen. Eine driftende Kette mit einer Streuung von ±15 % verringert die Trennlinie, bis das Ergebnis einem Münzwurf entspricht.

Abb. 1 — Kopplung von ESL von 22 nH-Ringen bei 339 MHz innerhalb des Merkmalsbandes und Kettendrift bei 15% Streuung schließt die Grenze zwischen Korona und Oberfläche.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Kettenabweichung macht eine Datenbank ungültig

Ein Transformatorüberwachungssystem erstellte seine Datenbank bei der Inbetriebnahme. Nach 18 Monaten begann es, bekannte Hohlraumentladungen als unbekannt und Koronaentladungen als Oberflächenentladungen zu kennzeichnen. Die Entladungen selbst hatten sich nicht verändert. Ein Stecker mit steigendem Kontaktwiderstand hatte die Kettenantwort verschoben. Ein Koppelkondensator mit zunehmenden Verlusten hatte eine zusätzliche Verschiebung verursacht. Die Merkmalsvektoren lagen daraufhin außerhalb ihrer Klassengrenzen, und eine Datenbank, die niemand erneut überprüfte, verlor ihre Gültigkeit.

Problempunkt 2: Kopplungsresonanz fügt ein falsches Merkmal hinzu.

Ein GIS-Diagnosegerät mit 22 nH Kopplungs-ESL zeigte bei jedem erfassten Impuls eine reproduzierbare 250-MHz-Oszillation. Der Algorithmus nutzte Spektralmerkmale und begann daher, Entladungen danach zu unterscheiden, ob die Impulsfrequenz zu diesem Artefakt beitrug oder es subtrahierte. Zwei identische Void-Entladungen an ein und demselben Ort erhielten dadurch unterschiedliche Bezeichnungen. Die Genauigkeit sank auf nahezu zufällig.

Problempunkt 3: Distanz dehnt den Puls und lässt Klassen verschmelzen

Eine Koronaquelle lieferte zwei Messwerte: einen in 1 m Entfernung vom Sensor und einen in 30 m Entfernung durch ein Kabel. Diese beiden Merkmalsvektoren lagen weiter auseinander als die Korona- und Oberflächenklassen. Die Hochfrequenzdämpfung des Kabels verlängerte die scheinbare Anstiegszeit und senkte den spektralen Schwerpunkt, sodass die entfernte Korona der Oberflächenklasse zugeordnet wurde. Eine datenbankbasierte Methode, die die Entfernung nicht berücksichtigt, kann die Physik der Quelle nicht von der Ausbreitung trennen.

Problempunkt 4: Zwei Quellen erzeugen ein hybrides Wellenform

Sind zwei Quellen in einem Panel aktiv, empfängt der Detektor überlappende Impulse, und die Merkmale des resultierenden Datensatzes liegen zwischen den beiden Klassen. Ein System mit nur einer Kennzeichnung wechselt dann von Impuls zu Impuls zwischen den Kennzeichnungen oder verwirft alle Datensätze. Anwender im Feld interpretieren diese Instabilität fälschlicherweise als Geräteausfall, selbst wenn die Messung an sich korrekt ist.

Problempunkt 5: Eine Labordatenbank überträgt

Eine auf einer kurzen Laborkette basierende Herstellerdatenbank wurde auf Umspannwerkseinheiten übertragen. Die Kabellängen, Kopplungswerte und Verstärkungsfaktoren unterschieden sich. Die Merkmalsverteilungen verschoben sich um ein Vielfaches der Klassengrenzen, und das System kennzeichnete die meisten Impulse falsch. Die Datenbank war für die jeweilige Kette korrekt und nicht auf andere übertragbar.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Die Kettenübertragungsfunktion als Designinvariante festlegen

Wählen Sie einen Koppelkondensator mit stabiler Kapazität bei ±30 ppm/°C, Verlusten unter 0.1 % und niedrigem ESL. Die Grenzfrequenz f_c = 1/(2πRC) und die Eigenresonanzfrequenz f_SR = 1/(2π√(L_ESL·C)) bleiben dann über Temperatur, Alterung und Spannung hinweg konstant. Verwenden Sie festverdrahtete, längenangepasste Kabel und kalibrierte Verstärker und überprüfen Sie das Kettenverhalten bei jeder Inbetriebnahme und jedem Wartungsintervall erneut.

Strategie 2: Beseitigung der Quell-Pfad-Mehrdeutigkeit

Nutzen Sie die Laufzeitdifferenz zweier oder mehrerer Sensoren, um die Quellenentfernung zu schätzen. Normalisieren Sie die Spektraleigenschaften anhand der bekannten Dämpfung des jeweiligen Pfades. Bestimmen Sie mit nur einem Sensor die Entfernung anhand des Ankunftsmusters und des Reflexionssignals und kennzeichnen Sie alle Impulse, deren Entfernung unbekannt bleibt. Erstellen Sie die Datenbank pro Entfernungsband oder wandeln Sie jeden Fingerabdruck in eine quellenbezogene Form um.

Strategie 3: Verwendung formbasierter, kettenunabhängiger Merkmale

Bevorzugt werden Verhältnisse und normalisierte Formen, wie z. B. τ_r/τ_f, der spektrale Schwerpunkt und das Verhältnis der Energie im hohen zum niedrigen Frequenzband. Diese Merkmale bleiben auch bei gleichmäßiger Verstärkungsänderung erhalten. Vor der Merkmalsextraktion wird eine Dekonvolution mit der gemessenen Impulsantwort der Kette durchgeführt, um die Form des Quellimpulses wiederherzustellen. Die Robustheit wird durch Einspeisen eines Kalibrierimpulses an die Objektanschlüsse und Überprüfung der Temperaturstabilität der Merkmale bestätigt.

Strategie 4: Unterstützung der Zerlegung aus mehreren Quellen

Gruppieren Sie die Merkmale im Zeitverlauf anhand eines phasenaufgelösten Musters, anstatt jeden Impuls einzeln zu kennzeichnen. Überlappende Quellen werden dann in separate Cluster mit jeweils eigenen Kennzeichnungen aufgeteilt. Geben Sie jede Kennzeichnung mit einem Konfidenzwert an und lassen Sie ein nicht identifiziertes Ergebnis zu, anstatt eine Kennzeichnung zu erzwingen. Protokollieren Sie nicht identifizierte Impulse, da eine wachsende Anzahl auf eine neue Quelle oder Kettendrift hinweist.

Strategie 5: Datenbank anhand der Feldergebnisse erneut überprüfen

Gleichen Sie aufgezeichnete Fingerabdrücke mit späteren Inspektionsergebnissen ab, z. B. mit dem Ausbau einer Durchführung oder dem Austausch einer Kabelverbindung, und verwenden Sie die bestätigten Beispiele, um die Klassengrenzen zu verfeinern. Führen Sie die Kalibrierungsprüfung nach jeder Hardwareänderung, einschließlich eines Kabeltauschs oder einer Steckerreparatur, erneut durch und aktualisieren Sie die betroffenen Einträge. Melden Sie die Genauigkeit pro Klasse fortlaufend, sodass ein Verlust der Datenbankgültigkeit innerhalb weniger Tage sichtbar wird.

Strategie 6: Wählen Sie die passiven Teile aus, die die Kette flach halten.

Verwenden Sie ein Dielektrikum der Klasse I, wie zum Beispiel N4700 für das Kopplungselement, da dessen Kapazität über den gesamten Betriebsbereich konstant bleibt. Platzieren Sie ein HVR-BSP Dickschichtwiderstand in der Verteilerkette für ein Verhältnis, das über −55 °C bis +125 °C gilt, und den Bus mit einem erfassen HVRGHP-AbtastwiderstandSchützen Sie die Eingangsstufe mit einem schnelle Erholungsdiode ausgelegt für den transienten Betrieb.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC N4700 Kondensatoren für reproduzierbare Fingerabdrücke

Für den Fingerabdruckabgleich ist eine Kette erforderlich, die im Juli und im Januar dasselbe Ergebnis liefert. Diese Kette beginnt am Koppelkondensator. HVC fertigt in seinem 6,000 m² großen Werk in Dongguan Bauteile der Klasse I N4700 für diesen Zweck und deckt dabei einen Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV ab.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Bei einem TCC von ±30 ppm/°C bleibt der Kopplungswert und der Kettenabschneidewert f_c = 1/(2πRC) erhalten, sodass ein Datensatz aus einer Saison mit dem der nächsten übereinstimmt.
• ESL unterhalb von 20 nH im Türgriff HVCT8G Die Bandscheibenkörper verschieben die Eigenresonanz über das PD-Band hinaus. Dadurch wird die zusätzliche Schwingung beseitigt, die ein Spektralmerkmal verfälscht.
• Teilentladungen unter 5 pC bei Nennspannung, daher stammt jeder Impuls in der Datenbank von der Isolation und nicht vom Kopplungsteil.
• Verluste unter 0.1 % und ein ESR unter 10 mΩ bei 100 kHz, sodass die Kettenantwort auch bei einer langen Überwachungskampagne mit hoher Pulsrate erhalten bleibt.
• Die Impulslebensdauer beträgt über 10⁶ Ereignisse ohne Kapazitätsverlust, sodass sich die Kettenreaktion mit dem Alter nicht verändert.
• Epoxidharz-Verkapselung mit dreifacher Beschichtung, salzsprühbeständig für 96 Stunden, für Umspannwerks- und Fabrikumgebungen mit Feuchtigkeit, SF₆ und Öldämpfen.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen und geprüfte Kupplungssätze innerhalb von 6 bis 10 Wochen geliefert, im Vergleich zu 20 bis 30 Wochen bei Markenprodukten erster Wahl. Jedes Gerät verfügt über ein TE-Protokoll bei Nennspannung und ein Kapazitätsprotokoll bei 1 MHz.

Senden Sie den Kopplungswert, die Bandbreite, die Kabellänge und den Temperaturbereich am Einsatzort. HVC sendet Ihnen ein entsprechendes Datenblatt mit Teilenummern, Eigenresonanzfrequenz und weiteren Informationen. Querverweis gegen Murata und Vishay innerhalb von fünf Werktagen.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum hört eine Fingerabdruckdatenbank nach einem Jahr auf, Übereinstimmungen herzustellen?

Da sich die Kette verschoben hat, verändern sich die Übertragungsfunktion durch einen Stecker mit steigendem Kontaktwiderstand und einen Koppelkondensator mit zunehmenden Verlusten. Dadurch verlässt jeder Merkmalsvektor seine Klassengrenze. Die Entladungen bleiben unverändert. Protokollieren Sie die Kettenantwort bei jeder Messung, um eine Abweichung als Kettendrift zu erkennen, und aktualisieren Sie die betroffenen Datenbankeinträge nach jeder Hardwareänderung.

Frage 2: Welche Merkmale kennzeichnen eine Entladungsquelle am besten?

Formverhältnisse. Das Paar τ_r/τ_f, der spektrale Schwerpunkt f_c ≈ 1/(2π√(τ_r·τ_f)) und das Energieverhältnis zwischen hohem und niedrigem Frequenzband bleiben bei einer gleichmäßigen Verstärkungsänderung erhalten. Ein Koronaimpuls bei τ_r = 2 ns und τ_f = 10 ns weist einen Schwerpunkt von 112 MHz auf, eine Oberflächenentladung bei τ_f = 200 ns einen von 25 MHz. Die absolute Amplitude hat keinen Einfluss.

Frage 3: Warum erzeugt ein Koppelkondensator ein falsches Merkmal?

Da die ESL mit ihrer eigenen Kapazität resoniert: f_SR = 1/(2π√(L_ESL·C)). Ein 22 nH-Teil bei 100 pF resoniert bei 339 MHz und fügt eine gedämpfte Schwingung innerhalb des Frequenzbandes hinzu, das die Merkmale trägt. Ein Modell mit spektralen Eingangsgrößen kennzeichnet dann Impulse danach, wie sie mit diesem Artefakt überlagert werden, was physikalisch keine Bedeutung hat.

Frage 4: Wie nahe können sich zwei Entladungsklassen kommen, bevor die Übereinstimmung fehlschlägt?

Die Trennschärfe richtet sich nach der Merkmalsvarianz, die maßgeblich von Kettendrift und -propagation bestimmt wird. Eine Kette mit einer Merkmalswiederholgenauigkeit von ±2 % trennt die Hauptklassen mit ausreichendem Spielraum. Eine driftende Kette mit einer Streuung von ±15 % verringert die Trennschärfe so weit, dass das Ergebnis einem Münzwurf entspricht. Messen Sie die Wiederholgenauigkeit mit einem Kalibrierimpuls, bevor Sie einer Datenbank vertrauen.

Frage 5: Kann eine Datenbank mehrere Umspannwerke bedienen?

Nur wenn jede Kette übereinstimmt. Eine Datenbank, die auf einer kurzen Laborkette basiert und auf Geräte mit anderen Kabellängen, Kopplungswerten und Verstärkungen übertragen wurde, kennzeichnet die meisten Impulse falsch, da sich die Merkmalsverteilungen um ein Vielfaches der Klassengrenzen verschieben. Kalibrieren Sie jede Kette oder verwenden Sie einen quellenbezogenen Merkmalsatz, der die Kettenantwort eliminiert.

Frage 6: Wie gehe ich mit zwei Abwasserquellen an einem Standort um?

Gruppieren Sie die Merkmale im Zeitverlauf gemäß dem phasenaufgelösten Muster und kennzeichnen Sie jede Gruppe separat. Ein Modell mit einer einzigen Kennzeichnung wechselt zwischen den Kennzeichnungen oder verwirft alle Datensätze, wenn sich zwei Quellen überlappen. Geben Sie jede Kennzeichnung mit einem Konfidenzwert an und protokollieren Sie nicht identifizierte Impulse, da eine wachsende Anzahl auf eine neue Quelle oder Kettendrift hinweist.

7. Referenzen

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