Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Condition monitoring of disconnectors in the electric power transmission grid with temperature sensors
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electromagnetic Engineering. (RCAM)ORCID iD: 0000-0002-2462-8340
KTH, School of Electrical Engineering (EES), Electromagnetic Engineering.ORCID iD: 0000-0002-2964-7233
Svenska kraftnät (Swedish National Grid), Sweden.
2016 (English)In: International Journal of Industrial and Systems Engineering, ISSN 1748-5045, Vol. 23, no 1, 90-110 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

This paper presents a method that can be used to rank disconnectors in the electric power system, according to the condition of one of the most critical parts, the contacts. The temperature of the contacts can be continuously measured by a new type of infrared sensor. For the case study, 54 sensors were placed on six disconnectors together with reference sensors measuring the ambient temperature. The measured temperature at each contact is then regressed against the ambient temperature and the current through the disconnector. Both a linear and a quadratic dependency of the current are tested and the quadratic one explains the data best. The coefficient of the current serves as a measure of the condition of the contact. Then, it becomes possible to identify in which contacts the resistance has increased the most. As a consequence, it is possible to make better maintenance decisions for the disconnectors.

Place, publisher, year, edition, pages
InderScience Publishers, 2016. Vol. 23, no 1, 90-110 p.
Keyword [en]
Electric power transmission, disconnectors, electric contacts, temperature measurement, infrared sensors, reliability, condition monitoring
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-167119DOI: 10.1504/IJISE.2016.075809Scopus ID: 2-s2.0-84964761421OAI: oai:DiVA.org:kth-167119DiVA: diva2:813074
Funder
SweGRIDS - Swedish Centre for Smart Grids and Energy Storage
Note

QC 20150522

Available from: 2015-05-21 Created: 2015-05-21 Last updated: 2017-09-28Bibliographically approved
In thesis
1. Condition measuring and lifetime modelling of electrical power transmission equipment
Open this publication in new window or tab >>Condition measuring and lifetime modelling of electrical power transmission equipment
2015 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The electric grid is important in modern society, so the outages should be few. The transmission grid should have a real high availability, since it transports electrical energy across the country. Then, it is difficult to plan outages for maintenance and installation. This thesis lists twenty surveys about failures of circuit breakers and disconnectors, with data about the cause and the lifetime. It also contains a survey of about forty condition-measuring methods for circuit breakers and disconnectors, mostly applicable to the electric contacts and the mechanical parts.

As there is no published method to monitor the electric contacts at voltages around 400 kV, a system with IR sensors has been installed at the nine contacts of six disconnectors. The purpose is to avoid outages for maintenance by estimating the condition of the contacts while the disconnectors are still connected to high voltage. The measured temperatures are collected by radio and regressed against the square of the current, since the best exponent for the current was found to be 2.0. The coefficient of determination $R^2$ is high, greater than 0.9. This gives for each contact a regression coefficient, which can serve as an estimate of the condition of the contact. The higher the coefficient is, the more heat is produced at the contact, which can damage the material. This enables a ranking of the different contacts and shows which the worst ones are. This coefficient can also give a dynamic rating of the disconnector.

Abstract [sv]

Elnätet är viktigt i det moderna samhället, så antalet avbrott bör vara lågt. Särskilt stamnätet bör ha en särskilt hög tillgänglighet, då det transporterar elektrisk energi tvärsöver landet. Då blir det svårt att planera avbrott för underhåll och utbyggnad. Denna avhandling tar upp tjugo studier av fel i brytare och frånskiljare med data om felorsak och livslängd. Den har också en översikt av ett fyrtiotal olika metoder för tillståndsmätningar för brytare och frånskiljare, som huvudsakligen rör de elektriska kontakterna och de mekaniska delarna.

Eftersom det inte finns någon beskriven metod för att övervaka elektriska kontakter för spänningar på runt 400 kV, har ett system med IR sensorer installerats på de nio kontakterna på sex frånskiljare. Målet är att minska antalet avbrott för underhåll genom att skatta skicket hos kontakterna, när frånskiljarna fortfarande är kopplade till högspänning. De uppmätta temperaturerna tas emot genom radio och behandlas genom regression mot kvadraten av strömmen, då den bästa exponenten för strömmen visade sig vara 2,0. Förklaringsfaktorn $R^2$ är hög, över 0,9. För varje kontakt ger det en regressionskoefficient, som blir en skattning av kontaktens skick. Ju högre koefficienten är, desto mer värme utvecklas det i kontakten, vilket kan leda till skador på materialet. Kontakternas olika koefficienter ger en rankordning dem och därmed en möjlighet att prioritera vilken frånskiljare som ska underhållas först. Systemet kan också användas för att minska eller öka den tillåtna strömmen baserat på skicket.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockhom: KTH Royal Institute of Technology, 2015. xii, 26 p.
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146 ; 2015:026
Keyword
disconnectors, circuit breakers, reliability, lifetime, electric contacts, electric power transmission
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-167136 (URN)978-91-7595-611-4 (ISBN)
Presentation
2015-06-12, Seminarierum H21, Teknikringen 33, KTH, Stockholm, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
SweGRIDS - Swedish Centre for Smart Grids and Energy Storage
Note

QC 20150522

Available from: 2015-05-22 Created: 2015-05-21 Last updated: 2015-05-22Bibliographically approved
2. Condition measuring and lifetime modelling of disconnectors, circuit breakers and other electrical power transmission equipment
Open this publication in new window or tab >>Condition measuring and lifetime modelling of disconnectors, circuit breakers and other electrical power transmission equipment
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The supply of electricity is important in modern society, so the outages of the electric grid should be few and short, especially for the transmission grid. A summary of the history of the Swedish electrical system is presented. The objective is to be able to plan the maintenance better by following the condition of the equipment.

The risk matrix can be used to choose which component to be maintained. The risk matrix is improved by adding a dimension, the uncertainty of the probability. The risk can be reduced along any dimension: better measurements, preventive maintenance or more redundancy. The number of dimensions can be reduced to two by following iso-risk lines calculated for the beta distribution.

This thesis lists twenty surveys about circuit breakers and disconnectors, with statistics about the failures and the lifetime. It also presents about forty condition-measuring methods for circuit breakers and disconnectors, mostly applicable to the electric contacts and the mechanical parts.

A method for scheduling thermography based on analysis of variance of the current is tried. Its aim is to reduce the uncertainty of thermography and it is able to explain two thirds of the variation using the time of the day, the day of the week and the week number as explanatory variables. However, the main problem remains as the current is in general too low.

A system with IR sensors has been installed at the nine contacts of six disconnectors with the purpose of avoiding outages for maintenance if the contacts are in a good condition. The measured temperatures are sent by radio and regressed against the square of the current, the best exponent found. The coefficient of determination $R^2$ is high, greater than 0.9. The higher the regression coefficient is, the more heat is produced at the contact. So this ranks the different contacts.

Finally a framework for lifetime modelling and condition measuring is presented. Lifetime modelling consists in associating a distribution of time to failure with each subpopulation. Condition measuring means measuring a parameter and estimating its value in the future. If it exceeds a threshold, maintenance should be carried out. The effect of maintenance of the contacts is shown for four disconnectors.

An extension of the risk matrix with uncertainty, a survey of statistics and condition monitoring methods, a system with IR sensors at contacts, a thermography scheduling method and a framework for lifetime modelling and condition measuring are presented. They can improve the planning of outages for maintenance.

Finally a framework for lifetime modelling and condition measuring is presented. Lifetime modelling consists in associating a distribution of time to failure with each subpopulation. Condition measuring means measuring a parameter and estimating its value in the future. If it exceeds a threshold, maintenance should be carried out. The effect of maintenance of the contacts is shown for four disconnectors.

An extension of the risk matrix with uncertainty, a survey of statistics and condition monitoring methods, a system with IR sensors at contacts, a thermography scheduling method and a framework for lifetime modelling and condition measuring are presented. They can improve the planning of outages for maintenance.

Abstract [sv]

Elförsörjningen är viktig i det moderna samhället, så avbrotten bör vara få och korta, särskilt i stamnätet. En kortfattad historik över det svenska elsystemet presenteras. Målet är att kunna planera avbrotten för underhåll bättre genom att veta mera om apparaternas skick.

Det är svårt att planera avbrott för underhåll och utbyggnad. Riskmatrisen är verktyg för att välja vad som ska underhållas och den kan förbättras genom att lägga till en dimension, sannolikhetens osäkerhet. Risken kan minskas längs med varje dimension: bättre mätningar, förebyggande underhåll och mer redundans. Antalet dimensioner kan igen bli två genom att följa linjer med samma risk, som är beräknade för betafördelningen.

Denna avhandling tar upp tjugo studier av fel i brytare och frånskiljare med data om felorsak och livslängd. Den har också en översikt av ett fyrtiotal olika metoder för tillståndsmätningar för brytare och frånskiljare, som huvudsakligen rör de elektriska kontakterna och de mekaniska delarna.

Ett system med IR sensorer har installerats på de nio kontakterna på sex frånskiljare. Målet är att minska antalet avbrott för underhåll genom att skatta skicket när frånskiljarna är i drift. De uppmätta temperaturerna tas emot genom radio och behandlas genom regression mot kvadraten av strömmen, då den bästa exponenten för strömmen visade sig vara 2,0. Förklaringsfaktorn $R^2$ är hög, över 0,9. För varje kontakt ger det en regressionskoefficient. Ju högre koefficienten är, desto mer värme utvecklas det i kontakten, vilket kan leda till skador på materialet. Koefficienterna ger en rangordning av frånskiljarna. Systemet kan också användas för att minska eller öka den tillåtna strömmen baserat på skicket.

Slutligen förklaras ett ramverk för livslängdsmodellering och tillståndsmätning. Livslängdsmodellering innebär att koppla en fördelning för tiden till fel med varje delpopulation. Med tillståndsmätning avses att mäta en parameter och skatta dess värde i framtiden. Om den överskrider en tröskel, måste apparaten underhållas. Effekten av underhåll visas för fyra frånskiljare.

En utveckling av riskmatrisen med osäkerheten, en sammanställning av statistik och metoder för tillståndsövervakning, ett system med IR-sensor vid kontakerna, en metod för termografiplanering och ett ramverk för livslängdsmodellering och tillståndsmätningar presenteras. De kan förbättra avbrottsplaneringen.

Abstract [es]

El suministro de energía eléctrica es importante en la sociedad moderna. Por eso los cortes eléctricos deben ser poco frecuentes y de poca duración, sobre todo en la red de transmisión. Esta tesis resume la historia del sistema eléctrico sueco. El objetivo es planificar los cortes mejor siguiendo la condición de los aparatos.

La matriz de riesgo se utiliza muchas veces para escoger en qué aparatos debería realizarse mantenimiento. Esta matriz se puede mejorar añadiendo una dimensión: la incertidumbre de la probabilidad. El riesgo puede ser disminuido siguiendo cada una de las tres dimensiones: mejores mediciones, mantenimiento preventivo y mayor redundancia. El número de dimensiones puede reducirse siguiendo líneas del mismo riesgo calculadas para la distribución beta.

Esta tesis presenta veinte estudios de fallos en interruptores y seccionadores con datos sobre la causa y el tiempo hasta la avería. Contiene también una visión general de cuarenta métodos para medir la condición de seccionadores e interruptores, aplicables en su mayoría a los contactos eléctricos y los componentes mecánicos.

Se ha instalado un sistema con sensores infrarrojos en los seis contactos de nueve seccionadores. El objetivo es disminuir los cortes de servicio para mantenimiento, estimando la condición con el seccionador en servicio. Las temperaturas son transmitidas por radio y se hace una regresión con el cuadrado de la corriente, ya que el mejor exponente de la corriente resultó ser 2,0. $R^2$ alcanza un valor de 0,9 indicando un buen ajuste de los datos por parte del modelo. Existe un coeficiente de regresión para cada contacto y este sirve para ordenar los contactos según la necesidad de mantenimiento, ya que cuanto mayor sea el coeficiente más calor se produce en el contacto.

Finalmente se explica que el modelado de tiempo hasta la avería consiste en asignar una distribución estadística a cada equipo. La monitorización del estado consiste en medir y estimar un parámetro y luego predecir su valor en el futuro. Si va a sobrepasar un cierto límite, el equipo necesitará de mantenimiento. Se presenta el efecto de mantenimiento de cuatro seccionadores.

Un desarrollo de la matriz de riesgo, un conjunto de estadísticas y métodos de monitoreo de condición, un sistema de sensores IR situados cerca de los contactos, en método de planificación de termografía y un concepto para explicar la modelización de tiempo hasta la avería y de la monitorización de la condición han sido presentados y hace posible una mejor planificación de los cortes de servicio.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: Kungliga Tekniska högskolan, 2017. 78 p.
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146 ; 2017:134
Keyword
reliability, maintenance, condition monitoring, disconnector, circuit breaker, Weibull distribution, prediction, risk analysis, decision making, beta distribution
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-214984 (URN)978-91-7729-543-3 (ISBN)
Public defence
2017-10-23, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 13:15 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
SweGRIDS - Swedish Centre for Smart Grids and Energy Storage
Note

QC 20170928

Available from: 2017-09-28 Created: 2017-09-28 Last updated: 2017-10-03Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3675 kB)237 downloads
File information
File name FULLTEXT02.pdfFile size 3675 kBChecksum SHA-512
519264eac2a6d4072dac2bb94dfa27e2aeedb060dc96a376483316f7ad3a40ff7213fda4fb91d345f6e6b50d1c45838feb469edf8cde5ff8eb9938e12c2e6135
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Westerlund, Per

Search in DiVA

By author/editor
Westerlund, PerHilber, Patrik
By organisation
Electromagnetic Engineering
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 237 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 841 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf