Wideband modelling and parameter estimation of capacitor voltage transformers using a pseudo-random impulse sequence
Date
2021-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Capacitor voltage transformers are widely used on power transmission networks for voltages of 275 kV
and above for voltage measurement, installed on high voltage busbars and transmission lines. The main
purpose of line capacitor voltage transformer arrangements is to step down high voltages to measurable
values for protection and metering devices, as well as for quality of supply and control applications. In
addition, they provide a low impedance path for the high frequency power line carrier signal used for
communication and accelerated tripping between protection devices. For accurate capacitor voltage
transformer modelling and frequency response simulations a suitable broadband circuit model must be
used.
This project examines the time-domain and frequency-domain behaviour of a broadband model topology
for a practical capacitive voltage transformer. The mathematical equations for the circuit topology are
derived and simulation results of the secondary input impedances, voltage transformation ratios and
transconductance ratio are presented and critically appraised. Transfer functions for various subcircuits
are derived, and evaluated against simulated and calculated responses.
A new method of using waveform pattern recognition for the detection of internal capacitor voltage
transformer failures experienced during network transients, energization, de-energization and steady state
conditions was examined and discussed. This can be a useful tool that would minimize time spent on fault
finding, and limit the impact on surrounding plant if imminent failures are identified and attended to early
enough. In addition, it can prompt timeous replacement of the equipment before severe failures occur,
considering long lead times regarding procurement processes and unavailability of strategic spares. The
approach is based on evidence collection, where analog voltage recordings, are critically appraised and
used as a tool for failure detection and condition monitoring.
Results from simulated internal failures correlated well with voltage waveforms obtained from fault
recordings retrieved during network transients of faulted capacitor voltage transformers.
Use of a novel perturbation signal for the determination of frequency responses of capacitor voltage
transformers, namely the pseudo-random impulse sequence [1], was explored. This broadband signal can
be easily generated for high voltage applications. Measured frequency responses were presented for the
transformation ratio, secondary input impedance and secondary transconductance ratio of a 400 kV/110 V
capacitor voltage transformer.
The measured and simulated frequency responses observed correlated well. Measurement results revealed
that resonance at much higher frequencies will occur for transfer functions of capacitor voltage
transformers that have reached their useful life. It is concluded that the measurement arrangement for
testing of secondary input transfer functions using the pseudo-random impulse sequence perturbation
current source should be done with the lower stack capacitor C2 open circuited, to reduce the impedance
seen on the secondary side.
Most of the circuit parameters of capacitive voltage transformers are propriety and not available to the
end user. The development of a parameter estimation technique for capacitive voltage transformers is
therefore crucial as a means of obtaining these circuit parameters. A novel approach based on an objective
function derived from a comparison between simulated and measured time domain signals is introduced
and analysed. Previous work on parameter estimation for capacitive voltage transformers focused on
optimization of an objective function defined in terms of impedances. The proposed parameter estimation
methodology, furthermore, makes use of a novel perturbation signal for this type of application, namely
the pseudo-random impulse sequence. Results are presented for a range of case studies. The results show
excellent correlation between the actual and estimated parameters for most of the cases studies. The
frequency responses obtained with the estimated parameters, furthermore, represent the responses
obtained with the actual parameters closely. Overall, it is concluded that the proposed methodology, with
an objective function derived from comparison of time domain voltage time signals, performs well for
estimating parameters of practical capacitive voltage transformers.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Kapasitiewe spanningstransformators word in die algemeen op kraglyn netwerke van 275 kV en bo vir spanning afmetings gebruik, geinstalleer op geleistamme en kraglyne. Die hoofsaaklike doel van voerder kapasitiewe spanningstransformators is om spanning na die beveiliging en meet toestelle, kwaliteitstoevoer, en beheer toepassings aansienlik te verlaag. Hulle verskaf ook ’n lae impedansie baan vir die hoë frekwensie dragolf wat gebruik word vir kommunikasie en versnelde uitklinking. Vir akkurate modellering van kapasitiewe spanningstransformators en frekwensieresponsie simulasies moet ’n geskikte wyeband stroombaanmodel gebruik word. Die projek ondersoek die tyd-domein en frekwensie-domein gedrag van ’n wyeband stroombaanmodel topologie vir ’n praktiese kapasitiewe spanningstransformator. Afgeluide wiskundige verbande en simulasie resultate vir die sekondêre intreeimpedansie, spannings transformasie en transkonduktansie verhoudings word gegee en krities ge-evalueer.Oorbringfunksies vir substroombane was afgelei, en ge- evalueer teen gesimuleerde en berekende weergawes. ‘n Nuwe metode vir die gebruik van golfvorm patroon erkenning vir die opsporing van interne kapasitiewe spanningstransformator mislukkings ervaar gedurende netwerk oorgange, energisering, ontlading en bestendige toestand voorwaardes was geondersoek en afgehandel. Dit kan 'n nuttige hulpmiddel wees om die tyd wat aan die opsporing van foute bestee word, te beperk, en die impak op die omliggende plant te beperk as dreigende mislukkings geïdentifiseer word en vroeg genoeg aandag geniet. Daarbenewens kan dit tydige vervanging van die toerusting veroorsaak voordat ernstige mislukkings plaasvind, met inagneming van lang wagstye rakende verkrygingsprosesse en die onbeskikbaarheid van strategiese onderdele. Die benadering is gebaseer op die versameling van bewyse, waar analoog-spanningsopnames krities beoordeel word en gebruik word as 'n instrument vir die opsporing van foute en toestandmonitering. Resultate van gesimuleerde interne mislukkings het goed gekorreleer met spanningsgolfvorms verkry uit foutopnames wat opgespoor is tydens netwerkoorgange van foutiewe kondensatorspanningstransformators. Die gebruik van 'n nuwe versteuringsein vir die bepaling van frekwensiereaksies van kondensatorspanningstransformators, naamlik die pseudo-ewekansige impulsvolgorde [1], is ondersoek. Hierdie breëbandsein kan maklik gegenereer word vir hoëspanningstoepassings. Gemete frekwensie- reaksies is aangebied vir die transformasieverhouding, sekondêre invoerimpedansie en sekondêre transkonduktansieverhouding van 'n 400 kV / 110 V kondensator-spanningstransformator. Die gemete en gesimuleerde frekwensiereaksies wat waargeneem is, het goed gekorreleer. Metingsresultate het getoon dat resonansie by baie hoër frekwensies sal voorkom vir oordragfunksies van kondensatorspanningstransformators wat hul bruikbare leeftyd bereik het. Daar word tot die gevolgtrekking gekom dat die meetopstelling vir die toets van sekondêre insetoordragfunksies met behulp van die pseudo-ewekansige impulsvolgorde van versteuringsstroombron gedoen moet word met die onderste stapel kondensator C2 oop, om die impedansie wat aan die sekondêre kant gesien word, te verminder. Die meeste stroombaanparameters van kapasitiewe spanningstransformators is nie beskikbaar vir die eindgebruiker nie. Die ontwikkeling van 'n parameterberekeningstegniek vir kapasitiewe spanningstransformators is dus van kardinale belang om hierdie stroombaanparameters te verkry. 'n Nuwe benadering gebaseer op 'n objektiewe funksie wat afgelei is van 'n vergelyking tussen gesimuleerde en gemete tydsdomein seine word bekendgestel en ontleed. Vorige werk aan parameterberaming vir kapasitiewe spanningstransformators het gefokus op die optimalisering van 'n objektiewe funksie wat in terme van impedansies gedefinieer is. Die voorgestelde parameterberamingsmetodiek maak voorts gebruik van 'n nuwe versteuringsein vir hierdie soort toepassings, naamlik die pseudo-ewekansige impulsvolgorde. Resultate word aangebied vir 'n reeks gevallestudies. Die resultate toon 'n uitstekende korrelasie tussen die werklike en geskatte parameters vir die meeste gevalle-studies. Die frekwensiereaksies wat met die geskatte parameters verkry word, verteenwoordig verder die antwoorde wat met die werklike parameters verkry word. Oor die algemeen word daar tot die gevolgtrekking gekom dat die voorgestelde metodologie, met 'n objektiewe funksie afgelei van die vergelyking van tydsdomein-spanningstydseine, goed presteer vir die beraming van parameters van praktiese kapasitiewe spanningstransformators.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Kapasitiewe spanningstransformators word in die algemeen op kraglyn netwerke van 275 kV en bo vir spanning afmetings gebruik, geinstalleer op geleistamme en kraglyne. Die hoofsaaklike doel van voerder kapasitiewe spanningstransformators is om spanning na die beveiliging en meet toestelle, kwaliteitstoevoer, en beheer toepassings aansienlik te verlaag. Hulle verskaf ook ’n lae impedansie baan vir die hoë frekwensie dragolf wat gebruik word vir kommunikasie en versnelde uitklinking. Vir akkurate modellering van kapasitiewe spanningstransformators en frekwensieresponsie simulasies moet ’n geskikte wyeband stroombaanmodel gebruik word. Die projek ondersoek die tyd-domein en frekwensie-domein gedrag van ’n wyeband stroombaanmodel topologie vir ’n praktiese kapasitiewe spanningstransformator. Afgeluide wiskundige verbande en simulasie resultate vir die sekondêre intreeimpedansie, spannings transformasie en transkonduktansie verhoudings word gegee en krities ge-evalueer.Oorbringfunksies vir substroombane was afgelei, en ge- evalueer teen gesimuleerde en berekende weergawes. ‘n Nuwe metode vir die gebruik van golfvorm patroon erkenning vir die opsporing van interne kapasitiewe spanningstransformator mislukkings ervaar gedurende netwerk oorgange, energisering, ontlading en bestendige toestand voorwaardes was geondersoek en afgehandel. Dit kan 'n nuttige hulpmiddel wees om die tyd wat aan die opsporing van foute bestee word, te beperk, en die impak op die omliggende plant te beperk as dreigende mislukkings geïdentifiseer word en vroeg genoeg aandag geniet. Daarbenewens kan dit tydige vervanging van die toerusting veroorsaak voordat ernstige mislukkings plaasvind, met inagneming van lang wagstye rakende verkrygingsprosesse en die onbeskikbaarheid van strategiese onderdele. Die benadering is gebaseer op die versameling van bewyse, waar analoog-spanningsopnames krities beoordeel word en gebruik word as 'n instrument vir die opsporing van foute en toestandmonitering. Resultate van gesimuleerde interne mislukkings het goed gekorreleer met spanningsgolfvorms verkry uit foutopnames wat opgespoor is tydens netwerkoorgange van foutiewe kondensatorspanningstransformators. Die gebruik van 'n nuwe versteuringsein vir die bepaling van frekwensiereaksies van kondensatorspanningstransformators, naamlik die pseudo-ewekansige impulsvolgorde [1], is ondersoek. Hierdie breëbandsein kan maklik gegenereer word vir hoëspanningstoepassings. Gemete frekwensie- reaksies is aangebied vir die transformasieverhouding, sekondêre invoerimpedansie en sekondêre transkonduktansieverhouding van 'n 400 kV / 110 V kondensator-spanningstransformator. Die gemete en gesimuleerde frekwensiereaksies wat waargeneem is, het goed gekorreleer. Metingsresultate het getoon dat resonansie by baie hoër frekwensies sal voorkom vir oordragfunksies van kondensatorspanningstransformators wat hul bruikbare leeftyd bereik het. Daar word tot die gevolgtrekking gekom dat die meetopstelling vir die toets van sekondêre insetoordragfunksies met behulp van die pseudo-ewekansige impulsvolgorde van versteuringsstroombron gedoen moet word met die onderste stapel kondensator C2 oop, om die impedansie wat aan die sekondêre kant gesien word, te verminder. Die meeste stroombaanparameters van kapasitiewe spanningstransformators is nie beskikbaar vir die eindgebruiker nie. Die ontwikkeling van 'n parameterberekeningstegniek vir kapasitiewe spanningstransformators is dus van kardinale belang om hierdie stroombaanparameters te verkry. 'n Nuwe benadering gebaseer op 'n objektiewe funksie wat afgelei is van 'n vergelyking tussen gesimuleerde en gemete tydsdomein seine word bekendgestel en ontleed. Vorige werk aan parameterberaming vir kapasitiewe spanningstransformators het gefokus op die optimalisering van 'n objektiewe funksie wat in terme van impedansies gedefinieer is. Die voorgestelde parameterberamingsmetodiek maak voorts gebruik van 'n nuwe versteuringsein vir hierdie soort toepassings, naamlik die pseudo-ewekansige impulsvolgorde. Resultate word aangebied vir 'n reeks gevallestudies. Die resultate toon 'n uitstekende korrelasie tussen die werklike en geskatte parameters vir die meeste gevalle-studies. Die frekwensiereaksies wat met die geskatte parameters verkry word, verteenwoordig verder die antwoorde wat met die werklike parameters verkry word. Oor die algemeen word daar tot die gevolgtrekking gekom dat die voorgestelde metodologie, met 'n objektiewe funksie afgelei van die vergelyking van tydsdomein-spanningstydseine, goed presteer vir die beraming van parameters van praktiese kapasitiewe spanningstransformators.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
UCTD, Wideband communication systems, Parameter Estimation, Electric transformers -- Voltage, Transformers, Current, Capacitors -- Calibration