Partial discharge inception voltage in turn-to-turn insulation systems: modelling and uncertainties

Abstract

In the late 19th century, the extraordinary inventors and pioneers Nikola Tesla, Thomas Edison, and George Westinghouse dreamed of transforming the world. After more than a hundred years since then, electricity has not stopped growing and is set to become the largest industrial system created by humanity. The democratization of hybrid and electric cars, and even more the future electrification of the aeronautical industry are signs of its unstoppable evolution. As a system in constant improvement and evolution, it has not been without challenges to overcome without compromising its reliability. One of the phenomena that continues to be a threat and reduces the reliability of machines are partial discharges. These events affect the insulation system and can cause a material failure that can translate into equipment damage, power supply interruption and even incendiary and explosive events. One of the cornerstones that this electrical system relies on is alternating current motors. Spurred on by progress in semiconductors and the discovery of the microprocessor, aging of DC motors have taken over. Since then, the electronic control of these motors has become essential, to the point that for small power rated machines, a single set is sold: “copper, iron and silicon”. Unexpectedly, this improved speed control caused a significant reduction in the reliability of the motors, causing unforeseen failures in the insulation systems. Since the turn-to-turn insulation is the Achilles heel for most of these motors, this will be the core subject in this dissertation. This problem has been an ordeal in the way of designers, due to its stochastic nature and the uncertainties associated with the different models proposed in the literature. With the development of this thesis, it is intended to model the phenomenon of partial discharges, combining finite element calculations with the results obtained in laboratory tests, to predict the appearance of partial discharges. Likewise, the impact of the different sources of uncertainty on the models will be analyzed. These uncertainties constitute a powerful tool for electrical designers, since they mark the strategy to follow in their design, according to the boundary conditions of the system.

A finales del siglo XIX, los extraordinarios inventores y pioneros Nikola Tesla, Thomas Edison y George Westinghouse soñaron con transformar el mundo. Tras más de cien años desde entonces, la electricidad no ha dejado de crecer y se postula a convertirse en el mayor sistema industrial creado por la humanidad. La democratización de los coches híbridos y eléctricos, y aún más la futura electrificación de la industria aeronáutica son muestras de su imparable evolución. Como sistema en constante mejora y evolución, no ha estado exento de desafíos que superar sin comprometer su fiabilidad del mismo. Uno de los fenómenos que continúa siendo una amenaza y reduce la fiabilidad de las máquinas son las descargas parciales. Estos eventos afectan al sistema de aislamiento, pudiendo ocasionar un fallo del material que se puede traducir en daños de los equipos, interrupción del suministro eléctrico e incluso eventos incendiarios y explosivos. Una de las piedras angulares que las que se apoya este sistema eléctrico son los motores de corriente alterna. Espoleados por el progreso en los semiconductores y el descubrimiento del microprocesador, se han impuesto a los vetustos motores de corriente continua. Desde entonces, el control de electrónico de estos motores se han hecho imprescindible, hasta el punto de que para pequeñas potencias se vende un solo conjunto: “cobre, hierro y silicio”. De manera inesperada, este control mejorado de la velocidad causó una importante reducción de la fiabilidad de los motores, ocasionando fallos imprevistos en los sistemas de aislamiento. Puesto que el talón de Aquiles en la mayoría de estos motores es el aislamiento espira-espira, éste va a ser el objeto de estudio de estas tesis. Esta problemática ha sido un calvario en el camino de los diseñadores, debido a su carácter estocástico y las incertidumbres asociadas a los diferentes modelos propuestos en la literatura. Con el desarrollo de esta tesis, se pretende modelar el fenómeno de descargas parciales, combinando los cálculos de elementos finitos con los resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio, para predecir la aparición de descargas parciales. Asimismo, se analizará el impacto que tienen en los modelos las diferentes fuentes de incertidumbre. Estas incertidumbres constituyen una potente herramienta para los diseñadores eléctricos, ya que les marcan la estrategia a seguir en su diseño, de acuerdo a las condiciones de contorno del sistema.