VR-project 2009-4974 for the period 2010-2012

Fundamental wave modelling for signal estimation on lossy transmission lines

Participating researchers

Börje Nilsson, professor in Mathematical Physics at Växjö University

Sven Nordebo, professor in Signal Analysis at Växjö University

Anders Karlsson, professor in Electromagnetic Theory at Lund Technical University

Mats Gustafsson, associated professor in Electromagnetic Theory at Lund University

Magnus Acke, associated professor in Industrial Electrical Engineering at Lund University

Thomas Biro, PhD in Theoretical Physics at Växjö University

Abstract

This research application refers to a systematic treatment of some fundamental aspects regarding the modelling of propagating waves and related signal estimation on lossy transmission lines. The motivation for this study are the numerous existing and potential high-frequency applications for signal transmission on power lines, as e.g., with fault localization and partial discharge (PD) monitoring, transient based protection or power line communication (PLC) techniques. In these applications, the fundamental dispersion and attenuation behaviour of the transmission line is of great importance since the existing power lines are usually designed for the single purpose of carrying power at 50 Hz, with little or no regard to losses at higher frequencies.

The project will focus on the fundamental limitations of a measurement system, i.e., the limitations that is set by the physics and the statistics of the propagation medium and its sources. Since the high-frequency behaviour of power lines and cables is a relatively unexplored area and we have experience in electromagnetic theory, signal analysis and power engineering, we anticipate a cross-scientific research area with great potential. The project covers the following topics; Physical limitations and dispersion relations, signal estimation and detection, inverse problems, and sensitivity and resolution analysis. Our application examples are mainly concerned with PD measurements and transient protection.

Grundläggande vågmodellering för signalestimering på transmissionsledningar med förluster

Populärvetenskaplig beskrivning

Projektet avser en systematisk behandling av vågbaserade modeller och begränsningar för signalestimering på transmissionsledningar med förluster. Motivet för forskningen finns bland ett stort antal existerande och potentiella tillämpningsområden för kraftledningar och kablar vid höga frekvenser. Exempel är fellokalisering genom mätning av partiella urladdningar (eng. partial discharge (PD)) eller glimning, transientbaserade reläskydd eller kommunikation över kraftledningsnätet (PLC-teknik). I dessa tillämpningar är det mycket viktigt att man har korrekta beskrivningar och modeller för den dämpning, distorsion och pulsbreddning som en signal genomgår vid (våg-)utbredningen längs efter en kraftledning. Detta är särskilt viktigt eftersom existerande kraftledningar och kablar vanligtvis är tillverkade och optimerade enbart med avsikten att transportera effekt vid 50 Hz och är i allmänhet mycket dåliga transmissionsmedier för pulser och signaler vid höga frekvenser. I våra tillämpningsområden handlar det typiskt om 1-100 MHz.

Projektet fokuserar på fundamentala begränsningar för ett mätsystem, dvs. begränsningar som bestäms av fysiken och statistiken för kraftkabeln och dess signalkällor. Följande aspekter kommer att undersökas med avseende på icke-förlustfria transmissionsledningar; Fysikaliska begränsningar och dispersionsrelationer, signalestimering och detektering, inversa problem, samt känslighetsanalys och upplösning.

Ett typiskt tillämpningsområde handlar om att konstruera en optimal detektor för partiella urladdningar. Glimning, eller partiella urladdningar är ett fenomen som uppstår då den elektriska isolationen i en kraftkabel (eller i någon annan elektrisk utrustning) börjar försämras. Detta kan ske av olika skäl som exempelvis fabrikationsfel eller vatteninträngning. Glimningen innebär att det sker ett mycket kortvarigt partiellt elektriskt genomslag (eller urladdning) i isolationsmaterialet. Detta behöver för ögonblicket inte innebära något direkt problem för kraftsystemet. En stegrande glimningsaktivitet är dock en tämligen säker indikator på ett begynnande fel, dvs. ett fullt genomslag (eller kortslutning) med ett allvarligt driftstopp som följd.

Ett mätsystem som kan detektera och mäta glimningsaktiviteten i nedgrävda kraftkablar skulle kunna användas för att kvalitetsövervaka ett eldistributionssystem, och därmed möjliggöra att potentiella felkällor blir åtgärdade utan något driftstopp eller olägenhet för kunden. Forskningen handlar om att utveckla matematiska modeller för vågutbredningen längs efter kraftledningen, att utreda de fysikaliska och statistiska begränsningarna för mätsystemet samt att utveckla metoder för att så effektivt och säkert som möjligt detektera dessa partiella urladdningar och uppskatta det potentiella felställets position så noggrant som möjligt.