8/14/2019 Failure Analysis in ZnO Arresters Using

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Fa i lu re A n a l y s i sin ZnO A r r e s t e r sUsingThermal Images

E .T .W a n d e r l e yN e t o ,E .G . d a C o s t a ,T .V . F e r r e i r a ,a n dM . J . A . M a i a

A b s t r a c t -Zn O a r r e s t e r s a r e p r o t e c t i v ed e vi ce s o fe l e c t r i c a lpower s y s t e m s .An a r r e s t e rw i t h some k i n d o f f a i l u r ei s n o t a b l et o o p e r a t ep r o p e r l yd u r i n gan e l e c t r i c a lsurge As a c o n s e q u e n c ei t w i l lp r e s e n tan e x c e s s i v eh e a t i n gw h i c hcan l e a d t o a t h e r m a lrunaway [ 1 ,2 , 3 1 .T h e r m o g r a p h i ci n s p e c t i o ni s a w i d e l yu s e dm e t h o dt o m o n i t o rs u r g e a r r e s t e r sp r e v e n t i n gt h e i rf a i l u r e .Whenan a r r e s t e r i s s u b s t i t u t e dd u e t o some a b n o r m a l i t yd e t e c t e db ymeans o f t h e r m a li n s p e c t i o n ,no f u r t h e ra n a l y s i si s d o n e ,s o t h a tt h e c a u s e s o f t h e p r o b l e mc a n n o t b e e v a l u a t e d .I n a d d i t i o n ,t h e r e i s no s t u dy i n d i ca t i ngw h i c h a re t h e m a i n c a u s e s o f

f a i l u r e sin Zn O a r r e s t e r sor i f t h e r e i s a n o t h e ra l t e r n a t i v et o t h es u b s t i t u t i o no f t h e m .T h i s work p r e s e n t sa s t u d yd o n ew i t h 9 6k V Zn O a r r e s t e r sp r e s e n t i n gt h e most common f a i l u r e sd e t e c t e di n s u b s t a t i o n sa n d t h e i re f f e c t son t h e t h e r m a li m a g e .

I n d e x T e r m s - A r r e s t e r ,D i a g n o s i s , F a i l u r e s ,M o n i t o r i n g ,Thermal I m a g e ,ZnO

I INTRODUCTION

Z i n co x i d e( Z n O )s u r g e a r r e s t e r sar e p a r t o f t h ep r o t e c t i o ns y s t e mo f power s u b s t a t i o n sa n dt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s .T h e ya c t u a t e d u m p i n go ve r vo l t a ge s g en e r at e db ya t m o s p h e r i cor s w i t c h i n gsurges a v o i d i n gt h e mt o r e a c he q u i p m e n t sl i k epower t r a n s f o r m e r s .

T o w o r kp r o p e r l y ,a n a r r e s t e r a b s o r b sp a r t o f t h e s u r g ee n e rg y c o n v e r t i n gi t t o t h e r m a le n e rg y d e f e c t i v ea r r e s t e rmay n o t b e a b l et o w o r ki n a s a t i s f a c t o r yway when a ne l e c t r i c a lsu rg e occurs p r e s e n t i n ga n e x c e s s i v eh e a t i n g .As aconsequence a t h e r m a lr u n a w a y ca n b e g i n ,when t h el e a k a g ec u r r e n t a n d t h et e m p e r a t u r eo f t h ea r r e s t e ri n c r e a s e st i l l i t se x p l o s i o nor b r e a kup r i s k i n gt h epower s y s t e ma n d p e o p l en e a r b y .

T o a v o i dt h i sk i n do f p r o b l e m ,power c o m p a n i e sh a v eb e e nmore c o n c e r n e dw i t ht h eo p e r a t i o no f t h e i ra r r e s t e r s ,s e a r c h i n ga n d i m p r o v i n gt e c h n i q u e s f o r t h e i r m o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c e .T h e l e a k a g ec u r r e n t m o n i t o r i n ga n d t h e r m a l

i n s p e c t i o n sh a v eb e e np o i n t e das t h emost e f f e c t i v et e c h n i q u e sf o rm o n i t o r i n ga n d p r e d i c t i v em a i n t e n a n c eo f Zn O a r r e s t e r s[ 4 ] .

T h i s work h a d t h ef i n a n c i a ls u p p o r to f t h eC o m p a n h i aH i d r oE l e t r i c ad oS a oF r a n c i s c o C h e s f ,b y means o f a R e s e a r c h D e v e l o p m e n tp r o j e c tw i t ht h eU n i v e r s i d a d eF e d e r a ld e C a m p i n aG r a n d e ,a n do f t h eF e d e r a lg o v e r n m e n tb y means o f CAPES

E . T .Wa n d e r l e yN e t o a n dE . G . d a C os t aar e w i t h t h eU n i v e r s i d a d eF e d e r a l d e C a m p i n aG r a n d e , C a m p i n aG r a n d e , B r a s i l . ( e - m a i l :e s t a c i o g e e . u f c g . e d u . b r ,e d s o n g e e . u f c g . e d u . b r ) .

M J . A . M a i ai s w i t h t h eC o m p a n h i aH i d r oE l e t r i c ad o S a oF r a n c i s c o ,R e c i f e ,B r a s i l .( m j a m a i a a c h e s f . g o v. b r ) .1 - 4 2 4 4 - 0 2 8 8 -3 / 0 6 / 2 0 . 0 0( 2 0 0 6I E E E

T h e r m a l i m a gea n a l y s i si s a n on -i nv a si v e m o ni t o r it e c h n i q u et h a th a s b e e nu s e df o r al o n gt i m ei n t r a n s m i s sl i n e sa n dp o w e re q u i p m e n t s[ 5 ] .H o w e v e r ,i nt h e c a s eo f s u r g ea r r e s t e r st h e r ei s n o s p e c i f i cm e t h o d o l o g yf o rt h ea p p l i c a t io f t h e r m a lm o n i t o r i n g .E a c h c o m p a n yf o l l o w si t s ow nm e t h o do l o gy a n dd e t e r m i n e si t s ow n p a r a m e t e r st o b ea n a l y z e d ,b a s e d o nt h ee x p e r i e n c ea n d o b s e r v a t i o no f t h e i rt e c h n i c i a n sa n d e n g i n e e r s .B e s i d e st h a t ,w h e na n a r r e s t e ri sp o i n t e da s d e f e c t i v eb y m e a n so f t h e r m a li n s p e c t i o n ,n of u r t h e rs t u d yi s c o n d u c t e dt o p o i n tt h ec a u s e so f f a i lu re o ra n

a l t e r n a t i v es o l u t i o nt o t h er e p l a c e m e n to f t h ee q u i p m e n t .S o ,t h es i m p l ea c q u i s i t i o no f a t h e r m a li m a g ed o e sn o t l e a dt o ap r e c i s ed i a g n o s t i c . c o m p l e t ea n a l y s i sc o u l db e d o n ew i t hm o r ed e t a i l e ds t u d yo f t h et h e r m a li m a g ea n dt h ec o n d i t i o n st ow h i c ht h ea r r e s t e rw a ss u b m i t t e d .

c o m p l e t ec a s e s t u d ya n d t h e c r e a t i o no f a f a i l u r ed a t a b a s ec a n b e c o m ea v e r yi m p o r t a n tt o o lt o a i d t h ea n a l y s io f s u s p i c i o u sa r r e s t e r st h e r m a li m a g e s .B e y o n dt h a t ,i t c o u l dh e l pi n a p r e c i s ed i a g n o s i so f t h ep r o b l e mo f t h ee q u i p m e n tT h i s p a p e rp r e s e n t sa n s t u d yo f f a i l u r e si n Zn O a r r e s t e r sw a sc o n d u c t e d i n t h e H i g h Vo l t a g e L a b o r a t o r yo f t h eU n i v e r s i d a d eF e d e r a ld e C a m p i n aG r a n d e .

I I . O B J E C T I V E S

T h i s s t u d yh a s t h em a i np u r p o s eo f i n d i c a t i n gt h em o s tcommon f a i l u r e si n a r r e s t e r sa n d t h e i ri n f l u e n c e so v e r t h e i rt h e r m a li m a g e s .T h i s i s t h es t a r t i n gp o i n tf o rt h e c r e a t i o no f a na n a l y s i ss y s t e mb a s e d i n t h e r m a l i m a g e s a n d a r t i f i c i ai n t e l l i g e n c et e c h n i q u e s .I no r d e rt o a c h i e v et h i sg o a l ,a s e r i e so f t e s t ss i m u l a t i n gf a i l u r e si n a c t u a l9 6 k V Zn O a r r e s t e r sw a sc o n d u c t e d .T h e s es i m u l a t e df a i l u r e sc o r r e s p o n dt o t h em o s tcommon p r o b l e m sf o u n d i n a r r e s t e r si n o p e r a t i o n .T h e i ra n a l y s i sw i l la l l o wt h e c r e a t i o no f a m o r es a f ec r i t e r i at o t h er e p l a c e m e n to f d e f e c t i v ea r r e s t e r s .B e s i d e st h a t ,a r r e s t e rm a n u f a c t u r e sw i l l b e m o r e c o n c e r n e da b o u t t h e m a i np r o b l e m so c c u r r i n gw i t ht h e i rp r o d u c t s .

I I I . F A I L U R E SI NZN OA R R E S T E R S

T h eu s a g eo f Zn O a r r e s t e r si np o w e rs y s t e m sh a s b e g u na ta bo ut 3 0y e a r sa g o .T h e yw e r ec r e a t e da sa n e v o l u t i o no f s e m ic o n du ct i v e c e r a m i csf o re l e c t r o n i c sa n db e c a m ea n a l t e r n a t i vm o r ee f f i c i e n ti n r e l a t i o nt o t h es i l i c o nc a r b i d ec e r a m i c su s e di n p o w e rs u r g e a r r e s t e r s .B e s i d e st h e p r o b l e mr e l a t e dt of a i l u r e si n Zn O a r r e s t e r s ,t h e r ei s a l s ot o o l i t t l ei n f o r m a t ia b o u tt h e n a tu r a la g e i n go f Zn O v a r i s t o r s .T h a t sb e c a u s et h e

I

8/14/2019 Failure Analysis in ZnO Arresters Using

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e s t i m a t e dl i f e t i m eo f a v a r i s t o ri s a b o u t3 0 y e a r s ,t h a t st h ea p p r o x i m a t ea g e o f t h ef i r s tZn O a r r e s t e r sp u t i n t oo p e r a t i o ni n p o w e rs y s t e m s .T o c o m p l e t et h i so v e r v i e w,i t i s a n u s u a lp r a c t i c ei n p o w e rc o m p a n i e st o d i s p o s eo f fa n y d e f e c t i v ea r r e s t e rw i t hn o f u r t h e ra n a l y s i sa b o u tt h ef a i l u r e .S o t h e r ei sn o t much a v a i l a b l ei n f o r m a t i o no r s t u d i e sa b o u t f a i l u r ed i a g n o s i si na r r e s t e r ss ot h a tt h e s ef a i l u r e sc o u l db e c o m em o r ee a s i l y i d e n t i f i edw i t ha t h e r m a li n s p e c t i o n .

U s u a l l y ,w h e nd e f e c t i v ea r r e s t e r sa r es u b m i t t e dt oa n a l y s i s ,o r w h e nt e s t so f d e g r a d a t i o na n d a g i n ga r ec a r r i e dt h r o u g h ,t h e r ei s a s e r i e so f d e f e c t sw h o s eo c c u r r e n c ei s o b s e r v e dw i t hm o r ef r e q u e n c y .T h em a j o r i t yo f t h e s ed e f e c t sp r e s e n t sw e l ld e f i n i t ec a u s e sa n d c h a r a c t e r i s t i c s ,s o t h a ti t i s p o s s i b l et h a tt h ec o n s e q u e n c e s ,i n t h ef o r mo f t h ee x t r e m eh e a t i n go f t h ea r r e s t e r ,a r ep e r c e i v a b l et h r o u g ht h et h e r m a la n a l y s i s .I n t h en e x tt o p i c s ,t h em a i nd e f e c t sd e t e c t e di nt h eZn O a r r e s t e r sw i l lb e a n a l y z e d .

A . S e a l i n gf a i l u r e s e a l i n gf a i l u r ei n a Zn O a r r e s t e rc a u s e sa l t e r a t i o n si n i t s

h e a t i n gp a t t e r nd u e t o a n e a s i e r c i r c u l a t i ono f g a s e s .I t i sk n o w nt h a t ,w i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e ,t h e r ei s a n i n c r e a s eo f t h e c h a m b e rp r e s s u r eo f t h e a r r e s t e r .I f t h e r ei s s o m ec r a c k i n gi n t h e s e a l i n g ,t h eg a s t h a tc o n s t i t u t e st h e i n t e r nm e d i ao f t h ea r r e s t e rw i l lb e f re e t oc i r c u l a t e . r e s u l to f t h i se f f e c ti s t h e r e d u c t i o no f t h e l e v e lo f s e c u r i t yi n t h ep e r f o r m a n c eo f t h ee q u i p m e n t .A s i t h a s a c o n t i n u o u sl e a k a g eo f g a s e s ,t h es y s t e mo f p r o t e c t i o na g a i n s te x p l o s i o n sb e c o m e si n e f f i c i e n t ,b e i n gn o c a p a b l et oa c to n a n e x t r e meh e a t i n g .I nas i m i l a rw a y ,a s e a l i n gf a i l u r ea l s oa l l o w st h ee n t r a n c eo f g a s e sa n d h u m i d i t yf r o mt h e e x t e r n a le n v i r o n m e n t .D e p e n d i n go nt h et y p eo f g a s o r t h el e v e lo f h u m i d i t yt o p e n e t r a t ei n t h ea r r e s t e r ,i t si n t e r n a li n s u l a t i o nc a n b e c o m p r o m i s e dd u e t o t h e

o c c u r r e n c eo f s u p e r f i c i a ld i s c h a r g e s[ 6 ] .B . H u m i d i t y

T h e i n t e r n a lh u m i d i t yi n a r r e s t e r si s u s u a l l yt h er e s u l to fs o m ef a i l u r ei nt h es e a l i n gm a t e r i a l .T h e m a i np r o b l e mc a u s e df o rt h eh u m i d i t yi s t h eo c c u r r e n c eo f p a r t i a ld i s c h a r g e s ,w h i c hc a n o cc u ri n d i f f e r e n tw a y s . T h e f i r s to n e o f t h e mi s t h ef o r m a t i o no f a h u m i dp a t h a l o n gt he s u r f a c eo f t h ev a r i s t o r sc o l u m n ,l e a d i n gt o i n s u l a t i o n sp r o b l e m sa n de l e c t r i c a ls p a r k s .O n e a n o t h e rp r o b l e mr e l a t e dt o t h e h u m i d i t ye n t r a n c ei sr e l a t e dt o p o s s i b l es t r a n g eg a s e so r p a r t i c l e so f p o l l u t i o nw h i c h c a n f o l l o w t h e h u m i d i t yi n t h e i n t e r i o ro f t h ee q u i p m e n t .D e p e n d i n go n t h et y p e o f g a s o r p a r t i c l e s ,t h e r ec a n b e a r e d u c t i o ni n t h e i n t e r n a li s o l a t i o n .F i n a l l y ,t h ei n t e r n a lh u m i d i t yc a n a l s ob e r e s p o n s i b l ef o rt h ep r e m a t u r ed e g r a d a t i o no f t h ev a r i s t o r s .

F i g .1 .E l e c t r i c a ld i s c h a r g e sd u et oh i gh h u mi d i t yl e v e l[ 7 ]

C . E x t e r n a lp o l l u t i o nS u p e r f i c i a l p o l l u t i o ni s a common p r o b l e mn o t o n l y i n

a r r e s t e r s ,b u t a l s oi n m o s t e qu i p m e n t so r s t r u c t u r e st h a tp r e s e n t al a r g e rh e i g h tt o i m p r o v ea minimum l e v e li n s u l a t i ob e t w e e np h a s e a n d g r o u n d ,a s i n s u l a t o r sa n d e q u i p m e nb u s h i n g s .D e p e n d i n go n t h er e g i o nw h e r et h ee q u i p m e n ti sl o c a t e d ,t h i sp r o b l e mc a n b e a c c e n t u a t e dd u e t o h i g h a i rh u m i d i t yo r s a l i n i t y .B a s i c a l l y ,t h e s u p er f i c i a l p o l l ui sc l a s s i f i e di n d r yp o l l u t i o no rh u m i dp o l l u t i o n( F i g .2 ) ,b e i n gt h es e c o n do n et h em o s th a r m f u l .I t sm a i ne f f e c ti s t od e c r e a st he d i s t a n c ef o rt h ec u r r e n tc o n d u c t i o nm a k i n gp o s s i b l et h eo c c u r r e n c eo f d i s c h a r g e si n t h es u r f a c eo f t h ep o r c e l a i no rp o l y m e rt h a tc o n s t i t u t e st h ea r r e s t e rh o u s i n g .

S u p e r f i c i a lp o l l u t i o nc a n a l s og e n e r a t ed r yb a n d si n t h es u r f a c eo f t h e p o r c e l a i n .D r y b a n d s c a u s e s u p e r f i c id i s c h a r g e si n t h ep o r c e l a i n ,m o d i f y i n gt h ee l e c t r i cf i e l di n t h er e g i o na n dh e a t i n gt h ev a r i s t o r sl o c a t e di n t h eh e i g h tw h e r et h e s ed r yb a n d sa r ef o r me d. Th ish e a t i n gs t a b i l i z e st h ed r yb a n d s t u r n i n gt h e m p e r m a n e n t ,e v e n i n h i g h h u m i d i t yc o n d i t i o n s[ 8 ] . A s r e s u l t so f t h i s p r o b l e m ,t h e r ei s t h e

f o r m a t i o no f l i m i t e dh e a t e dr e g i o no f t h ea r r e s t e ra n d t h ei n f l u e n c ei n t h e v o l t a g ed i s t r i b u t i o na l o n g t h e v a r i s t o rc o l u m n .

F i g .2 . S a l ty p o l l u t i ono v e ra r r e s t e rh o u s i n g

D . Va r i s t o r sd e g r a d a t i o nT h ev a r i s t o r sd e g r a d a t i o nc a n b e r e s u l t e df r o mi t sn a t u r a

a g e i n g ,f r o mi t sp r e m a t u r ea g e i n go ri t sb r e a k i n g .H o w e v e r ,i nmany c a s e s ,w h e na v a r i s t o rf a i l u r ed i a g n o s i si s d o n e ,v e s t i g eo f s o m ef a c t o r st h a tc a n h a v ec a u s e di t s f a i l u r ea r ef o u n dP r e m a t u r ed e g r a d a t i o no f v a r i s t o r si s a f a c t o rt h a t c a nc o n t r i b u t et o t h eo c c u r r e n c eo f t h e r m a lr u n a w a y .

F i g .3 . C u f f e n tp u n c t u r ei nv a r i s t o r[ 9 ]

T h e r e a r e s t i l l s o m e e x t e r n a la s p e c t st h a t s h o u l d b ec o n s i d e r e dw h e ne v a l u a t i n gt h e p r e m a t u r ea g i n go f t h e

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v a r i s t o r s .E x a m p l ea r et h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dt h ee n t r a n c eo f h u m i d i t y .I t i s k n o w nt h a tt h e s ef a c t o r sf a v o rt h ei n c r e a s eo f t h el e a k a g ec u r r e n ta n d ,a sa c o n s e q u e n c e ,t h e r ei sa n i n c r e a s eo f t e m p e r a t u r ea n d a c c e l e r a t i o no f t h e a g i n gp r o c e s s .

E . D i s p l a c e dv a r i s t o r sD i sp l a c e m e n t o fv a r i s t o r sa l o n gt h ea r r e s t e rc o l u m ni sn o t a

v e r yu s u a lf a i l u r e ,a l t h o u g hi t i s o b s e r v e di ns o m ee q u i p m e n t sw h e nt h e ya r eo p e n e d .M o s tt i m e s ,t h i sd i s p l a c e m e n ti s r e s u l to f a n o n a p p r o p r i a t et r a n s p o r t a t i o no r s t o r a g e .A s m o s ta r r e s t e r sm a n u f a c t u r e r sp r e s e n ta h i g h c o n t r o ll e v e lo f t h e i rp r o d u c i n gp r oc e s s e s , ad i s p l a c e m e n td u e t o a n a s s e m b l yp r o b l e mi sn o tv e r yu s u a lt oh a p p e n , a l t ho u ghi t i sp o s s i b l e .

F . I r r e g u l a r v o l t a g ed i s t r i b u t i o nI r r e g u l a rv o l t a g ed i s t r i b u t i o ni s a v e r yu s u a lp r o b l e mi n

p o w e re q u i p m e n t st h a tp r e s e n ta l a rg e r h e ig h t .I n a r r e s t e r s ,i ti s c h a r a c t e r i z e db y t h eo c c u r r e n c eo f l a r g e rv o l t a g ed r o p si nt h eu p p e rr e g i o no f t h ee q u i p m e n t ,c l o s et o t h eh i g hv o l t a g et e r m i n a l .

T h el e v e lo f i r r e g u l a r i t yi nt h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o nd e p e n d so n t h eg e o m e t r yo f t h ee q u i p m e n ta n dt h eu s e dm a t e r i a l s .T h ee x i s t e n c eo f e a r t hc a p a c i t a n c e si s t h em a i nr e s p o n s i b l ef o rt h i sp r o b l e m .I t i s k n o w n ,b y m e a n so f t e s t sa n dc a l c u l a t i o n st h a ta n i n c r e a s eo f h e a t i n ga n dl e a k a g ec u r r e n ti nv a r i s t o r sp r e s e n ta s t r a i g h tr e l a t i o nw i t ht h el e v e lo f e a r t hc a p a c i t a n c e si n t h ea r r e s t e r[ 8 ] .P o l l u t i o na l o n gt h ea r r e s t e rh o u s i n gi s a p r o b l e mt h a ti n c r e a s e s t h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o ni r r e g u l a r i t y,a s t h o u g ht h e yc r e a t em o r ei n t e n s ee a r t hc a p a c i t a n c e s .

s i m p l es o l u t i o nt o a v o i d t h i sp r o b l e mo r r e d u c e i t se f f e c t si s t h ea p p l i c a t i o no f g r a d i n gr i n g s .T h e ya l l o wa b e t t e rv o l t a g ed i s t r i b u t i o na l o n gt h ea r r e s t e r s ,r e d u c i n gt h ee f f e c t so ft h e e a r t h

c a p a c i t a n c e s .A n o t h e rs o l u t i o nt o a v o i dt h i sp r o b l e m

i s a s s e m b l i n gt h e a r r e s t e rw i t h a l a r g e rc o n c e n t r a t i o no fv a r i s t o r si n t h e u p p e r r e g i o ns o t h a t t h e r ei s a b e t t e rp e r f o r m a n c ew h e r et h e r ei s a l a r g e rv o l t a g ed r o p .

S h o r t - c i r c u i t si n t h ei n n e rr e g i o no f t h ea r r e s t e ra r ea l s oap o s s i b l ec a u s e o f v o l t a g ed i s t r i b u t i o ni r r e g u l a r i t i e si n Zn Oa r r e s t e r s .

I V .T E S T SAN DR E S U LT S

I n o r d e rt o a n a l y z et h e i n f l u e n c eo f t h em o s t commond e f e c t si nZn O a r r e s t e r so n i t st h e r m a lp a t t e r n ,s o m et e s t sh a db e e nc a r r i e dt h r o u g hi n l a b o r a t o r y .I n t h e s et e s t s ,t h e d e f e c t sh a d b e e nc r e a t e di n t e n t i o n a l l yi n s o m eE P 3 / S i e m e n s9 6 k Va r r e s t e r ss u p p l i e db y C h e s f .E a c ho f t h e s ea r r e s t e r sw a st a k e nf r o mt h ep o w e rs y s t e mb e c a u s et h e yp r e s e n ts o m ep r o b l e m ,s ot h a tt h i se x i s t i n gp r o b l e ma l s on e e d e dt o b e a n a l y z e db e f o r et h et e s t s . f i r s tc h a r a c t e r i z a t i o np r o c e d u r ew a sc o n s i d e r e df o re a c ha r r e s t e r ,i no r d e rt oe v a l u a t et h e i rc o n d i t i o n sa n dp o s s i b l ef a i l u r e s ,a s t h o u g ha s t h e i ri n i t i a lt h e r m a lp a t t e r n sb e f o r et h ei n c l u s i o no f i n t e n t i o n a lf a i l u r e s .A f t e r t h e i n i t i a lc h a r a c t e r i z a t i o nt e s t s ,t h ea r r e s t e r sw e r eo p e n e ds o t h a ta n yv i s i b l ei n n e rf a i l u r ec o u l d b e i d e n t i f i e d .O n l y t h e n , t h ei n t e n t i o n a lf a i l u r e sw e r eg e n e r a t e da n dt h ea r r e s t e rw a ss e a l e da g a i n .

I n t h ef o l l o w i n gt o p i c s ,i t i s s h o w nt h em a i ni n t e n t i o nf a i l u r e sc r e a t e df o rt h ea r r e s t e r sa n dt h er e s u l t so b t a i n e df o rt h et e s t s .

A . S e a l i n gf a i l u r eSome a r r e s t e r sw e r ei n t e n t i o n a l l yc l o s e dw i t h f a i l u r e si n

t he s e a l i n gm a t e r i a ls o t h a ta c o n d u c t i o np a t h f o rg a s e sa n dh u m i d i t yc o u l db e g e n e r a t e d .T h em a i ne f f e c to b s e r v e di n t h e

t h e r m a lp r o f i l ei s a d e c r e a s ei n t h et e m p e r a t u r ep e a k si n t h er e g i o n sw h e r ea g r e a t e rh e a t i n gw a s o b s e r v e d( t h eu p p e rv a r i s t o rg r o u p s ) ,s ot h a tt h e s er e g i o n sw h i c hu s e dt ob e e a s i l yi d e n t i f i e da r en o t w e ll d e f i n e da n y m o r e .T h i s i s e x p l a i n e db e c a u s et h eg a s c i r c u l a t i o ni n s i d e t h ea r r e s t e ra i d st h eh e a td i s p e r s i o nb y m e a n so f c o n v e c t i o n .

B . H u m i d i t yF o r t h i s t e s t ,c l e a nw a t e r w a s v a p o r i z e do n i n t e r n a

c o l u m n so f a r r e s t e r s t os i m u l a t et h ep r e s e n c eo f h u m i d i t yi nt h ei n t e r i o ro f t h ee q u i p m e n t .A n a l y z i n gt h et h e r m a li m a g e sa n d t h e t e m p e r a t u r ep a t t e r n si t i s p o s s i b l et o n o t i c et h a td i f f e r e n te f f e c t sw e r e o b t a i n e df o r e a c h t e s t e da r r e s t e r

A n y w a y ,i n b o t h c a s e s ,a l a rg e i n c r e a s eo f t e m p e r a t u r ew a sv i s i b l ei n d i s t i n c tr e g i o n so f t h ea r r e s t e r .T h e s er e g i o n sh a ds u f f e r e dt h i s i n c r e a s ef r o m t e m p e r a t u r ep r o b a b l yd u e t oc i r c u l a t i o no f v a p o r a n d t o t h e o c c u r r e n c eo f i n t e r n ad i s c h a r g e s ,a se x p l a i n e dp r e v i o u s l y .

C . Va r i s t o r sd i s p l a c e m e n tSome v a r i s t o r sw e r e a s s e m b l e di n a d i s p l a c e dp o s i t i o

a l o n gt h ea c t i v ec o l u m n s ,a s i l l u s t r a t e di nF i g .4 .F o rt h i sc a s e ,n o s i g n i f i c a n tm o d i f i c a t i o nc o u l db e o b s e r v e df o rt h et h e r m a li m a g e so f t h ea r r e s t e r s .

F i g .4 .D i a g r a mf o r v a r i s t or sd i s p l a c e m e n t .

H o w e v e r ,a f u r t h e ra n a l y s i s ,m a d ew i t h t h e a i do f t h et h e r m a lp r o f i l e si n d i c a t e sa m o d i f i c a t i o ni n t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nm a i n l yi n t h ei n f e r i o rp a r to f t h ea r r e s t e r .I n F i g .4 , t h er e g i o n sc o r r e s p o n d i n gt o v a r i s t o rg r o u p sG3 a n d G 4d i d n tp r e s e n tt h et e m p e r a t u r ep e a k st h a ta r eu s u a l l yo b s e r v eP r o b a b l y ,a p r e f e r e n t i a lc o n d u c t i o np a t hf o rt h ec u r r e n tw a sc r e a t e di nt h ea r e a sw h e r et h ev a r i s t o r sk e e pc o n t a c t .

D .S u p e r f i c i a lp o l l u t i o nT h ea r r e s t e rw a sp u t i n t o a s a l t yf o gi n o r d e rt o s i m u l a t

t h ep r e s e n c eo f a m o r es e v e r ep o l l u t i o no n i t ss u r f a c e .F i g .5d e p i c t sa s u p e r f i c i a ld i s c h a r g eo n t h eh i g hv o l t a g et e r m i n a lo ft h ea r r e s t e r .T h i s d i s c h a r g ep r o b a b l yi s r e s u l t a n tf r o mt h ep r e s e n c eo f w a t e rd r o p st h en e i g h b o r h o o d so f t h et e r m i n a l .

I t c a n b e o b s e r v e di n t h et h e r m a li m a g e st h a tt h e r ei s ag r e a t e rh e a t i n gi n t h ep r o x i m i t i e so f t h et e r m i n a l sa n d i n t h ed o w n e rp a r to f t h ea r r e s t e r .A s t h o u g ht h e r ei s a l o w e rh e a t i ni n i t s u p p e rp o r t i o n .T h e t e m p e r a t u r e sp ro f i l e a l s oi n d i c a t et h i ss i t u a t i o n . p o s s i b l ee x p l a n a t i o ni s t h a tt h ep o l l u t i o nw a s

8/14/2019 Failure Analysis in ZnO Arresters Using

4/5

4

c o n c e n t r a t e di n t h ed o w n e rr e g i o no f t h ea r r e s t e r ,c a u s i n gp a r t i a ld i s c h a r g e st h e r e .

O t h e rp o s s i b i l i t yi s t h ei n c r e a s eo f s u p e r f i c i a lc u r r e n t si nt h eu p p e rr e g i o no f t h ea r r e s t e r sw h i c hw o u l dc a u s ea l o w e rl e a k a g ec u r r e n tt ob e c o n du ct e db y t h ev a r i s t o r s .I t i s p o s s i b l et h a ta t s o m ep o i n ti n t h em i d d l er e g i o no f t h eh o u s i n g ,t h i ss u p e r f i c i a lc u r r e n td e c r e a s e s ,a s t h o u g ht h el e a k a g ec u r r e n tt h r o u g ht h ev ar i s t or s i n c r e a s e .I t w o u l de x p l a i nt h el a r g e r

h e a t i n gi n t h ed o w n e rp a r to f t h ea r r e s t e ri n s t e a do f w h a ti su s u a l l yo b s e r v e d .

F i g .5 . S u p e r f i c i a ld i s c h a r g ei na r r e s t e rs u r f a c e

F . D e f e c t i v eVa r i s t o rF o r t h i sc a s e ,a v a r i s t o ri n t h e a c t i v ec o l u m nw as r e p l a c e d

b yb r o k e no n e . T h eb r o k e nv a r i s t o rp r e s e n t e da l o n g i t u d i n a lc r a c k .T h e o b t a i n e dt h e r m a li m a g ei n d i c a t e dmore i n t e n s et e m p e r a t u r eon t h er e g i o no f t h eG I g r o u p ,t o w h i c hb e l o n g st h eb r o k e nv a r i s t o r F i g .6 ) .T h i sb i g g e rh e a t i n gi s e v i d e n c e db yt h ea n a l y s i so f t h et e m p e r a t u r ep r o f i l e ,w h e r ea p e a ko ft e m p e r a t u r ei n t h er e g i o no f G I g r o u p i s e a s i l yp e r c e i v e d .S u c hh e a t i n gc a n b e e x p l a i n e db yt h eg r e a t e re l e c t r i c a ls t r e s ss u f f e r e df o rt h eb r o k e nv a r i s t o rw h i c hc a n p r e s e n td i f f i c u l t yf o rt h ec u r r e n tc o n d u c t i o na n dh e a td i s s i p a t i o n .

1 1 1 1 1 W

F i g .6 .D i a g r a mf o rt h er e p l a c e m e n to f a g o o dv a ri s t or f o ra d e f e c t i v eon e

F . S h o r t - c i r c u i t sF o r t h i sc a s e ,c o n d u c t i v em a t e r i a l swere u s e d t o s h o r t -

c i r c u i ts o m ev ar i s t o r s l o c a t e di n d i f f e r e n tp o s i t i o n sa l o n gt h ea r r e s t e ra c t i v ec o l u m n .An e x a m p l ei s i n F i g .7 , w h e r et w ov a r i s t o r swere s h o r t - c i r c u i t e d .T h i s s i t u a t i o ns i m u l a t e sap r o b l e mi n v a r i s t o rt h a tw o u l dc a u s ea n e x c e s s i v ec u r r e n tc o n d u c t i o nf o r i t a n d ,a s c o n s e q u e n c e ,a n a l t e r a t i o ni n t h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o n .

G . R e s u l t sf o r s u p e r f i c i a lp o l l u t i o nD u et o t h e l a r g en u m b e ro f t e s t se x e c u t e d ,o n l yt h er e s u l t s

f o r s u pe r f i c i a lp o l l u t i o nw i l lb e s h o w nh e r e .R e s u l t sf o rt h eo t h e rc a s e sc a nb e o b t a i n e dw i t ht h ea u t h o r s .

F i g . 8a n dF i g .9 s h o w,r e s p e c t i v e l y ,t h et h e r m a li m a g e a n dt h et e m p e r a t u r ep r o f i l ef o ra r r e s t e rb e f o r ei t w a ss u b m i t t e dt ot h e p o l l u t i o n .F o r t h e c r e a t i ono f t h e t e m p e r a t u r ep r o f i l eg r a p h s ,a n o r m a l i z e dt e m p e r a t u r ew a s c o n s i d e r e d ,i . e . ,t h ev a l u e ss h o w ni nt h eg r a p h sc o r r e s p o n dt o t h em e a s u r e dv a l u e so f t e m p e r a t u r ed i v i d e db y t h e l o w e rv a l u e o f t e m p e r a t u r eo b t a i n e df o rt h ee q u i p m e n ti n a n a l y s i s .T h i s n o r m a l i z a t i oi sn e c e s s a r ys o t h a ta p a t t e r n f ort h ev a l u e si n t h eg r a p h si sc r e a t e d ,m a k i n gp o s s i b l ea c o m p a r i s o na m o n gd i f f e r e ng r a p h s .W i t h o u tt h e n o r m a l i z a t i o n ,t h e g o t t e nv a l u e so ft e m p e r a t u r ei n e a c ha s s a yw o u l db e v e r yd i f f e r e n t ,d i s a b l i na n a d e q u a t ec o m p a r a t i v ed e g r e e .

F i g . 1 0 a n d F i g . 1 1 ,s h o w t h e t h e r m a li m a g e sa n dt e m p e r a t u r ep r o f i l ef o rt h es a m ea r r e s t e ri n F i g .8 , a f t e rt h ea p p l i c a t i o no f s a l t yf o g .

F i g .8 . T h e r m a li m a g ef o ra r r e s t e ri ng o o dc o n d i t i o n s

3 8 , 5 C

r3 (

2 6 , 7 C

5

0

P e r f i ld e t e m p e r t u r a s- PR 5

1 , 8

1 , 7

1 , 6

E 1 , 5i1 4

E

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0

C o m p r i m e n t o( c m )

F i g .9 .Te m p e r a t u r ep r o f i l ea l o n gt h ea r r e s t e rf o rt h e r m a li m a g ei nF i g .8

4 6 , O C

4 0

0 2 3

2 6 , O C

F i g .1 0 .T h e r m a li m a g ef o ra r r e s t e ra f t e rs a l t yf o ga p p l i c a t i o n

F i g .7 . E x a m p l eo f a s h o r t - c i r c u i tc r e a t e do nv a r i s t o r s

8/14/2019 Failure Analysis in ZnO Arresters Using

5/5

5

P e r f i ld e t e m p e r a t u r a s- P R5

1 , 8X

X 1 , 7

1 aE 1 , 5 -

1 3

r_ 1 1 4

o 2 0 4 0 6 0 8 0Compr imen to ( c m )

1 0 0 1 2 0

F i g .1 1 .T e m p e r a t u r ep r o f i l ea l o n gt h e a r r es t er f o rt h e r m a li m a g ei nF i g .1 0

V CONCLUSIONS

T h eu t i l i z a t i o no f t h e r m a li m a g e sa n dt e m p e r a t u r ep r o f i l e sa l l o w st he d e t e c t i o no f i r r e g u l a r i t i e su s u a l l ya s s o c i a t e dt of a i l u r e so r d e f e c t si n Zn O a r r e s t e r s .T h e s ei r r e g u l a r i t i e sa r ee a s i l yp e r c e i v e dw h e na c o m p a r i s o ni s d o n e b e t w e e nt h et h e r m a lp r o f i l eo f a g o o da r r e s t e ra n dt h e d e f e c t i v eo n e .

F o r t h i s w o r k , f i v eZn O a r r e s t e r sw e r e u s e d .T h e s ea r r e s t e r sw h e r e t e s t e d f o r t h e i r e l e c t r o - t h e r m a l

c h a r a c t e r i z a t i o na n dt h e ns u b m i t t e dt o i n t e n t i o n a lf a i l u r e s ,s ot h a tt h ee f f e c to f t h e s ef a i l u r e so n t h et h e r m a lp r o f i l e sc o u l db e a n a l y z e d .

F o ra l lt h et e s t s ,i t w a sp o s s i b l et o d e t e c t v a r i a t i o no v e rt h et h e r m a li m a g e sa n d t h et h e r m a lp r o f i l ed u e t o t h eg e n e r a t e df a i l u r e s .A n y w a y ,t h ea n a l y s i so f t h et h e r m a lp r o f i l eg r a p h si sm o r ep r e c i s ea s t h e yi n d i c a t em o r ec l e a r l yt h e p e a k s o ft e m p e r a t u r e sa l o n gt h ea r r e s t e r .T h e d e t e c t e dv a r i a t i o n s ,i fw e l lc h a r a c t e r i z e da n d a n a l y z e d ,a r ea g o o dway t o i n d i c a t ea n dc l a s s i f yf a i l u r e sa n dd e f e c t si nZn O a r r e s t e r s .

I n o r d e rt o c o n s o l i d a t et h e o b t a i n e dr e s u l t s ,n ew t e s t ss h o u l db e c o n d u c t e d ,w i t hd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o no f a r r e s t e r s .T h i sn ew t e s t sw i l la l l o wa n i n c r e a s ei n t h ed a t a b a s ea n dt h ec l e a r i n go f t h er e s u l t so b t a i n e df o rt h i sf i r s tt e s t s .

T h e r e s u l t sc o n f i r mt h et h e r m a la n a l y s i sa s a n a d e q u a t em e t h o d o l o g yt om o n i t o rZn O a r r e s t e r s .A n d ,a l t h o u g hi t i s n o tu s e dw i t ha l li t sp o t e n t i a l ,i t c a nb e e v a l u a t e dt o b e c o m em o r ep r e c i s ea n de f f i c i e n t .W i t ht h i si d e ai nm i n d ,t h i sw o r ki s t h ef i r s ts t e pt o t he c r e a t i o no f a n a n a l y s i sa n d d i a g n o s i st o o lb a s e do n t h ee v a l u a t i o no f t h ea r r e s t e rt h e r m a li m a g e s .

V I . R E F E R E N C E S[ 1 ] K . E d a , D e s t r u c t i o nM e c h a n i s mo f Zn O Va r i s t o r sDu e t o H i g h

C u r r e n t s .J . A p pl . P hy s . ,Vo l .5 6 ,N 1 0 ,p p .2 9 4 8- 2 9 5 4 ,N o v e m b e r1 9 8 4 .

[ 2 ] M V . L a t , T h e r m a lp r o p e r t i e so f m e ta l o x id es u r g ea r r e s t e r s .I E E ET r a n s a c t i o n so n Power A p p a r a t u sa n dS y s t e m s ,Vo l .1 0 2 ,N 7 , p p .2 1 9 4 - 2 2 0 2 ,J u l y1 9 8 3 .

[ 3 ] A . Mi z u ko sh i ,J . O z a w a ,S . S h i r a k a w a ,K . N a k a n o , I n f l u e n c eo fU n i f o r m i t yo n E n e r g yA b s o r p t i o nC a p a b i l i t i e so f Z i n cO x i d eE l e m e n t sa sA p p l i e di nA r r e s t e r s .IEEE T r a n s a c t i o n so n Power A p p a r a t u sa n dS y st e m s, Vo l.1 0 2 ,N 5 ,p p .1 3 8 4 - 1 3 9 0 ,M a y 1 9 8 3 .

[ 4 ] V . H i n r i c h s e n , M e t al -O x i de S ur geA r r e s t e r sF u n d a m e n t a l s .1 tE d i t i o n .S i e m e n s P o w e rT r a n s m i s s i o na n dD i s t r i b u t i o nP o w e rVo l t a g eD i v i s i o n ,B e r l i n ,2 0 0 1 .

[ 5 ] Z .K o r e n d o ,M . F l o r k o w s k i , Th e r m o g r a p h yb a s e dd i a g n o s t i co f p o w e re q u i p m e n t .IE E P o w e rE n g i n e e r i n gJ o u r n a l ,F e b r u a r y2 0 0 1 .

[ 6 ] K . L a h t i ,K . K a n n u s ,K . N o us i a in e n , D i ag n os t i cm e t h o d si n r e v e a l i n

i n t e r n a lm o i s t u r e

i np o l y m e rh o u s e dm e ta l o x id es u r g ea r r e s t e r s ,IEEE

T r a n s a c t i o n so nP o w e rD e l i v e r y ,Vo l .1 7 ,N o .4 ,p p .9 5 1 - 9 5 6 ,2 0 0 2 K .[ 7 ] L .C h r z an , C o n ce n t r a t e dd i s c h a r g e sa n dd r yb a n d so n p o l l u t e do u t d o o r

i n s u l a t o r s .1 3 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo n H i g hVo l t a g eE n g i n e e r i n g .A u g u s t2 5 2 9 ,2 0 0 3 .D e l f t ,N e t h e r l a n d s .

[ 8 ] S .H a r a s y m ,H . Z . B r o s z ,S . S .S h u r ,T . S h e l e p e t e n ,W J a n i s c h e w s k y j , P o l l u t i o nP e r f o r m a n c ea n d Vo l t a g eD i s t r i b u t i o ni n S u r g eA r r e s t e rE n c l o s e di n P o r c e l a i nH o u s i n g M e a s u r e da n d C a l c u l a t e d .10 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo n H i g hVo l t a g eE n g i n e e r i n g .A u g u s t ,2 5 2 9 ,1 9 9 7 .M o n t r e a l ,C a n a d a .

[ 9 ] B . We i s e , C . H e i n r i c h ,L . K l i n g b e i l ,W K a l k n e r , H i g h E n e r g yL i g h t n i n gI m p u l s eS t r e s so n MO A r r e s t e r sa n dt h e i rD e g r a d a t i o n .2 5 t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n L i g h t n i n gP r o t e c t i o n .S e p t e m b e r1 8 2 2 ,2 0 0 0 .R h o d o s ,G r e e c e .

V I I .B I O G R A P H I E S

E s t a 4 c i oT a v a r e s W a n d e r l e yN e t o w a s b o r n i nC a m p i n aG r a n d e ,B r a z i l ,on S e p t e m b e r1 5 ,1 9 7 7 .H eg r a u a t ei n E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gf r o mt h eF e d e r aU n i v e r s i t yo f P a r a i b a ,C a m p i n aG r a n d e ,a n d o b t a i n e dh i s M a s t e r sd e g r e e f r o m t h e F e d e r a lU n i v e r s i t yo fC a m p i n aG r a n d ei n 2 0 0 3 .H i s e x p e r i e n c ei n c l u d e sap ro fe s s i on al a pp re n t i c es h ipa t t h e C o m p a n h iH i d r e l e t r i c ad o S a o F r a n c i s c o C H E S F i n 2 0 0 0 .E s t a c i oi s n ow a p p l y i n gf or h i sP h . D .d e g r e ef r o mt h eF e d e r a lU n i v e r s i t yo f C a m p i n aG r a n d ei n t h e a r e ao f

z i n co x i d ea r r e s t e r se l e c t r o t h e r m a ls t u d i e s .

E d s o nG . d a C o s t aw a s b o r n i n B r a z i l , 9 5 4 H eg r a d u a t e da s E l e c t r i c a lE n g i n e e ri n 1 9 7 8 ,r e c e i v e dh i sM a s t e r sd e g r e ei n 1 9 8 1a n dh i sP h . D .t i t l ei n 1 9 9 9 ,a tF e d e r a lU n i v e r s i t yo f P a r a i b a .H i s i n t e re s t s a r ep o w e rs y s t e m s ,e l e c t r i cf i e l d s ,p a r t i a ld i s c h a r g e s ,a r r e s t e r sa n di n s u l a t o r s .H i s i sp r o f e s s o ra tt h eE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gD e p a r t m e n to f F e d e r a lU n i v e r s i t yo f C a m p i n aG r a n d es i nc e 1 9 7 8 .

T a r s o V i l e l aF e r r e i r a g r a d u a t e di n E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gf r o m t h eU n iv e r s i da d e F e de r a l d eC a m p i n aG r a n d ei n2 0 05 . T a r son ow a p p l i e sf o r h i sM a s t e r sD e g r e ei n t h ea r e ao f p o w e re q u i p m e n t s .H i s m a i ni n t e r e s t sa r ep o l y m e r i ci n s u l a t o r sa n dz i n co x i d ea r r e s t e r s .

M J . d e A . Maia r e c e i v e dh i sB . S c .d e g r e ei nE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n gi n 1 9 7 8f r o mt h eU n i v e r s i d a d eF e d e r a ld a P a r a i b a .S i n c e1 9 7 8 ,h e h a s b e e nw i t ht h eC o m p a n h i aH i d r oE l e t r i c ad o S a oF r a nc i s c o , R e c i f e ,P E ,B r a z i l .H i sr e s e a r ci n t e r e s t si n c l u d ep o w e rs y s t e m s ,s u r g ea r r e s t e r s ,t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i oo f e l e c t r i ce n e r g y .