Electric field distribution in layered polymeric HVDC insulation

Abstract

HVDC overføring har blitt mer og mer vanlig ettersom det er foretrukket over HVAC overføring over lengre distanser. Siden kabelen erfarer ulik påkjenning basert på lokale variasjoner innen blant annet temperatur og felt er det nyttig å utføre dybdeundersøker på hvordan disse mekanismene kan påvirke kablene. Flate, lagdelte prøver brukes under målingene siden de kan etterligne kabelskjøter/termineringer som anses å være et svakt punkt på en kabel. Det er derfor denne masteroppgaven undersøker hvordan romladningsoppsamling og resulterende feltutvikling påvirker lagdelt polymerisk HVDC isolasjon. Prøvene består av to lag kryssbudet polyetylen (PEX) hvor det ene laget er kryssbundet én gang, mens det andre er kryssbudet to ganger. Dette er gjort for å danne en diskontinuitet i konduktiviteten mellom lagene for å framprovosere ladningsoppsamling. Målingene er utført ved å bruke Pulsed Electro-Acoustic method (PEA) med en påført spenning på 10 kV over prøven og med temperaturer på 20, 40 & 60oC. Til slutt er muligheten for å bruke en ekvivalent RC modell som en prediksjon av feltutviklingen vurdert. Resultatene viser at den største ladningsoppbyggingen forekommer ved 40oC, mens mengden av oppsamlede ladninger ved 20 & 60oC er ganske like. Heteroladninger er observert ved katoden i alle prøver, mens homoladninger forekommer ved anoden i alle prøver. Ved den interne grenseflaten observeres negative ladninger ved alle temperaturer, men mer positive ladninger observeres ved høyere temperaturer. Heteroladningene ved katoden fører til en feltreduksjon mellom 9.1 og 47.4%, mens homoladningene ved anoden fører til en feltøkning mellom 6.7 og 40.4%. Selv om systemet er svært komplekst og mange mekanismer påvirker resultatene samtidig er likevel en mulig forklaring på de observerte resultatene at romladningsformasjonen øker saktere ved økende temperatur enn ladningsfrigjøringen. Dette kan komme av økende mobilitet i ladningsbærere ved økende temperatur. Andre påvirkende mekanismer kan være elektrodematerialet, prøvens morfologi, ladningstransport i prøven og ladningsinjeksjon. Å representere prøvene i form av en RC krets viste seg å være mulig på lavere temperaturer siden færre mekanismer er tilstede. Ved høyere temperaturer kan flere mekanismer observeres og nøyaktigheten til modellen synker. For å forbedre dette kan flere RC grener legges til, men dette fører til at modellen blir betydelig mer kompleks.

The HVDC power transfer scheme has become more prevalent in recent times as it is the preferred scheme for long range power transfer. As the cable is stressed based on local fluctuations such as ambient temperature and field enhancements, the need for a greater understanding of the underlying mechanisms affecting the cable becomes more emphasized. Flat, layered samples are used for measurements as they can be used to emulate cable joints/terminations which are considered weak points of a cable. This project will investigate the space charge accumulation and resulting field enhancement of layered polymeric HVDC insulation. The samples are comprised of two layers of cross-linked polyethylene (XLPE) where one layer is cross-linked once while the other is cross-linked twice. This is to create a discontinuity of the conductivity between the layers which should facilitate charge trapping. The measurements are performed using the Pulsed Electro-Acoustic method (PEA) with an applied voltage of 10 kV and with temperatures of 20, 40 & 60oC. Finally, the viability of using an equivalent RC circuit as a prediction of the field development has been investigated. The results show that the greatest charge accumulation occurs at 40oC, while the amount of accumulated charges are quite similar at 20 & 60oC. Heterocharges was observed at the cathode for all samples, while homocharges was present at the anode for all samples. At the dielectric interface charges of negative polarity was observed at all temperatures, but more positive charges was observable with higher temperatures. The heterocharges at the cathode lead to a field reduction in the range of 9.1-47.4% while the homocharges at the anode lead to a field enhancement in the range of 6.7-40.4%. While the system is quite complex and many mechanisms are influencing the results at the same time, a possible reason for the observed results is that the space charge formation increases slower with increasing temperature than the charge detrapping in the samples, possibly as a result of the increasing mobility of the charge carriers. Other influential mechanisms may be the electrode materials, sample morphology, charge transport in the sample and charge injection. Representing the samples in terms of an RC circuit was discovered to be viable at low temperatures as fewer mechanisms were present. At higher temperatures more mechanisms were observed and the accuracy of the model decreased. More RC branches could be added in order to rectify this, however at the cost of making the model significantly more complex.