Elektrisk holdfasthet langs polymer grenseflater ved VLF og 50 Hz AC spenningspåkjenning

Abstract

Grenseflatene som sammenkobles mellom to isolasjonsmaterialer i skøyter, termineringer og kontakter er ansett som sårbare områder i høyspenningskabler, siden de er utsatt for elektriske feltpåkjenninger tangentielt og vinkelrett på grenseflatene. Utvikling av isolasjonsmaterialer knyttet til områdene i kabler der to grenseflater møtes, er viktig for å bidra til å styrke disse komponentene sin funksjon i strømnettet og bidra til å forbedre forsyningssikkerheten av energi for dagens høyspenningskabler på land og til havs.

Hovedfokuset til masteroppgaven har vært å sette seg inn i forskning på området, utvikle testmodell/oppsett og metoder for å kunne utføre eksperimentelle forsøk på lab. Forsøkene er konsentrert til å undersøke hvordan gjennomslagsstyrken under påtrykt AC 50 Hz og påført DC-spenning referert til som veldig lavfrekvent AC-spenning (VLF), påvirker den elektriske holdfastheten langs polymer-grenseflater dannet av to solide isolasjonsmaterialer montert mot hverandre.

Ved å montere i sammen to solide isolasjonsmaterialer for de eksperimentelle undersøkelsene på elkraftlaben til NTNU, simulerer dette tilknytningen av to høyspenningskabler mot hverandre, som er vanlige monteringsanvisninger i industrien for blant annet høyspennings-undervannskontakter. De eksperimentelle undersøkelsene har i all hovedsak vært rettet mot sammenligning og testing av forskjellene mellom påtrykt AC 50 Hz og DC (VLF) på våte grenseflater, siden forskning knyttet til HVDC og LFAC-teknologi er under betydelig utvikling. Stadig flere kabler blir utviklet for å kunne forsyne HVDC/ LFAC til vindmøller og plattformer til havs, hovedsakelig begrunnet med lavere reaktive tap sammenlignet med AC 50 Hz over lengre distanser.

De tre hovedelementene som teoretisk og eksperimentelt undersøkes i masteroppgaven er hvordan påført trykk, variasjon i ruhetsgrad og fleksibiliteten til ulike isolasjonsmaterialer påvirker nedbrytningsstyrken til grenseflatene. Eksperimenter er utført ved bruk av identiske prøver laget av 4 mm tykke plater av PMMA og materialer i like dimensjoner kuttet fra XLPE-kabelisolasjon. Funnene er diskutert med hensyn til målte dimensjoner for hulrom i grenseflater og kontaktområder, vurderinger av tribologi-basert kontaktteori, inkludert påvirkningen til overflateruhet, elastisitetsmodul til materialene og påført mekanisk grenseflatetrykk. Hovedmålet er å innhente data som er relevante for utformingen av kraftutstyr som opererer ved svært lav frekvens (VLF) eller likespenninger.

Den elektriske holdfastheten til de polymeriske grenseflatene representert av gjennomslagsstyrkeverdier ved påtrykt 50 Hz AC, påviste at gjennomslagsverdiene for våte grensesnitt var typisk så lave som 80 % sammenlignet med prøver satt sammen under tørre forhold, med bare luft tilgjengelig i hulrommene. I tillegg bekreftet resultatene tidligere funn for AC 50 Hz, at holdfastheten til isolasjonsmaterialet øker sterkt ved redusert grenseflateruhet, lavere verdi av stivhet for materialet og økt påført grenseflatetrykk. Verdiene for gjennomslagsspenning oppnådd under påført DC referert til som lavfrekvent AC (VLF), er funnet til å være 2 – 3 ganger høyere enn ved tester med påført 50 Hz AC-spenninger med våte grensesnitt.

The interfaces that are connected between two insulation materials in high voltage cable terminations and contacts are considered vulnerable areas in the power cables, since they are exposed to electric field stresses tangentially and perpendicular to the interfaces. The development of insulation materials related to the areas in the cables where two interfaces meet, is important to help strengthen these components function in the power grid and to improve the security of the energy supply for today's high-voltage cables on land and at sea.

The main focus of the master thesis has been to familiarize oneself with research in the field, develop test methods and conduct experimental tests in the lab. The purpose of conducting the experimental tests is to analyze how the breakdown force under applied AC 50 Hz and applied DC voltage referred to as very low frequency AC voltage (VLF), affects the electrical breakdown strength along polymer interfaces that connects two solid insulation materials.

By assembling two solid insulation materials for the experimental investigations in the electrical power lab at NTNU, this simulates the connection of two high-voltage cables to each other, which are common installation instructions in the industry for high-voltage subsea contacts amongst other high power cable accessories. The experimental investigations are mainly focused on comparing and testing the differences between applied AC 50 Hz and DC (VLF) on wet mated interfaces, since research related to HVDC and LFAC technology is under significant development. The cables are more commonly being tested to supply HVDC / LFAC to offshore wind turbines and platforms, mainly due to lower reactive losses compared to AC 50 Hz over longer distances.

The three main elements that are theoretically and experimentally investigated in the master thesis is how applied pressure, variation in the degree of surface roughness and the flexibility of different insulation materials affects the breakdown strength of the interfaces, with and without tap water mated to the interfaces. Experiments were performed using identical samples made of 4 mm thick sheets of PMMA and materials of equal dimensions cut from XLPE cable insulation. The findings are discussed with regards to measured dimensions for cavities in the interfaces and contact areas, assessments of tribology-based contact theory, including the impact of surface roughness, the elasticity modulus of the materials and applied mechanical interface pressure. The main goal is to obtain data that is relevant for the design of power equipment that operates at very low frequency (VLF) or DC voltages.

The electrical breakdown strength of the polymeric interfaces with 50 Hz AC applied showed that the breakdown strength from wet mated interfaces was typically as low as 80 % compared to samples assembled under dry conditions, with only air available in the cavities. In addition, the results confirmed previous findings for AC 50 Hz, that the strength of the insulation material increases considerably with reduced interface roughness, lower value of stiffness for the material and increased applied interface pressure. The values for the breakdown strength obtained under applied DC referred to as low frequency AC (VLF), have been found to be 2 - 3 times higher than the experiments with applied 50 Hz AC voltages to wet interfaces.