Impuls holdfasthet til polymerfolier ved påkjenning av DC-spenning med overlagret lynimpuls
Master thesis
Date
2022Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for elkraftteknikk [2415]
Abstract
Polymerkabler har i lang tid vært brukt ved HVAC-energidistribusjon. Særlig XLPE har vært etforetrukket valg av isolasjonsmateriale siden det har gode elektriske og mekaniske kvaliteter, erpålitelig og har lave produksjonskostnader. For HVDC-overføring er det i hovedsak papirisolerte(MIND) kabler som har vært brukt. I nyere tid har polymerisolerte HVDC-kabler fått enøkende andel av markedet, og tilbyr flere fordeler sammenlignet med den tradisjonelle papirisolerteoljekabelen, som redusert miljøpåvirkning, samt at den tillater høyere ledertemperaturog er enklere å reparere. En utfordring er derimot tilstedeværelsen av romladninger som erspesielt risikabelt ved polaritetendring og blir sett på som den dominerende årsaken til feil ipolymerisolerte HVDC-kabler.
Dannelse av romladninger gjør det vanskelig å forutsi hvordan det elektriske feltet distribueresi HVDC-kabelisolasjon. Romladninger fører til forsterkning av det elektriske feltet og redusererholdfastheten, spesielt ved rask polaritetendring av spenningen. Formålet med denne oppgavenhar vært å studere hvordan impulsholdfastheten i polymerfolier påvirkes av DC-spenning,polaritet og temperatur. Forsøk er utført på tynne filmer av polypropylen (PP) og polyetylenteraftalat (PET) med parallelle plateelektroder. Testobjektene ble først tilført en DC-spenning i60 sekunder før det ble påtvunget lynimpuls som førte til gjennomslag. Det ble også utført forsøkmed DC-spenningsnivå mellom 2 og 12 kV for å studere effekten av det forspente feltet.
Virkningen av DC-forspenning var at holdfastheten ved lynimpulser ved lik polaritet økte med40-60% i PET og 20% i PP, sammenlignet med impulsholdfastheten. Ved lynimpulser med motsattpolaritet sank holdfastheten med 20-30% i begge materialer. Dette støtter teorien om atdet dannes et tynt lag med homo-ladninger i materialet nær elektrodene under forspent DCspenningsom svekker holdfastheten ved lynimpulser ved motsatt polaritet. Resultatene vistehøyere og mer temperaturavhengig elektrostatisk oppladning i PET-film. Forsøk med økendeverdier av DC-forspenning viste en lineær økning av holdfasthet for begge matererialer, mendet var ingen tegn til romladningsdannelse i PP-film ved DC-forspenning under 4 kV. For an extensive period of time, polymer cables have been used in HVAC energy distribution.In particular, XLPE has been the preferred choice of insulation material because of its excellentelectrical and mechanical qualities, its reliability and low production costs. For HVDC transmissionhowever, mainly paper-insulated (MIND) cables have been used. In recent times, polymerinsulatedHVDC cables have gained an increasing share of the market, offering several advantagescompared to the traditional paper-insulated oil cable, such as reduced environmentalimpact, as well as allowing higher conductor temperature and being easier to repair. One challenge,however, is the presence of space charges that are particularly hazardous during polarityreversal and is considered to be the predominant cause of faults in polymer insulated HVDCcables.
The formation of space charges makes it difficult to predict how the electric field will be distributedin HVDC cable insulation. Space charges causes field enhancements and reduce thebreakdown strength, especially i the case of repid reversal of the voltage polarity. The purposeof this thesis has been to study how the impulse breakdown strength in polymer foils is affectedby DC voltage, polarity and temperature. Experiments have been performed on thin films of polypropylene(PP) and polyethylene terephthalate (PET) with parallel plate electrodes. The testobjects were first applied a DC voltage for 60 seconds before a lightning pulse was imposedwhich led to a breaktdown. Experiments were also performed with DC-voltage levels between2 and 12 kV to study the effect of the prestressed field.
The effect of DC-prestress was that breakdown strength at lightning impulses with equal polarityincreased 40-60%in PET and 20%in PP, compared with the impulse breakdown strength.With lightning pulses of opposite polarity, the breakdown strength decreased by 20-30 % inboth materials. This supports the assumption that a thin layer of homo charges is formed nearthe electrodes under prestressed DC voltage and reduced the breakdown strength at lightningimpulses of negative polarity. The results showed higher and more temperature-dependentelectrostatic charging in PET film. Experiments with increasing values of DC prestress voltageshowed a linear increase in breakdown strength in both materials. There was no sign of spacecharge accumulation in PP-film at DC-prestress voltages below 4 kV.