Impuls holdfasthet til polymerfolier ved påkjenning av DC-spenning med overlagret lynimpuls

Abstract

Polymerkabler har i lang tid vært brukt ved HVAC-energidistribusjon. Særlig XLPE har vært et foretrukket valg av isolasjonsmateriale siden det har gode elektriske og mekaniske kvaliteter, er pålitelig 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 en økende andel av markedet, og tilbyr flere fordeler sammenlignet med den tradisjonelle papirisolerte oljekabelen, som redusert miljøpåvirkning, samt at den tillater høyere ledertemperatur og er enklere å reparere. En utfordring er derimot tilstedeværelsen av romladninger som er spesielt risikabelt ved polaritetendring og blir sett på som den dominerende årsaken til feil i polymerisolerte HVDC-kabler.

Dannelse av romladninger gjør det vanskelig å forutsi hvordan det elektriske feltet distribueres i HVDC-kabelisolasjon. Romladninger fører til forsterkning av det elektriske feltet og reduserer holdfastheten, spesielt ved rask polaritetendring av spenningen. Formålet med denne oppgaven har vært å studere hvordan impulsholdfastheten i polymerfolier påvirkes av DC-spenning, polaritet og temperatur. Forsøk er utført på tynne filmer av polypropylen (PP) og polyetylen teraftalat (PET) med parallelle plateelektroder. Testobjektene ble først tilført en DC-spenning i 60 sekunder før det ble påtvunget lynimpuls som førte til gjennomslag. Det ble også utført forsøk med 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 med 40-60% i PET og 20% i PP, sammenlignet med impulsholdfastheten. Ved lynimpulser med motsatt polaritet sank holdfastheten med 20-30% i begge materialer. Dette støtter teorien om at det dannes et tynt lag med homo-ladninger i materialet nær elektrodene under forspent DCspenning som svekker holdfastheten ved lynimpulser ved motsatt polaritet. Resultatene viste høyere og mer temperaturavhengig elektrostatisk oppladning i PET-film. Forsøk med økende verdier av DC-forspenning viste en lineær økning av holdfasthet for begge matererialer, men det 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 excellent electrical and mechanical qualities, its reliability and low production costs. For HVDC transmission however, mainly paper-insulated (MIND) cables have been used. In recent times, polymerinsulated HVDC cables have gained an increasing share of the market, offering several advantages compared to the traditional paper-insulated oil cable, such as reduced environmental impact, 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 polarity reversal and is considered to be the predominant cause of faults in polymer insulated HVDC cables.

The formation of space charges makes it difficult to predict how the electric field will be distributed in HVDC cable insulation. Space charges causes field enhancements and reduce the breakdown strength, especially i the case of repid reversal of the voltage polarity. The purpose of this thesis has been to study how the impulse breakdown strength in polymer foils is affected by DC voltage, polarity and temperature. Experiments have been performed on thin films of polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET) with parallel plate electrodes. The test objects were first applied a DC voltage for 60 seconds before a lightning pulse was imposed which led to a breaktdown. Experiments were also performed with DC-voltage levels between 2 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 polarity increased 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 % in both materials. This supports the assumption that a thin layer of homo charges is formed near the electrodes under prestressed DC voltage and reduced the breakdown strength at lightning impulses of negative polarity. The results showed higher and more temperature-dependent electrostatic charging in PET film. Experiments with increasing values of DC prestress voltage showed a linear increase in breakdown strength in both materials. There was no sign of space charge accumulation in PP-film at DC-prestress voltages below 4 kV.