New Environmentally-friendly Insulation Gases: Breakdown Mechanisms along Insulating Cylinders when implementing Barriers and Triple Junction Gaskets

Abstract

SF6 er en kraftig drivhusgass, som benyttes i mellomspennings gasisolerte koblingsanlegg. Det er sannsynlig at SF6 kommer til å bli strengere regulert i fremtiden. Nye miljøvennlige isolasjonsajonsgasser, som trykksatt luft burde undersøkes som alternativer til SF6. Luft har lavere holfasthet, så for å gjennomføre en overgang til luft som isolasjonsgass må overgslagsmekanismene undersøkes. Overslagsspenningen til noen av de svakeste delene av et isolasjonssystem, overflaten mellom gas og fast material må undersøkes for å beholde dimensjonene til koblingsanlegget.

Målet med avhandlingen er å undersøke om det å benytte barrierer eller pakninger rundt en isolasjonsylinder kan øke overslagsspenningen til et luftgap med et isolasjonsmateriale i fast form. Barrierer ble plassert rundt en profilert isolajsonssylinder. Pakningene av enten gummi eller silikon, ble plassert ved trippelpunktet til en glatt sylinder. Opp-og-ned tester ble gjennomført for ˚a finne 50% overslagsspenning. COMSOL Multiphysics simuleringer av de elektriske feltene rundt pakningene ble gjennomført som et supplement til overslagsspennigene. Tennspenningen ble beregnet ved hjelp av et Python-skript ved hjelp av streamerinitiereingskriteriet. Gjennomsnittlig AC-overslagspenning ble funnet ved bruk av kontinuerlig økning spenning fram til overslag for silikonpakningene.

Overslagsspenningen økte ikke ved å legge til en 3D-printet, PLA barriere rundt isolasjonssylinderen. Overslagskanalene lå mellom barrieren og isolasjonsylinderen, som hindret økning i spenningen.

Overslagsspenningen økte svakt med prefabrikkerte NBR gummipakninger. Gummipakningene ved et rent trippelpunkt er svært følsomme for små variasjoner i plassering og form, slik at fordelen ved bruk av pakningene er liten. Simuleringene viste en tilsvarende økning i tennspenning ved riktig plassering og størrelse på pakningene.

Overslagsspenningen økte 20% med silikonpakninger st.pt dirkete på testobjektet. Små variasjoner i geometrien til pakningene påvirker ikke spenningen betydelig. Tennspenningen samsvarer med hvor steamerne propagerer. Resultatene indikerer en kraftig reduksjon i feltforsterkningere rundt trippelpunktet. Det er også en økning i overslagsspenning opp til 24% ved påtrykt AC-spenning for silikonpakningene.

SF6 is a potent greenhouse gas used in medium voltage gas insulated switchgear. SF6 will likely be more strongly regulated in the future. New environmentally friendly gases, like pressurised air, should be investigated to replace SF6. Air has a lower withstand voltage than SF6, so when implementing air as an insulating gas, an understanding of the breakdown mechanism is needed. The breakdown strength of some of the weakest parts of the insulation systems, the gas-solid interface, should be improved to keep the dimensions of the switchgear.

The objective of this thesis is to investigate if adding barriers or gaskets to an insulating cylinder can increase the breakdown strength of an air gap with a solid-gas interface. Barriers were placed around a profiled insulating cylinder. The gaskets were either rubber or silicone and placed at the triple junction (gas-metal-insulator interface) of a smooth cylinder. Up-and-down tests were completed on the test object to find the 50% breakdown voltage. COMSOL Multiphysics simulations were computed to supplement the breakdown voltage experiments for gaskets. The inception voltage was calculated using a Python script implementing the streamer inception criteria. The AC average breakdown voltage was found using a continuous rising method for the silicone gaskets.

The breakdown voltage did not increase when adding a 3D-printed, PLA barrier around the insulating cylinder. The breakdown channels were located between the cylinder and the barrier, hindering an increase in breakdown voltage.

The breakdown voltage did slightly increase with pre-fabricated NBR rubber gaskets. The rubber gaskets at a pure triple junction are very sensitive to minute variations in the placement and shape of the gasket. The gain achieved using rubber gaskets is small. COMSOL simulations confirmed an increase in inception voltage with certain gasket conditions.

The breakdown voltage increased 20% with silicone gaskets that were cast directly on the test object. Slight variations in the gasket geometry did not affect the voltage. The inception voltages coincide with where the streamers propagate. The results indicate the elimination of the field enhancements at the triple junctions. An increase in breakdown voltage up to 24% during AC operation with the silicone gaskets was observed.