Romladningsdistribusjon i lagdelt XLPE HVDC kabelisolasjon

Abstract

Etterspørselen etter ekstrudert kabelisolasjon for HVDC har ført til at industrien stadig utvikler nye isolasjonsmaterialer ved å tilføre nye tilsetningsstoffer og benytte renere materialer. Dette for å håndtere høyere overføringskapasitet og problemer knyttet til romladningsdistribusjon, temperaturavhengighet og ledningsevne. Utviklingen mot høyere spenningsnivå øker påkjenningene og påliteligheten til kabelsystemet, og ikke minst på kabelskjøter og termineringer. Kabelskjøter og termineringer er ansett som de mest kritiske delene av et kabelsystem. Denne masteroppgaven har som formål å undersøke romladningsdistribusjonen og den korresponderende elektriske feltutviklingen i isolasjon med grenseflater og i minatyrkabler bestående av et nyere kryssbundet polyetylen for HVDC.I den forbindelse har utviklingen av romladninger blitt målt ved Pulsed Electro- Acoustic method for flate og sylindriske testobjekter. Flate testobjekter har bestått av lagdelt isolasjon av HVAC- og HVDC-materiale. Miniatyrkabelen har bestått av HVDC-materiale. I tillegg har ledningsevnen til HVDC-materialet blitt målt i Rogowskikopper og sammenlignet med tidligere målinger av ledningsevnen til HVAC-materialet.For flate testobjekter har målinger blitt utført ved påtrykt gjennomsnittsfelt på henholdsvis 20, 30 og 40 kV/mm. Måleseriene har hatt en varighet på 5 til 18 døgn. Flere målinger er utført ved 20 og 30 kV/mm for å undersøke reproduserbarhet.For miniatyrkabler har det blitt utført målinger på henholdsvis 20, 30 og 40 kV/mm. Måleseriene har hatt en varighet på 9 til 18 døgn. Resultatene til lagdelt isolasjon viste en markant utvikling av negative ladninger i grenseflaten mellom HVAC- og HVDC-isolasjonen. Utviklingen førte til en feltendring med reduksjon på 17 - 30 % ved katoden i HVDC-materialet og økning på 16 - 50 % av påtrykt gjennomsnittsfelt ved anoden i HVAC-materialet.Ledningsevnen til HVDC-materialet ble målt til:3, 0 · 10−16exp(0,0498E+0,0533T) [ S/m ]Sammenlignet med HVAC-materialet som tidligere er målt til:1, 0 · 10−18exp(0,1454E+0,1347T) [ S/m ]HVDC-materialet har en lavere temperatur- og feltavhengighet. Ledningsevnen til HVDC-materialet er høyere ved 20oC og lavt påtrykt felt. Ved felt over 20 kV/mm har HVDC-materialet lavere konduktivitet enn HVAC-materialet. Resultatene forøvrig gir ingen sikre indikasjoner på hvilke mekanismer som er styrende for ladningstransporten og akkumulasjonen av ladninger. En av årsakene er PEA-målecellens lave oppløsning. Det kan være sannsynlig at andre egenskaper som oksidering, urenheter, ufullstendig kryssbinding og høyere konsentrasjon av amorfe regioner i grenseflaten kan ha en vesentlig betydning for akkmulasjonen av negative ladninger i regionen.Måleseriene til miniatyrkabel viste en markant utvikling av heteroladninger ved katoden. Generelt stabiliseres utviklingen langt raskere i miniatyrkabelen enn i flateprøvene. Stabilisering ble observert etter 1 - 2 døgn sammenlignet med 9 - 18 døgn for flate lagdelte testobjekt. Utviklingen førte til en markant feltøkning ved katoden på 56 % og 53 % av påtrykt gjennomsnittsfelt, på henholdsvis 30 og 40 kV/mm.Resultatene bekreftet tidligere forsøk på at hullinjeksjon og fanging av hull er de dominerende mekanismene bak ladningsinjeksjon og transport av ladninger ved halvledende elektrode. En hurtige utvikling og stabilisering av romladninger er antatt å skyldes at halvledende materiale har en struktur som er lik kryssbundet polyetylen sammenliknet med metallelektrode av gull som er benyttet på flate testobjekt.