Organiske forurensninger i HVDC PEX-isolasjon

Abstract

Kryssbundet polyetylen (PEX, eng. XLPE) er et vanlig brukt elektrisk isolasjonsmateriale for høyspenningskabler. Under produksjonsprosessen av isolasjonsmateriale eller kabelisolasjon kan såkalte organiske forurensninger i isolasjonen oppstå. Dette kan være et resultat av stagnering av polyetylen i termiske soner med høy temperatur under produksjon av granulater eller under ekstruderingen av selve kabelen. Slike polymerer vil følgelig bli utsatt for termiske oksidasjonsmekanismer. Denne typen organiske forurensninger kan i kabelisolasjonen føre til lokale feltforsterkninger med økt fare for havari under testing eller drift.Dette arbeidet har fokusert på å studere dielektriske egenskaper til oksidert polyetylen. Flate PE- og PEX-prøver ble termisk oksidert i ventilerte varmeskap ved 170 C. Prøvene ble oksidert i 7 ulike tidsintervaller, fra 18 timer til 720 timer. Uoksiderte objekter av PE og PEX ble benyttet som referanser ved diskusjon av målingene. Graden av oksidasjon på prøvene ble undersøkt ved bruk av infrarød spektroskopi (FT-IR) og for kategorisering av aldringsgrad.Et tidligere studie av Martin Vandbakk [1] av organiske forurensninger tatt fra materialprodusent, har resultert i en kategorisering av oksidasjonsgrad i forhold til farge og karbonylinnhold. Kategoriseringen innebar 3 ulike grader av oksidasjonen; kategori 1 med 18 timer, kategori 2 med 72 timer mens kategori 3 var ukjent. Kategoriseringen har i dette arbeidet blitt brukt til å sammenligne ekte forurensninger med prøvene aldret i dette eksperimentet.Oksidasjonsprosessen av PE-objektene var ikke vellykket med tanke videre bruk i AC- og DC-målinger, da den høye temperaturen under oksidasjonen deformerte objektene. PEX-objektene tålte oksidasjonsprosessen og ble benyttet til videre målinger. Et unntak var objektene som var oksidert i 720 timer, de ga uregelmessige resultater sammenlignet med de andre objektene.De elektriske egenskaper til oksiderte objektene har blitt undersøkt ved AC dielektrisk spektroskopi og DC-konduktivitetsmålinger. Ved AC 0,1 mHz og 25 C ble den relative permittiviteten på referanseobjektet målt til å være 2,29, kategori 1 til 2,35, kategori 2 til 3,9 med en maksimal permittivitet etter 504 timer på 5,3. Konduktivitetsmålinger ved 25 C med de to ulike metodene ble sammenlignet og det ble oppdaget en økning opptil 340 timer og dermed en reduksjon ved høyere oksidasjonstid. Ved referanseobjektet ble det målt ved AC-målinger (2 kV og 0,1 mHz) en konduktivitet på 5,510-14 S/m, 18 timer på 6,310-14 S/m, 72 timer 2,110-14 S/m og etter 340 timer 7,310-14 S/m. DC-målingene (120 V) gav en konduktivitet ved referanseobjektet på 5,110-17 S/m, 18 timer på 7,910-16 S/m, 72 timer på 9,410-15 S/m og etter 340 timer 1,710-14 S/m. 720 timer skilte seg ut med en veldig lav konduktivitet ved alle tre målingene, men var lavest ved AC-målingene. Dette kan skyldes at dette testobjektet har blitt endret så mye i strukturen at det ikke var mulig å kunne gjøre reelle målinger med.Alle målingene viste en sterk temperaturavhengighet. En økning i temperaturen fra 25 til 90 C, ga store økninger i permittivitet og konduktivitet. Tidligere studier viser at oksidasjon gir en økning i karbonylinnholdet ved 1721 cm-1 som stemte overens med resultater fra dette arbeidet. Karbonylinnholdet og konduktiviteten hadde en nokså bra sammenheng, økning i karbonylinnhold ved 1721 cm-1 ga en økning i konduktiviteten og tapet fram til 340 timer. Etter 340 timer avtar begge parameterne med økende oksidasjon. Konklusjonen som trekkes de presenterte resultatene er at oksiderte objekter har en permittivitet som øker med økt oksidasjon og konduktivitet som øker fram til 340 timer med oksidasjon og avtar så ned til en minimumsverdi ved 720 timer. Okt permittivitet og konduktivitet øker det lokale feltet. Organiske forurensninger vil ha de samme elektriske egenskapene som testobjektene og kan dermed føre til feltforsterkninger i isolasjonen.