Aging of a high voltage insulation system exposed to AC sinusoidal and fast rise time repetitive pulses

Abstract

Med den forventede storskala integreringen av fornybare energikilder med variabel kraft produksjon krever bruk av kraftelektronikkomformere. De raskt stigende repeterende pulsene generert fra på og av operasjoner har en forverrende effekt på isolasjonen i form av raskere aldring og ødeleggelse av isolasjonen.

I denne masteroppgaven er det bevist at raskt stigende repeterende bipolare pulser er verre for isolasjonen sammenlignet med sakte endrede sinusbølger. To systemer er brukt for å utsette en test objekt for ulike spenningsformer og for å kunne registrere tid og spenningen når isolasjonen ødelegges. Spenningsformene brukt er unipolar negative og positive, bipolar og sinusbølge. Testene som er utført er tid til gjennomslag og økende spenning til gjennomslag, og virkningen av forskjellige parametere for den påførte spenningen er blitt undersøkt.

En av de mest skadelige mekanismene som fører til nedbrytningen og gjennomslag i elektrisk isolasjon er delutladninger og for å måle de i et elektrisk isolasjonssystem når den er utsatt for raske repeterende pulser er utfordrende. Frekvensinnholdet i de raskt stigende repeterende pulsene er ulik sinusbølger og overlapper frekvensspekteret til det tradisjonelle målesystemet. Nye metoder er nødt til å bli tatt i bruk dersom måling av delutladning ved raske repeterende pulser er ønskelig. Denne masteroppgaven inneholder en gjennomgang av de forskjellige mekanismene som forårsaker dielektrisk nedbrytning med fokus på delutladninger og testteknikker for sinusformet og raskt stigende repeterende pulser.

The anticipated large-scale integration of renewable energy sources with variable power production calls for the use of switching power supplies and frequency converters with power electronics. The fast rise time repetitive pulses generated from on and off operations, are introducing new stresses to the insulation system and increasing the aging and degradation of the insulation.

In this master thesis, it is shown that fast rise time repetitive bipolar pulses are more harmful to high voltage insulation systems than slow-changing AC sinusoidal waveform. Two systems have been customized and utilized to expose test objects to different waveshapes and to register time and voltage when the insulation fails. Waveshapes exposed the insulation are unipolar positive and negative, bipolar and AC. Tests done are ramp to breakdown (Ramped) and time to breakdown (Aging), and the impact of different parameters of the applied voltage has been studied. For both ramped and aging test, the increase of repetition rate cause breakdown either at a lower voltage or at a shorter time by puncture of the insulation, implying more severe deterioration on the insulation.

One of the most harmful mechanisms for the degradation and breakdown of electrical insulation systems are partial discharges (PD) and to measure PD in electrical insulation systems stressed with fast rise time voltages is challenging. The frequency content of the fast rise time repetitive pulses are different from AC sinusoidal and overlaps the conventional PD measurement techniques, and new techniques are needed. This master thesis includes a review of the different mechanisms causing dielectric breakdown with focus on partial discharge and test techniques for AC sinusoidal and fast rise time repetitive pulses.