DC insulation materials for a modular HVDC generator

Abstract

En modulær HVDC-generator (ModHVDC) er utviklet for å møte utfordringene knyttet til produksjon av vindkraft til havs. Den introduserer en segmentering i statoren ved å dele den inn i forskjellige moduler og tilbyr høyere pålitelighet, reduksjon av komponenter og DC ved terminalene, noe som gjør den ønskelig for et HVDC-overføringsnettverk. Hele designet av maskinen er imidlertid ikke fullført og er fortsatt under forskning. En utfordring angående maskinen er isolasjonssystemet på grunn av et DC-potensial i statoren, noe som gjør det mer komplekst enn et AC-isolasjonssystem. Det er ennå ikke utviklet egnede DC-isolasjonsmaterialer for den modulære maskinen.

Denne oppgaven undersøker den modulære HVDC-maskinens elektriske DC-isolasjonssystemdesign. Elektrisk stresstesting ble utført på epoksykopper med og uten silica-filler med ønske om å oppnå levetidskurver. På grunn av DC-kompleksitet og det kapasitive feltet når maskinen slås på/av, ble AC brukt.

Arbeidet inkluderer en introduksjon til DC-utfordringer knyttet til det å designe et isolasjonssystem for en HVDC-maskin. En tilnærming for å oppnå levetidskurver er også beskrevet. Videre er en diskusjon angående design av testobjekter presentert. Partielle utladningstester ble utført ved romtemperatur for å verifisere støpeprosessen til testobjektene. En gjennomsnittlig gjennomslagsspenning ble funnet i gjennomslagstester ved romtemperatur og 70 grader celsius. Den gjennomsnittlige gjennomslagsspenningen ved 70 grader celsius ga grunnlaget i akselererte aldringstester der den påførte spenningen ble redusert, og tiden til gjennomslag ble målt.

Epoksykoppene med og uten silica-filler hadde forskjellige motstandsstyrker mot gjennomslag. Ved romtemperatur opplevde epoksykoppene uten silica-filler den største gjennomsnittlige gjennomslagsspenningen på 41,6 kV sammenlignet med 31,9 kV i epoksykoppene med silica-filler. Ved 70 grader celsius ble det imidlertid ikke observert noen merkbar forskjell i gjennomsnittlig gjennomslagsspenning mellom koppene. Den gjennomsnittlige gjennomslagsspenningen i epoksykoppene uten silica-filler sank med 16,5 %, mens det ikke ble observert noen nedgang i epoksykoppene med silica-filler. Gjennomslagsstyrken til epoksykoppene med silica-filler taklet økt temperatur bedre sammenlignet med epoksykoppene uten silica-filler.

Flere utfordringer fant sted under de akselererte aldringstestene. Ved å jobbe eksperimentelt oppsto mange uforutsette hindringer, og masteroppgavens tidsrom var begrenset. Levetidskurver ble ikke utviklet. Det er behov for kontinuitet i dette arbeidet, og flere viktige aspekter som bør undersøkes videre blir introdusert.

A modular HVDC generator (ModHVDC) has been developed to meet offshore wind energy production challenges. It introduces a segmentation in the stator by dividing it into different modules and offer higher reliability, reduction of components, and DC at its terminals, making it desirable for an evolving HVDC transmission network. However, the entire design of the machine is not completed and is still in research. A challenge regarding the machine is the insulation system due to a DC potential in the stator, making it more complex than an AC insulation system. No suitable DC insulation materials have yet been developed for the modular machine.

This thesis investigates the modular HVDC machine's electrical DC insulation system design. Electric stress testing was performed on epoxy cups with and without silica filler to obtain lifetime curves. Due to DC complexity and the capacitive field when turning on/off the machine, AC was applied.

The work includes an introduction to the DC challenges when designing an insulation system for an HVDC machine. An approach to obtaining lifetime curves is also described. Further are a discussion concerning the design of test objects presented. Partial discharge tests were conducted at room temperature to verify the casting process of the test objects. An average breakdown voltage was found in breakdown tests at room temperature and 70 degrees celsius. The average BD voltage at 70 degrees celsius gave the basis in the accelerated aging tests were the applied voltage was decreased, and the time to breakdown was monitored.

The epoxy cups with and without silica fillers possessed different withstand strengths. At room temperature, the epoxy cups without silica fillers experienced the greatest average breakdown voltage of 41.6 kV compared to 31.9 kV in the epoxy cups with silica fillers. However, at 70 degrees celsius, no significant difference in average breakdown voltage was observed between the cups. The average breakdown voltage in the epoxy cups without silica fillers decreased by 16.5 %, whereas no decrease was spotted in the epoxy cups with silica fillers. The epoxy cups with silica fillers withstood the temperature increase better than the epoxy cups without silica flour.

Several challenges took place regarding the accelerated aging tests. Working experimentally, many unforeseen obstacles occurred, and the master thesis time span was limited. The desired lifetime curves were not able to be obtained. Continuity of this work is needed, and several important aspects that need further investigation are introduced.