DC Breakdown Strength of HVDC XLPE Cable Insulation – Short-term testing of cable peelings

Abstract

I sammenheng med elektrifisering av dagens samfunn, som fører til høyere elektrisitetsbehov og et mål om bærekraftige løsninger, er ekstruderte høyspennings-likestrømskabler (HVDC-kabel) en nøkkelfaktor. HVDC-kabler er essensielle når det gjelder fornybare energikilder, for eksempel som forbindelse mellom land og offshore vindparker. Bruken av ekstruderte 525 kV HVDC-kabler øker, og design for enda høyere merksespenning er i utvikling. Dette medfører interesse for å forstå hvordan kryssbundet polyethylene (PEX) aldres under termo-elektrisk stress. Hvordan aldringen av en HVDC-kabel påvirkes er avgjørende for påliteligheten til høyspente overføringssystemer.

Målet med dette studiet er å undersøke i hvilken grad elektrisk holdfasthetsstyrke til PEX endres ved aldring av materialet, under påtrykk av likespenning (DC). For å undersøke dette har det blitt gjennomført korttids-holdfasthetstester på PEX i form av kabelpeeling. Kabelpeelingen ble kuttet fra ytre halvleder til indre halvleder fra en full-skala 525 kV HVDC-kabel. En av prøveobjektene var ualdret PEX isolasjon. Den andre var PEX isolasjon som har vært gjennom prekvalifiserings (PQ) test som skal tilsvare 40 år med termo-elektrisk aldring. I tillegg var det ønskelig å undersøke om holdfasthetsstyrken påvirkes av radiell posisjon i isolasjonen.

Gjennomslagstestene ble utført ved bruk av en elektrisk krets som genererte stabil DC spenning og en testecelle som ble laget i forprosjektet til masteroppgaven. Kretsen ga også mulighet for sikker måling av gjennomslagspenningen. Kabelpeelingen ble klemt mellom to elektroder og spenningen ble økt med steg på 1 kV per minutt til gjennomsalg. På hver kabelpeeling ble det gjennomført 20 tester for hver region i isolasjonen; isolasjon nær indre halvleder, midtre isolasjon og isolasjon nær ytre halvleder. Tykkelsen på gjennomslagskanelene ble målt, og holdfasthetsstyrken i kV/mm ble beregnet. Dataen ble behandlet med 2-parameter Weibullfordeling.

Gjennomslagstestene gjennomført på ualdret isolasjon ga en 63,2% karakteristisk holdfasthetsstyrke mellom 550-580 kV/mm for de tre regionene av isolasjonen. For aldret isolasjon var holdfasthetsstyrken mellom 380-400 kV/mm. Det ble ikke sett en statistisk signifikant forskjell i holdfasthetsstyrken til regionene for prøveobjektene. På grunn av ingen signifikant forskjell konkluderes det med at holdfasthetsstyrken til PEX under påtrykk av DC ikke er avhengig av radiell posisjon i isolasjonen.

Den ualdrede isolasjonen testet i dette prosjektet viser høyere korttids-holdfasthetsstyrke enn resultatene fra tidligere studier på holdfasthetsstyrken til PEX kabelpeeling under påtrykk av DC. Basert på 63,2% karakteristisk holdfasthetsstyrke, er styrken over 100 kV/mm bedre sammenlignet med tidligere studier. Hvis man ser bort ifra mulig påvirknig fra volum, kan den høyere holdfasthetsstyrken indikere at material-sammensetningen for PEX isolasjonen testet i dette prosjektet er bedre en tidligere testet isolasjon.

Ved sammenligning mellom 63,2% karakteristisk holdfasthetsstyrke til den aldrede og ualdrede isolasjonen, har styrken blitt redusert over 150 kV/mm. Følgende er reduksjon i holdfasthetsstyrke på 30% for alle regioner. En reduksjon på 30% etter 40 år med termo-elektrisk stress kan tyde på lengre restlevetid. Funnene i dette arbeidet gir indikasjon på at forventet levetid på 40 år for denne typen HVDC-kabler, er å anse som konservativ.

In the electrification of society, leading to higher total electricity demand and the aim for sustainable solutions, extruded high voltage direct current (HVDC) cables are a key factor. Concerning renewable energy sources, HVDC cables are essential, for instance, as links between land and offshore wind parks. The use of extruded 525 kV HVDC cables are increasing, and designs for even higher voltage levels are in development. Consequently, it is an increased interest in understanding how crosslinked polyethylene (XLPE) ages under thermo-electrical stress. Aging behavior is crucial, considering the reliability of high voltage transmission systems.

This study aims to investigate to what degree the short-time DC electrical breakdown strength of XLPE insulation of HVDC cables changes as the material ages. To investigate this, short-term breakdown tests under the application of DC voltage are performed on XLPE in the form of cable peeling. The cable peeling was cut from the outer semiconductor to the inner semiconductor from a full-scale 525 kV HVDC cable. One of the test samples was fresh (unaged) XLPE insulation. The other was exposed to prequalification (PQ) tests which aim to correspond with 40 years of thermo-electrical aging. In addition, it was desired to investigate if the breakdown strength is affected by the radial position in the insulation.

The DC breakdown tests were performed using a DC source and a test cell established in a preliminary study. The circuit also provided the ability for secure measurement of the breakdown voltage. The cable peeling was sandwiched between two electrodes, and the voltage was increased in steps of 1 kV per minute until breakdown occurred. For each cable peeling, a series of 20 tests were conducted on three regions; insulation close to the inner semiconductor, middle insulation, and insulation close to the outer semiconductor. The thickness of the breakdown channels was measured, and the DC breakdown strengths were determined in kV/mm. All data were treated using 2-parameter Weibull distribution.

From the DC breakdown tests performed on the fresh insulation, the 63.2% characteristic breakdown strengths were in the range of 550-580 kV/mm for the three regions of the insulation. For the aged insulation, the breakdown strengths were in the range of approximately 380-400 kV/mm. It was seen no statistically significant difference in the breakdown strength of the regions in either of the insulation specimens. Due to no significant difference, the conclusion is that the DC breakdown strength of XLPE is not dependent on the radial position of the cable insulation.

The fresh insulation tested in this project shows higher breakdown strength than the results from previous studies conducted on the DC breakdown strength of XLPE cable peeling. The 63.2% characteristic breakdown strength is over 100 kV/mm greater than in the previous studies. Possible volume effects are minor, suggesting that the higher breakdown strengths indicate a better XLPE matrix of the tested insulation in this project than the previously tested insulation.

When comparing the 63.2% characteristic breakdown strength of the aged insulation with the fresh, the breakdown strength has been reduced by over 150 kV/mm. Consequently, the reduction is 30% in breakdown strength for all regions. A reduction of 30% after 40 years of thermo-electrical stress suggests a longer residual lifetime. The findings in this work indicate that an expectation of 40 years of lifetime for this type of HVDC cable can be considered conservative.