Lifetime Estimation of Extruded HVDC Cable Insulation

Abstract

Ekstruderte HVDC-kabler er et nøkkelprodukt for global og bærekraftig elektrifisering. Derfor utføres det HVDC-nedbrytningstester på kabelskall for å estimere levetiden til DC-XLPE-kabelisolasjonen. I tillegg utføres det differensial skanningskalorimetri (DSC) og dielektriske responsmålinger for å karakterisere materialet. Før testingen rengjøres og avgasses kabelskallene ved høye temperaturer. Det undersøkes ferske og, etter prekvalifiseringstesten, eldre skall. Dataene fra nedbrytningstesten evalueres ved hjelp av Weibull-fordelingen, og de brukes på den inverse effektmodellen (IPM) ved hjelp av skadeutjevningsmetoden. Resultatene viser at isolasjonen nær den indre halvledende skjermen har høy gjennomslagsstyrke sammenlignet med isolasjonen nær den ytre halvledende skjermen, og at aldringen av isolasjonen er forskjellig. Aldring ved prekvalifiseringstesten er ubetydelig. Ytelsesforskjeller i den størrelsesordenen som er funnet her, har ikke blitt oppdaget tidligere innenfor samme isolasjon. Det er funnet spenningsutholdenhetskoeffisienter fra n=9-33. En konstant krystallinitet på ca. 40% er observert for all isolasjon. Morfologiske endringer i den semikrystallinske strukturen til XLPE under produksjonsprosessen og prekvalifiseringstesting blir gjort ansvarlig for funnene. Dessuten viser det seg at aldringen under prekvalifiseringstesten ikke estimeres pålitelig av IPM. Levetidsberegninger for ekstrudert HVDC-kabelisolasjon er komplekse og vanskelige å gjenskape.

Extruded HVDC cables are a key product of global and sustainable electrification. Therefore, HVDC breakdown tests are carried out on cable peelings to estimate the lifetime of DC-XLPE cable insulation. Additionally, differential scanning calorimetry (DSC) and dielectric response measurements are executed to characterize the material. Before testing, the peelings are cleaned and degassed at elevated temperatures. Investigated are fresh and by prequalification test aged peelings. The breakdown test data are evaluated by the Weibull distribution and they are applied to the inverse power model (IPM) by the damage equalization method. The results show a high breakdown strength of the insulation near the inner semiconductive screen in comparison to the insulation near the outer semiconductive screen and different aging behavior among the insulation. Aging by the prequalification test is insignificant. Performance differences of the magnitude found here have not been discovered before within the same insulation. Voltage endurance coefficients ranging from n=9-33 are found. A constant crystallinity of approx. 40% is observed for all insulation. Morphological change in the semi-crystalline structure of XLPE during the manufacturing process and prequalification testing are made responsible for the findings. Moreover, it turns out that the aging during the prequalification test is not reliably estimated by the IPM. Lifetime estimations of extruded HVDC cable insulation are complex and difficult to reproduce.