Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Conductivity measurement of plaque samples obtained from the insulation of high voltage extruded cables
ABB AB, High Voltage Cables, Karlskrona, Sweden.ORCID iD: 0000-0003-1393-9511
ABB AB, High Voltage Cables, Karlskrona, Sweden.
ABB Power Products, Sweden.
2015 (English)In: Nordic Inslu. Symp., 2015Conference paper, Published paper (Refereed)
Place, publisher, year, edition, pages
2015.
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-180838OAI: oai:DiVA.org:kth-180838DiVA, id: diva2:897246
Conference
Nord-IS 25, Copenhagen, Denmark, 2015
Note

NV 20160125

Available from: 2016-01-25 Created: 2016-01-25 Last updated: 2018-05-22Bibliographically approved
In thesis
1. Characterization of Conduction and Polarization Properties of HVDC Cable XLPE Insulation Materials
Open this publication in new window or tab >>Characterization of Conduction and Polarization Properties of HVDC Cable XLPE Insulation Materials
2016 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Since its first introduction in 1998, extruded direct current (DC) cable technology has been growing rapidly leading to many cable system installations with operation voltages up to 320 kV. Cable manufacturers invest heavily on technology development in this field and today extruded DC cable systems for operation voltages as high as 525 kV are commercially available.

The electrical field distribution in electrical insulation under DC voltage is mainly determined by the conduction physics, therefore a good understanding of the DC conduction is necessary. In case of Cross-linked Polyethylene (XLPE) insulation, the presence of the peroxide decomposition products (PDP) is believed to influence its electrical properties. The PDP are volatile and therefore they may diffuse out of the samples during sample preparation and testing. Besides, the morphology of the XLPE is known to evolve over time even at moderate temperatures. Since the material may change during preparation, storage and even measurement, the procedure during all stages of the study should be chosen carefully.

In this work, the physics of the dielectric response and conduction in XLPE is briefly discussed. The existing measurement techniques relevant to characterization of DC conduction in XLPE insulation materials are reviewed. The procedure for high field DC conductivity measurement is evaluated and recommendations for obtaining reproducible results are listed. Two types of samples are studied, i.e. thick press molded samples and thick plaque samples obtained from the insulation of in-factory extruded cables. For press molded samples, the influence of the press film used during press molding and the effect of heat-treatment on the electrical properties of XLPE and LDPE are studied. High field DC conductivity of XLPE plaque samples is measured with a dynamic electrode temperature to simulate the standard thermal cycles.

Investigations show that using PET film during press molding leads to higher apparent DC conductivity and dielectric losses when compared to using aluminum foil. The influence of heat-treatment is different depending on the press film. High field DC conductivity measurements and chemical composition measurement of samples obtained from the cable insulation are in good agreement with the results obtained from the full scale measurements. Finally a non-monotonic dependence of apparent DC conductivity to temperature of some samples pressed with PET film is discovered which to the author’s best of knowledge has not been previously reported in the literature.

Abstract [sv]

Sedan det första införandet i 1998 har extruderad likspänning (DC) kabeltekniken vuxit snabbt och har lett till många existerande kabelsysteminstallationer med driftspänningar upp till 320 kV. Kabeltillverkare investerar kraftigt i teknikutveckling inom detta område och idag finns extruderade DC kabelsystemen tillgängliga för driftspänningar så höga som 525 kV.

Elektrisk fältfördelning i isolationsmaterial under hög DC spänning, beror framförallt på materialets elektriska ledningsfysik, därför är en bra förståelse av DC ledningsförmåga nödvändig. Isolationsmaterial av tvärbunden polyeten (PEX) innehåller tvärbindningsrestgaser som tros påverka materialets elektriska egenskaper. Restgaserna är flyktiga och kan diffundera bort från proven under preparering och mätning, även under måttliga temperaturer. PEX materialets morfologi ändras även med tiden. Med tanke på att materialet kan ändras under provpreparering, lagring och även vid mätning, så måste samtliga steg ovan väljas mycket försiktigt.

I detta arbete diskuteras grundläggande fysik för dielektrisk polarisering och ledningsförmåga i PEX-isolation tillsammans med granskning av existerande mätteknik relevant för karakterisering av ledningsförmåga i PEX. Procedurer för mätning av DC ledningsförmåga under höga elektriska fält är undersökta och rekommendationer för reproducerbar mätningar är framtagna. Två typer av prover är studerade, tjocka pressade plattor och tjocka plattor som ursvarvats från kommersiell tillverkade högspänningskablar. För pressade plattor, studerades effekten utav press-filmens påverkan på de elektriska egenskaperna hos PEX och LDPE. Påverkan av värmebehandling på DC ledningsförmåga av PEX plattor studerades också. Slutligen studerades DC ledningsförmåga av PEX och LDPE plattor under höga DC fält och med dynamisk temperatur på elektroderna med syftet att efterlikna standardvärmecyklingar.

Undersökningarna visade att användningen av PET filmer under pressning av plattor ledde till högre DC ledningsförmåga och högre dielektriska förluster i proven i jämförelse med användning av aluminiumfolie. Påverkan utav värmebehandling är olika beroende på typ av film som används pressningen. Det finns en stark korrelation mellan resultaten från DC konduktivitet och kemisk komposition mätningar från plattor skaffat från kabelisolation och resultaten från fullskaliga kabelmätningar. Slutligen, upptäcktes ett icke monotont beroende av DC konduktivitet hos PEX och LDPE plattor på temperatur som tidigare inte rapporterats i litteraturen.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. p. ix, 66
Series
TRITA-EE, ISSN 1653-5146 ; 2015:119
Keywords
HVDC insulation, power cable insulation, cross-linked polyethylene insulation, conductivity, dielectric losses, space charge, HVDC isolation, kraftkabel isolation, tvärbunden polyeten isolationsmaterial, elektrisk ledningsförmåga, dielektriska förluster, rymdladdning
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-180809 (URN)978-91-7595-831-6 (ISBN)
Presentation
2016-02-05, Q22, Osquldas Väg 6B, Kungl Tekniska Högskolan, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
A multiscale, cross‐disciplinary approach to the study of climate change effect on ecosystem services and biodiversity
Note

QC 20160125

Available from: 2016-01-25 Created: 2016-01-22 Last updated: 2016-01-25Bibliographically approved
2. Characterization of Conduction and Polarization Properties of HVDC Cable XLPE Insulation Materials
Open this publication in new window or tab >>Characterization of Conduction and Polarization Properties of HVDC Cable XLPE Insulation Materials
2018 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

High voltage direct current (HVDC) cables with extruded insulation system were introduced in 1998. Since then this technology has been growing rapidly with many installations that are today operational at voltages up to 320 kV. With fast developments during the last few years, extruded DC cable systems for operation voltages as high as 640 kV are now commercially available.

Due to the importance of DC conductivity in the distribution of electrical field across the cable insulation, a good understanding of the DC conduction physics is of key importance to the design of robust HVDC cables. Currently, crosslinked polyethylene (XLPE) is the dominating material used in the insulation system of extruded DC cables. Since XLPE includes peroxide decomposition products (PDP), understanding their role on conduction behavior of the insulation system has been of great interest. The PDP and other chemical species can move in the system through diffusion which makes the characterization of cable insulation more challenging. Besides, like other semi-crystalline polymers, morphology of the XLPE evolves with temperature and over time. These changes in the material pose challenges to their electrical characterization by requiring stringent control of parameters during preparation, storage and measurement.

In this work, different electrical characterization techniques relevant to polymeric insulation materials are discussed highlighting their applications and limitations. A set of considerations during preparation, storage and measurement of polymeric samples is listed and implemented in the studies. The design and performance of a high voltage DC conductivity measurement setup is evaluated.

Thick low density polyethylene (LDPE) and XLPE press molded plaque samples together with plaque samples extracted from cable insulation are prepared and studied using the high voltage DC conductivity measurement setup. Conductivity measurements are done both under static and dynamic temperature programs. Different preparations and test programs are used and the results are analyzed and compared.

Investigations show that the type of protective press film used during press molding of samples can strongly influence the results and using polyethylene terephthalate (PET) film appears to lead to the higher measured conductivity levels. Studies with dynamic temperature program reveal a non-monotonic temperature dependence of apparent DC conductivity of samples with certain

preparation which to the author’s best of knowledge has not been previously

reported in the literature.

Studies on XLPE and LDPE plaque samples with different heat-treatments show that the behavior of conductivity during thermal dynamics depends on the type of the press film. Upon degassing, samples pressed with PET film show a decline of conductivity at all temperatures and a reduction of the non-monotonic behavior. Based on the results from the experiments, a set of hypotheses as potential explanation of this behavior is put forward and discussed.

Abstract [sv]

Extruderade likspännings (DC) kablar infördes 1998. Sedan dess ha likspännings (DC) kabeltekniken utvecklats snabbt och har lett till många existerande kabelsysteminstallationer med driftspänningar på upp till 320 kV och typprovade extruderade DC kabelsystem har nått driftspänningar på upp till 640 kV.

Den elektriska ledningsförmågan påverkan på den elektrisk fältfördelning i isolationsmaterial vid DC, kräver en god förståelse av hur den elektriska konduktiviteten påverkas av fältstyrka, temperatur och en mängd materialparametrar relaterade till polymerernas morfologi och kemi. Idag är tvärbunden polyeten (PEX) det dominerande material som används i isolationssystem för extruderade DC-kablar. PEX innehåller tvärbindningsrestgaser och det har lett till stort intresse för bättre förståelse av tvärbindningsrestgasers påverkan på materialets elektriska egenskaper. Restgaserna och andra kemikalier är flyktiga och kan röra sig i systemet genom diffusion som gör karakterisering av kabelisoleringen mer utmanande. Dessutom, liksom andra semi-kristallina polymerer, ändras PEX materialets morfologi med temperatur över tiden. Med tanke på att materialet kan ändras under provpreparering, lagring och även vid mätning, så måste samtliga steg ovan väljas mycket försiktigt.

I detta arbete, diskuteras olika karakteriserings tekniker för polymera isolationsmaterial och deras möjligheter och begränsningar. Viktiga aspekter för provpreparering, lagring och mätning är listade till vilka tagits hänsyn till under detta arbete. Design och prestanda av mätuppställningen för DC ledningsförmåga har utvärderats.

Tjocka plattprover av pressad LDPE och PEX samt plattor ursvarvade från kommersiellt tillverkade högspänningskablar preparerades och studier genomfördes på deras ledningsförmåga under högspänning DC. Mätning av ledningsförmåga genomfördes både med konstant och med varierande temperatur enligt specifika program. Olika provprepareringar och provprogrammen användes och resultaten analyserades och jämfördes.

Resultaten visar att typ av pressfilm som använts under provpreparering kan ha en stor betydelse för resultaten och användning av PET filmer leder till högsta ledningsförmåga. Studier med varierande temperatur program hos PEX och LDPE

plattor med visa prepareringar, visar ett icke monotont beroende av DC ledningsförmåga på temperatur som tidigare inte rapporterats i litteraturen.

Studier på PEX och LDPE plattor med olika värmebehandling visar att beteenden beror på typ av press film som används under provpreparering. Efter avgasning, uppvisar prover pressade med PET film en minskning i ledningsförmåga i samtliga temperaturer och en minskning av det icke monotona temperatur beteendet. Baserade på experimentresultaten har ett antal hypoteser som förklaring av observationer tagit fram och diskuterats.

Place, publisher, year, edition, pages
stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2018. p. 89
Series
TRITA-EECS-AVL ; 2018:45
Keywords
HVDC insulation, power cable insulation, cross-linked polyethylene insulation, conductivity, dielectric losses, space charge
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-228220 (URN)978-91-7729-817-5 (ISBN)
Public defence
2018-06-08, Sal Q2, Osquldas Väg 10, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20180521

Available from: 2018-05-22 Created: 2018-05-18 Last updated: 2018-05-23Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Authority records BETA

Ghorbani, Hossein

Search in DiVA

By author/editor
Ghorbani, Hossein
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 235 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf