Polyethylene Blends, a Material Concept for Future HVDC-cable Insulation
Doktorsavhandling, 2017

High-voltage cables are a critical component of tomorrow’s power grids that seamlessly integrate hydro, wind and solar power. Further improvements in transmission capacity of both high-voltage alternating- and direct-current, HVAC and HVDC, cables are likely reached through improved insulation materials. A number of approaches to improve insulation materials are currently being considered. This thesis explores two concepts for future insulation materials: (i) polymer:metal oxide nanoparticles, and (ii) polymer:polymer blends. To investigate the former, nanocomposites containing Al2O3 nanoparticles dispersed in a low-density polyethylene (LDPE) matrix are considered. The addition of nanoparticles is found to improve the DC insulation properties, i.e. reduces the residual electrical conductivity, but increases the risk for electrical breakdown under AC conditions. This first part of the thesis leads to the conclusion that the use of nanocomposites can require a trade-off between AC/DC behaviour. In the second part of this thesis polyethylene blends are investigated as an alternative to nanocomposites. The addition of minute amounts of high-density polyethylene (HDPE) to LDPE reduces the DC electrical conductivity by one order of magnitude. Moreover, trace amounts of HDPE did not appear to influence the dielectric strength under AC conditions. Besides an improvement in electrical performance polyethylene blends display superior thermo-mechanical properties. Additive-like amounts of HDPE are able to prevent creep above the melting temperature of LDPE, which offers an alternative to crosslinking. It can be anticipated that such thermoplastic insulation instead of commonly used crosslinked polyethylene (XLPE) would considerably ease cable manufacture. The thermo-mechanical properties are rationalised with a favourable blend microstructure. In particular, complete melt miscibility is found to give rise to a fine distribution of HDPE lamellae that, through tie chains, maintain a continuous network in molten LDPE. The extent of creep correlates with the molecular weight of HDPE. In summary, this thesis demonstrates that the use of polyethylene blends is a promising avenue, which may lead to insulation materials with improved electrical and mechanical performance.

polymer blends

nanocomposites

polyethylene

conductivity

thermomechanical properties

High-voltage insulation

tie-chain

Opponent: Prof. Alun Vaughan, Electronics and Computer Science, Southampton University, UK

Författare

Mattias Andersson

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Tillämpad kemi, Polymerteknologi

Additive-like amounts of HDPE prevent creep of molten LDPE: Phase-behavior and thermo-mechanical properties of a melt-miscible blend

Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics,; Vol. 55(2017)p. 146-156

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Influence of Molecular Weight on the Creep Resistance of Almost Molten Polyethylene Blends. Mattias G. Andersson, Roman Städler, Per-Ola Hagstrand, Thomas Gkourmpis, Mats R. Andersson, Christian Müller

Highly insulating polyethylene blends for High-Voltage Direct-Current Power Cables. Mattias G. Andersson, Jonna Hynynen, Mats R. Andersson, Villgot Englund, Per-Ola Hagstrand, Thomas Gkourmpis, Christian Müller

Trade-off in AC/DC Behaviour of a Polyethylene Nanocomposite, Mattias G. Andersson, Carmen Cobo Sánchez, Tuan Anh Hoang, Linda Fogelström, Mats R. Andersson, Stanislaw Gubanski, Eva Malmström, Christian Müller

Invariant Dielectric Strength upon Addition of Low Amounts of HDPE to LDPE. Mattias G. Andersson, Xiangrong Chen, Jonna Hynynen, Mats R. Andersson, Thomas Gkourmpis, Per-Ola Hagstrand, Stanislaw Gubanski, Christian Müller

Jordens befolkning använder idag otroligt mycket elektricitet. Den totala elproduktionen i världen skulle räcka för att värma upp Sveriges 15 största sjöar, inklusive hela Vänern och Vättern (~300 km3) till kokpunkten. Nästan 80 % av elen framställs från icke förnybara råvaror, såsom olja och naturgas. Genom att använda icke förnybara råvaror släpper vi ut enorma mängder växthusgaser och påskyndar därmed en temperaturökning på jorden. För att minska utsläpp och användning av icke förnybara råvaror har EU satt upp ett mål att minska utsläppen med 80-95% innan år 2050. För att klara dessa mål krävs alternativa metoder för att tillverka energi utan att släppa ut växthusgaser, sådana metoder brukar kallas gröna energikällor. De mest lovande gröna energikällorna är idag vindkraft, vattenkraft och solenergi. Dessa tre förväntas utgöra en stor del av framtidens el-tillverkning. En utmaning med de här resurserna är att de ofta ligger långt ifrån våra samhällen där energin faktiskt förbrukas, t ex är solens strålning starkast i öknen, vinden är kraftigast på havet och vattenkraft återfinns ofta i bergiga områden. För att kunna transportera elen från sådana områden krävs tillförlitliga elledningar. På många av ställena såsom över hav och genom städer går det inte använda traditionella luftburna elledningar utan nedgrävda kablar måste användas.

En nedgrävd kabel behöver till skillnad från en luftburen ledning isolering för att inte förlora all energi till marken. En vanlig metod för att isolera kablar är att använda en plast baserad på polyeten. Polyeten har mycket låg elektrisk ledningsförmåga, låg kostnad och är lätt att bearbeta. De här egenskaperna gör polyeten till ett attraktivt material för kabelisolering. För att kunna överföra stora mängder el med små förluster krävs också en hög spänning i kabeln. En hög spänning leder till en ökad risk för att isoleringen ska gå sönder till följd av elektrisk nedbrytning. För att minska risken för kabelhaveri krävs extremt låg ledningsförmåga i isoleringsplasten.

I den här avhandlingen har två nya materialkoncept för isoleringen av kablar testats. I det första konceptet har nanopartiklar tillsats till polyeten vilket tidigare har visats ge en minskad ledningsförmåga hos plasten. Det visar sig att nanopartiklarna minskar ledningsförmågan för likström men ökar risken för nedbrytning vid växelström. I det andra konceptet utforskas blandningar av polyeten med olika densitet. Genom att tillsätta en liten del av polyeten med högre densitet kan ledningsförmågan minskas med en tiondel. Det visar sig också att polyeten-blandningar har förbättrade mekaniska egenskaper vid hög temperatur.

The worldwide electricity consumption has reached a staggering 24 000 TWh per year. The same amount of energy would be sufficient to bring all of Sweden’s fifteen largest lakes to a boil. Almost 80% of the energy comes from non-renewable resources such as coal, oil and natural gas.  By using non-renewable resources a vast amount of green-house gases are released into the atmosphere, increasing the global warming. To reduce the release of green-house gases the EU has set a goal to cut the emission of green-house gases to 80-95% by the year 2050. In order to meet these demands new green energy resources are needed. The most promising resources for future green energy are solar, wind and hydropower. One challenge with these resources is their location for harvesting. Wind is often strongest over sea, the radiation from the sun is highest in the dessert and hydropower is often found in mountainous areas. In order to transport the electricity from these remote areas to our home, power lines are needed. In many places overhead lines are not possible, such as over sea or through urban areas, in these cases underground or subsea cables are needed.

Underground cables need insulation in order maintain their electricity and not lose it to the soil, a common insulation for high voltage cables is polyethylene plastic. Polyethylene is mainly used because of its excellent electrical properties, low cost and easy processing.  To have an efficient transfer of energy through the cable the voltage needs to be high. However an increased voltage will increase the risk of breakdown, thus to minimize this risk the conductivity of the insulation needs to be decreased.

In this thesis two new material concepts for improving the insulation of high voltage cables are explored. The first concept is to add nanoparticles to a polyethylene matrix. This has been shown to significantly decrease the conductivity of the insulation. Although whilst showcasing good conductivity properties, the breakdown strength of these materials are ambiguous. In the second part, a blend of polyethylene with different densities were investigated. It was found that the blends not only decrease conductivity by one order of magnitude, they also retain breakdown strength and undergo improvements regarding thermal mechanical properties.

Ämneskategorier

Polymerkemi

Polymerteknologi

Textil-, gummi- och polymermaterial

Styrkeområden

Materialvetenskap

ISBN

978-91-7597-541-2

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4222

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Opponent: Prof. Alun Vaughan, Electronics and Computer Science, Southampton University, UK

Mer information

Skapat

2017-02-09