Topographical Impact on Space Charge Injection, Accumulation and Breakdown in Polymeric HVDC Cable Interfaces
Doktorsavhandling, 2020

Extruded HVDC cable systems feature a variety of interface types, for which physio-chemical properties will depend on the type of application. Such applications can be joints, terminations or the cable itself, all introducing different material combinations and manufacturing methods. To ensure beyond 40 years of faultless cable system operation, the interface’s design and quality control procedures are essential. Interfacial control requires detailed knowledge on how measurable physio-chemical properties of polymer surfaces relate to their electrical performance, through features such as localized electric field strength, space charge injection and breakdown strength. This work aims to expand such understanding by assessing polymer surfaces created with different, industrialized preparation methods, featuring different degrees of surface roughness. Surface preparation was carried out on real HVDC cable prototypes, from which cable peelings were extracted, ensuring replication of the material’s bulk and interfacial natures into the small-scale tests. Also, DC breakdown tests on medium voltage cables revealed strong impact of surface roughness, pinpointing the need for an accurate roughness evaluation.

 

While chemical characterization assessed certain features brought about in the preparation, physical assessments such as optical profilometry quantified the surfaces’ topographies. It was found that, the topography, featuring micro and sub micrometer geometrical variation, could be readily adopted in a mesoscopic modelling approach. Thereby, the geometric impact on local quantities of field strength, charge density and injection current density was estimated. Also, a set of roughness enhanced charge injection equations were derived for charge injection types such as Schottky, Fowler-Nordheim and hopping injection mechanisms. Such equations, featuring surface specific field (β) parameters, were employed in a one-dimensional bipolar charge transport model. Through careful model calibration against the results of space charge measurements, the parameters for roughness enhanced charge injection, together with parameters for charge transport, trapping, detrapping and recombination, were estimated. This calibration verified roughness enhanced injection and generated a description of the density of states in the material’s bulk. Furthermore, DC breakdown tests performed on the cable peelings for establishing the relationship between surface roughness and breakdown strength. An adopted multi-scale simulation approach, based on the calibrated parameter set, estimated local field strength, charge density and other quantities in the surface domain.

 

Conclusively, surface topography causes a local redistribution of the electric field, in turn locally increasing charge injection due to its strong field dependency at the rough asperities. Ultimately, coinciding high field strength and high charge density, at repeated positions along the surface, yields a lower breakdown strength. Such knowledge allows for tailoring the methodologies of surface preparation and quality control in HVDC cable systems, and other HV apparatuses. Control over mesoscopic surface effects will allow engineers to design ever more advanced and long-lasting HV components, meeting humanity’s renewable energy transmission needs for decades to come.

interfaces

XLPE

roughness

cable peelings

polymer surfaces

space charge

field enhancement factor

PEA

DC breakdown

extruded cable

roughness enhanced charge injection

HVDC

charge injection

Online - please e-mail PhdAdm.e2@chalmers.se in advance to get the password! (Chalmers Analysen private only)
Opponent: Severine Le Roy, Laplace Laboratory, University of Toulouse, France

Författare

Espen Doedens

Chalmers, Elektroteknik, Elkraftteknik, Elnät och komponenter

Considerations on the impact of material mesostructure on charge injection at cable interfaces

IEEE Electrical Insulation Magazine,; Vol. 36(2020)p. 43-51

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Roughness Enhanced Charge Injection and Field Dependent Conduction Mechanisms for Bipolar Charge Transport Models

2020 IEEE International Conference on Dielectrics, ICD 2020,; (2020)p. 413-417

Paper i proceeding

Enhanced charge injection in rough HVDC extruded cable interfaces

IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,; Vol. 26(2019)p. 1911-1918

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Local surface field- and charge distributions and their impact on breakdown voltage for HVDC cable insulation

International Conference on Insulated Power Cables Jicable'19 ,; (2019)

Paper i proceeding

Surface preparations on MV-sized cable ends for ramped DC breakdown studies

2016 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP),; (2016)p. 360-362

Paper i proceeding

Integration av förnyelsebara energikällor, såsom sol, vind och vatten kan anstränga transmissionsnätet, eftersom dessa energitillgångar kan fluktuera på dags, månads och årsbasis och sällan är belägna nära slutkonsumenterna. Högspänningssystem som använder likström (HVDC-system) kan lätta på ansträngningen genom att ge operatören full kontroll över kraftflödet. De tillåter också effektöverföring över långa sträckor genom sina låga energiförluster. Dessa HVDC-system finns redan integrerade i elnätet runtom i världen, och det sker just nu en ytterligare expansion för att säkerställa mänsklighetens omställning till förnyelsebar el. Själva länkarna i dessa system, kan bestå av luftledningar, underjordiska kablar, eller underhavskablar. Kabelsystem har många fördelar såsom minimal inverkan på den lokala miljön, samt ger möjligheten att överföra el till havs. Två olika isolationsmaterial finns att tillgå för HVDC-kablar; impregnerad pappersmassa eller isolerande polymerer. I jämförelse med de 40 års driftserfarenhet som finns för pappersisolation så är polymeriska system relativt nya på marknaden. Polymerisk isolation har dock en rad fördelar över pappersisolation såsom t.ex. snabbare skarvning och möjlighet till högre driftstemperaturer. Den bristande driftserfarenheten sätter dock höga krav på polymerisolerade kabelsystem och dess komponenter. Höga krav ställs därför även på systemets olika gränssnitt, speciellt de som utsätts för höga elektriska fält.

 

Vissa ytor i HVDC-systemet blir till när kabeln ska skarvas eller terminernas ute på installationsplatsen. För att genom design och kvalitetskontroll kunna säkerställa hög kvalitet, måste man förstå hur ytans fysiska egenskaper relaterar till dess elektriska hållfasthet. Högt elektriskt fält inne kabelns isolation ger upphov till att laddningar injekteras (passerar ytan) från dess elektroder. Väl inne i isolationen, kan denna så kallade rymdladdning leda till att det elektriska fältet ändras lokalt, samt att själva isolationen degraderas fortare. Därför är det viktigt att minimera antalet laddningar som injekteras så att rymdladdningsackumulationen begränsas. I det här arbetet har olika ytor karakterisats och beräkningar utförts som kan förklara sambandet mellan ytråhet, laddningstäthet i isolationen och injektions-processen. Detta samband bygger på en geometrisk fältfördelning på mikroskala som lokalt stimulerar laddningsinjektionen. På så vis kan man förklara varför testobjektens elektriska hållfasthet hänger samman med ytans prepareringsmetod och därmed ytråhet, vilket har observerats i tidigare tester.

 

Denna avhandling bidrar till bättre förståelse för länken mellan ytans fysikaliska egenskaper och systemets elektriska robusthet. Kunskaperna kan användas för att säkerställa kvalitet och därmed förbättra livstiden av framtidens HVDC-kabelsystem. Dessa system kan på ett kostnadseffektivt sätt förbättra robustheten i elnät runt om i världen, så att de klarar av en allt högre integrationsandel av förnyelsebar energi.

Styrkeområden

Energi

Ämneskategorier

Annan elektroteknik och elektronik

Den kondenserade materiens fysik

ISBN

978-91-7905-379-6

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4846

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Online - please e-mail PhdAdm.e2@chalmers.se in advance to get the password! (Chalmers Analysen private only)

Online

Opponent: Severine Le Roy, Laplace Laboratory, University of Toulouse, France

Mer information

Senast uppdaterat

2020-11-10