Kvalitetssikring av polymerisolerte HVDC kabler ved hjelp av spenningsprøving

Kvalitetssikring av polymerisolerte HVDC kabler ved hjelp av spenningsprøving Marit Holbø Ytterstad Master i energi og miljø Oppgaven levert: Juni 2008 Hovedveileder: Erling Ildstad, ELKRAFT Biveileder(e): Frank Mauseth, ELKRAFT Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Institutt for elkrafteknikk

Oppgavetekst 1. På bakgrunn av eksisterende litteratur og normer skal det gis en kortfattet oversikt over: i) Prøvemetoder knyttet til kvalitetskontroll av HVDC kabler, med spesiell vekt på prøving av polymerisolerte kabler. ii) Vurdere metodenes egnethet for deteksjon av ulike isolasjonssvakheter, i lys av publiserte resultater. 2. En teoretisk oversikt over relevante nedbrytingsmekanismer rundt nålespisser eller inneslutninger av elektrisk ledende partikler. 3. Eksperimentell undersøkelse av elektrisk trevekst og tid til havari som funksjon av spenningsnivå og frekvens. Det skal etableres prøveutrustning og utføres forsøk såkalte nåleforsøk i PEX kabelisolasjon. Omfanget og detaljene i arbeidet avtales med veilederne underveis. Oppgaven gitt: 23. januar 2008 Hovedveileder: Erling Ildstad, ELKRAFT

Sammendrag I Forord Denne hovedoppgaven er en del av et NFR- og industristøttet prosjekt der formålet er å utvikle prøveteknikker for kvalitetskontroll og deteksjon av isolasjonssvakheter i HVDCpolymerisolerte kabler. Prosjektet er finansiert av Nexans Norway, Statnett SF og ABB. Arbeidet ble utført ved Norges tekniske-naturvitenskapelige universitet (NTNU), ved institutt for Elkraftteknikk våren 2008. Jeg vil gjerne takke mine veiledere professor Erling Ildstad og post doc Frank Mauseth for all støtte, veiledning og inspirasjon under arbeidet. Jeg vil også takke gutta på verkstedet og SINTEF for å ha gitt meg hjelp og assistanse når det var nødvendig. Trondheim, juni 2008 Marit Holbø Ytterstad

Sammendrag II Sammendrag HVDC-isolasjonssystem basert på ekstruderte polymerer har i lang tid vært under utvikling, og er i ferd med å bli et alternativ til de tradisjonelle masseimpregnerte isolasjonssystemene. Pålitelighet er viktig for HVDC-kabler, og det er derfor avgjørende å ha gode testmetoder som oppdager svakheten før kabelen installeres. Hovedformålet med denne oppgaven er å utvikle prøveteknikker for kvalitetskontroll og deteksjon av isolasjonssvakheter i HVDCpolymerisolerte kabler. To alternative testmetoder ble vurdert. Den ene metoden gjelder bruk av lavfrekvent (VLF) AC-spenning, mens den andre metoden er å utsette kabelen for DCspenning en bestemt tid, for deretter å jorde den ene enden og dermed oppnå en rask endring av det påtrykte feltet. Vurderingen av de to testmetodene ble gjort ved å studere effekten av å påtrykke spenning med forskjellige frekvenser på testobjekt med kunstige defekter i form av innesluttede nåler. Kryssbundet polyetylen (PEX) fra en 12-kV fordelingskabel ble valgt som isolasjonsmateriale. Først ble det utført levetidsforsøk på 1,20 m lange kabelseksjoner. Her ble avstanden mellom nålespissen (50 µm) og den indre halvlederen holdt konstant 1,4 mm. Tid til havari ble målt som funksjon av spenningsnivå og frekvens. Videre ble det utført DCkortslutningstesting med samme type kabelobjekter. Kabelobjektene ble påtrykt en DCspenning i omtrent 24 timer før jordingene ble satt i gang med intervaller på 60 sek. Til slutt ble treveksteksperimentet utført ved å stikke akupunkturnåler inn i 2,0 mm tykke blokker av PEX-isolasjon. Isolasjonsavstand ble holdt til 1,0 mm for alle prøveobjektene. Vekstraten til elektriske trær ble studert under mikroskop for ulike spenningspåtrykk og frekvenser, også her ble DC-kortslutningstesting gjennomført. Følgende hovedkonklusjoner kan trekkes ut fra arbeidet: Levetidsforsøkene for kabelobjekt med nål viste at gjennomslag skjer ved skarpe, ledende partikler som et resultat av AC-påtrykk. Resultatene viser at havari inntreffer ved lavere spenning og etter kortere tid ved økende frekvens. Det betyr at man for VLF enten må øke testtiden eller testspenningen sammenlignet med 50 Hz. DC-kortslutningstestingen viste en klar reduksjonen i DC-holdfastheten som funksjon av raske jordinger med økende spenningsnivå. Disse målingene indikerer at DCpåtrykk etterfulgt av raske jordinger kan bli en effektiv testprosedyre for å avsløre svakheter i polymer HVDC-kabler før installasjon. Treveksteksperimentet bekreftet at tiden til gjennomslag reduseres med økt spenningspåtrykk. Vekstraten øker, og initieringstiden avtar med frekvensen. Resultatene fra levetidstestingen og undersøkelsen av elektrisk trevekst for 0,1 og 0,02 Hz indikerer at VLF kan bli en nyttig testmetode for å detektere uregelmessigheter i kabler med polymerisolasjon.

Innholdsfortegnelse III Innholdsfortegnelse 1 Innledning... 1 1.1 Bakgrunn... 1 1.2 Arbeid... 1 2 Litteratur... 3 2.1 Prøvemetoder for kvalitetssikring av HVDC-kabler... 3 2.1.1 Spenningstesting av papirisolerte HVDC-kabler... 3 2.1.2 Spenningstesting av polymerisolerte HVDC-kabler... 4 2.2 Terminologi... 6 2.3 Nedbrytingsmekanismer rundt irregulariteter i halvleder eller isolasjon... 8 2.3.1 Uregelmessigheter i isolasjonen... 8 2.3.2 Elektrisk trevekst... 9 2.3.3 Effekt av DC påkjenning... 12 2.3.4 Effekten av DC-polaritetsreversering... 14 2.3.5 Sammenligning av DC, AC og VLF... 16 2.4 Diskusjon... 19 3 Metode... 20 3.1 Kabelobjekt med nål... 20 3.1.1 Prøveobjekt... 20 3.1.2 Spenningsprøver... 22 3.2 Elektrisk trevekst... 25 3.2.1 PEX-isolasjonsblokker... 25 3.2.2 Mikroskop... 26 3.2.3 Testprosedyre... 27 4 Resultater... 28 4.1 Effekt av DC påkjenning med påfølgende jording... 28 4.2 Resultater fra AC-levetidsforsøk... 29 4.3 Elektrisk trevekst... 32 4.3.1 Introduksjon... 32 4.3.2 Resultat fra AC-levetidsforsøk av PEX-blokker med nål... 32 4.3.3 Effekten av spenning og frekvens på elektrisk trevekst... 34 4.3.4 Initieringstid... 41 5 Diskusjon... 42 5.1 Feilkilder... 44 6 Konklusjon... 45 7 Litteraturreferanser... 46 8 Vedlegg... 48 8.1 Vedlegg 1: Definisjoner - testspenninger:... 48 8.2 Vedlegg 2: Resultat fra levetidstesting av kabelobjekt.... 49 8.3 Vedlegg 3: Resultat fra eksperimentell undersøkelse av elektrisk trevekst i PEX-isolasjon... 51

2 Litteratur 1 1 Innledning 1.1 Bakgrunn På grunn av markeds- og miljøhensyn er det en økende interesse for storskalautveksling av elektrisk kraft over lange avstander. Siden AC-kabler har en begrenset maksimumslengde, noe som skyldes den store kabelkapasitansen og reaktive effektflyten, er HVDC eneste tekniske mulige løsning for sjøoverganger. Både norsk industri og E-verk er sentrale aktører i denne utviklingen, og flere HVDC-kabelforbindelser er under planlegging, blant annet er det aktuelt med flere nye forbindelser til Nederland/Tyskland og til olje/gassinstallasjoner i Nordsjøen. For systemspenninger over ca 150 kv er det i dag kun oljeimpregnert papir som benyttes som HVDC-kabelisolasjon, det er en type kabel som har vist stor driftspålitelighet. På grunn av skifte i høyspenning AC-kabelteknologi fra papirisolerte til ekstruderte polymerkabler, er det en stor drivkraft for kabelprodusentene å kunne utvikle og produsere HVDC-kabler med ekstrudert polymerisolasjon. Grunnen til dette er at plastisolasjon er kostnadseffektivt, det gir en lettere og mer kompakt kabel for samme eller høyere spenningsnivå. I tillegg er skjøting av ekstruderte kabler betraktelig lettere enn tilfellet er for masseimpregnerte kabler. Videre kan en ekstrudert kabel driftes med høyere ledertemperatur, noe som resulterer i en høyere overføringskapasitet enn for masseimpregnerte system. De potensielle miljøproblemene relatert til lekkasje fra oljefylte kabler, blir også fjernet. HVDC-isolasjonssystem basert på ekstruderte polymerer har i lang tid vært under utvikling, men mange spørsmål er fortsatt ubesvart. En aktuell problemstilling er valg av prøvemetodikk for dokumentasjon av produksjonskvalitet og langtidsegenskaper. Den prøveprosedyre som velges, må kunne brukes på 10-50 km lange kabler, være relevant i forhold til driftspåkjenningen (< 600 kv) og i stand til å detektere de produksjonssvakhetene som vil kunne gi økt sannsynlighet for driftshavari. Kritiske feil i et isolasjonssystem for DC-formål kan imidlertid være veldig forskjellig fra AC-isolasjon, og testmetodene skal reflektere denne forskjellen. Denne hovedoppgaven er en del av et NFR- og industristøttet prosjekt der formålet er å utvikle prøveteknikker for kvalitetskontroll og deteksjon av isolasjonssvakheter i HVDC polymer isolerte kabler. 1.2 Arbeid Pålitelighet er viktig for HVDC-kabler. Det er derfor avgjørende å ha gode testmetoder som oppdager svakheten før kabelen installeres. Denne oppgaven skal utvikle prøveteknikker for kvalitetskontroll og deteksjon av isolasjonssvakheter i HVDC- polymerisolerte kabler. To alternative testmetoder skal vurderes. Den ene metoden gjelder bruk av lavfrekvent (VLF) AC-spenning, mens den andre metoden er å utsette kabelen for DC-spenning en bestemt tid og etterpå jorde den ene enden, slik at man oppnår en rask endring av det påtrykte feltet. Vurderingen er gjort ved å studere effekten av å påtrykke spenning med ulike frekvenser på testobjekt laget av ekstrudert isolasjon med kunstige defekter i form av innesluttede nåler.

2 Litteratur 2 Følgende hypotese ble undersøkt: Hypotese 1 : Uregelmessigheter i isolasjonen eller ujevnheter ved halvleder lar seg detektere ved hjelp av VLF-spenning på samme måte som ved 50 Hz, bare spenningspåtrykket er høyere. Hypotese 2: Defekter i isolasjonssystem er spesielt sårbare under polaritetsforandringer og raske jordinger; pga romladninger bygger seg opp under DC-perioden. For å kunne teste hypotesene formulert over, ble det utført flere typer eksperiment: Første steg var å gjennomføre AC-levetidsforsøk av kabelobjekt med nål for ulike frekvenser og spenningsnivå. Videre ble det utført DC-kortslutningstesting av samme type kabelobjekt. Til slutt ble elektrisk trevekst som funksjon av spenningsnivå og frekvens undersøkt med mikroskop. Til treveksteksperimentet ble det benyttet små PEX-blokker med nålelektrode. Resultatet fra spenningstestingene er presentert i kapitel 4. I tillegg til eksperimentene nevnt ovenfor, ble det utført et litteraturstudie i kapitel 2. Det ble lagt vekt på teori og publiserte resultater relatert til hypotesene formulert over. I kapittel 3 er det eksperimentelle oppsettet og testprosedyrene beskrevet. Videre er resultatene diskutert med utgangspunkt i hypotesene formulert over i kapittel 5. Til slutt er konklusjonen av arbeidet presentert i kapittel 6.

2 Litteratur 3 2 Litteratur Dette kapitlet starter med en presentasjon av spenningsprøver som i dag benyttes for kvalitetskontroll av HVDC-kabler. Videre følger en kort beskrivelse av noen grunnleggende begreper brukt ved diskusjon av de elektriske egenskapene til polymerer, med referanse til videre lesing. Deretter blir det sett på ulike nedbrytningsmekanismer rundt irregulariteter i halvleder eller i isolasjon, ved påtrykk av ulike frekvenser. Kapitlet avsluttes med å vurdere metodenes egnethet for deteksjon av ulike isolasjonssvakheter i lange HVDC-kabler på grunnlag av publiserte resultater og teorien beskrevet tidligere i kapittelet 2.1 Prøvemetoder for kvalitetssikring av HVDC-kabler HVDC-fordeling, for eksempel undervannskabler, innebærer en enorm investering, både i produksjonskostnader og legging av kabelen. Samtidig er kostnadene ved reparasjon og tapene for ikke-levert energi høye. Av den grunn er det ekstremt viktig at levetiden til en kabel er lang med høy pålitelighet. Når man tester HVDC-kabler, skilles det mellom elektriske type- og rutinetester. Rutinetester utføres for å forsikre seg om at den produserte kabelen møter design- og produksjonsspesifikasjonene innenfor spesifisert toleranse. Alle komponenter må ha bestått rutinetestingen med suksess for at typetestene iverksettes. Typetester, på den andre siden, utføres for å kvalitetssikre designen og produksjonen av kabelsystem opp mot tilsiktet bruk. 2.1.1 Spenningstesting av papirisolerte HVDC-kabler Masseimpregnerte kabler er et produkt som har vært i markedet lenge, og det eksisterer internasjonale spesifikasjoner [1] som definerer hvilke tester som skal gjennomføres. For disse beskriver standarden et minimumskrav. Anbefalingene under benyttes på kabler og tilbehør, enten undervannskabler eller landkabler som skal brukes til DC-overføringssystem med merkespenning opp til 800 kv. Standardene gjelder for papirisolerte kabler, dvs. masseimpregnerte, pre-impregnerte, oljefylte og gasstrykkskabler. Kablene må gjennom følgende rutinetester: o Høyspenningstest ved fabrikk, denne er valgfri. Kabellengden utsettes for en negativ DC-spenning lik testspenningen definert for lastsyklustesten, U T, og påtrykkes mellom leder og kappe i 15 minutt. o DC-ledermotstanden måles, og riktig resistansverdi skal ikke overskride spesifisert verdi. o Kapasitansen til kabelen måles ved nettfrekvens ved hjelp av AC-bru eller passende utstyr; og skal ikke være større enn 8 % over erklært verdi. o I hver produsert lengde skal tapsfaktoren måles ved omgivelsestemperatur. o Alle leverte kabellengder utsettes for negativ DC-spenning U T mellom leder og kappe i 15 minutt.

2 Litteratur 4 Typetesten for masseimpregnerte kabler er presentert i Tabell 1 under. Tabell 1: Typetester for papirisolerte kraftkabler. 1. LASTSYKLUSTEST 10 varme sykluser på 24 timer med + U T DC (positiv) 10 varme sykluser på 24 timer med - U T DC (negativ) 2. POLARITETSREVERSERING 10 varme sykluser på 24 timer kombinert med polaritetsreversering fra +U TP til U TP. 3. KOBLINGSOVERSPENNINGER 10 negative og 10 positive pulser på U P2 legges over 1 U o DC med motsatt polaritet. 4. LYN IMPULSER 10 positive og 10 negative lynimpulser på U P2 legges over 1 U o med motsatt polaritet For at neste test skal kunne gjennomføres, må det ikke ha oppstått gjennomslag, altså må testen forut være bestått for å kunne gå videre. Alle testspenninger påtrykkes mellom leder og kappe. For (1) og (2) består en lastsyklus av 8 timers oppvarming med strøm i lederen, etterfulgt av 16 timer nedkjøling uten strøm. (1) Etter de 10 første syklusene er det lagt inn en hvileperiode på minst 8 timer før de ti neste gjennomføres. (2) Starter med positiv spenning; polariteten reverseres hver 4. time etterfulgt av en hvileperiode på 8 timer uten noe påtrykk. Anbefalt varighet på polaritetsreverseringene er 2 minutt. For (3) og (4) påtrykkes DC-spenning U o i minst 2 timer, deretter legges 10 koblingsbølger/lynimpulser over. Tiden mellom hver impuls skal ikke være kortere enn 2 minutt [1]. 2.1.2 Spenningstesting av polymerisolerte HVDC-kabler HVDC-polymerisolerte kabler er en ung teknologi, og av den grunn finnes det i dag ingen standardiserte krav for hvordan de skal testes. Derimot finnes det en anbefaling av CIGRE for testing av ekstruderte kabelsystem opp til 250 kv [2]. Utdrag fra denne anbefalingen er beskrevet nedenfor, og ABB benytter disse anbefalingene for testing av sin HVDC-light kabel. Rutinetesting av ekstruderte kabler gjøres som oftest ved å påtrykke en negativ DC-spenning på nivå 1,45 U o under 15 minutter. Dersom AC-prøving er mulig, er det opp til produsent og kunde å bli enige om det.

2 Litteratur 5 Typetesten for ekstruderte kabler er presentert i Tabell 2 under. Tabell 2: Typetester for papirisolerte kraftkabler. 1. LASTSYKLUSTEST for LCC 1 drift 8 sykluser på 24 timer med - U T DC (negativ) 8 sykluser på 24 timer med + U T DC (positiv) 8 sykluser på 24 timer med polaritetsendring med U TP1 DC 3 sykluser på 48 timer med + U T DC (positiv) LASTSYKLUSTEST for VSC 2 drift 12 sykluser på 24 timer med - U T DC (negativ) 12 sykluser på 24 timer med + U T DC (positiv) 3 sykluser på 48 timer med + U T DC (positiv) 2. KOBLINGSOVERSPENNINGER for LCC drift 10 negative og 10 positive pulser på U P2,0 legges over 1U o DC med motsatt polaritet. KOBLINGSOVERSPENNINGER for VSC drift 10 negative og 10 positive pulser på U P2,S legges over 1U o DC med motsatt polaritet. 10 negative og 10 positive pulser på U P2,0 legges over 1U o DC med motsatt polaritet. 3. LYN IMPULSER 10 positive og 10 negative lynpulser på U P1 legges over 1U o med motsatt polaritet 4. 2 timer negativ DC spenning ved U T, uten varming. (1) En hvileperiode uten spenning, men med varming, er tillatt mellom testintervallene. Det anbefales en minimum hvileperiode på 24 timer. Positiv polaritet ble valgt for 48 timers lastsyklusen siden det mest sannsynlig utgjør størst belastning for tilbehør. Se vedlegg 1 for definisjoner av testspenningene benyttet i tabellene over. 1 LCC (Line Commutated Converter) 2 VSC(Voltage Source Converter)

2 Litteratur 6 2.2 Terminologi Ladningsinjeksjon: Elektroner eller hull som entrer isolasjonen fra elektroden, må overkomme en energibarriere. Høyden på barrieren er bestemt av arbeidsfunksjonen til metallet og polymeret. Økende felt kan redusere barrierehøyden. Formen på barrieren vil bli modifisert av overflatetilstander som fremkommer fra kjemiske og fysiske defekter ved grenseflaten [3]. Ladningsfeller: Konstruksjonsfeil og kjemiske defekter som eksisterer i uordnede områder av polymeren, fungerer som feller for elektroner og hull [4]. Fellenes dybde er gitt av mengden energi som kreves for å frigi ladningen fra fellen. Termisk simulerte strømmålinger (TSC) på poltethylen har vist at fellekarakteristikken er nært relatert til polymermorfologien. Romladninger: Romladninger er stedfestet ladning av en polaritet som ikke er kompensert av en lik ladningskonsentrasjon med motsatt polaritet samme sted [5]. Denne ladningen fører til en lokal feltforsterkning gitt av Poissons ligning: Δ E = ρ (1) εc der ρ c er ladningstettheten (Cm -3 ) og ε er permittiviteten. Et eksempel på romladninger er ioniserte donorer som er etterlatt av elektronene donert til ledningsbåndet. Et annet eksempel er elektroner eller hull fanget i amorfe områder i polymeren. Dersom elektronene eller hullene er fanget av en lokal anordning av molekylkjeder (hullromsfeller, selv-felle), vil ingen motladning være representert, og det vil oppstå en romladning [6]. Homoladninger: Romladninger med samme polaritet som den nærliggende elektroden kalles homoladning, se Figur 1. Homoladninger blir generert når ladning injisert fra en eller begge elektrodene fanges i nærheten av den injiserende elektroden. Dette kan ses på som en situasjon der mer ladning injiseres fra elektroden enn det isolasjonen er i stand til å lede bort [7]. Homoladningen reduserer feltet ved elektrodene, injeksjonen reduseres/minker og ladningsdistribusjonen stabiliseres. Heteroladninger: Romladning med motsatt polaritet enn den nærliggende elektroden kalles heteroladning, se Figur 1. En mulig opprinnelse til heteroladning er ionisering av lav molekylær art. Heteroladning kan også være et resultat av mangelfull injeksjon fra elektrodene: ladning beveger seg raskere gjennom isolasjonen når den tilføres fra elektroder, og et lag av heteroladning blir igjen i elektrodeområdene [7]. Heteroladningene forsterker feltet ved elektrodene, injeksjonen av ladning fra elektrodene øker, og igjen vil ladningsdistribusjonen stabiliseres.

2 Litteratur 7 Katode homoladning Anode Figur 1: Illustrasjon av akkumulering av homo- og heteroladninger i anode- og katodeområdene av isolasjonen.

2 Litteratur 8 2.3 Nedbrytingsmekanismer rundt irregulariteter i halvleder eller isolasjon Et ekstrudert polymerisolasjonssystem vil uunngåelig inneholde forskjellige typer defekter som ledende eller ikke-ledende partikler, ujevnheter ved halvlederen eller hulrom. I tilfellet med ekstruderte AC-kabler er det velkjent at slike defekter reduserer holdbarheten til kabelen [8]. Defektene framkaller lokale feltforsterkninger og kan initiere vekst av elektriske- eller vanntrær. Denne seksjonen beskriver hvordan ekstrudert isolasjon med uregelmessigheter påvirkes av spenningspåtrykk med ulike frekvenser, eller av raske jordinger. 2.3.1 Uregelmessigheter i isolasjonen I en industriprosess er det svært vanskelig å hindre at støvpartikler kommer inn i isolasjonssystemet. Mange av disse partiklene kan inneholde fuktighet og/eller gass, som videre kan danne hulrom ved grenseflaten mellom forurensningen og dielektrikumet. Hulrom kan også komme fra u-uniform krymping, bøyning eller andre mekaniske påkjenninger, eller fra sakte kjemiske reaksjoner som oppstår etter produksjonsprosessen. Et eksempel er kryssbindingsprosessen av PEX som kan resultere i hulrom fylt med forskjellige biprodukt. Figur 2 viser en oversikt over skadelige forurensninger som kan forekomme i en kabelisolasjon: Forurensninger med lav dielektrisk holdfasthet. Eksempler på slike forurensinger er små kuler av sterkt oksidert eller brent polyetylen og støv. Hulrom tilhører også denne kategorien. Forurensninger (isolerende eller ledende) som ikke er godt omsluttet av isolasjonen. I slike tilfeller kan det antas at gasslommer mellom forurensninger og dielektrikumet er ansvarlig for et eventuelt gjennomslag. Skarpe ledende forurensinger. Eksempler på skarpe partikler er metallfliser, nåler og rue elektrodeoverflater. Fiber er ekstremt skarpe, men kan også bli plassert i den første kategorien siden de har en lav dielektrisk styrke. I tilfellene nevnt ovenfor vil det kunne oppstå feltforsterknninger nær kantene på defektene. Slike høye feltforsterkninger er forhåndsbetingelser for dannelse av elektriske trær. Formasjon av elektriske trær i polymerer med innesluttede partikler, kan forklares på samme måte som for hulrom. a) b) c) d) Figur 2: Ulike årsaker til dannelse av elektriske trær: (a) skarpe forurensninger, (b) ujevnheter i halvlederen, (c) skarpe hulrom, (d) ikke-ledende partikkel [7]. Partielle utladninger i et hulrom vil først erodere hulrommet, men etter hvert vil det dannes spisse fordypninger eller sprekker. Ut fra disse sprekkene vil det kunne vokse trelignende kanaler, som gradvis trenger gjennom hele isolasjonen. Dette kalles elektriske trær.

2 Litteratur 9 2.3.2 Elektrisk trevekst Et elektrisk tre er et nettverk bestående av gassfylte, karboniserte, delvis elektriske ledende kanaler som forgreiner seg ut fra feltforsterkninger i en isolasjon som er utsatt for elektrisk påkjenning. I optisk transparente, eller gjennomsiktige materialer, danner de gassfylte kanalene lett synlige trelignende strukturer. Med tiden vil kanalene vokse i retning av det elektriske feltet og gradvis trenge gjennom hele isolasjonen, noe som ofte resulterer i fullstendig gjennomslag. Figur 3 under viser et eksempel på et tre fra en nålelektrode. Elektriske trær er i første rekke et problem i organisk isolasjon, men det er også konstatert i uorganisk isolasjon, f.eks. i porselen, eller pleksiglass. Figur 3: Gjennomslagsbegivenheten i fast isolasjonsmateriale er generelt ikke oppnådd gjennom dannelse av en enkel utladningskanal, men påtar seg en trelignende struktur [7]. Trevekst består av tre stadier, (a) initieringsperioden, (b) vekstperioden og (c) gjennomslaget. n av hver periode er avhengig av påtrykt spenning. Selv om mekanismene bak initieringen og selve veksten av elektriske trær ikke er helt nøyaktig kjent, finnes det imidlertid bra eksperimentelt underlag for å anta at de to mekanismene er forskjellig [9]. Initieringsperioden Det viser seg at elektriske trær kan begynne å vokse uten at en har målbare utladninger før treet begynner å vokse. Dette er påvist i laboratorieforsøk der en har benyttet en spiss måleelektrode som er innstøpt i isolasjonen [10]. Når spenningen (vekselspenningen) på en slik anordning blir høy nok, er det påvist emisjon av lys fra området rundt nålespissen uten at en samtidig kan påvise partielle utladninger. Gjennom undersøkelser i mikroskop kan det ikke påvises skader i materialet. Etter å ha holdt spenningen konstant en viss tid, vil det plutselig dedikeres partielle utladninger, og i mikroskopet kan det nå konstateres tynne kanaler som danner begynnelsen på en trelignende struktur. Når det gjelder vekselspenning, vil treet bli synlig etter spenningspåkjenning i tidsrom som ligger mellom brøkdeler av et sekund til mange timer. Tre-initieringsspenningen er mye lavere for AC-spenning enn for både DC- eller impulsspenningen.

2 Litteratur 10 Under er det listet flere sannsynlige mekanismer for initiering av trær: (a) Feltet produsert av feltforsterkning er tilstrekkelig stort til å initiere partielle utladninger i kanaler på mikrometerstørrelse lokalisert nær spissen. Størrelsen på de produserte utladningene vil være for små til å kunne måles. Gjennomslag av gassen inne i hulrommet krever opptakelses-elektroner (initiatory) for utladningen. For store hulrom, kan naturlig stråling produsere opptakelseselektronene. Den partielle utladningen i deler eller i hele små hulrom har stor spredning og vil bryte isolasjonen raskt ned og forme utladningskanaler avgrenset ved nålespissen som videre resulterer i synlige trær. (b) Den mekaniske påkjenningen produsert av det høye elektriske feltet rundt en feltforsterkning på grunn av Maxwell krefter, kan medføre kompresjon og/eller tretthet av isolasjonen og resultere i dannelse av påkjenningssprekker fra eksisterende defekter eller mikrohulrom [11]. Partielle utladninger i sprekkene forsterker det elektriske feltet og produserer lokalt indre gjennomslag som forlenger sprekkene og resulterer i tredannelse. (c) Hulrom kan genereres i høyfeltsområder rundt nålespissen omgitt av epoksy resins [12]. Det finnes imidlertid eksperimentelt underlag som støtte for å anta at når en viss kritisk feltstyrke nås, vil elektroner i betydelig antall injiseres inn i isolasjonen i den negative halvperioden, og fanges i feller nær nålespissen. Feltet rundt nålelektroden vil da svekkes som følge av romladningen. I den positive halvperioden vil de samme romladningene føre til en forsterkning av feltet. Elektronene vil da helt eller delvis trekkes ut av isolasjonene igjen. Prosessen vil så gjenta seg hver periode. Bevegelsen til elektronene vil føre til interaksjon med molekylene i materialet som dels fører til en lokal oppvarming, og dels til at kjemiske bindinger i molekylene brytes. På den måten kan materialet ødelegges gradvis uten at dette kan sees i et mikroskop. Nedbrytningen av materialet er intensivt, og når det er tilstrekkelig svekket, vil det til slutt dannes en kanal som er langt spissere enn nålelektroden. Forholdene er dermed gunstige for en eventuell trevekst. Det initierende gjennomslaget forekommer ved relativt lave spenninger. (d) Trær kan vokse rett etter at spenningen påtrykkes, dette er sannsynlig på grunn av indre gjennomslag ved nålespissen [12, 13]. Ingen mekanismer for initiering av trær kan forklare tilfredsstillende nok alle resultater fra et antall trestudier. Det er sannsynlig at en eller flere mekanismer er operative i et bestemt materiale og testoppsett. Vekstfasen Vekstfasen av elektriske trær er vanligvis forklart på følgende måte: partielle utladninger starter fra nålespissen, forlenger seg gjennom en eller flere av trekanalene slik at kanaltuppene blir utsatt for høy elektrisk påkjenning. Den lokale indre holdfastheten blir overgått i isolasjonen nær spissen, og indre gjennomslag inntreffer. Partielle utladninger er nødvendig for at treet skal vokse. De forårsaker også at isolasjonen brytes ned, hovedsakelig til gasser. Sammensetningen av gassene vil være avhengig av materialet og av den lokale temperaturen forårsaket av utladningene. Sammensetningen av gasser vil endre begynnelses- og slukkespenningen, f. eks vil generering av hydrogen senke startspenningen [9]. Det initierende gjennomslaget forekommer ved relativt lave spenninger. Etter gjennomslaget av den første kanalen stopper veksten av treet opp en stund, inntil tilstrekkelig nedbryting har funnet sted i neste område. Ved fortsatt spenningspåtrykk vil treet utvikle seg videre, dels ved

2 Litteratur 11 at de allerede eksisterende grenene blir tykkere, dels ved at de vokser lenger ut fra grenspissene, samtidig som treet forgreiner seg. Dannelsen av gjennomslagskanaler har en stokastisk karakter, og av den grunn kan gjennomslaget forekomme i ulike retninger hver gang. Gjennomslag inntreffer noen ganger i to forskjellige retninger samtidig. På denne måten dannes forgreininger. Desto lengre tid et gjennomslag har brukt, jo lengre tid blir tilgjengelig for danning av detaljerte grener. Når treet har vokst seg gjennom hele isolasjonen kan det likevel gå enda en tid før gjennomslaget inntreffer, avhengig av størrelsen på den påtrykte spenningen.

2 Litteratur 12 2.3.3 Effekt av DC påkjenning I DC-kabler kan både metalliske og organiske uregelmessigheter føre til lokale feltforsterkninger. Grunnen er at de trolig har forskjellig forhold mellom konduktivitet og permitivitet sammenlignet med den omkringliggende isolasjonen. I tillegg er den elektriske feltfordelingen i nærheten av slike uregelmessigheter en funksjon av polymerens konduktivitet. Alminnelig er tidskonstanten for redistribusjon av ladning i et dielektrikum gitt av: τ d ε ε σ ( ET, ) 0 = (2) der ε0ε er den dielektriske konstanten og σ ( E, T ) er konduktiviteten. Konduktiviteten er kjent for å øke sterkt med temperaturen og det elektriske feltet, mens permittiviteten er konstant over et bredt temperatur- og elektrisk feltområde. Dette betyr at dersom den påtrykte spenningen varierer med en tidskonstant kortere enn τ d, vil det elektriske feltet på tuppen av den ledende uregelmessigheten øke i samsvar med påtrykt DC-spenning. Ved et bestemt spenningsnivå, kan tidskonstantenτ d bli nok redusert til at ladning tillates injisert inn i høyfeltsområdet, grunnet den økte konduktiviteten i dette området [14]. I kapittel 2.3.2 er dannelse av elektrisk trevekst beskrevet som et vekselspenningsfenomen. Slike trær kan imidlertid også vokse under likespenning og impulsspenning. Det er derfor meget sannsynlig at en feil i praksis kan utvikle seg slik at en lynimpuls eller koplingsoverspenning som kan være høyere enn driftsspenningen, initierer et tre. Driftsspenningene kan være store nok til at treet vokser videre inntil feil inntreffer [10]. Figur 4: Negativ DC-test injiserer elektroner inn i dielektrikumet og bygger opp romladning rundt defekten. Ompolarisering vil forårsake en stor spenningsgradient mellom defekten og de immobile injiserte negative romladningene rundt defekten [15]. Initiering av elektriske trær er mye vanskeligere under DC-forhold. Ladningsinjeksjonen i materialet forekommer bare i en retning, og er tilført av lekkstrømmen alene. Ved en defekt på kabelen vil romladninger bygges opp rundt uregelmessigheten. Den er homopolar og reduseres i konsentrasjon med avstand fra defekten, se Figur 4. Den elektriske feltstyrken, mellom defekten og den nærliggende isolasjonen reduseres betraktelig sammenlignet med romladningsfrie områder. Romladningene skjermer for defekten. For å opprettholde inntreden av partielle utladninger eller gjennomslag ved defekten, kreves et mye høyere påtrykk ved DC-spenning. Romladningene som omgir defekten, er fanget og kan ikke forandres plutselig. Påkjenningen i høyfeltsområdet reduseres altså på grunn av homoladninger, og DC-

2 Litteratur 13 holdfastheten blir kunstig høy. Initiering av trær forkommer av den grunn ved mye høyere feltstyrker og/eller etter mye lengre initieringsperioder enn under AC-spenning. Etter at kanalen er initiert, fortsetter veksten derimot raskere siden et høyere drivfelt er tilgjengelig [15]. Nåleksperimentet har også vist at begynnende vekst av elektriske DC-trær og gjennomslag er svært avhengig av polariteten til nålespissen. Gjennomslag- og treinitieringsspenningen er alltid høyere med negativ polaritet på nålespissen. For eksempel har Kawamura et al. kommet fram til at initieringsspenningen for tre under DC-spenning i LDPE er 100% høyere med negativ polaritet sammenlignet med positiv polaritet [16]. Manson [13] og Ieda [17] forklarte polaritetseffekten med forskjellen i hull og elektroninjeksjon: Med en negativ elektrode blir elektroner injisert helt til det elektriske feltet ved nålespissen når en terskelverdi for injeksjon. I tilfeller der det er positiv nål, vil homoladninger som dannes når elektroner trekkes fra polymeren ved anoden, etterlate en positiv ladning. Antall elektroner tilgjengelig for ekstraksjon er begrenset og derfor dannes mindre positiv ladning og som igjen fører til at skjermingen av nålen er mindre effektiv under positiv polaritet. Homoladninger som akkumuleres i nærheten av en defekt, kan bli et seriøst problem dersom en rask jording eller polaritetsendringer finner sted. Dette vil bli diskutert i neste seksjon.

2 Litteratur 14 2.3.4 Effekten av DC-polaritetsreversering Mange undersøkelser har vist at reversering av DC-polaritet er kritisk i tilfeller med ekstrudert isolasjon [18]. Defekter som forårsaker innhomogene felt, er spesielt ødeleggende under endring av polaritet. Homoladninger akkumuleres under DC-perioden og reduserer det elektriske feltet i nærheten av defekten (seksjon 2.3.3). Dersom polariteten plutselig forandres på grunn av en rask jording eller en spenningsendring, konverteres homoladningen til heteroladning, se Figur 5. Dette fører til et veldig høyt elektrisk felt som overskrider den reelle holdfastheten til polymeren. På denne måten oppstår partielt gjennomslag i isolasjonen. Ed E Figur 5: Romladningsoppbygning rundt en ledende innesluttet uregelmessighet. Bildet viser feltfordelingen rundt defekten før og under en rask jording. Nåleforsøk kan gi informasjon om mekanismene som finner sted i nærheten av defekten under polaritetsendring eller ved raske jordinger. I samarbeid mellom NTNU, SINTEF, Nexans og ABB er det utført laboratorieeksperimenter for å undersøke effekten av forurensning på ytelsen til PEX-isolasjon under DC-forhold [19]. De benyttet testobjekter av typen Rogowski. Under produksjon ble enten en 0,5 mm lang nål med spissradius på 50 µm, eller en 0,5 mm lang rektangulær partikkel av termisk aldret PEX (såkalte amber) støpt inn i isolasjonen. Testobjektene ble påtrykt en DC-spenning ved ulike nivå, deretter ble de raskt jordet mens de fortsatt var spenningssatt. Under den raske jordingen oppstod elektrisk gjennomslag ved skarpe kanter på begge partikkeltypene. Ut fra Figur 6 kan man se at sannsynligheten for feil øker betraktelig med stigende antall påførte jordingsbølger, og økende lokal elektrisk feltpåkjenning. Figur 6: Observert antall kortslutninger før gjennomslag som funksjon av påtrykt DC-spenning [19].

2 Litteratur 15 Til sammenligning inntraff gjennomslag i dette eksperimentet ved et spenningsnivå som er 40 60 % lavere enn dersom testen skulle blitt utført med en langsom spenningsøkning uten etterfulgt jording. Figur 6 illustrerer også at testobjekt med innesluttet amber-partikkel motstod et høyere antall jordinger enn objekt med nåleimplantat. Resultatene kan forklares med at det vil dannes homoladninger nær tuppen av forurensingene under DC-påkjenning. De injiserte ladningene vil redusere den maksimale feltstyrken og dermed også dannelsen av elektriske trær. Under den etterfulgte jordingen vil reversering av spenningen føre til at den lokale ladningen får omvendt polaritet. Dette vil gi en elektrisk feltforsterkning som er høy nok til å injisere pd-utladninger, som til slutt kan resultere i et gjennomslag [19]. Resultatene som er beskrevet i det foregående avsnittet, stemmer godt overens med observasjoner som er gjort i et nåleforsøk av samme gruppe forskere [20]. I nåleeksperimentet er det undersøkt om en hurtig jordingsmetode kan brukes til å spore opp metallisk innbygde partikler. Testobjektene i det aktuelle forsøket er laget ved å stikke metallnåler 2,6 mm inn i en 4 mm tykk isolasjon fra en 12 kv PEX AC-fordelingskabel. Den langsomme DC-gjennomslagsstyrken til prøveobjekt med nåleimplantat ble angitt til 12 kv. Verdien var 3-10 ganger høyere enn den som ble oppnådd ved AC 50 Hz levetidsforsøk. Resultatet, presentert i Figur 7, viser et sterkt forhold mellom størrelsen på påtrykt DCspenning og antall raske jordinger som behøves for å oppnå elektrisk gjennomslag av kabelobjekt med nål. Resultatet indikerer at antall nødvendige jordinger for å initiere elektrisk gjennomslag ved nåletuppen, ble sterkt redusert med økende DC-påkjenning. Figur 7: Observert antall jordinger før gjennomslag som funksjon av DC-påkjenningen [20]. Effekten av påfølgende jording er å svekke objektene på en slik måte at gjennomslag oppstår ved et spenningsnivå som er 40 60 % lavere enn DC-holdfastheten til testobjektene. For kabelobjektene uten uregelmessigheter oppstod det verken feil under DC-påkjenning eller rask jording. Det viser at PEX-isolasjoen uten defekt ikke tar nevneverdig skade av den utførte DC-test prosedyren.

2 Litteratur 16 2.3.5 Sammenligning av DC, AC og VLF Ved Mississippi State University er den elektriske holdfastheten til en 3,5 meter lang PEXkabel studert under både AC- og DC-påkjenning [21]. Eksperimentet er utført for kabelobjekt som enten er påført et kunstig hulrom eller en skarp innesluttet nål. Begge defektene har hatt en avstand på 1,3 mm til den indre halvlederen. Gjennomslagsspenningen for AC- og DCpåtrykk er vist i Tabell 1. Resultatene viser at gjennomslagsstyrken for kabelobjekter med defekter sammenlignet med holdfastheten for friske objekt, reduseres prosentvis mye hurtigere ved AC- enn ved DC-spenning. Tabell 3: AC- og DC-gjennomslagsstyrken for en 5 kv PEX kabel [21]. Type AC [kv] DC [kv] Frisk kabel 68,0 260,0 Kabel med 26,2 92,0 hulrom Kabel med 23,7 172,0 nålespiss I samsvar med resultatet overfor konkluderes det med at DC-spenning har flere fordeler vedrørende felttesting sammenlignet med AC-spenning. For det første krever DC-testing lavere effekt enn AC-testing. Dette gir mindre behov for utstyr, samt at utstyret blir billigere. DC-lekkstrømmen kan også måles parallelt under testingen. Lekkstrømmen kan gi en tilleggsindikasjon om kabelens tilstand i henhold til en eventuell nedbryting av isolasjonsmaterialet [21]. Grönefeld og Olshausen har utført nåleeksperiment på LDPE-dielektrikum. Nålen de benyttet, hadde en spissradius på 2 µm. Elektrodeavstanden ble holdt til 3 mm. De har undersøkt trevekst under spenningspåkjenning ved 0,1 Hz og 50 Hz. Tabell 4: Gjennomslag- og pd-initieringsspenning for 0,1 og 50 Hz-påtrykk [22]. PD initiering Gjennomslag Frekvens [Hz] 0,1 50 0,1 50 Start-sp. [kv] 8,0 4,5 10 5 Resultatene til Grönefeld og Olshausen viser at ved 0,1 Hz må påkjenningen være 1,85 ganger høyere enn ved 50 Hz for å få partielle utladninger ved nålelektroden [22].

2 Litteratur 17 Figur 8: Levetid til LDPE-objekt med nål som funksjon av testspenning for VLF og 50 Hz [22]. I motsetning til pd-initieringen, vil et fullstendig gjennomslag i VLF-området oppstå ved lavere spenninger enn ved 50 Hz. Dette bekreftes av levetidsforsøket vist i Figur 8. Avhengig av påtrykt spenning vil tid til gjennomslag ved 50 Hz overgå tiden ved 0,1 Hz med en faktor på omtrent 5 (ved 15 kv) og opp til 23 (ved 25 kv). Dette betyr at når påkjenningen i polyetylen er lokalt sterk nok til å starte elektrisk trevekst, for eksempel foran skarpe ujevnheter i halvlederelektroden, vil videre kanalutvikling til gjennomslag skje mye raskere i VLF- området enn ved nettfrekvens. I Figur 9 vises gjennomsnittlig kanalvekst-hastighet som forholdet mellom elektrodegapet (brolagt av kanalen) og tid til gjennomslag som funksjon av påtrykt spenning. Man kan se at vekstraten er bortimot eksponential i spenningsområdet fra 15-25 kv for VLF, derimot er den nesten konstant når 50 Hz påtrykkes. Grönefeld og Olshausen har med dette eksperimentet illustrert at for å oppnå like testspenninger for gjennomslag ved store uregelmessigheter, bør VLF overgå 50 Hz-testen med 50 80 %. Dette resultatet gjelder for bruk av sinusspenninger. Har VLF-spenningen derimot en rektangulær bølgeform, kan den nærme seg 50 Hz-verdien. Ved å heve spenningsnivået ble det videre utredet at defektens størrelse ved 50 Hz økte uten at gjennomslag forekom. Eksponentielt ble testtiden (gjennomslag ved defekten) for 0,1 Hz likevel redusert. Figur 9: Kanalvekst som funksjon av testspenning [22].

2 Litteratur 18 Resultatene fra eksperimentet tilsier at VLF-testen gir en mer pålitelig informasjon om kabelens tilstand sammenlignet med en eventuell test ved nettfrekvens. Dette kan begrunnes med den hurtige gjennomslagsutviklingen ved VLF etter dannelsen av den første pd-kanalen [23]. Grönefeld og Olshausen [23] har også foretatt en sammenligning av DC-, AC- (ved nettfrekvens) og VLF (0,1 Hz sinusspenning)-testing av kabler med PE- og PEX-isolasjon. Som følge av romladningsoppbygning rundt defekter i PE- og PEX-isolasjon, viser de for det første at DC-testing er utilstrekkelig vedrørende bestemmelsen av gjennomsalgsstyrken til AC-driftsaldrede kraftkabler med fast, dielektrisk isolasjon. For det andre viser Grönefeld og Olhausen at DC-testing kan føre til framtidige feil i fast dielektrisk isolasjon. Kvalitetstesting av lange HVAC- kabler gjøres i dag ved hjelp av AC-spenning. Den beste måten å produsere den nødvendige testspenningen på, er å bruke et serieresonanssystem, enten med variabel induktans eller med variabel frekvens. CIGRE har gitt ut en anbefaling for testprosedyrer for rutinetester av lange HVAC-kabler [1], og de vurderer også bruken av ACtesting for HVDC- kabler [2]. Dette er basert på antagelser, med dagens kunnskap, om at den beste metoden for å detektere uregelmessigheter i ekstruderte kabler, er å påtrykke en høy AC-spenning. Dessverre er det med dagens teknologi vanskelig å realisere AC-testing for lange kabler både av praktiske og økonomiske årsaker. AC-kabler har en begrenset maksimumslengde på grunn av den store kabelkapasitansen og reaktive effektflyten. For eksempel vil en kabel på 50 km kreve en reaktiv effekt på 1GVA ved en spenning på 500 kv. Til sammenligning vil man med VLF (0,1 Hz) bare trenge 1/500 del av den reaktive effekten ved samme kabellengde og spenning, altså 2MVA, se Figur 10. Figur 10: Reaktiv effekt som funksjon av kabellengde for AC-vekselspenninger for 50 Hz og VLF.

2 Litteratur 19 2.4 Diskusjon Dette kapitlet inneholder oppsummert teori og eksperimentelle resultat relatert til ulike nedbrytningsmekanismer rundt irregulariteter i halvleder eller isolasjon. Disse observasjonene skal i denne seksjonen brukes som grunnlag for å vurdere om VLF-testing og DCkortslutningstesting er egnet for å detektere ulike isolasjonssvakheter i lange HVDC-kabler. De refererte resultatene fungerte som en basis ved utforming av hypotesene i seksjon 1.2. Hypotese 1 : Uregelmessigheter i isolasjonen eller ujevnheter ved halvleder lar seg detektere ved hjelp av VLF-spenning på samme måte som ved 50 Hz, bare spenningspåtrykket er høyere. Grönefeld har utført grundig undersøkelse av fordelene og manglene ved 0,1 Hz-testing sammenlignet med 50-Hz for PE- og PEX-isolasjon. Han kom fram til at ved et konstant testspenningsnivå startet pd-utladningene omtrent 10 000 ganger raskere ved 50 Hz enn ved 0,1 Hz, altså krever initieringen av et elektrisk tre høyere spennigspåkjenning ved VLF enn ved 50 Hz. På den andre siden kom Grönefeld fram til at gjennomslag ved en kabeldefekt skjer mye raskere ved 0,1 Hz enn ved 50 Hz. Videre viste han at ved å heve testspenningen, vil størrelsen på feilen ved 50 Hz øke uten at gjennomslag inntreffer, mens testtiden ved 0,1 Hz reduseres eksponentielt [22]. Resultatene fra eksperimentet beskrevet over, tilsier at VLF-testen gir en mer pålitelig informasjon om kabelens tilstand sammenlignet med en eventuell test ved nettfrekvens. Dette begrunner Grönefeld med den hurtige gjennomslagsutviklingen ved VLF etter dannelsen av den første pd-kanalen. Resultatet over stemmer ikke med den foreslåtte hypotesen om at testspenningen for VLF må være høyere sammenlignet med 50 Hz for å detektere de samme feilene. Det er tydelig at det kreves mer arbeid for å kunne konkludere i forhold til denne hypotesen. På den andre siden indikerer eksperimentene fra litteraturdelen at VLF-testing kan brukes som verktøy for å detektere uregelmessigheter i ekstrudert kabelisolasjon. Hypotese 2: Defekter i isolasjonssystem er spesielt sårbare under polaritetsforandringer og raske jordinger pga romladninger bygger seg opp under DC-perioden. Litteraturen ovenfor viser at selv om DC-holdfastheten til PEX-isolasjon med defekter er svært høy, kan det ved hjelp av en plutselig jording under DC-påtrykk oppstå gjennomslag ved spenningsnivå som er betydelig lavere enn gjennomslagsverdien til en kabel uten defekt [20]. Grunnen til dette er at homoladninger akkumuleres under DC-perioden og reduserer det elektriske feltet i nærheten av defekten (seksjon 2.3.3). Når testobjektet utsettes for en rask jording, konverteres homoladningen til heteroladning. Dette fører til et veldig høyt elektrisk felt som overskrider den reelle holdfastheten til polymeren Denne forklaringen støtter teorien om at DC-påkjenning etterfulgt av rask jording, kan anvendes for å finne partikler som kan ha blitt innesluttet i isolasjonen under ekstruderingsprosessen [24]. Dette indikerer dermed at denne DC-testprosedyren kan bli et nyttig verktøy for å avsløre isolasjonssvakheter ved polymer HVDC-kabler før installasjon [11].

3 Metode 20 3 Metode Dette kapitlet består av to hoveddeler. Først beskrives testobjektene som er brukt og hvordan de er laget. Videre beskrives de eksperimentelle oppsettene og testprosedyrene benyttet for de ulike nåleforsøkene. Alle testene er utført på kryssbundet polyetylen (PEX). PEX ble valgt som isolasjonsmateriale siden det er et av hovedmaterialene brukt i ekstrudert ACkabelisolasjon. I denne oppgaven ble det benyttet to typer testobjekt; begge med nål. Kabelseksjoner på 1,2 m ble brukt i forbindelse med levetidsforsøk og kortslutningstesting, mens 2 mm tykke PEX-blokker ble benyttet under treveksteksperimentet. 3.1 Kabelobjekt med nål 3.1.1 Prøveobjekt Testobjektene ble laget ved å kutte opp 1,20 m lange kabelseksjoner fra en 12 kv PEX ACfordelingskabel. Ved hver ende av kabelbiten ble 30 cm av den ytre strippbare halvlederen fjernet. Dette arbeidet ble utført manuelt ved hjelp av kniv, tang og muskelkraft. Strippingen av den halvledende kappen ble forsiktig gjennomført for å unngå kutt eller annen form for uheldig skade i PEX-isolasjonen. For senere å kunne koble testobjektet til en krets, ble en spiker slått vannrett inn i lederen i hver ende. Kabelobjektene ble utstyrt med kabelkonduser for å hindre uønskede lokale feltforsterkninger ved endeavslutningene under testing, dette er vist i Figur 11. Det ble tredd en metallstrømpe rundt kabelobjektet for å jorde nåla ekstra godt. Figur 11: PEX-kabelobjekt med nål benyttet under levetidsforsøk. I dette forsøket ble det benyttet nåler med en spissradius på 50 µm og generell diameter på 0,8 mm. Spesialverktøyet vist i Figur 12 ble brukt til å stikke nålene inn i testobjektet. Ved hjelp av denne nåleskruen ble omtrent samme elektrodeavstand på 1,4 mm opprettholdt for samtlige kabelobjekt. Siden tykkelsen på isolasjonen varierte litt, ble nåla konsekvent injisert

3 Metode 21 på samme side i kabelobjektet. Figur 13 viser tverrsnittet av et kabelobjekt snittet ut ved hjelp av en mikrom. Det forstørrede mikroskopbildet viser nåla som trenger gjennom den ytre halvlederen og 2,6 mm inn i den 4,0 mm tykke PEX-isolasjonen. Figur 12: Spesiallaget verktøy, nåleskrue, for å stikke nåla inn i testobjektet. Figur 13: Avstanden (1,4 mm) mellom nåla og indre halvleder, 40 ganger forstørret. Figur 14: Forstørret nål benyttet under levetidsforsøk. Nåla har en spissradius på 50 um. Figur 15: Viser skivene brukt for å stille inn nåleskruene. Både før og etter spenningsprøvene ble nålespissene studert under mikroskop for å kontrollere at spissen var i bra stand, eller om de hadde tatt skade under spenningstestingen. Figur 14 viser et forstørret bilde av en skadefri nål. Under testingen, spesielt ved 0,1 Hz, oppstod det problemer med at nålespissen smeltet. For å kunne opprettholde en spissradiusen på 50 µm måtte de ødelagte nålene byttes ut. Dette ble en tidkrevende prosess siden nåleskruene da måtte stilles inn på nytt. Det ble gjort ved å stikke nåla inn i en kabelbit, lederen ble deretter presset ut. Videre ble en mikrom brukt til å kutte et utsnitt av kabelbiten der nåla hadde vært. Avtrykket etter nåla ble til slutt studert under mikroskop, der avstanden til indre halvleder ble målt. Dersom avstanden ikke var 1,4 mm, måtte nåleskruen justeres ved å tre metallskiver på nåla, som vist i Figur 15. Denne prosessen ble gjentatt helt til ønskelig avstand ble oppnådd, altså en isolasjonsavstand på 1,4 mm ± 0,028 mm.

3 Metode 22 3.1.2 Spenningsprøver 3.1.2.1 AC-levetidsforsøk Det eksperimentelle oppsettet brukt i forbindelse med levetidsforsøkene av kabelobjekt med nåleimplantat, er vist i Figur 16. Bildene i Figur 17 og Figur 18 viser testobjektet som er koblet i serie med en spenningskilde, for henholdsvis 50 Hz og VLF. For å holde kabelobjektene oppe ble enten støtteisolatorer eller et stativ av tre brukt. Figur 16: Eksperimentelt oppsett for levetidsforsøk av PEX-kabelobjekt for 50 Hz, 0,1 Hz og 0,02 Hz. Figur 17: 50 Hz-spenningskilden brukt under levetidsforsøkene. Figur 18: VLF-spenningskilden brukt under levetidsforsøkene. For å finne en startspenning ble spenningen gradvis justert opp til gjennomslag inntraff. Deretter ble levetidsforsøkene utført på kabelobjektene med nåleimplantat ved å påtrykke en vekselspenning. Videre ble gjennomslagsspenningen målt som funksjon av tiden. Tabellen under viser vekselspenningsområdet benyttet for de ulike frekvensene. Tabell 5: Spenningsområdene benyttet for levetidsforsøk av PEX-kabelobjekt. Frekvens [Hz] 50 0,1 0,02 Spenningsområde [kv] 12,5 32,0 28,4 60,0 75-48

3 Metode 23 3.1.2.2 DC-kortslutningstesting En skisse av det eksperimentelle oppsettet brukt for kortslutningstestene, er vist i Figur 19 under. Et kulegap med en releedrevet jordingsnål sørget for kortslutninger. Dette releet ble digitalt kontrollert av en datamaskin for å forsikre lik påkjenningstid og like intervall mellom jordingsbølgene. Målekretsens funksjon var også å telle antall kortslutninger før oppnådd gjennomslag i kabelobjektene med nåleimplantat. Figur 20 og Figur 21 viser henholdsvis DCspenningskilden og kulegapet som ble benyttet under testingen. Figur 19: Eksperimentelt oppsett for DC-påtrykk med påfølgende jording av PEX-kabelobjekt med nål. Figur 20: DC-spenningskilden brukt under kortslutningstestingen. Figur 21: Kulegap med releedrevet jordingsnål.