Enhanced dielectric AC breakdown strength of polyethylene using voltage stabilizing additives

Abstract

There is currently a need to increase the voltage level in high voltage transmission and distribution systems in order to transmit power in a more efficient way. However, the insulation of the conductor in high voltage alternating current (HVAC) cables needs to be improved in order to withstand these high voltages. One approach to enhance the dielectric breakdown strength, i.e. the threshold value before the insulator becomes conductive, of polymer insulation materials is to use organic molecules with aromatic structures.

The aim for this investigation was to increase the dielectric breakdown strength for polyethylene with nine different aromatic additives. The additives where chosen according to physical properties and alkyl chains attached to its aromatic core. The additives where mixed at a certain weight concentration with polyethylene in a Brabender mixer, pressed to a certain thickness and fourteen pieces from these pressed plates where tested with AC breakdown. The result where evaluated with Weibull distribution statistics and compared with polyethylene references that was prepared likewise at the same occasions. Although all the additives showed at some concentration an increase relative to the reference, the concentration of 0,2wt% and 0,5wt% of additive D1 resulted in the highest overall increase in breakdown strength, 7,5% and 8,2% respectively. It was suggested that the relative small increases compared to the published data might be due to the reference’s already excellent insulation properties. The deviated results may also indicate that the enhancements in electrical treeing resistance are not comparable with enhancements in dielectric breakdown strength. However, it was concluded that the reliability of the method was promising and that the Rogowski-shaped electrode generated trustworthy and narrow distributions of results.

Popular Abstract (Swedish)

Utveckling av polyetens elektriska isolerande egenskaper

När el distribueras via högspänningskablar går mycket av energin förlorad via läckströmmar i det isolerade materialet. Däremot om el distribueras med lägre strömstyrka och med högre spänning kan läckförlusterna minskar, vilket i sin tur ställer högre krav på isolationsegenskaperna. Denna uppsats visar ett mycket lovande tillvägagångsätt om att öka isolationsstyrkan i polyeten med särskilda additiv.

Läckförlusterna kan minska eftersom läckströmsförlusterna är proportionella mot strömstyrkan i kvadrat. Samma effekt kan också uppnås om spänningsnivån höjs eftersom effekten, P, är ekvivalent med produkten av strömmen, I, och spänningen, V, (P=I*V). Det finns för tillfället ett behov av att öka spänningsnivån i högspänningsomvandling och distribution, i syfte att kunna överföra elkraft mer energieffektivt. Högspännings likströmskablar (HVAC) används framförallt och består av tvinnade koppartrådar täckta av skyddade höljen samt en isolator, ett tjockt isolationsmaterial bestående av polyeten. För att kunna öka spänningsnivån i HVAC-kablar måste isolationsegenskaperna i polyeten förbättras vilket kan uppnås med addition av organiska aromatiska föreningar, spänningsstabiliserande tillsatser.

Syftet med detta projekt är att undersöka hur den dielektriska genomslagsstyrkan i polyeten förbättras av nya typer av spänningsstabiliserande tillsatser som innehåller långa alkylkedjor och erhåller särskilda fysikaliska egenskaper. Dessa strukturer och egenskaper har i publikationer visat lovande resultat. De utvalda additiven blandades med polyeten i särskilda viktkoncentrationer med hjälp av en Brabender mixer. Därefter pressades de till en specifik tjocklek och slutligen testades genomslagsstyrkan på fjorton bitar per pressad platta i högspänning-växelströmstillstånd. Resultaten utvärderades med hjälp av Weibullfördelningar och jämfördes med en ren polyetenreferens tillverkad vid samma tillfälle.
Alla additiv gav vid minst en given koncentration en viss förbättring i genomslagstyrka relativt referensen. Additiv D1 gav upphov till den generellt bästa förbättringen, 0,2 wt% samt 0,5 wt% genererade en ökning på 7,5 % respektive 8,2 % i dielektrisk genomslagsstyrka. Varför tidigare publikationer har genererat betydligt högre ökningar tros bero på projektets referens som redan erhöll starka isolationsegenskaper vilket kan har gjort det svårt att öka genomslagsstyrkan i materialet ytterligare. Eventuellt är de förbättringar i avseende på den nedbrytningsmekanism detta projekt har fokuserat på, snabb lavinartad nedbrytning, inte jämförbar med den nedbrytningsmekanism, elektriska träd, som tidigare publikationer framförallt har undersökt. Däremot kunde det konstateras att metodens tillförlitlighet var lovande och den Rogowski-formade elektroden genererade en smal distribution av resultat.

• author: Esbo, Klas
• supervisor: Staffan Hansen; Henrik Hillborg
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KOO920 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering; Chemistry
• keywords: cross-linked polyethylene, LDPE, low density polyethylene, polyethylene, voltage stabilizing additives, fast avalanche breakdown, dielectrical breakdown strength, High voltage cable, HVAC, XLPE, Weibull distribution, AC breakdown, materials chemistry, materialkemi
• language: English
• id: 8884305
• date added to LUP: 2016-06-28 11:27:55
• date last changed: 2016-06-28 11:27:55