Academic literature on the topic 'Cross-linked insulation'

Abstract. Preference is given to cable lines with cross-linked polyethylene insulation in electrical networks with a nominal voltage of 10 kV during reconstruction of existing and construction of new industrial enterprises. The standard service life of such cables is at least 30 years (subject to the conditions of storage, transportation, installation and operation), and the actual one is determined by the technical condition of the cable. The service life of a cable line depends on the state of its insulation, the aging of which occurs under the influence of several factors. Conventionally, all factors influencing one or another degree on the cable insulation resource can be divided into thermal, electromagnetic, climatic, mechanical and operational. The most significant reason for the insulation aging is high temperature, which accelerates the reaction of thermo-oxidative destruction, during which high-molecular polymer compounds decompose. In fact, cables are operated at temperatures below the long-term permissible values, and, therefore, the aging of the insulation is slower, and the actual service life will be longer than the standard. At present, condition of the insulation is monitored with the use of high voltage tests related to destructive testing methods. When designing and operating cable lines, it is necessary to estimate the duration of the actual service life under various operating conditions. In theory, there are several expressions for calculating the service life of a cable line when exposed to temperature, humidity, electric field and aggressive environments, but all of them are not applicable in practice due to the presence of a large number of coefficients whose values are unknown. The paper presents an analytical expression obtained for determining the service life of power electric cables, taking into account the aging of the insulation under the influence of temperature and electric field.

Insulation systems for buildings and structures imply the use of efficient thermal insulation products based on mineral wool, expanded polystyrene, expanded polyurethane, etc. For a long time, products from non-cross-linked expanded polyethylene were used as insulation for pipelines, reflective insulation, protection against air infiltration, etc. Modern technologies and engineering solutions allowed widening the field of application of non-cross-linked expanded polyethylene (NXLPE) as a construction insulation material. In particular, we can consider a complex of insulation systems for walls, floors and a pitched roof, which allows to form a fully insulating shell of a low-rise building, e.g. a cottage. The novelty of the patented technology Tepofol® and that of the material concerned in comparison with the known solutions is the development of a rolled material based on NXLPE (20 to 150 mm thick) with a lock joint, as well as the technology of seamless connection of individual heat-insulating cloths. The rolls of NXLPE are mechanically fixed to the frame and connected with the lock. One of the advantages of expanded polyethylene, which only few insulating materials possess, is the possibility of forming seamless insulating shells. The article considers a number of insulation systems based on the use of products from expanded polyethylene. In particular, these are the systems of insulation of the walls of frame buildings, the insulation of floors, as well as the insulation of logistics facilities and hangars.

Cross-linked polyethylene is widely used as electrical insulation because of its excellent electrical properties such as low dielectric constant, low dielectric loss and also due to its excellent chemical resistance and mechanical flexibility. Nevertheless, the most important reason for failure of high voltage equipment is due to its insulation failure. The electrical properties of an insulator are affected by the presence of cavities within the insulating material, in particular with regard to the electric field and potential distributions. In this paper, the electric field and potential distributions in high voltage cables containing single and multiple cavities are studied. Three different insulating media, namely PE, XLPE, and PVC was modeled. COMSOL software which utilises the finite element method (FEM) was used to carry out the simulation. An 11kV underground cable was modeled in 3D for better observation and analyses of the generated voltage and field distributions. The results show that the electric field is affected by the presence of cavities in the insulation. Furthermore, the field strength and uniformity are also affected by whether cavities are radially or axially aligned, as well as the type of the insulating solid. The effect of insulator type due the presence of cavities was seen most prevalent in PVC followed by PE and then XLPE.

To evaluate the fire performance of the cable in service, the ignition time, heat release rate and insulation failure parameters of the accelerated thermal aging cable on stimulated fire condition were studied. The results show that, the extended ignition time and decreasing peak of heat release rate of the cable in the early stage of aging are the addictive including the lubricant, plasticizer and anti-oxygen. In the aggravating of thermal aging, labile materials with low heating value will be exhausted, while the thermal stability of insulation sheath material decreases, its corresponding ignition time will start to shorten and initial peak of heat release rate will start to rise. The insulation failure temperature of the cable is related with the decomposition temperature of insulation materials of the cable by heating. In each aging stage, the decomposition temperatures of insulation materials by heating are all lower than the insulation failure temperature of the cable for about 10°C. The reason for the insulation failure of the cable is that the ambient heat , gives rise to the decomposition by heating of internal insulation materials of the cable through sheath materials finally under the thermal transmission effect.

<p>One of the agents responsible of the degradation of power cables in electrical distribution network is the temperature. In this paper, numerical modelling of temperature effect on the cross linked polyethylene (XLPE) insulation of a medium voltage cable containing internal defects, which are air void cavity and water tree cavities, is developed by using the finite element method and simulated by COMSOL Multiphysics Software. The experimental investigation is conducted through studying parial discharge inception voltages in XLPE insulation before and after 23 heating cycles of a 7 meters sample of a medium voltage cable at 100°C and 120°C temperatures. Partial discharge inception voltages detection were performed using the IEC60270 test method. The simulation results and experimental measurements assessed the thermal effect on the degradation of XLPE insulation.</p>

The present work deals with the study of the electrical behavior of cross-linked polyethylene (XLPE) used for HVDC cable insulation. The aim is to better understand the influences of electrical and thermal stresses on the insulating material in order to provide useful information for designing HVDC cables. This study was carried out on Rogowski samples made of XLPE insulation with semiconductive electrodes, aged for more than 3 years (1220 days) at three different temperatures (70, 80 and 90 °C) under two DC electric fields (30 and 60 kV/mm). Dielectric loss factor, volume resistivity and space charge accumulation were measured. Results are analyzed and cross-correlated, in order to propose possible ageing kinetics.

Partial discharge (PD) diagnosis techniques are widely used in the insulation condition monitoring for power cables. In this paper, the damped AC (DAC) voltage method was used to study the PD characteristics in the heat-shrinkable cable accessories. Four different cases of artificial defects in cross-linked polyethylene (XLPE) cables were investigated, and these defects include termination without stress tube, incorrect use of insulation tape as the semi-conductive adhesive tape in the middle joint, void and metal particles on the surface of XLPE insulation. Furthermore, the PD inception voltage and patterns obtained under the DAC voltage are compared with the AC test results.

The performance of polymeric insulation will be distorted by the accumulation of space charge. This will lead to local electric field enhancement within the insulation material that can cause degradation and electrical breakdown. The introduction of nanofillers in the insulation material is expected to reduce the space charge effect. However, there is a need to analyze potential nanofillers to determine the best option. Therefore, the objective of this research work is to examine two types of nanofillers for Cross-Linked Polyethylene (XLPE); Zinc Oxide (ZnO) and Acrylic (PA40). The effects of these nanofillers were measured using the Pulsed-Electro Acoustic (PEA) method. The development of space charge is observed at three different DC voltage levels in room temperature. The results show that hetero charge distribution is dominant in pure XLPE materials. The use of both nanofiller types have significant effect in decreasing the space charge accumulation. With nanofillers, the charge profile changed to homo-charge distribution, suppressing the space charge formation. Comparison<br />between both the nanofillers show that PA40 has better suppression performance than ZnO.

Electrical tree aging is one of the leading factors causing degradation and breakdown of insulation performance of high-voltage cross-linked polyethylene (XLPE) cable. A lot of attention has been paid to inhibiting electric tree initiation and propagation inside high-voltage cable. In this study, insulation composites with nonlinear electrical conductivity are prepared. Experimental results show that these composites are helpful for enhancing the apparent breakdown electric field strength of XLPE in the pole electrode system. A kind of high-voltage XLPE insulated cable with new structure is designed by using these composites as nonlinear shielding layer. Numerical simulation results indicate that nonlinear shielding layer can obviously improve the distribution of electrical field at the defect of insulation surface of high-voltage XLPE cable, and decrease the maximum electrical field strength at the defect. This new structure is potential for effectively inhibiting electrical tree initiation inside high-voltage XLPE insulation cable, thus increasing life span and operational reliability of the cable.

Our research focuses on re-using a waste a material, cross-linked polyethylene abbreviated XLPE, which is a widely used coating for wires. XLPE is strong and has excellent thermal properties due to its chemical structure - what leads to the significance of recycling this valuable polymer. Properties of XLPE include good resistance to heat, resistance to chemical corrosion, and high impact strength. A wire is usually composed of a metal core conductor and polymeric coating layers. One creates a new coating, including little pieces of recycled XLPE in the lower layer adjacent to the wire, and virgin XLPE only in the upper layer. Industries are often wasting materials which might be useful. Mostly, some returned or excess products could be recycled to create a new type of product or enable the original use. This method helps cleaning the waste, lowers the costs, and enhances the income of the manufacturing company. With the changing of the thickness of the outer layer, the roughness changes significantly. Moreover, different processing methods result in surfaces that look differently.

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.
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.

QC 20160125

Sur un exemple concret d’entreprise française disposant des technologies innovantes dans les domaines du chauffage et de la distribution d’eau et ayant un projet d’expansion vers un nouveau marché, en l’occurrence, le marché russe, l’auteur montre l’importance de ces technologies pour accéder au marché fortement différent du marché domestique. Au sein du secteur du chauffage dans un pays où, à cause des conditions climatiques froides, le besoin de se chauffer présente un besoin vital, où le retard technologique dû au phénomène historique du monopole du chauffage central collectif est particulièrement ressenti et où le marché est en pleine formation avec la montée de la concurrence, les technologies nouvelles ont sans doute un rôle capital à jouer. Comment l’entreprise porteuse de ces technologies doit-t-elle aborder le marché russe certes très prometteur, mais fragile surtout en cette période délicate de la crise économique mondiale? Quels en sont les risques et les perspectives ? Comment réussir ce marché ? Comment mettre en valeur et transférer de nouvelles solutions technologiques ? Quels sont les avantages de ce transfert pour l’entreprise, mais également pour son partenaire local, pour la région visée et pour l’Etat receveur ? Telles sont les questions que l’auteur se pose. Le rôle des technologies nouvelles va certainement au-delà d’un secteur ou d’un domaine d’activité : les technologies nouvelles apportées par des entreprises occidentales ont sans doute accéléré, en ce qui concerne la Russie, le passage d’un système économique du type soviétique vers un système de libre-échange que l’on connait sous le terme d’économie de marché
On a specific example of a French company having innovative technologies in the field of heating and water distribution, and realizing an expansion project to a new market, in this case, the Russian market, the author shows the importance of technologies when penetrating a market strongly different from the domestic one. Within the heating sector in the country where, because of a cold climate, the need to feel warm is a vital need, where the technological backwardness due to the historical phenomenon of the central residential heating monopoly is obvious, and where market is taking shape and competition is now growing, new technologies have without doubt a capital part to play. How should a company with such technologies approach the Russian market certainly very promising, but also fragile especially in this delicate period of the world economic crisis? What are the risks and the perspectives for the company? How to succeed in this market? How to enhance the value and to transfer new technological solutions? What advantages does this transfer bring to the company, but also to the company’s local partner, to the targeted region, and to the receiving country? These are questions the author asks himself. The role of new technologies is certainly beyond a sector or a field of activity: the new technologies brought by western companies undoubtedly accelerated, as Russia is concerned, the change from the Soviet-type economic system to a free-market system, known as the market economy

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.13 – техника сильных электрических и магнитных полей. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков, 2016. Диссертация посвящена обоснованию техники обнаружения водных триингов в силовых кабелях среднего напряжения коаксиальной конструкции с водоблокирующим барьером при действии сильного электрического поля на основании результатов математического моделирования водных включений сферической формы в толще сшитой полиэтиленовой изоляции и физического моделирования процесса увлажнения образцов кабелей в лабораторных условиях. На основе предложенной математической модели водных триингов в виде кластеров сферической формы в толще сшитой полиэтиленовой изоляции высоковольтного с илового кабеля коаксиальной конструкции с осевой симметрией показано, что область сильного электрического поля является функцией размеров и расстояния между сферическими включениями. Результатами численного моделирования подтверждена перспективность техники импульсной рефлектометрии во временной области для диагностики эксплуатационных неоднородностей (эллиптичности, эксцентриситета, водных триингов) в высоковольтных силовых кабелях. Наиболее сильная корреляция на уровне (0,97 – 0,86) в зависимости от продолжительности старения в условиях повышенной влажности наблюдается для токов абсорбции, измеренных на 15 -й и 30-й секунде, что обусловлено более сильным влиянием процессов поляризации свободной влаги на результаты измерений. Обоснована возможность применения техники частичных разрядов (ЧР) для обнаружения водных триингов (участков с повышенной проводимостью) и проанализировано влияние внутренних и внешних электромагнитных помех на импульсы ЧР при проведении испытаний трехфазных высоковольтных гермопроходок коаксиальной конструкции. Результаты диссертационных исследований внедрены в ПАТ "Южкабель" (г. Харьков), в ЗАО "Завод Элокс" (г. Харьков), в учебном процессе кафедры электроизоляционной и кабельной техники Национального технического университета "Харьковский политехнический институт".
The thesis for a candidate degree in technical sciences, speciality 05.09.13 – Technics of Strong Electric and Magnetic Fields. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2016. The thesis is devoted to the detection technology of water treeing in medium voltage power cables of coaxial design with a water barrier under the action of strong electric fields on the basis of mathematical modeling of spherical particles of water in the crosslinked polyethylene insulation and physical modeling of the humidification process of cable samples in the laboratory. Based on the proposed mathematical model of water treeing as clusters of spherical shape in the crosslinked polyethylene insulation of the high-voltage power cable of coaxial design with axial symmetry, the region of strong electric field has been shown to be a function of size and distance between spherical inclusions. Based on the simulation results, the technics of impulse reflectometry in the time domain has been confirmed to be as one of the promising methods for diagnosing operational irregularities (ellipticity, eccentricity, water treeing) in high voltage power cables. The results of physical modeling of accelerated aging have shown the effectiveness of the high-frequency dielectric spectroscopy technics for the detection of free water in the polymer insulation of new cables and aged in a wet environment. Using the measurements technics of dielectric absorption the informative diagnostic parameters of moistened cross-linked polyethylene insulation have been shown to be absorption currents measured at 15, 30 and 60th seconds after applying the high constant test voltage, and the dynamic of change of insulation resistance depending on the applied high DC voltage.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 141 "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка" (14 – Електрична інженерія) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2020 р. Дисертаційна робота присвячена підвищенню експлуатаційних характеристик суднових кабелів за рахунок технологічних режимів охолодження та радіаційного опромінення ізоляції і оболонки на основі сучасних, які не поширюють полум'я, безгалогенних полімерних композицій, що забезпечують необхідний комплекс електричних, фізико-механічних параметрів при відповідному контролі технологічних процесів. Для досягнення цієї мети були поставлені задачі: – довести доцільність поступового охолодження поліетиленової ізоляції високовольтних силових кабелів для забезпечення як експлуатаційних параметрів, так і стабільності характеристик в процесі експлуатації; – обґрунтувати застосування методу електротеплової аналогії для побудови математичної моделі охолодження ізольованої струмопровідної жили з урахуванням розподілу температури по товщині ізоляції в несталому тепловому режимі; – розробити методику розрахунку технологічних параметрів режиму охолодження силових кабелів, що ґрунтується на розрахунку нелінійної теплової схеми заміщення ізольованої струмопровідної жили в несталому тепловому режимі з урахуванням залежності від температури теплового опору і теплоємності ізоляції методами дискретних резистивних схем заміщення і вузлових потенціалів; – визначити вплив технологічних режимів охолодження на розподіл температури по товщині екструдованої ізоляції та обґрунтувати тривалість перехідного процесу, що відповідає досягненню однакової температури по всій товщині ізоляції силових кабелів різного конструктивного виконання в різні моменти часу в залежності від температури води, що охолоджує; – експериментально перевірити ефективність виявлення технологічних дефектів в конструкції силового суднового кабелю за характеристиками часткових розрядів; – створити методику оптимізації силового суднового кабелю коаксіальної конструкції для забезпечення максимального розсіювання потужності теплового потоку в навколишнє середовище, що обумовлює збільшення струмового навантаження, за умови теплової стійкості ізоляції; – довести ефективність застосування захисної полімерної оболонки з високими теплопровідними властивостями для підвищення струмового навантаження силових суднових кабелів; – визначити вплив енергії прискорених електронів на механічні та електричні характеристики суднових кабелів та встановити діапазон коефіцієнта опромінення ізоляції, що забезпечує підвищення експлуатаційних характеристик, на підставі кореляційного зв'язку між електричними та механічними характеристиками радіаційно-модифікованої високонаповненої антипіренами безгалогенної композиції на основі співполімеру етилен-вінілацетату; – перевірити ефективність розподілу поглиненої дози по периметру й довжині при радіаційному опроміненні суднових кабелів за результатами фізико-механічних та теплових випробувань безгалогенної, яка не поширює полум'я, полімерної захисної оболонки кабелю; – визначити на підставі прискореного теплового старіння теплову стійкість радіаційно-модифікованої безгалогенної, яка не поширює полум'я, полімерної захисної оболонки, для прогнозування строку служби суднових кабелів та обґрунтувати можливість роботи в умовах підвищеної вологості і високих робочих температур неекранованого кабелю на основі неекранованих кручених пар з термопластичними ізоляцією і захисною оболонкою. Об'єкт дослідження – технологічні режими охолодження та радіаційного опромінення електричної ізоляції суднових кабелів, виготовленої з наповненої антипіренами безгалогенної композиції на основі поліолефінів. Предмет дослідження – експлуатаційні електричні, фізико-механічні та теплові характеристики полімерної ізоляції і оболонки, на основі наповненої антипіренами безгалогенної композиції, суднових кабелів. Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження базуються на використанні методів чисельного та фізичного моделювання технологічних режимів охолодження та радіаційного опромінення прискореними електронами електричної полімерної ізоляції та захисної оболонки суднових кабелів. Методи теорії нестаціонарної теплопровідності для розрахунку режиму охолодження полімерної ізоляції кабелю. Диференційні рівняння теплопровідності та електропровідності. Метод електротеплових аналогій для визначення розподілу температури по товщині ізоляції в різні моменти часу, в залежності від температури води, що охолоджує судновий силовий кабель. Нелінійні теплова та електрична схеми заміщення ізольованої струмопровідної жили в перехідному тепловому режимі. Неявний метод Ейлера та метод вузлових потенціалів для отримання розподілу температури по товщині ізоляції кабелю. Метод оптимізації конструкції силового кабелю за умови забезпечення охолодження в експлуатації для підвищення струмового навантаження. Рівняння теплового балансу для визначення теплової стійкості ізоляції в експлуатації. Теорія радіаційного зшивання для визначення оптимальної дози опромінення полімерної ізоляції. Теорія теплового старіння ізоляції для прогнозування строку служби суднових кабелів в експлуатації. Апроксимація експериментальних електричних, фізико-механічних й теплових характеристик радіаційно-модифікованої ізоляції суднових кабелів. Кореляційний та регресійний аналіз електричних, механічних й теплових характеристик в процесі радіаційного модифікування полімерної ізоляції та захисної оболонки суднових кабелів. Техніка реєстрації часткових розрядів у високовольтній твердій полімерній ізоляції для виявлення дефектів на технологічній стадії виготовлення силових суднових кабелів. В роботі отримані такі наукові результати. У дисертаційній роботі вирішено науково-практичну задачу з підвищення експлуатаційних характеристик суднових кабелів за рахунок технологічних режимів охолодження та опромінення електричної ізоляції на основі сучасних безгалогенних полімерних композицій, які не поширюють полум'я. Удосконалено математичну модель технологічного процесу охолодження ізольованої струмопровідної жили в несталому тепловому режимі шляхом урахування температурної залежності теплофізичних характеристик полімерної ізоляції підчас розрахунку розподілу температури по товщині поліетиленової ізоляції в різні моменти часу в залежності від температури води при поступовому охолодженні, що дозволило визначити умови для забезпечення стабільних характеристик суднового силового кабелю в експлуатації. Запропоновано критерій для визначення технологічних параметрів режиму охолодження силових суднових кабелів, який являє собою час перехідного процесу охолодження ізольованої струмопровідної жили для досягнення однакової температури по всій товщині полімерної ізоляції. Встановлено оптимальну товщину полімерної захисної оболонки за умови довготривалої теплової стійкості радіаційно-зшитої ізоляції на основі поліолефінів, що забезпечує підвищення на 30 % струмове навантаження силового суднового кабелю коаксіальної конструкції. Визначено діапазон коефіцієнта опромінення прискореними електронами безгалогенної, що не поширює полум'я ізоляції суднових кабелів, що гарантує підвищення електричного опору радіаційно-модифікованої полімерної ізоляції більш ніж в два рази, пробивної напруги на постійному струмі в 1,3 рази відносно неопроміненого стану. Встановлено кореляцію між механічними і електричними характеристиками радіаційно-модифікованої ізоляції з безгалогенної композиції на основі поліолефінів, в залежності від лінійної швидкості проходження кабелю під пучком електронів при незмінному струмі пучка електронів. Встановлено, в залежності від технологічних параметрів режиму опромінення суднових кабелів, розподіл поглиненої дози по периметру і довжині полімерної захисної оболонки з безгалогенної композиції, яка не поширює полум'я, що дозволяє визначити дозу опромінення кабелів, яка забезпечує підвищення стійкості захисної оболонки до дії агресивних хімічних речовин при збереженні високих фізико-механічних характеристик Експериментально, на підставі прискореного старіння неекранованого кабелю на основі неекранованих кручених пар, з термопластичної поліетиленової ізоляції в захисній оболонці на основі полівінілхлоридного пластикату за умови адекватного старіння в експлуатації, доведено стійкість конструкції до підвищеної температури та вологості, що дозволяє прогнозувати строк служби суднових кабелів в залежності від робочої температури. Розроблено методику розрахунку технологічних параметрів режиму охолодження силових кабелів, що ґрунтується на розрахунку нелінійної теплової схеми заміщення ізольованої поліетиленом струмопровідної жили в несталому тепловому режимі, з урахуванням залежності від температури теплового опору і теплоємності, методами дискретних резистивних схем заміщення і вузлових потенціалів. Запропонована методика та алгоритми можуть бути застосовані для визначення технологічних режимів охолодження полімерної ізоляції кабелів без застосування дороговартісних натурних експериментів, що особливо важливо при освоєнні нових матеріалів та конструкцій, а також при модернізації існуючого на кабельних підприємствах обладнання, для охолодження силових, симетричних, радіочастотних та оптичних кабелів. Доведено ефективність реєстрації часткових розрядів у високовольтній твердій ізоляції для виявлення дефектів на технологічній стадії виготовлення силових суднових кабелів, а також для налаштування технологічного процесу охолодження. Розроблено методику розрахунку теплопередачі в одножильному силовому кабелі коаксіальної конструкції на підставі критеріальних рівнянь природної конвекції, для оптимізації конструкції силового суднового кабелю, для забезпечення максимальної лінійної щільності теплового потоку, що розсіюється з поверхні кабелю. Показано ефективність застосування полімерних матеріалів на основі мікро- і нанокомпозитів з високими теплопровідними властивостями для захисної оболонки силових високовольтних суднових кабелів, що забезпечують збільшення розсіювання кабелем теплової потужності на 30 %. Встановлено, що енергія прискорених електронів на рівні 0,5 МеВ забезпечує більш високий ступінь зшивання полімерної безгалогенної ізоляції на основі високонаповненої антипіренами композиції в порівнянні з енергією 0,4 МеВ при однаковому коефіцієнті опромінення, струмі пучка і кількості проходів ізольованої жили під пучком електронів. Доведено підвищення механічної міцності при розтягуванні, електричного опору ізоляції та пробивної напруги на постійному струмі радіаційно-модифікованої полімерної безгалогенної ізоляції з коефіцієнтом опромінення 5–7 м/(мА∙хв) при сталому значенні відносного подовження при розриві ізоляції на рівні не менше 120 %, що забезпечує компроміс між еластичністю і жорсткістю суднового кабелю. Встановлено зростання в 1,5–2 рази часу досягнення критичного параметра – відносного подовження при розриві радіаційно-модифікованої полімерної захисної оболонки на основі безгалогенної композиції, в порівнянні з не модифікованою термопластичною оболонкою, що еквівалентно збільшенню строку експлуатації в 1,5–2 рази суднового контрольного кабелю в області максимальних робочих температур. Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі електроізоляційної та кабельної техніки Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" при підготовці бакалаврів та магістрів за спеціальністю "141 – електроенергетика, електротехніка та електромеханіка" спеціалізації "141.04 Електроізоляційна, кабельна та оптоволоконна техніка"; у ТОВ "Азовська кабельна компанія" (м. Бердянськ) при розробці і визначенні оптимальних технологічних параметрів режимів виготовлення безгалогенних суднових кабелів, що не розповсюджують горіння, асоціації "Укрелектрокабель", в ПАТ "Завод "Південкабель". Дисертаційна робота виконана в ПрАТ "Український науково-дослідний інститут кабельної промисловості" (м. Бердянськ) та на кафедрі електроізоляційної та кабельної техніки Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" (м. Харків), згідно програм наукових досліджень ПрАТ "Український науково-дослідний інститут кабельної промисловості" (ПМ ЕИЮВ.505.564–2018 "Вивчення термічної стійкості оболонки кабелю марки СПОВЕнг-FRHF 12x2,5 до та після опромінення швидкими електронами", ПМ ЕИЮВ.505.584–2019 "Визначення величини та розподілу поглиненої дози при радіаційному модифікуванні оболонки суднових кабелів, що не розповсюджують полум'я"), де здобувач був одним з розробників і виконавців програм.
Ph.D. thesis undertaken in research specialization 141 "Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electric Mechanics" (14 – Electrical Engineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2020. The dissertation is devoted to increasing of the operational properties of shipboard cables due to the technological modes of cooling and electron beam irradiation of insulation and sheath based on modern flame retardant halogen-free polymeric compounds, which provide the necessary complex of electrical, physical and mechanical properties with appropriate control of technological processes. To achieve this, the following tasks were set: – to prove the expediency of gradual cooling of polyethylene insulation of high-voltage power cables to ensure both operational parameters and stability of properties during operation; – to substantiate the application of the method of electro-thermal analogy for the construction of a mathematical model of cooling of insulated conductor taking into account the temperature distribution over the thickness of insulation in a non-constant thermal mode; – to develop a method of calculating the technological parameters of the cooling mode of power cable, based on the calculation of a nonlinear thermal equivalent circuit of insulated conductor in a non-constant thermal mode, taking into account dependence the thermal resistance and heat capacity of the insulation from the temperature by methods of discrete resistive equivalent circuits; – to determine the influence of technological cooling modes on the temperature distribution in the thickness of extruded in sulation and to justify the duration of the transition process, which corresponds to achievement of the same temperature over the entire thickness of power cables insulation various design at different time points, depending on the cooling water temperature; – to verify experimentally the efficiency of detecting technological defects in the design of the power shipboard cable by partial discharges values; – to create a methodology for optimizing the power shipboard cable with coaxial construction to ensure maximum heat flow power dissipation into the environment, which causes an increase in current load, if insulation thermal resistance provided; – to prove the efficiency of the use a protective polymer sheath with high thermal conductive properties to increase the current load of power shipboard cables; – to determine the effect of accelerated electron beam energy on the mechanical and electrical properties of shipboard cables and determine the irradiation coefficient range for insulation which provides an increase of operational characteristics, on the basis of correlation between the electrical and mechanical properties of filled with flame retardants halogen-free compound based on ethylene-vinyl acetate modified by electron beam; – to verify the efficiency of absorbed dose distribution along the perimeter and length of shipboard cables after irradiation according to obtained results of mechanical and thermal tests of polymeric halogen-free flame retardant protective sheath of cable; – to determine the thermal stability of the halogen-free flame-retardant polymeric protective sheath modified by irradiating, on basis of accelerated thermal aging, to predict the service life of shipboard cables and to substantiate the possibility of operation in conditions with high humidity and high operating temperatures for unscreened cable with unscreened twisted pairs and thermoplastic insulation and protective sheath. Object of research – technological modes of cooling and irradiation of electrical insulation of shipboard cables, based on halogen-free filled with flame retardants polyolefin compound. Subject of research – electrical, mechanical and thermal operational properties of the shipboard cables polymer insulation and sheath based on filled with flame retardants halogen-free compounds. Research methods. Theoretical and experimental studies are based on the use of methods of numerical and physical modeling of technological modes of cooling and electron beam irradiation of polymeric electrical insulation and protective sheath of shipboard cables. Methods of theory of non-stationary thermal conductivity to calculation of cooling mode of polymeric cable insulation. Differential equations of thermal conductivity and electrical conductivity. The method of electro-thermal analogies to determine the temperature distribution in the thickness of insulation at different time points, depending on the temperature of cooling water for shipboard power cable. Nonlinear thermal and electrical equivalent circuits of insulated conductor in transient thermal mode. Implicit Euler method and nodal potentials method for obtaining temperature distribution in thickness of cable insulation. A method of optimizing the design of the power cable provided cooling during operation to increase the current load. Thermal balance equation to determining the thermal resistance of insulation during operation. Irradiation crosslinking theory to determine the optimal irradiation dose of polymeric insulation. The theory of thermal aging of insulation to predict the service life of shipboard cables. Approximation of experimental electrical, mechanical and thermal properties of modified by irradiation insulation of shipboard cables. Correlation and regression analysis of electrical, mechanical and thermal properties after modification by irradiation of polymeric insulation and protective sheath of shipboard cables. Partial discharge detection technique in high voltage solid polymeric insulation for defect detection on technological stage of production power shipboard cable. The following scientific results are obtained in the work. The dissertation solves the scientific and practical problem of increasing the operational properties of shipboard cables due to the technological modes of cooling and irradiation of electrical insulation based on modern halogen-free flame retardant polymeric compounds. The mathematical model of technological process of cooling insulated conductor in unsteady thermal mode, by taking into account dependence of thermal and physical characteristics of polymeric insulation from the temperature, for determine the temperature distribution throughout the thickness of polyethylene insulation at different time points depending on water temperature under gradual cooling, has been improved. Mathematical model allows to determine the conditions for ensuring stable characteristics of the shipboard power cable during operation. The criterion for determination of technological parameters of the cooling mode of power shipboard cables, which is the time of the transitional process of cooling the insulated conductor to achieve an equal temperature throughout the thickness of the polymeric insulation, is proposed. The optimum thickness of the polymeric protective sheath on condition of long-term thermal stability of irradiated cross-linked based on polyolefin insulation has been established. It provides a 30 % increase current load of the coaxial design shipboard power cable. The range of irradiation coefficient for halogen free flame retardant insulation of shipboard cables when guarantees increasing electrical resistance of polymeric insulation modified by electron beam more than twice, the breakdown direct current voltage 1,3 times relative to the non-irradiated condition, is determined. The correlation between mechanical and electrical properties of halogen-free based on polyolefin insulation modified by electron beam, depending on the linear velocity of the cable under the electron beam and constant value of electron beam current. The distribution of the absorbed dose along the perimeter and length of the halogen-free flame retardant polymeric protective sheath depending on the technological parameters of the irradiation modes of shipboard cables, is established and allows to determine the irradiation dose for cables, when protective sheath provides increasing the resistance to aggressive chemicals while high physical and mechanical properties is still available. The stability of the cables structure to high temperature and humidity is experimentally proved on the basis of accelerated aging of unscreened cable with unscreened twisted pairs, with thermoplastic polyethylene insulation and protective polyvinylchloride sheath with adequate aging during operation. It allows predicting the service life of shipboard cables depending on the operating temperature. A technique for calculating the technological parameters of the power cable cooling mode by the methods of discrete resistive equivalent circuits has been developed. A technique based on the calculation of a nonlinear thermal scheme of substitution of conductor with polyethylene insulation in a non-constant thermal mode, taking into account the dependence of thermal resistance and heat capacity from the temperature. The proposed methodology and algorithms can be applied to determine the technological modes of cooling cable polymeric insulation without using expensive full-scale experiments, especially important for the new compounds development and cable constructions, as well as modernization available at cable factories equipment for cooling power cable, data cable with twisted pairs, radio frequency and optical cables. The efficiency of determining partial discharges in high-voltage solid insulation has been proved to detect defects at the technological stage of the producing of power shipboard cables, as well as to adjust the technological process of cooling. The methodology for heat transfer in a coaxial design single-core power cable based on criterial equations of natural convection has been developed to optimize the design of the power shipboard cable to ensure the maximum linear density of heat flow dissipated from the cable surface. The efficiency of application of polymeric materials based on micro- and nanocomposites with high thermal conductivity for sheath of high-voltage shipboard cables, providing a 30 % increase in thermal dissipating of power cable, is shown. It is established the energy of accelerated electrons 0.5 MeV provides a higher degree of crosslinking of polymeric halogen-free insulation based on filled with flame retardants compound compared to the energy of 0.4 MeV at the same irradiation coefficient, electron beam current and the number of wire passages under electron beam. It is established an increase of tensile strength, electrical insulation resistance and breakdown DC voltage of crosslinked polymeric halogen-free insulation with irradiation coefficient 5-7 m/(mА∙min) with constant value of elongation at break not less than 120 % which ensure a compromise between rigidity and flexibility of the shipboard cable. It is established an increase in 1,5–2 times the time of reaching the critical parameter – elongation at break of the modified by electron beam polymeric sheath based on a halogen-free compound compared to the same thermop lastic non-modifying sheath. It is an increase service life of the shipboard control cable at maximum operational temperatures in 1,5–2 times. The materials of the dissertation are used at the educational process Department of Electrical Insulating and Cable Technique of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" at education bachelors and masters in disciplines of specialty "141 – Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electric Mechanics" (specialization "141.04 Electrical Isolating, Cable and Fiber-Optic Technique"), at "Azov Cable Company" (Berdians'k) at development and determination of optimal technological parameters of production modes of halogen-free, flame retardant shipboard cables, Association "Ukrelectrocable", in PJSC "Yuzhkable Works". Dissertation work was performed at the PJSC "Ukrainian Scientific and Research Institute of Cable Industry" (Berdians'k) and Department of Electrical Insulating and Cable Technique of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" (Kharkiv) according to research programs of PJSC "Ukrainian Scientific and Research Institute of Cable Industry" (PM EIUV.505.564–2018 "The research of thermal stability of the sheath cable SPOVEng-FRHF 12x2,5 before and after exposure under electron beam", PM EIUV.505.584–2019 "Determination of the quantity and distribution of the absorbed dose after irradiation of the sheath of shipboard flame retardant cables") wherein the applicant was one of the program developers and executor of individual sections.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.13 – техніка сильних електричних та магнітних полів. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2016. Дисертація присвячена обґрунтуванню техніки виявлення водяних триінгів в силових кабелях середньої напруги коаксіальної конструкції з водоблокуючим бар'єром при дії сильного електричного поля на підставі результатів математичного моделювання водяних включень сферичної форми в товщі зшитої поліетиленової ізоляції та фізичного моделювання процесу зволоження зразків кабелів в лабораторних умовах. На основі запропонованої математичної моделі водяних триінгів у вигляді кластерів сферичної форми в товщі зшитої поліетиленової ізоляції високовольтного силового кабелю коаксіальної конструкції з осьовою симетрією показано, що область сильного електричного поля є функцією розмірів цих сферичних включень та відстані між ними. Результатами фізичного моделювання підтверджено ефективність застосування техніки високочастотної діелектричної спектроскопії для виявлення вільної води в полімерній ізоляції нових кабелів і зістарених у вологому середовищі. З використанням техніки вимірювань параметрів діелектричної абсорбції показано, що інформативними діагностичними параметрами зволоженої зшитої поліетиленовою ізоляції є струми абсорбції, виміряні на 15, 30 і 60-й секунді після подачі високої постійної випробувальної напруги, і динаміка змінення опору ізоляції в залежності від прикладеної високої постійної напруги.
The thesis for a candidate degree in technical sciences, speciality 05.09.13 – Technics of Strong Electric and Magnetic Fields. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2016. The thesis is devoted to the detection technology of water treeing in medium voltage power cables of coaxial design with a water barrier under the action of strong electric fields on the basis of mathematical modeling of spherical particles of water in the crosslinked polyethylene insulation and physical modeling of the humidification process of cable samples in the laboratory. Based on the proposed mathematical model of water treeing as clusters of spherical shape in the crosslinked polyethylene insulation of the high-voltage power cable of coaxial design with axial symmetry, the region of strong electric field has been shown to be a function of size and distance between spherical inclusions. Based on the simulation results, the technics of impulse reflectometry in the time domain has been confirmed to be as one of the promising methods for diagnosing operational irregularities (ellipticity, eccentricity, water treeing) in high voltage power cables. The results of physical modeling of accelerated aging have shown the effectiveness of the high-frequency dielectric spectroscopy technics for the detection of free water in the polymer insulation of new cables and aged in a wet environment. Using the measurements technics of dielectric absorption the informative diagnostic parameters of moistened cross-linked polyethylene insulation have been shown to be absorption currents measured at 15, 30 and 60th seconds after applying the high constant test voltage, and the dynamic of change of insulation resistance depending on the applied high DC voltage.

碩士
國立臺灣科技大學
光電工程研究所
102
This study focuses on the use of microwave heating of metal to rapidly cross-link Poly-4-vinylphenol (PVP). First, we cross-link PVP to form the gate insulator of OTFT by using high power microwave at atmospheric pressure; the OTFT can have general electrical characteristic. Hence, the microwave has potential to be applied to cross-link PVP to form the gate insulator of OTFT. Furthermore, we systematically optimized the parameters such as chamber pressure, microwave power, and heating time of microwave to fabricate the gate insulator with good electrical performance. We found that the OTFT has great electrical characteristics as we reduce chamber pressure; on the contrary, the OTFT has bad electrical characteristics as we raise either microwave power or heating time. Finally, we got that the optimized parameters were such as chamber pressure of 2x10-2 torr, microwave power of 50 W, and heating time of 5 min to fabricate the OTFT whose performance is comparable with that of OTFT using the PVP insulator baked by conventional oven for 90 min. Therefore, fabricating the PVP gate insulator of OTFT using microwave has the advantage of saving process time; it only requires one eighteenth of that using conventional oven.

碩士
國立臺灣科技大學
光電工程研究所
105
The research aimed to discuss the application of PVP gate insulator cross-linked by Microwave in N2 ambient in flexible device. We first analyzed the process of Microwave used in glass substrate to find out the best processing condition, and finlly applied the condition to the process of flexible device. First, we used PVP gate insulator cross-linked by Microwave in different gas ambient, and found that the effect of N2 ambient was the most significant. From using PVP cross-linked by Microwave in different N2 flow ambient, we found that N2 could effectively bond with the broken bond and dangle bond in PVP, and reduced the hydroxyl groups in PVP. However, excessive N2 could not effectively reduce the hydroxyl groups in the gate insulator, but declined the effect of PVP gate insulator cross-linked by Microwave. Thus, we presumed that the best flow in Microwave in N2 ambient was 20sccm. Moreover, we used PVP cross-linked by Microwave under different heating time, and found that when the heating time reached 60 minutes, the flat-band voltage gradually drifted to VGS=0V and Ioff dropped to 0.18nA. It showed that PVP was fully cross-linked and N2 reduced the broken bond and dangle bond by bonding with them. The Mobility could reach 1.516cm2/V-s while S.S was 0.674 V/decade. In summary, we presumed that the best processing condition of Microwave used in glass substrate in N2 ambient was 20sccm at the heating time of 60 minutes. In the process of flexible device, we used Al as the gate metal because its conductivity increased by above 103 compared to the result of ITO. Thus, the heating time of gate metal cross-linked PVP using Microwave irradiation must be remeasured. Through the experiments under different heating time, we found that the parameter of Microwave in N2 ambient applied to flexible substrate was N2 20 sccm 5 min while its Mobility could reach 1.064cm2/V-s, S.S was 1.209 V/decade, and Vth was -12.71V. The flexible device which met Mobility>1 was fabricated successfully.

Polypropylene (PP) has no cross-linking process and environmentally friendly properties and is considered to be a replacement for cross-linked polyethylene (xlpe) for high voltage direct current (HVDC) cable insulation. High-voltage DC cable systems generate repetitive pulse voltages during operation and may encounter different temperature environmental challenges. This chapter discusses the effects of pulse amplitude and frequency on PP trees at different temperatures. A higher pulse frequency accelerates the propagation of the tree. Higher amplitudes accelerate tree growth and fractal dimensions. In addition, the effects of DC voltage, pulse voltage, and pulse frequency on the tree characteristics of PP at DC voltage and pulse combination voltage are also studied.

The paper use a new dielectric frequency response method to measure the cable insulation’s complex dielectric spectrum at wide frequency domain. During the experiment, Cross-linked polyolefin insulated cables are accelerate aged under thermal and irradiation environment, and measured with elongation at break, Fourier transform infrared spectrum, oxidation induced temperature, and dielectric spectrum as well, to study the property degradation rule. The result indicate that the thermal ageing mechanism is similar to irradiation ageing, of which is the degradation due to polymer molecular chain unlinking, oxidizing material increase and additives content reduce. This chemical constituent changing in insulation could not result traditional electric property change but could be monitored by dielectric loss spectrum curve among wide frequency domain, which stayed stable but shifted to lower frequency as cable degradation. Finally, the paper discussed the main mechanism of cross-linked polyolefin dielectric property changing while ageing according to the electrophysical characteristic of solid insulation, and provided some suggestions about the non-destructive techniques for nuclear power plant cables using dielectric spectrum.