Дисертації з теми "Aging cables"

The safety systems of nuclear power plants rely on low-voltage power, instrumentation and control cables. Inside the containment area, cables operate in harsh environments, characterized by relatively high temperature and gamma-irradiation. As these cables are related to fundamental safety systems, they must be able to withstand unexpected accident conditions and, therefore, their condition assessment is of utmost importance as plants age and lifetime extensions are required. Nowadays, the integrity and functionality of these cables are monitored mainly through destructive test which requires specific laboratory. The investigation of electrical aging markers which can provide information about the state of the cable by non-destructive testing methods would improve significantly the present diagnostic techniques. This work has been made within the framework of the ADVANCE (Aging Diagnostic and Prognostics of Low-Voltage I\&C Cables) project, a FP7 European program. This Ph.D. thesis aims at studying the impact of aging on cable electrical parameters, in order to understand the evolution of the electrical properties associated with cable degradation. The identification of suitable aging markers requires the comparison of the electrical property variation with the physical/chemical degradation mechanisms of polymers for different insulating materials and compositions. The feasibility of non-destructive electrical condition monitoring techniques as potential substitutes for destructive methods will be finally discussed studying the correlation between electrical and mechanical properties. In this work, the electrical properties of cable insulators are monitored and characterized mainly by dielectric spectroscopy, polarization/depolarization current analysis and space charge distribution. Among these techniques, dielectric spectroscopy showed the most promising results; by means of dielectric spectroscopy it is possible to identify the frequency range where the properties are more sensitive to aging. In particular, the imaginary part of permittivity at high frequency, which is related to oxidation, has been identified as the most suitable aging marker based on electrical quantities.

In questo lavoro sperimentale ed innovativo è stata effettuata una valutazione dell’effetto provocato dall’applicazione di sovratensioni ripetute (“Long TOVs), su provini di polietilene reticolato (XLPE) dello spessore di 0.15mm. Tale Long TOV è stata definita dal CIGRÉ Joint Working Group (JWG) B4/B1/C.4.73, basandosi su sovratensioni registrate nella configurazione bipolare rigida per la trasmissione dell’energia elettrica HVDC. In particolare quando un polo è soggetto a un guasto, il polo sano è soggetto a questa sovratensione che persiste centinaia di millisecondi. I test sono stati svolti modificando le condizioni di invecchiamento come l’intensità del campo elettrico nominale e la durata dell’applicazione delle ripetute forme d’onda Long TOV. La parte immaginaria della costante diellettrica complessa ε”, è stata valutata attraverso una spettroscopia dielettrica sia su provini non invecchiati, sia sui provini invecchiati alle diverse condizioni di invecchiamento. Dopo di chè sono state svolte anche misure sulla spettroscopia infrarossa per valutare la presenza di molecole polari sulla superficie dei provini di XLPE, caratteristiche delle reazioni di ossidazione sintomo di invecchiamento. I test hanno dimostrato che i campioni sono sensibili all’applicazione ripetuta delle Long TOV, in particolare si è notato un picco di valori di ε” attorno alle frequenze di 100 ÷ 103 Hz. Inoltre, questi picchi dipendono dalle condizioni di invecchiamento (durata dell'applicazione e ampiezza del campo elettrico) poiché l'ampiezza dei picchi e la frequenza a cui appaiono variano in funzione di queste due variabili. Per trarre conclusion concrete, un maggior numero di test dev’essere effettuato a differenti condizioni di invecchiamento, in maniera tale da avere una panoramica completa sull’effetto dell’applicazione delle Long TOVs, sui provini di XLPE.

The current design life of nuclear power plant (NPP) could potentially be extended to 80 years. During this extended plant life, all safety and operationally relevant Instrumentation & Control (I&C) systems are required to meet their designed performance requirements to ensure safe and reliable operation of the NPP, both during normal operation and subsequent to design base events. This in turn requires an adequate and documented qualification and aging management program. It is known that electrical insulation of I&C cables used in safety related circuits can degrade during their life, due to the aging effect of environmental stresses, such as temperature, radiation, vibration, etc., particularly if located in the containment area of the NPP. Thus several condition monitoring techniques are required to assess the state of the insulation. Such techniques can be used to establish a residual lifetime, based on the relationship between condition indicators and ageing stresses, hence, to support a preventive and effective maintenance program. The object of this thesis is to investigate potential electrical aging indicators (diagnostic markers) testing various I&C cable insulations subjected to an accelerated multi-stress (thermal and radiation) aging.

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Física - Física Aplicada pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia
Polymers have been widely used as electrical insulators in power cables. Polyethylene, initially low density and more recently crosslinked, are one of the more commonly used insulators in medium and high voltage power cables. They suffer electrical ageing in different forms, such as water treeing, electrical treeing and finally dielectric breakdown. The last one leading to costly cable failure. Many research works have been developed on this subject despite of the progress made up to now, results are still sometimes contradictory and difficult to reproduce. Any new insight into this problem is a step further in preventing failure of the cables and increasing their useful lifetime. The aim of this thesis was to relate ageing in two different aspects of electrical ageing: localised damage and changes in bulk properties of the polyethylene. For this different experimental techniques were used. Localised damage was water treeing and breakdown channels since no electrical trees were observed. The methods used for this study were FTIR,estimation of fractal dimension of water trees and statistics of dielectric breakdown. The changes of electric and dielectric bulk properties were accessed using mostly DRS, FTSDC and PEA. From the FTIR results it was possible to find oxidation products (mainly ketones and carboxylate ions) and chain scission. The values estimated for fractal dimension point to the same underlying microscopic mechanism for water treeing (at least for samples aged at different frequency and temperature). Breakdown statistics point to the important role of manufacture and processing of the insulator, since early breakdown is mostly dependent on defects resulting from these processes. A correlation between DRS, FTSDC and PEA shows the role played by space charge and trapping on ageing for longer times. The two different aspects (localised and bulk) are difficult to correlate because the first one has a stochastic behaviour. However the presence of space charge found in bulk studies can be regard as one of the initiator factors for localised damage.
Fundação Calouste Gulbenkian

Une baisse constatée de la résistivité de l'isolation en PVC de certains câbles haute tension unipolaires conduit à s'interroger sur leur aptitude à assurer leur fonction. Cette étude avait pour objectif de fournir des éléments de réponse concernant en particulier l'origine de cette variation de résistivité et ses conséquences sur la tenue diélectrique. Les caractérisations ont porté sur des câbles usagés dont les propriétés avaient évolué au cours de leur utilisation. Les caractérisations physico-chimiques (spectroscopie et microscopie IR, spectroscopie UV, MEB-EDX et coulométrie) ont mis en évidence que le vieillissement du câble résultait d'un mécanisme de déshydrochloruration. La présence de deux modes de conduction dans le matériau a été observée : une conduction électronique à basse température (< -10°C) et une conduction ionique à température ambiante et au-delà. La présence de ces deux modes de conduction est compatible avec le mécanisme de déshydrochloruration. Au contraire d'une loi d'Arrhénius, les vieillissements artificiels ont mis en évidence un effet de seuil de température dans l'activation du mécanisme à l'origine de la chute de résistivité. La tenue diélectrique des câbles a été confortée par des essais à des tensions ou à des températures bien au-delà des valeurs nominales. Les mesures de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) ont mis en évidence des surchauffes ponctuelles plus ou moins prononcées qui se corrèlent aux chutes de résistivités constatées, et peuvent donc être considérées comme étant à l'origine des évolutions constatées
The observed decrease in the resistivity of the PVC insulation of some high voltage unipolar cables led to question their ability to perform their function. Provide answers concerning in particular the origin of the variation in resistivity and the impact on the dielectric strength were the objectives of this study. The characterizations were carried on cables withdrawn from service whose properties had changed during their use. Physico-chemical characterization (IR microscopy, UV spectroscopy, SEM - EDX and coulometry) showed that aging of the cable resulted from a mechanism of dehydrochlorination. The presence of two modes of electric conduction in the material was observed: electronic conduction at a low temperature (< -10 ° C) and ionic conduction at room temperature and beyond. The presence of these two modes of conduction is consistent with the mechanism of dehydrochlorination. In contrast to an Arrhenius law, artificial aging showed a threshold effect in the thermal activation of the mechanism at the origin of the resistivity drop. The dielectric strength of the cable has been confirmed by tests at voltages or temperatures well beyond the nominal values. Measurements of differential scanning calorimetry (DSC) showed occasional more or less pronounced overheatings that correlate with the resistivity drops, and can therefore be considered as being at the origin of the observed evolutions

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, 2015. Дисертація присвячена розробці та обґрунтуванню діагностики за трибоелектричним потенціалом для виявлення зміни поверхневих властивостей полімерної ізоляції в процесі старіння кабелів під дією сильного електричного поля, підвищеної температури та іонізуючого випромінювання. В процесі старіння для двошарової ізоляції на основі застосування схеми заміщення встановлено появу струмів, що змінюються по експоненціальному закону, та отримано динаміку в часі накопичення, рекомбінації та релаксації поверхневого заряду на границі розділу. Встановлено розподіл густини поверхневого заряду по довжині симетричних ізольованих провідників при наявності між ними зазору та тонкого дефектного шару на поверхні полімерної ізоляції на основі отриманого аналітичного рішення. Показано, що окиснений прошарок на поверхні ізоляції призводить по появи сильного електричного поля. В залежності від конструктивного виконання і застосованих матеріалів експериментально визначено значення трибоелектричного потенціалу та встановлена динаміка його зміни в процесі прискореного терморадіаційного старіння кабелів. Встановлено вплив поверхневих та трибозарядів на результати діагностичних обстежень кабелів за опором ізоляції на високій напрузі. Запропонована діагностика за трибоелектричним потенціалом силових, контрольних та інформаційних кабелів дозволяє виявити зміну поверхневих властивостей полімерної ізоляції в процесі старіння кабелів.
Thesis for granting Candidate of Technical sciences Degree in specialty 05.09.13 – Technics of Strong Electric and Magnetic Fields. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", 2015. The thesis is devoted to development and diagnostic system for substantiation triboelectric potential to detect changes in surface properties of polymer isolation in aging cables under the strong electric field, high temperature and radiation. The distribution of surface charge density and voltage drop along the length of symmetrical insulated conductors in the presence of the gap between them and the defective thin layer on the surface of the polymer insulation was established based on the analytical solution. Experimentally determined the values of triboelectric potential and its dynamics of change in the process of accelerated termoradiation aging polymer cable insulation depending on the design of applied materials. There is a significant (threefold) increase in the maximum value of the contact potential difference and achieve maximum torque bias towards smaller values for single core power cables with cross-linked polyethylene insulation 6 kV after accelerated aging thermoradiation. This confirms the high sensitivity of triboelectric potential to aging and allows us to make a suggestion to use this parameter as an indicator of the polymeric insulation aging degree. Influence of surface charges and tribocharges on the results of diagnostic tests on the insulation resistance and stability during the measurement capacitance and dielectric loss tangent cables with polymer insulation was observed. Dynamics of changes in contact potential difference in the aging process power cables with different materials remains consistent with the results of diagnostic tests of capacity and dielectric loss tangent.

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, 2015. Дисертація присвячена розробці та обґрунтуванню діагностики за трибоелектричним потенціалом для виявлення зміни поверхневих властивостей полімерної ізоляції в процесі старіння кабелів під дією сильного електричного поля, підвищеної температури та іонізуючого випромінювання. В процесі старіння для двошарової ізоляції на основі застосування схеми заміщення встановлено появу струмів, що змінюються по експоненціальному закону, та отримано динаміку в часі накопичення, рекомбінації та релаксації поверхневого заряду на границі розділу. Встановлено розподіл густини поверхневого заряду по довжині симетричних ізольованих провідників при наявності між ними зазору та тонкого дефектного шару на поверхні полімерної ізоляції на основі отриманого аналітичного рішення. Показано, що окиснений прошарок на поверхні ізоляції призводить по появи сильного електричного поля. В залежності від конструктивного виконання і застосованих матеріалів експериментально визначено значення трибоелектричного потенціалу та встановлена динаміка його зміни в процесі прискореного терморадіаційного старіння кабелів. Встановлено вплив поверхневих та трибозарядів на результати діагностичних обстежень кабелів за опором ізоляції на високій напрузі. Запропонована діагностика за трибоелектричним потенціалом силових, контрольних та інформаційних кабелів дозволяє виявити зміну поверхневих властивостей полімерної ізоляції в процесі старіння кабелів.
Thesis for granting Candidate of Technical sciences Degree in specialty 05.09.13 – Technics of Strong Electric and Magnetic Fields. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", 2015. The thesis is devoted to development and diagnostic system for substantiation triboelectric potential to detect changes in surface properties of polymer isolation in aging cables under the strong electric field, high temperature and radiation. The distribution of surface charge density and voltage drop along the length of symmetrical insulated conductors in the presence of the gap between them and the defective thin layer on the surface of the polymer insulation was established based on the analytical solution. Experimentally determined the values of triboelectric potential and its dynamics of change in the process of accelerated termoradiation aging polymer cable insulation depending on the design of applied materials. There is a significant (threefold) increase in the maximum value of the contact potential difference and achieve maximum torque bias towards smaller values for single core power cables with cross-linked polyethylene insulation 6 kV after accelerated aging thermoradiation. This confirms the high sensitivity of triboelectric potential to aging and allows us to make a suggestion to use this parameter as an indicator of the polymeric insulation aging degree. Influence of surface charges and tribocharges on the results of diagnostic tests on the insulation resistance and stability during the measurement capacitance and dielectric loss tangent cables with polymer insulation was observed. Dynamics of changes in contact potential difference in the aging process power cables with different materials remains consistent with the results of diagnostic tests of capacity and dielectric loss tangent.

XLPE cable peelings taken from underground High-Voltage cables that had previously been stressed under different ac electro-thermal conditions are investigated, with the aim of identifying properties indicative of the changes brought about by ageing. The inherent endurance ability of these peelings has been tested for three different endurance conditions of high ac electrical and thermal stresses. Space charge measurements via Pulse-Electro-Acoustic and Thermally-Stimulated-Currents are utilised to evaluate the state of the peelings before and after the endurance test in comparison with unstressed material. It was found that the pre-stressing altered the inherent endurance capability of the peelings especially for materials that had experienced thermal and electro-thermal stressing as a cable. The space charge behaviour also showed changes due to the stressing, related to the accumulation and transport of charge, with ac-electrical stressing reducing the time for heterocharge accumulation at the anode and AC electro-thermal stressing facilitating positive charge injection and propagation to the cathode. A double positive peak near one electrode was identified as indicative of irreversible degradation.

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.

Majority of electricity networks have growing number of ageing elements. Critical network components, such as ageing underground cables, are very expensive to install and disruptive to replace. On the other hand, global climate changes have made connection of new low carbon technologies (LCT) into the grids increasingly necessary. These factors are contributing to the increasing complexity of the planning and management of power systems. Numerous techniques published on this subject tend to ignore the impact of LCT integration and the anchoring ꞌSmartꞌ solutions on ageing network assets, such as underground cables and transformers. This thesis presents the development procedures of an ageing underground cable reliability model (IEC-Arrhenius-Weibull model) and cable ranking models for replacement based on system wide effects and thermal loss-of-life metrics. In addition, a new concept of LCT integration and distribution network management was proposed using two optimization models. The first optimizes connection of new wind sources by minimizing the connection cost and the cost of cable thermal loss-of-lives in the planning period. In the second stage, the network is optimally reconfigured in such a way to minimize thermal-loss-of-life of ageing cable. Both optimization models are formulated as mixed integer non-linear programming (MINLP) problems applicable to radially operated medium voltage networks. To quantify the reliability benefits of the proposed approach, Sequential Monte Carlo Simulation (SMCS) procedure was formulated. Some of the main features of the SMCS procedure are the IEC-Arrhenius-Weibull model for ageing cable, optimal network reconfiguration, wind generation modelling using ARMA models and real time thermal ratings. The final outputs are reliability metrics, cable ranking lists for replacement, savings due to 'non-spend' cable thermal lives, etc. These studies have proven to be important in formulating an effective strategy for extending the lives of network cables, managing overall network reliability and planning cables replacement in power distribution networks.

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.

Polymer ageing models predict the working lifetime of polymeric insulation in terms of the electrical and thermal stresses to which it is subjected. Two such models are investigated in this thesis and are found to be mathematically similar even though they are based on different mechanisms for the way in which an electric field accelerates the ageing process. It is shown that both models can successfully fit characteristic time-to-failure data from ageing experiments involving thin films. A new method is developed to allow the ageing models to be applied to cable insulation, where the field and temperature are not spatially constant. This method is used to apply one of the models to characteristic lifetime data from experiments involving cables. The fits to data are found to be good, and resulting parameter values are used as the basis for a discussion of the possible effects of specimen volume on ageing. The distribution of failure times observed when thin films and cable insulation are aged at a given experimental condition has also been investigated. This has been carried out using distributions of the activation free energy of ageing within one of the ageing models. It is established that small changes in the minimum activation energy from specimen to specimen could be responsible for the observed failure statistics. Changes in the activation energy distributions with ageing condition suggest that ageing may involve conformational re-arrangements of chain segments in the crystalline-amorphous interface. This is in broad agreement with the conclusions of other workers.

No presente trabalho é proposto um método para estabelecer um critério de falha da camada polimérica externa dos cabos umbilicais usados em operações offshore. O método proposta baseia-se na determinação do incremento da quantidade de água absorvida pela camada polimérica externa do cabo devido à deterioração provocada pelos carregamentos cíclicos e o envelhecimento originados pelo meio marinho. Este método propõe a realização de um ensaio de fadiga à tração uniaxial no polímero que compõe a camada externa do cabo. O teste é feito simulando as solicitações a que é submetida a camada externa do umbilical durante os ensaios de fadiga feitos, segundo a norma API 17E, durante o processo de homologação do cabo. Além disso, se propõe fazer um ensaio de envelhecimento artificial no polímero da camada externa simulando as condições de serviço do cabo no meio marinho. Com o fim de avaliar a influência dos carregamentos cíclicos e o os agentes do meio marinho nas propriedades do polímero, são feitos ensaios de absorção de água segundo a norma ASTM D 570, ensaios de tração segundo a norma ASTM D 638, ensaios de dureza segundo a norma ASTM D 2240 e observações num microscópio eletrônico de varredura. Finalmente a partir do incremento de massa sofrido pelo polímero no ensaio de absorção de água foi estimado o dano no material da camada externa do cabo. Os resultados obtidos no trabalho mostraram que os carregamentos cíclicos e o meio marinho aceleraram o processo de degradação da camada polimérica externa do umbilical demonstrando assim a eficiência do método proposto.
In the present work is proposed a method to establish a failure criterion of the polymeric external layer of umbilical cables used in offshore operations. The proposed method is based on the determination of the increment of the quantity of absorbed water by the polymeric external layer of the cable due to deterioration caused by cyclic loads and the aging process originated by the marine environment. The method proposes to carry out a uniaxial fatigue test on the polymer that composes the external layer of the cable. This test is made simulating the cyclical deformation that the external layer is submitted in the umbilical during the fatigue test done, according to the API 17E standard, during the process of cable homologation. It is also intended to make an artificial aging test in the polymeric external layer simulating the service conditions of the cable in the marine environment. In order to evaluate of the cyclical loads and the sea set aging influence on the properties of the polymer, carry out water absorption test according to the ASTM D 570 standard, traction test according to the ASTM D 638 standard, hardness test according to the ASTM D 2240 standard and observations in an scanning electron microscopy. Finally starting from the mass increment suffered by the polymer in the water absorption test it was estimated the damage in the external layer material of the cable. The results obtained in this work showed that the cyclical loads and marine environment accelerated the degradation process of polymeric external layer of umbilical cable demonstrating the efficiency of the proposed method.

Les travaux entrepris dans le cadre de cette thèse portent sur l’étude de la dégradation radiolytique de polymères constitutifs de l’enveloppe isolante de câbles électriques contrôle commande. Pour étudier les mécanismes de dégradation de l’isolant du câble, une approche originale à été suivie via l'utilisation de matériaux modèles, i.e un mélange réticulé non chargé à base d’EVA (Ethylène Vinyle Acétate) et d’EPDM (Ethylène Propylène Diène Monomère) et le composite correspondant chargé avec des ATH (trihydroxyde d’aluminium), ont été soumis à une irradiation gamma. Ces travaux s'inscrivent dans la perspective d'un souhait de prolongation de la période d’exploitation des centrales du parc électronucléaire français par l'exploitant EDF. Une analyse multi-échelle de la dégradation des matériaux modèles et de l’isolant a été effectuée pour comprendre l’évolution des propriétés des matériaux polymères induites par différents types de vieillissement (thermooxydatif et/ou radiooxydatif). Dans l’ensemble de ces conditions, Il a été établi que la dégradation du mélange EVA/EPDM et du composite EVA/EPDM/ATH est gouvernée par un mécanisme de coupures de chaînes, le point faible de la matrice polymère étant la partie vinyle acétate; de plus dans le cas de la radiooxydation, les processus purement radiolytiques jouent un rôle clé. À partir de courbes de corrélation, il a été montré que les propriétés physicochimiques des matériaux polymères, telles que l’évaluation par spectroscopie IR de la quantité de produits d’oxydation formés, la détermination de la fraction de gel, et les mesures d’OIT (Temps d’Induction à l’Oxydation), sont des indicateurs sensibles de vieillissement. L’évolution de ces trois critères étant plus précoce et plus progressive que la perte des propriétés mécaniques de l’isolant, on pourrait donc anticiper une perte brutale des propriétés mécaniques, voire de la fonctionnalité du câble, en faisant un suivi de leur évolution. Plus généralement, ces études soulignent l’importance de travailler à des débits de dose très faibles et à température ambiante pour que le vieillissement accéléré soit représentatif, ce qui a été fait dans le cadre de cette thèse
This study is focused on the radiooxidative degradation of polymeric insulation of Instrument and Controle (I&C) electric cables. In order to investigate the degradation mechanisms of the insulation, an original approach has been implemented thanks to the use of model composites with ATH (Aluminium TriHydrate) filler and blends (without filler) based on a cross-linked mixture of EVA (Ethylene Vinyl Acetate) and EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer) were submitted to gamma-irradiation. This work has been completed within the goal of extending the lifetime operation of French Nuclear Power Plants (NPPs) by EDF. Multi-scale analysis of the model materials and insulation were performed in order to investigate de modifications and the evolution of the polymer properties induced by different kinds of ageing (thermo and/or radiooxidation). After having highlighted that whatever the ageing conditions are, degradation of polymers is governed by scission process, it is shown that purely radiolytic processes play a key role in the overall degradation scenario. These studies based on correlation curves showed that physico-chemical properties of the polymer, such as the evaluation by InfraRed of the amount of the oxidation products formed, gel fraction and Oxidation Induction Time measurements are relevant indicators of ageing. The evolution of these properties during ageing is even, in the case of the insulation, earlier than the loss of mechanical properties, which may allow to anticipate a sudden loss of mechanical properties and therefore of the functionality of the cable insulation. More generally, these studies points out the needs of using the lowest dose rates possible and room temperature, as done in this work

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.

Dans la perspective de l’aéronef « plus électrique », l’augmentation de puissance électrique embarquée se traduit par une augmentation de tension. Les tensions envisagées aujourd’hui sont inférieures à 1000 V DC. Mais des valeurs plus élevées peuvent être considérées pour le futur. Il est donc indispensable d’étudier les dégradations prématurées induites par cette élévation de tension sur les équipements existants. Ce travail de thèse, portant spécifiquement sur les câbles aéronautiques, constitue une contribution à cette étude. Les câbles examinés, constitués d’une âme multibrins sur laquelle sont rubanées des couches de PTFE et PI, ont subi différents vieillissements accélérés thermiques statiques et dynamiques, sous humidité, et ce sans ou avec contrainte électrique. Certains vieillissements ont été effectués sur une durée supérieure à 9000 heures. Les décharges partielles (DP) ont été étudiées sur ces câbles en termes de tension d’apparition PDIV et RPDIV. Ces DP peuvent intervenir à l’extérieur ducâble mais également à l’intérieur (pour des tensions plus élevées) dans les interstices d’air entre l’isolant et les brins conducteurs. Cette localisation a été confirmée par un modèle électrostatique. L’effet du vieillissement n’a pu être constaté que sur les décharges internes, avec dans certains cas une réduction significative des valeurs de RPDIV.Des analyses physicochimiques du système d’isolation électrique ont été effectuées ainsi que des radiographies par rayons X. Des modifications chimiques des interfaces du système d’isolation interviennent au cours des vieillissements. Pour les vieillissements les plus poussés (après 9000h sous contrainte thermique à 240°C), ces modifications résultent en la formation de cavités où des DP peuvent prendre place. Enfin, des mesures électrostatiques de potentiel de surface (déclin et retour après neutralisation) ont mis en évidence, bien avant l’observation de cavités, une augmentation de conductivité d’une des couches de l’isolation
In future "more electric" aircraft, the increase in on board electrical power will result in an increase in voltage. The voltages envisaged today are lower than 1000 V DC, but higher values can be considered in the medium to long term. It is therefore essential to study possible premature degradation of existing equipment induced by this rise in voltage. This thesis work, specifically on aeronautical cables, is a contribution to this goal. The examined cables, consisting of a multi-stranded core on which PTFE and PI layers are wound, have undergone various static and dynamic accelerated thermal aging, under humidity, without or with electrical stress. Aging has been carried out in some cases for more than 9000 hours. Partial discharges (DP) were studied on these cables in terms of the appearance voltage PDIV and RPDIV. These DPs can occur outside the cable but alsoinside (for higher voltages) in the air gaps between the insulation and the conductive strands. This location has been confirmed by an electrostatic model. The effect of aging was only found in the case of internal discharges, with in some cases a significant reduction in RPDIV values.Physicochemical analyses of the electrical insulation system were carried out as well as x-ray radiography. Chemical modifications of the interfaces of the insulation system occur during aging. For the most advanced aging (after 9000h under thermal stress at 240°C), these changes result in the formation of cavities where DP can then take place. Finally, electrostatic measurements of surface potential (decline and return after neutralization) have shown, well before the observation of cavities, an increase in conductivity of one of the layers of the insulation

The global mean surface temperature rise was observed in the past century and proved the warming of the earth climate system. Global warming is believed to continue into the next decades due to unprecedented increases in greenhouse gas emissions. As a consequence of global warming, extreme weather scenarios are also expected to occur more frequently. In such a context, it is of vital importance to assess the impacts of climate change on the operational performance of power systems. This thesis investigates the impacts of climate change on the operational performance of power systems. The future climate is simulated based on emission scenarios and is then used as an input to the thermal models of power system components to assess their ratings and ageing, and further the reliability of the system. This research contributes to a number of areas in power system research. In the literature review, the risks that climate change may cause to power systems are identified. The models used for the simulation of future climate are firstly introduced. The weather variables that can be simulated from the models include air temperature, solar radiation, wind speed and direction, soil moisture and soil temperature. Among the models, the one for soil temperature is originally developed in this thesis. Following this, the component thermal models of overhead line, cable and transformer, from different standards are compared and selected. After that, the sensitivity of component ratings to individual weather variables is investigated, as a preliminary study for the later research in this thesis. Then, the impacts of climate change on component ratings (including both static and dynamic rating) are comprehensively and probabilistically assessed. The assessment results indicate the reduction of component ratings due to climate change. The impacts of climate change on system reliability is further examined on the IEEE Reliability Test System. Results demonstrate and quantify the reduction of both component ratings and system reliability, and prove that the dynamic rating can be used to mitigate the reduction. Finally, the preliminary exploration of transformer ageing is carried out and shows an increased ageing rate due to air temperature rises.

Les travaux entrepris dans le cadre de cette thèse portent sur l’étude de la représentativité du vieillissement thermique accéléré par rapport au vieillissement en conditions d’usage de mélanges de polyéthylènes utilisés comme isolant de câbles qualifiés K1 de dernière génération dans les bâtiments réacteurs des centrales nucléaires. L’influence de l’état physique des constituants du mélange pendant le vieillissement sur les cinétiques et les mécanismes de vieillissement est également étudiée. Le matériau est un mélange de deux polyéthylènes : un polyéthylène linéaire (PE) et un polyéthylène ramifié (PEcB) réticulé au peroxyde. Une approche basée sur l’analyse multi-échelle (moléculaire, microstructurale, macromoléculaire et macroscopique) a été mise en place. Plusieurs températures de vieillissement ont été choisies afin de faire varier l’état physique de l’un ou des deux polyéthylènes du mélange au cours du vieillissement. Les résultats à l’échelle moléculaire montrent les mêmes produits d’oxydation et les mêmes cinétiques pour le PE et le PEcB. En revanche, on observe une oxydation plus rapide du mélange 5050. Les cinétiques d’oxydation obéissent à une loi d’Arrhenius pour des vieillissements compris entre 80°C et 110°C, mais l’extrapolation à la température d’utilisation (60°C) n’est pas représentative du résultat expérimental. L’état physique (solide ou fondu) des échantillons au moment du vieillissement n’explique pas la non-représentativité des vieillissements accélérés. Les variations des propriétés mécaniques peuvent être reliées à l’évolution de la microstructure de chaque polymère et de leur architecture macromoléculaire au cours du vieillissement thermo-oxydant. Néanmoins, il apparaît difficile de corréler l’évolution de la structure chimique au cours du vieillissement avec l’évolution des propriétés mécaniques. Cette étude souligne l’importance de l’approche multi-échelle pour avoir une compréhension globale des phénomènes de vieillissement
This work is devoted to the study of the representativeness of accelerated thermal ageing compared to ageing in use conditions of polyethylene blends used as insulant in the lastest-generation K1 qualified cables in nuclear power plants’ reactor buildings. The influence of the physical state of the components in the blends during ageing on the kinetics and ageing mechanisms is also studied. The material is a blend of two polyethylenes: a linear polyethylene (PE) and a branched polyethylene (PEcB) crosslinked with peroxides. An approach based on the multi-scale analysis (molecular, microstructural, macromolecular and macroscopic) was set up. Several ageing temperatures were chosen in order to vary the physical state of one or both polyethylenes in the blend during ageing. The results at molecular scale show the same oxidation products and kinetics for PE and PEcB. However, one can observe a faster degradation for the 5050 blend. The oxidation kinetics obey the Arrhenius law for thermal ageing between 80°C and 110°C, but extrapolation to the operating temperature (60°C) is not representative of the experimental data. The physical state (solid or molten) of the samples during thermal ageing does not explain the non-representativeness of accelerated ageing. The variations of mechanical properties can be linked to the evolution of the microstructure of each polymer and of their macromolecular architecture during thermo-oxidative ageing. Nevertheless, it is difficult to correlate the evolution of the chemical structure during ageing with the evolution of the mechanical properties. This study emphasizes the importance of the multi-scale analysis in order to have a comprehensive understanding of the ageing phenomena

Entre os produtos confeccionados com polímeros reforçados com fibras, as hastes pultrudadas têm sido utilizadas em um número crescente de aplicações devido a características como baixa massa, elevada resistência mecânica, baixo custo de manutenção e alta resistência à corrosão, em particular quando comparadas com hastes confeccionadas em materiais convencionais equivalentes. Porém, os mecanismos de envelhecimento e de degradação dos compósitos poliméricos reforçados com fibras precisam ser mais bem compreendidos, particularmente os mecanismos de dano em condições de serviço, em aplicações de engenharia civil ou em águas profundas. Neste trabalho, foi avaliada a exposição de hastes pultrudadas produzidas a partir de fibras de carbono e vidro e resinas epóxi e éster-vinílica após 3000 horas em diferentes ambientes, como exposição à radiação UV, exposição à água do mar e exposição à água a 60 °C. Os principais aspectos microestruturais, físicos, térmicos, químicos, mecânicos e de vida útil das hastes foram avaliados antes e após as exposições. As hastes com fibras de carbono apresentaram maior resistência residual de forma geral quando comparadas às hastes de fibra de vidro, as quais perderam mais de 50% da sua resistência original após exposições de curta duração (744 h). Quando expostas à radiação UV, as hastes com fibras de carbono apresentaram maior resistência residual à tração, assim como quando submetidas a esforços combinados nos ensaios de SBS. O ambiente mais agressivo entre os estudados definitivamente foi a imersão em água destilada. Os resultados dos ensaios de short-beam apresentaram melhor relação com os efeitos de degradação do que os ensaios de resistência à tração. Através das análises microestruturais (MO e MEV) foi possível identificar alguns tipos de mecanismos de degradação atuantes em cada condição de envelhecimento acelerado. Após analisar uma combinação de fatores envolvidos, a resina epóxi, dentre as resinas estudas, foi a que apresentou melhores propriedades de interface quando utilizada com fibras de carbono.
Among products made with fiber-reinforced polymers, pultruded rods have been used in an increasing number of applications, due to such features as low weight, high strength, low maintenance costs, and high corrosion resistance, particularly when compared with rods manufactured with equivalent conventional materials. However, the ageing and degradation mechanisms of these polymer composite materials still need to be better understood, particularly the damage mechanisms under various service conditions, such as civil engineering or in deep water applications. This thesis presents an experimental study that evaluates the ageing of pultruded rods produced from reinforced carbon and glass fibers and epoxy and vinyl ester resin matrices when exposed to UV radiation, seawater and distilled water at 60 °C for 3000 hours. The degradation assessment in the different environments was made by analyzing and comparing the microstructural, physical, chemical, thermal and mechanical aspects and the lifespan of the pultruded composite rods before and after accelerated ageing. The carbon fiber rods presented a higher residual resistance considering all the aforementioned aspects when compared to the glass fibers rods, which lost more than 50% of their original resistance after short exposure (744 h) to weathering. When exposed to UV radiation, the carbon fiber rods showed higher residual resistance as compared with other types of degrading conditions. Distilled water was undoubtedly the most aggressive ageing factor in respect to all the evaluated properties and characteristics of the tested rods. The short-beam test results showed higher correlation with the degradation effects than the results of the tensile test. By means of microstructural analysis (SEM and OM), it was possible to identify some types of degradation mechanisms for each kind of applied accelerated ageing. After analyzing a combination of factors involved, it was possible to reach the conclusion that the epoxy resin incorporated with carbon fibers displayed the best overall performance among all possible resin/fiber couples

Bei der Zustandsbewertung von Kabeln steht derzeit das Mittelspannungsnetz im Fokus der Betrachtungen. Das Mittelspannungsnetz verbindet das Hochspannungsnetz mit dem Niederspannungsnetz und nimmt damit eine besondere Bedeutung ein. Störungen in diesem Netz wirken sich direkt als Versorgungsunterbrechung auf den Letztverbraucher aus. Rund 80 bis 85 % der Versorgungsunterbrechungen resultieren aus Problemen im Mittelspannungsnetz, sodass dortige Aktivitäten den größten Hebel bei der Steigerung der Versorgungsqualität entwickeln. Mittels Zustandsbewertung von Kabeln können verdeckte Fehler aufgedeckt oder deren Alterungszustand bestimmt werden. Nicht jeder diagnostizierte Fehler führt unmittelbar zum Ausfall. Er beschleunigt jedoch die Alterung, die letztendlich zum Ausfall führt. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Identifizierung von Fehlern in Mittelspannungskabelmuffen im Zusammenhang mit der Alterung, um die Restlebensdauer auszunutzen und dem Ausfall zuvorzukommen
By evaluating the status of cables, hidden errors can be detected or their aging condition can be determined. Not every diagnosed fault leads directly to failure. However, it accelerates aging, which ultimately leads to failure. The work deals with the identification of faults in medium-voltage cable joints in connection with aging in order to exploit the remaining life and to prevent the failure

Dans le but de favoriser l’intégration des énergies renouvelables, les réseaux de transport sous haute tension continue (HVDC) sont privilégiés. L’interface entre les réseaux AC et DC est assurée par des convertisseurs de puissance qui génèrent des harmoniques. Il est établi que, lors de la réticulation du polyéthylène (PER – XLPE), des microcavités apparaissent dans la matrice du polymère. L’objectif de la thèse est donc d’examiner l’impact éventuel des harmoniques en présence de microcavités. Suivant leur taille et les conditions de champ électrique, les microcavités piégées dans le XLPE peuvent être le siège de décharges partielles (DP). Deux types de câbles différents ont été vieillis : un câble moyenne tension AC (MVAC) comprenant des défauts de tailles millimétriques provoqués artificiellement et un minicâble avec un grade de XLPE pour HVDC. Les tronçons de câbles MVAC ont été soumis à des contraintes en tension DC sous des températures de 90 à 120°C. Les minicâbles ont subi des contraintes en tensions superposées DC+AC à 1800 Hz et à des températures de 70 et 90°C. Ces vieillissements ont été caractérisés par des mesures de DP, de courant et de spectroscopie diélectrique. En présence de cavités millimétriques, les vieillissements ont provoqué une baisse de la tension d’apparition des DP (TADP) et une augmentation de l’amplitude des DP. Pour les minicâbles, les valeurs TADP mesurées ont été attribuées, selon le modèle proposé, à des cavités de l’ordre de 10 µm de diamètre. Les courants de conduction ont augmenté et le seuil d’apparition des charges d’espace diminué en fonction des vieillissements subis. Enfin, les caractérisations de spectroscopie diélectrique ont montré des différences de la réponse spectrale entre des vieillissements thermiques et électrothermiques. Une simulation numérique a permis d’estimer les renforcements de champ électrique sous tension DC dans des cavités sphériques et délaminations. Ces facteurs sont plus élevés que ceux utilisés sous tension AC. L’implication des charges d’espace dans les phénomènes de DP dans les cavités est discutée sur la base de ces mesures et simulations
In order to accommodate large scale renewable energy, electrical networks integrates more and more high-voltage direct current (HVDC) systems. Interface between AC and DC networks is ensured by power converters which also generate harmonics. It is known that during crosslinking process of polyethylene (XLPE), microcavities appear inside polymer matrix. This study aims to examine possible impact of these harmonics in presence of microcavities. Depending on their size and on the electrical field, partial discharges (PD) can occur in these microcavities. Two types of cables have been aged: a medium voltage AC (MVAC) cable with millimetric cavities induced artificially and a model cable with an HVDC XLPE grade. MVAC cable sections have been submitted to DC voltage under temperatures between 90 to 120°C. Model cables have been subjected to superimposed DC plus 1800 Hz AC voltages under temperatures from 70 to 90°C. Ageing have been characterized by PD, current and dielectric spectroscopy measurements. In presence of millimetric cavities, ageing have caused a decrease in PD inception voltage (PDIV) and an increase in PD magnitude. For model cable, PDIV values have been assigned, according to a proposed model, to cavities of about 10 µm in diameter. Conduction currents were increased and space charges threshold field decreased depending on ageing. Finally, dielectric spectroscopy characterisations have shown differences between thermal and electrothermal ageing. Electrical field enhancement factors under DC voltage have been estimated in various cavity geometries thanks to numerical simulations. These factors reveal to be higher than the ones used under AC voltage. Space charges involvement in PD phenomena inside cavities is discussed based on measurements and simulations

Rapporten baseras på en litteratur- och intervjustudie kring underhållsstrategier och komponentutbyten i kärnkraftverk, med fokus på komponenter som tenderar till att påverkas av åldring i en högre grad. Exemplifiering sker genom en kompletterande fallstudie kring kabel- och rörgenomföringar av typen Brattbergare som har packbitar bestående av ett polymert material. Erhållet resultat av litteratur- och intervjustudien belyser vilka säkerhetsföreskrifter som råder för all kärnteknisk verksamhet i Sverige. Utöver det erhålls information om hur åldring påverkar ett materials egenskaper över tid och att detta ligger till grund för fastställandet av ett system eller en komponents kvalificerade livslängd. I takt med att majoriteten av världens kärnkraftverk närmar sig sin ursprungligt tilltänkta livslängd och planeras underhållas för fortsatt långtidsdrift finns det ett ökat intresse för effektiva underhållsstrategier. Åldershanteringen har en avgörande roll för anläggningens lönsamhet och driftsäkerhet. Fallstudien föreslår två olika underhållsstrategier som stöds av resultatet av litteratur- och intervjustudien. Deras ekologiska påverkan och ekonomiska omfattning beaktas för att utse den metod som har störst potential att öka resurseffektiviteten och minska kostnaderna för underhållsåtgärder. Vald metod går ut på att praktiska tillståndsmätningar tillämpas för att undersöka hårdheten av packbitar till Brattbergare. Hårdhetsmätningarna syftar till att ge indikationer på i vilken grad packbitarna harpåverkats av degraderande åldringsmekanismer under olika förutsättningar. Resultatet av fallstudien överensstämmer med de resultat som noterades i litteratur- och intervjustudien. Packbitarna hårdnar när de åldras. Två miljöbetingelser som tenderar till att påskynda åldringsprocessen är förhöjda temperaturer och stråldoser. Vald metod för fallstudien är praktiskt realiserbar trots vissa begränsningar i befintliga kärnkraftsanläggningar vid Forsmark. Presenterad strategi bör kunna bistå med en ekologisk och ekonomisk optimering av underhållsarbetet för kabel- och rörgenomföringar.
This report is based on a literature study and interviews regarding maintenance strategies and component replacements in nuclear power plants. Focuses of the study are on components which tend to more commonly be affected by degrading aging mechanisms. Exemplification is done with a complementary case study about cable- and pipe transits with packing pieces made of polymeric materials. A frequently used application for cable- and pipe transits in Swedish NPPs is manufactured by MCT Brattberg AB.  Result obtained from interviews with relevant personnel’s and the literature study providing knowledge about prevailing safety regulations at Swedish nuclear facilities. Moreover, information is gained about how aging affects the features of materials over time and that it is the basis for determining the qualified lifetime of systems and components. Further on this could be of specific interest considering that the majority of the worlds NPPs are close to its intended lifetime and soon entering a phase of LTO. A proper aging management is an important factor when it comes to a safe and reliable operation of an NPP.  The case study compares two different maintenance strategies which are supported by the obtained result from interviews and the literature study. Considering ecological and economic impacts of the strategies, the one with the greatest potential to reduce negative influences are exemplified. Chosen method included practical hardness measurement with a portable durometer at packing pieces for cable- and pipe transits. Measured hardness of the packing pieces indicates at what degree which they have been affected by degrading aging mechanisms given different circumstances.   The obtained result from the two different parts of the report is corresponding to each other. Packing pieces consisting polymers hardens as they age. Elevated temperatures and higher dose rates accelerates the aging process. Represented method of the case study is practically viable at existing NPPs at Forsmark. Presented strategy should be able to assist with an ecological and economic optimization maintenance work for cable- and pipe transits.

Le phénomène de décharges partielles (DP) est considéré comme l'une des principales causes de dégradation des matériaux isolants utilisés dans l’appareillage haute tension. La mesure de DP constitue un outil d’évaluation efficace pour le contrôle et le diagnostic des systèmes d’isolation électriques. Dans la perspective de stimuler le développement des énergies renouvelables, le transport de l’énergie électrique sous courant continu est économiquement avantageux. Cependant, la relation entre les caractéristiques des décharges partielles et l'état de dégradation de l'isolation des câbles sous haute tension continue (HVDC) n'est à ce jour, pas clairement établie. Dans cette thèse, une méthodologie a été développée pour la reconnaissance de l’état de dégradation des matériaux isolants à partir de la mesure de DP sous tension continue. Plusieurs dispositifs expérimentaux ont été conçus pour la mesure de DP au sein de différents types de câbles sous HVDC. Afin de collecter des signaux utiles au diagnostic des systèmes d’isolation, les signaux parasites doivent être éliminés. La discrimination des signaux de décharges partielles des signaux de bruit a été effectuée au sein de systèmes d’isolation électriques variés, à travers l’implémentation de méthodes d’apprentissage artificiel. Une fois les bases de données exemptes de signaux parasites, des techniques d’extraction, de classement et de sélection de variables, combinées à l’utilisation de méthodes de classification, ont été mises en œuvre pour la reconnaissance de l'état de dégradation des systèmes d'isolation électrique sous DC. Des scores de reconnaissance proches de 100% ont été obtenus
Partial discharges (PD) are one of the key drivers of degradation and ageing of insulating materials used in high-voltage switchgear. Consequently, partial discharges measurement has become an essential assessment tool for the monitoring of insulation systems. Given the continuing growth of renewable energy, the transport under direct current (DC) is economically advantageous. However, the relationship between partial discharges characteristics and the degradation of cables insulation under high voltage direct current (HVDC) remains unclear. In this work, a methodology is proposed for ageing state recognition of electrical insulation systems based on PD measurements under DC. For this purpose, original measuring devices have been developed and PD measurements were performed within different cable types under HVDC. In order to ensure a reliable monitoring and diagnosis of the insulation, noise signals must be eliminated. This thesis tackles the problem of the discrimination of partial discharge and noise signals acquired in different environments by applying machine learning methods. The techniques developed are a promising tool to improve the diagnosis of HV equipment under HVDC, where the need to discard automatically noise signals with high accuracy is of great importance. Once disturbances were eliminated from the databases, ageing state recognition was performed on different cable types. The feature extraction, ranking and selection methods, combined with classification techniques allowed to obtain recognition rates up to 100%

La plupart des couches d'isolation de câbles pour la moyenne tension "MV" et haute tension "HV" sont fabriquées en polyéthylène réticulé (XLPE) par voie peroxyde. L'impact des sous-produits de réaction sur les propriétés et la nécessité d'une étape de dégazage au cours du processus sont les principaux problèmes liés à cette technologie. Cette étude se concentre sur le développement d'une méthode de réticulation alternative sans les problèmes liés aux sous-produits. Des copolymères d’éthylène/époxy ont été réticulés thermiquement en utilisant un agent aminoacide pour créer des liaisons covalentes entre les fonctions époxydes. L’influence de différents paramètres sur la cinétique de réaction tels que la température de réticulation, les proportions aminoacide/époxy, la taille des particules de l’aminoacide et la teneur en époxy dans les copolymères a été étudiée par techniques de caractérisation telles que : rhéologie dynamique, spectrométrie FTIR, microscopie à balayage électronique et calorimétrie différentielle. En outre, l'étude de la structure du réseau avant et pendant un vieillissement thermique a été effectuée par différentes techniques (mesures de gonflement, spectroscopie FTIR, propriétés de traction et thermoporosimétrie) sur deux types de réseaux : un pré-contraint et un autre non-contraint. Enfin, une caractérisation des propriétés électriques par spectroscopie diélectriques et mesures de claquage électrique a été faite. Les résultats concernant les cinétiques de réaction, les propriétés thermomécaniques et le comportement électrique ont montré que la formulation développée dans cette étude peut être utilisée pour une application de câble
Most of insulation layers of cables for medium voltage “MV” and high voltage “HV” applications are made of crosslinked polyethylene (XLPE) by peroxide technology. The impact of reaction by-products on properties and the consequential need of a degassing stage during the process are the main problems related to this technology. This study focuses on the development of an alternative crosslinking method without by-products issues. Epoxy-ethylene copolymers were thermally crosslinked by using an amino-acid agent to create covalent cross-links between epoxide functions. Influence of several parameters on kinetic reactions such as crosslinking temperature, amino acid/epoxy proportions, size particle of amino acid and epoxy content in copolymers were studied by characterization techniques such as: dynamic rheology, FTIR spectrometry, SEM microscopy and differential calorimetry. In addition, study of the network structure before and during a thermal aging was done on a pre-constrained and a non-constrained network by different techniques (swelling ratio measurement, FTIR spectroscopy, tensile properties and thermoporosimetry analysis). Finally, a characterization of electrical properties by dielectric spectroscopy and breakdown measurements was done. Results related to reaction kinetic, thermo-mechanical properties and electrical behavior have shown that the developed formulation can be used for cable application

Bei der Zustandsbewertung von Kabeln steht derzeit das Mittelspannungsnetz im Fokus der Betrachtungen. Das Mittelspannungsnetz verbindet das Hochspannungsnetz mit dem Niederspannungsnetz und nimmt damit eine besondere Bedeutung ein. Störungen in diesem Netz wirken sich direkt als Versorgungsunterbrechung auf den Letztverbraucher aus. Rund 80 bis 85 % der Versorgungsunterbrechungen resultieren aus Problemen im Mittelspannungsnetz, sodass dortige Aktivitäten den größten Hebel bei der Steigerung der Versorgungsqualität entwickeln. Mittels Zustandsbewertung von Kabeln können verdeckte Fehler aufgedeckt oder deren Alterungszustand bestimmt werden. Nicht jeder diagnostizierte Fehler führt unmittelbar zum Ausfall. Er beschleunigt jedoch die Alterung, die letztendlich zum Ausfall führt. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Identifizierung von Fehlern in Mittelspannungskabelmuffen im Zusammenhang mit der Alterung, um die Restlebensdauer auszunutzen und dem Ausfall zuvorzukommen.
By evaluating the status of cables, hidden errors can be detected or their aging condition can be determined. Not every diagnosed fault leads directly to failure. However, it accelerates aging, which ultimately leads to failure. The work deals with the identification of faults in medium-voltage cable joints in connection with aging in order to exploit the remaining life and to prevent the failure.

碩士
國立臺灣科技大學
電機工程系
93
Due to the fast growth of domestic economy, the power demand has been continuously increasing, So that, the capacity of Taiwan Power Company (TPC) existing 69 kV power supply system has not be sufficient to meet current demand, TPC is forced to upgrade the distribution power system to the upper level of 161 kV system completely for higher capacity of feeder cable and higher quality of power supply. Besides, in pursuit of nice city outlook, good power quality and reliable power supply system, the implementation of underground cabling project to replace existed overhead transmission lines will be a bruning issue for TPC. Currently, the material to be used on 161 kV underground system is the cross-linked polyethylene (XLPE). The material is inherent with good electric and mechanic performances, high flexibility, and anti-corrosions both on ozone and chemic, etc. It also has been verified as the best insulation material for 161 kV underground cable. Generally speaking, the lifetime of the underground cable can be used more than 30 years under the conditions of normal ambient temperature and electrical field., however, the lifetime can be reduced because of improper construction or aging problem is a critical matter needs to be solved as well. The thesis mainly focuses on the studies of the physical configuration and aging phenomena of 161 kV XLPE cable, through the various results of long term cycled aging test, it makes possible to analyze the root causes systematically and evolutionary changes and finally identifies all different types of aging phenomena and diagnosis techniques for further research of on-line detection.