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Enhancing the effectiveness of DC-PD measurements on polymer insulated cable systems by use of pulsed X-ray

Elben, Andreas Dean

FG Hochspannungstechnik

The growing utilization of High-Voltage Direct Current (HVDC) systems in the transmission grid leads to an increased demand for reliable DC cable systems where overhead lines can not or shall not be used. Prominent examples of the latter are the planned SuedLink and SuedOstLink HVDC corridors in Germany. By decision of the federal government in 2015, these shall be constructed using mostly HVDC cables in order raise public acceptance. A HV cable is a costly asset that can be critically damaged if an electric breakdown occurs during its lifetime. To ensure the HV cable’s withstand capability to voltage stress, different high voltage tests are defined in the relevant standards which can be applied during development, production, installation and operation of the cable system. For HVAC cables, partial discharge (PD) measurement proved itself to be a valuable addition to AC voltage tests by drastically increasing the probability of finding localized insulation defects. As HV cables themselves are generally manufactured to a high quality standard, insulation defects mostly arise as a result of bad workmanship during assembly on-site. Prior laboratory investigations on HVDC cables with artificial assembly defects led to the conclusion, that the DC-PD activity of these defects is very limited. It is to be expected, that PD measurements on polymer insulated cables under DC voltage are generally less effective than under AC voltage of comparable voltage magnitude. When applied correctly, ionizing radiation is known to significantly increase the PD activity of void-type defects in cast gas-insulated switchgear (GIS) insulators when tested with AC voltage. It can thereby increase the effectiveness of an ongoing PD measurement. This approach was adopted in order to increase the PD activity of a defective HVDC cable system, subjected to DC voltage stress under laboratory conditions. The cable was prepared with different assembly defects which reflected severe mistakes that could occur during the on-site jointing process. Low dose X-ray pulses were applied by radiating through the joint body with a portable X-ray generator. Vital parameters like the PD inception voltage, PD repetition rate and single pulse magnitude were recorded. To put the performance of X-ray stimulation as a technique to increase PD activity into perspective, these measurements were furthermore conducted at different cable temperatures. Additionally, the time between X-ray and PD occurrence was analyzed in order to define a time window in which PDs can be considered as being triggered by X-ray. It was shown that it is possible to force an instantaneous discharge of a suitable pre-charged insulation defect with a X-ray pulse. It was also shown that this pre-charged state must be relatively close to the point of spontaneous PD occurrence. A temperature rise of 10 °C generally had a stronger effect on PD inception voltage and PD repetition rate than X-ray stimulation.
Der stetige Ausbau von Systemen zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) in Übertragungsnetzen führt zu einem wachsenden Bedarf an verlässlichen HGÜ-Kabelsystemen dort, wo Freileitungen nicht eingesetzt werden können oder sollen. Prominente Beispiele für letzteres sind die geplanten SuedLink und SuedOstLink HGÜ-Korridore in Deutschland. Per Beschluss der Bundesregierung im Jahr 2015 (§3 Bundesbedarfsplangesetz), sollen diese vorrangig als HGÜ-Kabelverbindungen realisiert werden, um die Akzeptanz seitens der Bevölkerung zu erhöhen. Solche Kabelsystem sind kostspielige Betriebsmittel, die im Falle eines Versagens ihrer elektrischen Isolierung allein durch die in ihnen gespeicherte Energie stark beschädigt werden. Um die elektrische Spannungsfestigkeit eines Kabelsystems sicherstellen zu können, sind in den relevanten Standards verschiedene Hochspannungstests im Zuge der Entwicklung, der Produktion, der Installation und des Betriebs definiert. Für Hochspannungs-Drehstromkabel hat sich die Teilentladungsmessung (TE-Messung) als wertvolle Ergänzung zu diesen Tests behauptet, da sie die Wahrscheinlichkeit drastisch erhöht, lokale Defekte in der Isolierung zu finden. Moderne Hochspannungskabel werden unter streng kontrollierten Bedingungen gefertigt, und solche Defekte treten meist nur durch schlechte Montagearbeit während der Kabelinstallation vor Ort auf. Zu Beginn dieses Projekts durchgeführte Untersuchungen an Kabeln mit künstlichen Montagefehlern ergaben, dass selbst bei hohen DC-Prüfspannungen die Teilentladungsaktivität dieser Defekte sehr begrenzt war. Es ist allgemein davon auszugehen, dass TE-Messungen an kunststoffisolierten Hochspannungskabeln unter Gleichspannung weniger aussagekräftig sind als unter Wechselspannung vergleichbarer Spannungshöhe. Ionisierende Strahlung kann die Teilentladungsaktivität von Lufteinschlüssen in GIS-Isolatoren bei Wechselspannungsprüfungen signifikant erhöhen. Dies steigert die Effektivität einer etwaigen TE-Messung. In der hier dargelegten Forschungsarbeit wird dieser Ansatz im Zuge von TE-Messungen an einem Gleichspannungskabelsystem unter Laborbedingungen untersucht. Dieses Kabelsystem wurde mit verschiedenen Montagefehlern präpariert und anschließend TE-Messungen bei Gleichspannung unterzogen. Während dessen wurden schwache Röntgenimpulse mittels eines tragbaren Röntgenblitzgerätes appliziert. Die resultierende Teilentladungsaktivität wurde dabei anhand der TE-Einsetzspannung, TE-Wiederhohlrate und Einzelimpulsladung bewertet. Da die DC-Teilentladungsaktivität ebenfalls eine Abhängigkeit von der Kabeltemperatur aufwies, wurden diese Messungen bei verschiedenen Temperaturen wiederholt. Dies erlaubt eine relative Vergleichbarkeit von Röntgenstimulation und Temperaturänderung hinsichtlich ihrer Einflüsse auf die Teilentladungsaktivität. Nebst den drei genannten TE-Parametern wurde zusätzlich die Zeitdauer zwischen dem Einsetzen von Röntgenimpulsen und Teilentladungen gemessen. Hierdurch konnte eine Zeitschwelle definiert werden, mit der ein Teilentladungsimpuls entweder als ”spontan” oder als ”röntgenstimuliert” klassifiziert wurde.