Evaluation of Charge Trapping and Transport Phenomena in Polymer Insulation by Means of Thermally Stimulated Current Measurements

Abstract

The growing demand for electricity, together with increasing electrification and the expansion of distributed energy generation, is pushing electricity production further away from consumption centers into more demanding environments. Longer transmission distances increase the need to reduce losses, which in turn drives the adoption of higher operating voltages. High-voltage direct current (HVDC) technology offers a cost-effective solution for long-distance power transfer, but it also introduces new challenges, including the accumulation of space charge, which can deteriorate electrical performance of the insulation. These issues have created a need to develop new insulation materials and novel additives which can mitigate space charges while combining enhanced electrical properties with environmental sustainability.

The aim of this thesis was to provide a thorough literature review of the properties of polymeric insulations and to experimentally investigate the space charge behaviour of polypropylene (PP) blends using thermally stimulated depolarisation current (TSDC) method. Polypropylene blends are increasingly used as insulation materials in high-voltage direct current (HVDC) cables due to their favourable electrical and mechanical properties. The literature review, presented in Chapters 2–5, covers the structure and electrical properties of polymers, their ageing, degradation and breakdown mechanisms, as well as measurement techniques suitable for space charge characterisation. The experimental work focused on analysing the behaviour of polypropylene blends by varying TSDC measurement parameters, examining the influence of additives, and evaluating the resolution capability of the TSDC method.

Experimental results revealed that deep-trap filling becomes more pronounced once the poling time exceeds 50 minutes. Based on these findings, further studies on other polypropylene blends were recommended to determine whether similar behaviour occurs. The resolution of the measurement method was assessed using five identical parallel samples, complemented by a comparison with an additive-containing sample of the same PP blend. All five parallel samples followed a similar trend, and the additive was found to significantly reduce space charge accumulation. These results demonstrate that the applied TSDC method provides sufficient resolution for the objectives of the project.

Evaluating TSDC behaviour in samples of different thicknesses, it was found that the current intensity at the glass transition temperature was essentially independent of thickness. However, the current caused by space charges released from deep traps was weaker in thicker samples. According to the literature, this can be explained by increased recombination in thicker specimens. The addition of an additive, on the other hand, was observed to clearly reduce space charge accumulation regardless of the polymer composition or measurement parameters. This finding was further supported by net charge accumulation analysis and by PEA measurements conducted by the project partner, both of which showed consistent results.

Sähkönkulutuksen ja sähköistymisen kasvu sekä hajautettujen uusiutuvien energiantuotantomuotojen yleistyminen siirtävät sähkön tuotantoa kauemmas kulutuskohteista, usein vaativampiin olosuhteisiin. Pidemmät siirtoetäisyydet lisäävät tarvetta pienentää häviöitä, mikä ohjaa kohti korkeampia käyttöjännitteitä. Suurjännitetasasähköyhteydet (HVDC) tarjoavat taloudellisen ratkaisun sähkön siirtämiseen pitkiä etäisyyksiä, mutta tuo mukanaan uusia haasteita, muun muassa eristemateriaaleihin kertyvän avaruusvarauksen. Näiden haasteiden ratkaisemiseksi on syntynyt tarve kehittää uusia eristemateriaaleja ja lisäaineita, joissa yhdistyvät parantuneet sähköiset ominaisuudet ja ympäristöystävällisyys.

Tämän työn tavoitteena oli laatia kattava kirjallisuuskatsaus polymeerieristeiden ominaisuuksista sekä tutkia kokeellisesti polypropeenisekoitusten avaruusvarauskäyttäytymistä termisesti stimuloidun depolarisaatiovirta (TSDC) -menetelmän avulla. Lukuihin 2–5 jaettu kirjallisuuskatsaus käsittelee polymeerien rakennetta ja sähköisiä ominaisuuksia, niiden ikääntymis- ja läpilyöntimekanismeja sekä avaruusvarauksen mittaamiseen soveltuvia menetelmiä. Kokeellisessa osuudessa analysoitiin polypropeenisekoitusten käyttäytymistä vaihtelemalla TSDC-mittausparametreja, tutkimalla lisäaineiden vaikutusta sekä arvioimalla mittauksen erottelukyvyn toimivuutta.

Kokeellisissa mittauksissa havaittiin, että poolausajan pituus vaikuttaa syvien loukkujen täyttymiseen. Lisääntynyttä täyttymistä esiintyi, kun poolausaika ylitti 50 minuuttia. Näiden tulosten perusteella ehdotettiin jatkotutkimuksia myös muille polymeerisekoituksille, jotta voitaisiin varmistaa, onko loukkujen täyttymiskäyttäytyminen samankaltaista eri materiaalien välillä. Mittauksen erottelukykyä arvioitiin viidellä identtisellä rinnakkaisnäytteellä, ja tuloksia täydennettiin vertaamalla samaan polymeerisekoitukseen perustuvaa lisäaineellista näytettä. Kaikki viisi rinnakkaisnäytettä noudattivat samankaltaista trendiä, ja lisäaineen havaittiin selvästi vähentävän avaruusvarauksen kertymistä. Näiden tulosten perusteella käytetty TSDC menetelmä tarjoaa riittävän erottelukyvyn projektin tavoitteiden kannalta.

Eri paksuisten näytteiden TSDC-käyttäytymistä arvioitaessa todettiin, että lasisiirtymälämpötilassa virran intensiteetti oli paksuudesta riippumaton. Sen sijaan syvistä loukuista vapautuvan avaruusvarauksen aiheuttama virta oli paksummissa näytteissä pienempi. Kirjallisuusselvityksen perusteella tämä voidaan selittää sillä, että paksummissa näytteissä rekombinaatiota tapahtuu enemmän. Lisäaineen lisääminen puolestaan pienensi selvästi avaruusvarauksen kertymistä riippumatta näytteissä käytetyistä polymeerikomponenteista tai mittausparametreista. Havaintoa tukivat myös nettovarauskertymän vertailu ja projektikumppanin tekemät PEA-mittaukset, jotka osoittivat samankaltaisia tuloksia.