Vliv vysokofrekvenčního napěťového zkreslení na vysokonapěťové kabelové soubory

Abstract

Dizertační práce se zabývá dopady vysokofrekvenčních zkreslení v elektrických sítích na izolaci vysokonapěťových kabelových souborů. Harmonická zkreslení v řádech několika kilohertz pochází ze spínacích procesů stále se častěji vyskytujících zařízení s výkonovou elektronikou. Tato zkreslení jsou superponována na síťové sinusové napětí, čímž mohou vytvářet nový typ trvalého přepětí v distribučních sítích. Hlavním cílem této práce je zhodnotit rozsah vlivu takovýchto napěťových zkreslení na reálné a poměrně složité izolační systémy vysokonapěťových kabelových souborů. Dosud publikované výzkumy byly převážně zaměřeny na zkoumání samotných izolačních materiálů a nikoli na komplexní izolační systémy. Tato práce poskytuje ucelený pohled na danou problematiku. Na úvod je v práci popsán princip vzniku a rozsah výskytu vysokofrekvenčních zkreslení v energetických systémech. Následuje podrobný přehled a popis degradačních procesů a stárnutí polymerních materiálů při vysokofrekvenčním a kombinovaném napěťovém namáhání. První část vlastního výzkumu je zaměřena na zjištění skutečného tvaru vysokofrekvenčního zkreslení, které se může objevit v reálných distribučních sítích. Za tímto účelem byla vytvořena numerická simulace instalace velké fotovoltaické elektrárny v distribuční síti, která je typickým příkladem použití výkonové elektroniky větších výkonů. Dále je popsáno speciální testovací pracoviště, které bylo vybudováno za účelem realizace dlouhodobého stárnutí vysokonapěťových izolačních systémů. Testovací obvod umožňuje generovat kontinuální napěťové namáhání s možnou superpozicí vysokofrekvenčních komponent a současně zvýšené tepelné namáhání. Na závěr je prezentována experimentální část výzkumu, která zjišťuje dopady vysokofrekvenčního zkreslení napětí na izolační systémy. Pro tyto potřeby byly z komerčně dostupného vysokonapěťového kabelu s izolací ze zesítěného polyetylenu (XLPE) připraveny vzorky reálných kabelových souborů. Každý vzorek kabelu měl namontované dvě kabelové koncovky stejného typu, přičemž bylo vybíráno ze dvou různých typů koncovek. Jedna skupina vzorků byla poté vystavena zrychlenému stárnutí za přítomnosti vysokofrekvenčního zkreslení. Druhá skupina vzorků byla podrobena stejnému stárnutí, avšak jen při sinusovém napěťovém namáhání. Všechny vzorky kabelových souborů byly před a během procesu zrychleného stárnutí měřeny a diagnostikovány za účelem zhodnocení stavu izolace (měření částečných výbojů, měření ztrátového činitele, měření průrazného napětí, rentgenové skenování).. Poté byly výsledky jednotlivých měření mezi sebou porovnány a diskutovány s cílem vyjádřit míru vlivu vysokofrekvenčního zkreslení napětí na rychlost stárnutí vysokonapěťových kabelových souborů.

The thesis addresses the impacts of high-frequency voltage distortions in power systems on the insulation of medium voltage cable systems. Originating from the switching processes of the ever-expanding power electronic devices, high-frequency components in the range of several kilohertz are superimposed on power frequency sinusoidal voltage and may cause a new type of continuous overvoltage in present power systems. The main aim of this thesis is to evaluate the extent of the influence of such real voltage distortions on complex medium voltage cable systems. Currently published researches on this topic have been focused mostly on the investigations of material samples and not on complex insulation systems. This thesis thus strives to present a complex investigation of the discussed issue. At first, an extensive summary of the occurrence of high-frequency voltage distortion in power systems is stated. The detailed overview of degradation and aging processes in polymeric insulation materials under high-frequency and combined voltage stresses follows. The first part of the investigation is focused on determining the real shape of high-frequency voltage distortion, which may occur in actual power systems. Since large photovoltaic power plants are typical installations of large power electronic devices, the numerical simulation of one such installation has been created. Further, a specialized test site, which was constructed for long-term accelerated aging of medium voltage insulation systems, is described. The realized test circuit was able to generate continuous combined power frequency and high-frequency voltage stresses with concurrent elevated thermal stress. Finally, the experiment, which was designed to determine the effect of high-frequency distortion phenomenon, is presented. For the experimental purposes, samples of actual cable systems were prepared from a commercial medium voltage cable with cross-linked polyethylene (XLPE) insulation. Different cable samples were assembled by pairs of the same cable terminations of two different types. One group of cable samples was subjected to accelerated aging tests with high-frequency voltage distortion. Another group of cable samples was exposed to the same aging tests, but without high-frequency components. Diagnostic and monitoring measurements (partial discharges, dissipation factor, breakdown voltage tests, X-Ray scanning) were carried out during and after the aging tests to evaluate the condition of insulations. Subsequently, the individual results were compared and discussed in terms of the effect of high frequency-voltage distortion on the aging rate of medium voltage cable systems.