Structure-property relationships of insulation materials for high voltage cables

In order to achieve the challenge of 1MV in extra high (DC) voltage cables, new insulating materials are required, whose properties should meet lower electrical conductivity, higher breakdown strength and controlled space charge accumulation than the conventional polymers used nowadays. Nanocomposite materials of polyethylene/polypropylene and blends mixed with carbon allotropes having nanometric dimension have shown to be a feasible approach for the next generation of insulating materials in high voltage direct current application. In this work composite materials made of Polyethylene (LDPE and XPLE) or polypropylene-based blends mixed with carbon allotropes, not prevalently nanometric, such as: carbon black (by furnace process), carbon black (by acetylene process), graphite and nanotubes, which were functionalized with dodecyl pyrrole or octadecyl pyrrole, were studied and characterized by electrical, mechanical, thermodynamical and thermal point of view. The functionalization reactions were studied by DSC showing for all of them an exothermic peak compatible with an oxidation followed by Dies-Alder reaction which was in good accordance with literature studies (77). The functionalized fillers showed retained crystalline structure, slightly lower surface area dependent on the amount of functionalizing agent and retained degradation temperature. The composite materials showed, in certain filler concentration, lower electrical conductivity (up to two orders of magnitude), retained crystalline structure, higher or retained crystallinity percentage, slightly lower melting temperature, higher crystallization temperature, higher degradation temperature, better mechanical properties, retained or slightly lower storage permittivity and retained loss permittivity. To the light of the observed properties is believed that the composite materials with functionalized fillers showed higher filler dispersion degree, better homogeneity, low particle agglomeration and better polymer-filler interactions than the polymer matrix with the filler not functionalized; the fillers homogeneously dispersed within the polymer matrix added deep electronic traps (75), which strongly reduced the electrical conductivity values. In the last chapter of this thesis the impact on the crosslinking process of the thermal and energetical optimization of the crosslinking lines (Long Length Die) for HV and EHV cables were studied. The process of crosslinking that occurs in LLD is controlled by two transformers, which use between 9-10kA of energy and represent the 20% of the total plant energy consumption in a year. Unfortunately, part of the energy employed into the crosslinking process is lost as energy radiation and convection due to LLD exposure to the environmental conditions. Therefore, part of that lost energy can be recovered using a particular cover with a radiation reflective insulated layer which reduce those losses and reduce the amount of energy needed, having a lower environmental impact, and saving costs. Consequently, a process simulation was conducted adding a cover on LLD to assess how this can affect the global process, that the final product is still of high quality and that the process parameters remain in their range. The results showed that the energy saving expected is up to 50%, which means 792MWh and a cost saving per year of 285120 euro. The costs for realizing the project (150000 euro in 2021) are lower than the costs saving per year estimated, therefore, it is expected a return of investment in less than 1 year.

Per raggiungere la sfida di 1MV nei cavi ad altissima tensione (DC), sono necessari nuovi materiali isolanti, le cui proprietà devono soddisfare i seguenti requisiti: una minore conduttività elettrica, una maggiore resistenza alla rottura e un accumulo controllato di cariche spaziali rispetto ai polimeri convenzionali utilizzati attualmente. I materiali nanocompositi di polietilene/polipropilene e blend mescolate con allotropi di carbonio di dimensioni nanometriche hanno dimostrato di essere un approccio fattibile per la prossima generazione di materiali isolanti nelle applicazioni in corrente continua ad alta tensione. In questo lavoro sono stati studiati e caratterizzati dal punto di vista elettrico, meccanico, termodinamico e termico materiali compositi costituiti da polietilene (LDPE e XPLE) o da blenda base di polipropilenica miscelati con allotropi di carbonio, non prevalentemente nanometrici, quali: Carbon black (mediante furnace process), Carbon black (da acetilene), grafite e nanotubi, funzionalizzati con dodecilpirrolo o ottadecilpirrolo. Le reazioni di funzionalizzazione sono state studiate mediante DSC, mostrando per tutti un picco esotermico compatibile con un'ossidazione seguita da una reazione Dies-Alder, in buon accordo con gli studi di letteratura. I filler funzionalizzati hanno mostrato un'area superficiale leggermente inferiore in funzione della quantità di agente funzionalizzante, una struttura cristallina temperatura di degradazione simile ai materiali non funzionalizzati. I materiali compositi hanno mostrato, in determinate concentrazioni di filler, una minore conducibilità elettrica (fino a due ordini di grandezza), temperatura di fusione leggermente più bassa, temperatura di ricristallizzazione leggermente più alta, simile struttura cristallina rispetto al polimero di partenza, migliori proprietà meccaniche, più bassa storage permittivity e simile loss permittivity. Alla luce delle proprietà osservate si ritiene che i materiali compositi con cariche funzionalizzate abbiano mostrato un più alto grado di dispersione delle cariche, una migliore omogeneità, una bassa agglomerazione di particelle e migliori interazioni polimero-riempitivo rispetto alla matrice polimerica con le cariche non funzionalizzate; le cariche omogeneamente disperse all'interno della matrice polimerica hanno aggiunto profonde trappole elettroniche che hanno fortemente ridotto i valori di conducibilità elettrica. Nell'ultimo capitolo di questa tesi è stato studiato l'impatto sul processo di reticolazione dell'ottimizzazione termica ed energetica delle linee di reticolazione (Long Length Die) per cavi HV e EHV. Il processo di reticolazione che avviene nell'LLD è controllato da due trasformatori, che utilizzano tra i 9 e i 10kA di energia e rappresentano il 20% del consumo energetico totale dell'impianto in Delft per un anno. Purtroppo, parte dell'energia impiegata nel processo di reticolazione viene persa sotto forma di radiazione e convezione a causa dell'esposizione dell'LLD alle condizioni ambientali. Pertanto, parte dell'energia persa può essere recuperata utilizzando una particolare copertura con uno strato isolato che riflette le radiazioni e che riduce tali perdite e la quantità di energia necessaria, ottenendo così un minore impatto ambientale e un risparmio sui costi. Di conseguenza, è stata condotta una simulazione del processo con l'aggiunta di una copertura sull'LLD per valutare come questo possa influenzare il processo globale, che il prodotto finale sia ancora di alta qualità e che i parametri del processo rimangano nel loro intervallo.