D’ençà que el polietilè reticulat (XLPE) es va començar a utilitzar com aïllament elèctric per cables de subministrament elèctric, s’han destinat molts esforços a l’estudi de les propietats dielèctriques del polietilè i l’efecte que la càrrega d’espai té sobre el seu comportament. En aquest sentit, les corrents de despolarització estimulades tèrmicament (TSDC) s’han utilitzat extensament per estudiar les relaxacions de càrrega d’espai. Aquesta tècnica ha demostrat tenir prou resolució per distingir diferències en aïllaments de XLPE amb composicions o processos de fabricació diferents. En aquesta tesi, els mecanismes de conducció dels aïllaments XLPE de cables de mitjana tensió (MV) han estat estudiats per TSDC i diverses tècniques complementàries, com l’anàlisi dinàmica elèctrica (DEA), les corrents d’absorció/resorció (ARC), el pols electroacústic (PEA) i les corrents de despolarització isotèrmiques (IDC). Altres tècniques, com l’espectroscòpia d’infrarojos (FTIR) o la difracció de raigs X, han estat també utilitzades per caracteritzar el material. S’han obtingut espectres TSDC per diferents mostres de cable, les quals en condicions de servei treballen en un rang de tensió AC de 12 a 20kV i a temperatures al voltant dels 90ºC. D’altra banda, s’han realitzat mesures de la conductivitat per ARC i DEA en mostres de cable, en cilindres de XLPE i en films. Les mesures s’han dut a terme a temperatures pertanyents al rang de fusió del XLPE (50–110ºC), en mostres sotmeses a aquestes temperatures durant diferents períodes de temps. Els resultats mostren diferències importants entre el comportament de les propietats conductives de les mostres de cable amb pantalles semiconductores (SC) i sense (cilindres de XLPE). El comportament observat ha estat explicat mitjançant la coexistència de dos mecanismes de conducció. La difusió d’impureses des de les pantalles SC determina el comportament d’una d’aquestes contribucions a mig i llarg termini. Els resultats obtinguts per FTIR són consistents amb aquest model. Respecte la microestructura, tant les mesures DSC com la difracció per raigs X mostren que existeixen processos de recristal•lització quan les mostres són sotmeses a temperatures ubicades dins del rang de fusió. Els electrets formats mitjançant el mètode de la polarització per finestres (WP) mostren una descàrrega TSDC amb un ample pic heteropolar en el rang de fusió, amb el màxim al voltant dels 105ºC. En treballs previs, aquest pic es va associar a la fusió de la fracció cristal•lina. Tanmateix, en lloc de decréixer quan la temperatura de polarització augmenta, el pic presenta una temperatura de polarització òptima al voltant de 90-95ºC. Aquest comportament ha estat explicat tenint en compte els processos de recristal•lització que es produeixen quan el material es polaritza isotèrmicament. Durant la recristal•lització, una nova fracció cristal•lina creix en un estat polaritzat degut el camp aplicat, i origina una corrent de despolarització quan es fon durant la mesura TSDC. Amb l’objectiu de determinar l’origen d’altres pics que apareixen en l’espectre TSDC del XLPE, s’han emprat les IDC com a tècnica complementària. Les corrents IDC obtingudes de mostres no tractades es poden representar com la combinació de dues contribucions diferenciades: un terme que és una funció potencial del temps i un d’exponencial. La segona relaxació es correspon amb un pic TSDC que apareix a 95ºC. D’aquesta manera s’ha pogut determinar l’origen dipolar del pic. Finalment, mitjançant la tècnica PEA s’ha obtingut la distribució de la càrrega d’espai en mostres polaritzades que havien estat sotmeses a diferents tractaments tèrmics. S’ha observat un comportament transitori tant per PEA com per TSDC. Tanmateix no s’ha pogut establir cap relació directa entre les descàrregues TSDC i mesures PEA. En conseqüència, s’ha proposat una explicació per les corbes TSDC que considera mecanismes que no són detectables en els perfils de càrrega obtinguts per PEA / Since cross-linked polyethylene (XLPE) started to be used as electrical insulation for power cables, much research has been focused on polyethylene dielectric properties and the effect of the space charge on its behavior. In this sense, thermally stimulated depolarization currents (TSDC) have been widely used to study space charge relaxation. This technique has proved to have enough resolution to determine differences in charge trapping properties among XLPE insulations with different composition and manufacturing processes. In this thesis work, the conduction mechanisms of medium voltage (MV) cable XLPE insulation have been studied by TSDC and several complementary techniques, such as dynamic electrical analysis (DEA), absorption/resorption currents (ARC), pulsed electroacoustic (PEA) and isothermal depolarization currents (IDC). Other techniques, like Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy or X-ray diffractometry, have been used to characterize the material. TSDC spectra have been obtained for different cable samples, which in service conditions work under AC voltages ranging from 12 to 20kV and at temperatures around 90ºC. On the other hand, conductivity measurements by ARC and DEA have been performed in cable samples and in XLPE cylinders, as well as XLPE films. Measurements have been carried out at temperatures within the melting temperature range of XLPE (50–110ºC) on samples annealed at such temperatures during several annealing times. Results show significant differences in the behavior of the conductive properties of XLPE cable samples with semiconducting (SC) screens and without them (XLPE cylinders). The observed behavior has been explained by the coexistence of two conduction mechanisms. Diffusion of impurities from SC screens determines the medium and long-term behavior of one of these contributions and, hence, of cable conductivity. FTIR results are consistent with this model. With respect to microstructure, DSC and X-ray diffractometry results show that recrystallization processes exist when samples are annealed in the melting range of temperatures. Electrets formed by means of the windowing polarization method (WP) showed a TSDC discharge with a wide heteropolar peak in the melting temperature range, and with the maximum at about 105ºC. This peak was associated with the melting of the crystalline fraction in previous works. However, in spite of decreasing with the temperature of polarization, an optimal polarization temperature around 90–95ºC is found. This behavior has been explained by taking into account recrystallization processes when the insulation is isothermally polarized. During recrystallization, the new crystalline fraction grows in a polarized state due to the applied electric field, and it causes the depolarization current when it melts during the TSDC measurement. Results obtained from different experiments are consistent with this assumption. With the aim to find out the origin of other TSDC peaks present in the spectrum of XLPE cable samples, IDC has been used as complementary technique. IDC currents obtained from as-received cable samples at temperatures close to service conditions can be considered as the combination of two different contributions: a power law current and a stretched exponential contribution. The last relaxation process has been successfully associated with with a TSDC peak found at 95ºC. By this way the dipolar origin of the peak has been determined. Finally, PEA measurements have provided the space charge distribution profiles of polarized samples with different annealings. A transient behavior has been observed in both PEA and TSDC measurements. However, no straightforward relation between TSDC discharges and space charge detected by PEA can be established. Therefore, an explanation for TSDC curves has been proposed, which considers mechanisms that are not noticeable in charge profiles obtained by PEA.

The conductivity is one of the main properties of HVDC cable insulation materials and needs to be evaluated carefully. Since measurement on cables is time consuming, often thin specimens and normal conductivity measurement cells are used to compare the materials. In this way however, the bulk effects will be less represented in the measurement and the results will be less representative. Instead, one needs to perform the measurements on thick plate samples and with higher voltage levels. This work focuses on the conductivity measurements on thick HVDC insulation plate samples subject to a high electric field and carefully controlled conditions. In the literature, there are many different methods of measuring the leakage current such as dielectric spectroscopy, PD, IV and PEA measurements. In this thesis a three electrode setup is used to measure the leakage current where the electrodes are placed inside the oven.  This is to be able to control both temperature and high voltage under similar and different conditions where it is possible to change these two parameters during measurement. This was made by two Labview programs; one for creating a schedule and one control program which controls the equipment in the cell.  The task was to make sure that the cell functioned by obtaining repeatable and reasonable measurements.  The results that were obtained were reasonable and verified that the cell functioned. The executed measurements were performed in order to achieve a better understanding of error factors in the measurement system, ranging from preparing the sample to measuring the leakage current. The purpose with the cell is it to investigate the quality of the HVDC insulation by conductivity measurements on millimetre thick plate samples. / Den elektriska konduktiviteten är en av de viktigaste egenskaperna av HVDC kablars isolationsmaterial, XLPE, och den måste utvärderas noggrant. Mätning på fullskaliga kablar är tidskrävande och för att jämföra material används istället ofta tunna prover och normerade konduktivitetmätningsceller. En nackdel med denna metod är att bulkeffekterna blir mindre framträdande i mätningen och resultaten kommer att vara mindre representativa. Istället måste man utföra mätningen på tjockare prover och vid högre spänning. Detta examensarbete fokuserar på mätning av ledningsförmåga hos tjocka HVDC- isolationsprover under noggrant kontrollerade förhållanden och starka elektriska fält. I litteraturen finns det många olika metoder att mäta läckströmmar på, till exempel dielektrisk spektroskopi, PD, IV och PEA mätningar för att nämna några. I denna avhandling kommer ett tre-elektrod system att användas där en temperatursensor är monterad på ena elektroden. Systemet används för att både mäta läckströmmar och temperatur vid provet. Detta gör det möjligt att kontrollera temperatur och spänning oberoende av varandra vilket gjordes med hjälp av två Labview program. Det ena för att skapa ett schema och det andra användes som kontrollprogram för att styra utrustningen i cellen. Uppgiften var att kontrollera cellens funktion genom att erhålla rimliga repeterbara mätningar. Mätningarna gav rimliga resultat vilket indikerade att cellen fungerar tillfredställande. Syftet med mätningarna var att få en bättre förståelse för felfaktorer i mätsystemet som kan vara allt från att förbereda provet till att mäta läckström. Syftet med cellen är att undersöka isolationsegenskaperna på millimetertjocka pressade XLPE prover.

Our research focuses on re-using a waste a material, cross-linked polyethylene abbreviated XLPE, which is a widely used coating for wires. XLPE is strong and has excellent thermal properties due to its chemical structure - what leads to the significance of recycling this valuable polymer. Properties of XLPE include good resistance to heat, resistance to chemical corrosion, and high impact strength. A wire is usually composed of a metal core conductor and polymeric coating layers. One creates a new coating, including little pieces of recycled XLPE in the lower layer adjacent to the wire, and virgin XLPE only in the upper layer. Industries are often wasting materials which might be useful. Mostly, some returned or excess products could be recycled to create a new type of product or enable the original use. This method helps cleaning the waste, lowers the costs, and enhances the income of the manufacturing company. With the changing of the thickness of the outer layer, the roughness changes significantly. Moreover, different processing methods result in surfaces that look differently.

Detta examensarbete utfördes vid Bodens Energi Nät AB under våren 2017 och behandlar mätmetoder och olika tester som kan utföras på markförlagd kabel för kontroll av tillståndet på exempelvis isolation, mantel och skarvar. Bakgrunden till arbetet är att man inom Bodens Energi Nät har ett flertal kilometer kabel på mellanspänningsnivå 20 kV. En stor del av kablarna är isolerade med tvärbunden polyeten, PEX och härstammar från 1970 och 1980-talet. Dessa kablar har i efterhand visat sig ha problem med vattenträd, vilket kan beskrivas som trädliknande strukturer som uppstår i en kabels isolation på grund av fukt och orenheter när dessa blir utsatta för kraftigare elektriska fält. Problem med vattenträd i kablar leder efter en tid, ofrånkomligen till genomslag i isolationen med påföljande jordfel.  Syftet med denna rapport är att undersöka och kartlägga olika tillståndsbedömningsmetoder för kraftkabel avsedd för 12/24 kV-nät. Rapporten avser att vara en metodbeskrivning för de vanligaste diagnostiska mätmetoder samt redogör för dess för- och nackdelar. Följande frågeställningar ämnas besvaras: Vilka metoder finns tillgängliga för tillståndsbedömning av mellanspänningskabel och vilka egenskaper är mätbara? Vad har respektive mätmetod för svagheter och styrkor samt vilka begränsningar finns det? Finns det möjlighet att utföra mätningar på en kabel i drift eller måste den tilltänkta kabelsträckan frånskiljas den övriga anläggningen?Om mätningar kan utföras på en kabel i drift, vilka metoder gäller detta? Rapporten bygger till största del på en litteraturstudie där mycket av informationen är hämtad ifrån standarder, handböcker och guider. Rapporten behandlar dels allmän information om kraftkablar samt PEX-kabelns konstruktion vilket bör kännas till för att kunna tillgodogöra sig informationen på bästa sätt. Vidare avhandlas åldringsmekanismer för PEX-isolerad kabel. Metoderna som presenteras i rapporten omfattar bland annat; mantelprovning, hållprov med olika typer av spänning, mätning av den dielektriska förlustfaktorn tan delta samt mätning av partiella urladdningar, PD. I kapitel 5 presenteras mätresultat från ett antal olika tan delta-mätningar samt en mätning av partiella urladdningar, vidare ges en kortare förklaring till mätresultaten. Vid mätning av de dielektriska förlusterna fås information om isolationens totala skick. Mätning av partiella urladdningar (även kallat glimning) ger information om var eventuella ojämnheter och håligheter finns. Det är dock viktigt att komma ihåg att de metoder som finns måste anpassas till den kabel som avses mätas eftersom det inte går att identifiera alla typer av defekter och fel med hjälp av endast en metod. Metoderna bör användas som diagnostiska hjälpmedel som i sin tur ger fingervisningar om kabelanläggningens totala tillstånd. De är därmed inte att betrakta som en definitiv bekräftelse avseende funktionsdugligheten för kabeln. / The work in this bachelor’s thesis was conducted at Bodens Energi Nät AB during the spring of 2017. The report describes common methods available for testing and diagnostic measurements of electric power cables. Bodens Energi Nät manages a medium voltage power grid which consists of around 700 kilometers of power lines and about 200 kilometers of cables. A large part of these cables have an insulating layer consisting of cross-linked polyethylene (XLPE) and originates from the 1970s and the 1980s. These particular XLPE cables have a higher than normal tendency to develop problems with water trees. Water trees can be described as tree-shaped structures forming inside the insulating layer of the cable in the presence of an electrical field and water. Issues with water trees leads to local degradation of the dielectric material in the cable and usually ends with a phase-to-ground fault. The purpose of this thesis is to examine and describe different methods for diagnostic measurements of medium voltage cables. Through the use of a literature study the following questions will be answered: Which methods are available for diagnostic measurements and what properties can be measured? What are the strengths and weaknesses for each of these methods? Can measurements be performed on cables on-line or is it required to disconnect the cables from the grid before any measurements can be performed?In the case of on-line testing, which methods does this apply to?  The overall disposition of this thesis starts with a general description of power cables including XLPE cables, as well as aging mechanisms in extruded cables. Subsequent chapters describes testing methods such as cable sheath testing, hipot testing using different types of voltages, measurements of the dielectric dissipation factor tan , as well as partial discharge testing.  Chapter 5 discloses the results from some different tan  measurements including a partial discharge measurement. A short description and explanation is included with every figure.  Measuring the dielectric dissipation factor yields information about the total condition of the insulation. Partial discharge offers information regarding the location of irregularities, cavities and impurities within the insulation. It is important to have in mind that each of these methods on its own will not be able to identify all types of defects. Therefore it may be required to carry out several measurements using different types of methods in order to get a general idea of the condition of the cable. Methods for cable diagnostic measurements should be seen as a tool to get an estimate about the total condition of a power cable and is not considered a fail safe way to determine the operational ability.