Analysis of the effect of air gaps on the electric field in the insulation material of high voltage transmission cables

Abstract

High voltage (HV) cables are widely used in the transmission and distribution of electrical energy. The design and manufacture of these cables with great precision are of great importance for power systems. Mistakes made during the manufacturing phase and defects that may occur in the structure of the cable material can cause premature aging and continuous malfunctions in the cables. Factors such as air gaps, foreign substances, and moisture in the insulating material may cause punctures and insulation problems in high voltage cables. In this study, the effects of air gaps left as manufacturing defects on the electric field distribution in the insulation of high voltage cables used in power systems were investigated. The effects of 154 kV high voltage cable, the air gap in different coordinates, and diameters in the insulating layer on the electric field distribution in the cable have been investigated. For this analysis, the Finite Element Method (FEM) and ANSYS@Workbench program which realizes a solution based on this method were used. It has been found that the diameter and location of the air gap significantly affect the electric field distribution of the high voltage cable.

Elektrik enerjisinin iletimi ve dağıtımında yüksek gerilim (YG) kabloları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu kabloların tasarım ve imalatlarının büyük bir hassasiyetle gerçekleştirilmesi güç sistemleri için büyük önem teşkil etmektedir. İmalat aşamasında yapılan hatalar ile kablo malzemesinin yapısında oluşabilecek bozukluklar, kablolarda erken yaşlanma ve sürekli arızalara neden olabilmektedir. Yalıtkan malzeme içerisinde hava boşlukları, yabancı maddeler ve nem gibi etmenler yüksek gerilim kablolarında delinmeye ve yalıtım sorunlarının meydana gelmesine neden olabilmektedir. Bu çalışmada, güç sistemlerinde kullanılan yüksek gerilim kablolarının yalıtımında, imalat hatası olarak bırakılan hava boşluklarının elektrik alan dağılımı üzerindeki etkileri incelenmiştir. 154 kV’luk yüksek gerilim kablosunun, yalıtkan tabakasında farklı koordinatlarda ve çaplardaki hava boşluğunun kablodaki elektrik alan dağılımı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu analiz için Sonlu Elemanlar Yöntemi ve bu yönteme dayanarak çözüm gerçekleştiren ANSYS@Workbench programı kullanılmıştır. Hava boşluğu çapının ve konumunun yüksek gerilim kablosunun elektrik alan dağılımına önemli ölçüde etki ettiği görülmüştür.