Computational modelling of the chemical phenomena in partial discharges

Polyethylene is one of the simplest polymeric materials used in electric power industry due to its low cost and effective dielectric features. For instance, it is largely used in high voltage electric power cables. Unfortunately, this material undergoes wear and ageing. Using AC power supplies, one of the main causes of deterioration is the treeing, i.e. a series of internal cavities formed in the polymeric matrix. The dielectric strength within the cavities is low and this triggers the occurring of internal discharges which propagates the treeing itself. In order to improve the correlation between measures and ageing conditions, we aim to estimate, by means of first-principles calculations, a series of physico-chemical parameters. The latter are often very uncertain and play a key role in the modelling of internal discharges based on PDE. Most of the unknown parameters are strictly related to chemical processes. Therefore, the purpose of this work is to outline a significant part of the chemical mechanisms involved in internal discharges and treeing process, for estimating the related parameters. In particular, we focus on: discharge triggering through Schottky effect, plasma chemistry, surface-gas interactions for chemical ageing and successive carbon layer formation.

Il polietilene è uno dei materiali polimerici più semplici usato nell'industria elettrica a causa del suo basso costo ed efficaci proprietà dielettriche. Per esempio, è largamente usato nei cavi dell'alta tensione. Sfortunatamente, questo materiale subisce usura e invecchiamento. In regime AC, una delle maggiori cause di deterioramento è il treeing, ossia una serie di cavità interne formate nella matrice polimerica. La rigidità dielettrica all'interno delle cavità è bassa, e questo innesca una serie di scariche interne che propaga il treeing stesso. Per migliorare la correlazione tra le misure e le condizioni di invecchiamento, vogliamo stimare, per mezzo di calcoli da principi primi, una serie di parametri chimico-fisici. Questi ultimi sono spesso sconosciuti, e giocano un ruolo chiave nella modellazione delle scariche interne mediante equazioni differenziali alle derivate parziali. La maggior parte dei parametri sconosciuti è strettamente legata ai processi chimici. Quindi, lo scopo di questo lavoro è descrivere una parte significativa dei meccanismi chimici coinvolti nelle scariche interne e nel treeing, per stimare i relativi parametri. In particolare, ci concentriamo su: innesco di scarica trami effetto Schottky, chimica del plasma, interazioni gas-superficie per l'invecchiamento chimico e successiva formazione di uno strato di carbonio.