Voids effect on the electro-mechanical behaviour of XLPE insulation layer of Hi-voltage composite power cable

Offshore wind farms have become a key source of carbon-free renewable energy and their role in contrasting climate change is emerging. Still, mass adoption of this technology has been hindered by high operational costs and technical difficulties for construction and maintenance of the plants and power transmitting systems. The harshness of the submarine environment represents a serious threat for the immersed high voltage power cables, which in turn are supposed to last for at least 20 years for the total investment to be economically viable. Nevertheless, the XLPE used for the insulating layer of the cables may suffer of different degradation phenomena, leading to unexpected breakdown and rise in costs. In this work, numerical simulations have been developed to study the mechanism by which micrometric pores inside XLPE can enlarge and coalesce (namely, water treeing), when the insulation is subjected to the intense electric field generated by the Hi-voltage wires. The study aim is to understand the process of material plasticization next to voids, which is supposed to represent the onset of coalescence of neighbouring pores. FEM simulation software “COMSOL Multiphysics” is used to develop a coupled electromechanics model, needed to describe the interaction between the intense electric fields and the subsequent Maxwell stresses in a dielectric. The role of different influencing parameters such as distance, relative volumes, and shape of 2 neighbouring voids in a representative unit volume is considered. Finally, the behaviour of a generic microstructure characterized by randomly distributed voids immersed in an electric field is simulated. The obtained predictions can be exploited to develop new grades of treeing resistant XLPE insulation and improve the durability of submarine power cables.

I parchi eolici offshore stanno diventando una fonte chiave di energia rinnovabile a emissioni zero e il loro ruolo nella lotta ai cambiamenti climatici è ormai preponderante. Tuttavia, l'adozione di massa di questa tecnologia è stata finora ostacolata dagli elevati costi operativi e difficoltà tecniche inerenti alla costruzione e la manutenzione degli impianti e delle linee elettriche. La severità dell'ambiente sottomarino rappresenta una seria minaccia per i cavi elettrici ad alta tensione giacenti sul fondale. Una vita di almeno 20 anni per i cavi è ritenuta necessaria affinché l'investimento sugli impianti eolici sia economicamente vantaggioso. Tuttavia, il polimero XLPE utilizzato come isolante dei cavi può essere soggetto a diversi fenomeni di degradazione, che portano a guasti imprevisti e aumento vertiginoso dei costi. In questo lavoro, sono state sviluppate simulazioni numeriche per studiare il meccanismo mediante il quale i pori micrometrici si allargano e coalescono all'interno della microstruttura del polimero (“water treeing”), quando l'isolante è sottoposto agli intensi campi elettrici generati dai cavi ad alta tensione. Lo scopo dello studio è comprendere il processo di plasticizzazione del materiale in prossimità dei pori, che a supposto essere l’inizio del processo di coalescenza tra vuoti adiacenti. Il software FEM “COMSOL Multiphysics” è stato utilizzato per sviluppare un modello elettromeccanico accoppiato, necessario per descrivere l'interazione tra i campi elettrici e i conseguenti stress di Maxwell in un dielettrico. È stato esaminato il ruolo di diversi parametri influenzanti il processo quali distanza, volumi relativi e forma di due vuoti adiacenti in un volume rappresentativo. Infine, è stato simulato il comportamento di una generica microstruttura caratterizzata da una distribuzione casuale di vuoti immersa in un campo elettrico. I dati ottenuti possono essere sfruttati per sviluppare nuove tipologie di XLPE resistenti al “water treeing” e migliorare la durabilità di cavi elettrici sottomarini.