Modelling of non homogeneous insulating materials in transient regime

This work aims to contribute to the study and optimization of insulating materials for high voltage direct current (HVDC) cables. The high voltage applied to HVDC cables puts much stress on these materials, especially during transients, when the power flow in the line is swiched on and off, or inverted, raising up reliability and durability concerns. We focus on a model suitable for insulation that is based on mass-ipregnated paper, and we present a parallel code to simulate this kind of insulation, able to provide a spatial representation of charges distribution and electric field, for any geometry. The mathematical model considers slow polarization dynamics, which play a crucial role during transients. This is achieved by means of a finite element method, based on non-conforming, octree, cartesian grids, combined with an adaptive time stepping algorithm. Such an approach improves on existing simulation methods that often rely on geometric simplifications. We finally present some tests and possible applications of this tool, comparing the results with other models from litterature.

Questo lavoro si propone di contribuire allo studio e all'ottimizzazione dei materiali isolanti per cavi in corrente continua ad alta tensione (HVDC). L'alta tensione applicata ai cavi HVDC sottopone molto stress a questi materiali, soprattutto durante i transitori, quando il flusso di potenza nella linea viene attivato, disattivato o invertito, sollevando problemi di affidabilità e durata. Ci concentriamo su un modello adatto all'isolamento basato su carta impregnata di massa (MI-paper )e presentiamo un codice parallelo per simulare questo tipo di isolamento, in grado di fornire una rappresentazione spaziale della distribuzione delle cariche e del campo elettrico, per qualsiasi geometria. Il modello matematico considera dinamiche di polarizzazione lenta, che svolgono un ruolo cruciale durante i transitori. Ciò è ottenuto mediante un metodo agli elementi finiti, basato su griglie cartesiane non conformi implementate attraverso una struttura a octree, e con un algoritmo di time stepping adattivo. Un simile approccio migliora i metodi di simulazione esistenti che spesso si basano su semplificazioni geometriche. Presentiamo infine alcuni test e possibili applicazioni di questo strumento, confrontando i risultati con altri modelli tratti dalla letteratura.