The Effects of Installation-Based Defects in Medium Voltage Cable Joints

Abstract

A cable joint is a common accessory which is used to connect the underground cables. In the medium voltage networks, a high percentage of the faults occur on the cable accessories. It is very expensive to repair these breakdowns, so the network companies are interested to prevent premature breakdowns.

This bachelor’s thesis was commissioned by Ensto Finland Oy. The purpose of this thesis was to study, how the installation-based defects affect the medium voltage cable joints. The studied joints were Ensto's heat and cold shrink joints for 12/20 (24) kV cables with XLPE insulation and copper wire shield. The cable joints for the other cable types were not studied because the general structure is similar in all joint types. The effects of the defects were only studied on one cable size.

The effects of the installation-based defects were studied first by simulating. The partial discharge inception voltages of few fault types were calculated with the help of a simulation program. The partial discharge inception voltages were measured in the laboratory tests on real joints to verify the simulation results. The tests also produced further information about the seriousness of the fault. COMSOL Multiphysics was used as the simulation program. The electrical tests were offline partial discharge test and AC voltage step. The partial discharge inception and extinguishing voltages and discharge levels were measured in the partial discharge test. The purpose of the AC voltage step test was to give information about the weakest point in tested joints.

As a result of this thesis, the most critical defect types were evaluated. The results will be used in Ensto Pro training materials.

Kaapelijatkos on yleinen varuste, jota käytetään maakaapeleiden yhdistämiseen. Keskijänniteverkoissa suuri osa käyttökatkon aiheuttamista vaurioista tapahtuu kaapelivarusteissa. Rikkoutumisten korjaaminen on yleensä erittäin kallista, joten verkkoyhtiöt ovat kiinnostuneita ennenaikaisten läpilyöntien ennaltaehkäisemisestä.

Tämä insinöörityö tehtiin Ensto Finland Oy:n toimeksiannosta. Työn tarkoituksena oli tutkia, kuinka asennusvirheistä johtuvat viat vaikuttavat keskijännitekaapeleissa. Työssä tutkitut jatkokset olivat Enston lämpö- ja kylmäkutistejatkoksia PEX-eristeellä ja kuparilankasuojalla varustetuille 12/20 (24) kV -kaapeleille. Kaapelijatkoksia muille kaapelityypeille ei tutkittu, koska kaikkien jatkosten rakenne on pääpiirteittäin samanlainen. Työssä tutkittiin vikojen vaikutuksia ainoastaan yhdellä kaapelikoolla.

Asennusvirheiden vaikutuksia tutkittiin aluksi simuloimalla. Simulointituloksien perusteella laskettiin osittaispurkauksien syttymisjännitteet eri virhetyypeille. Simulointitulosten varmistamiseksi osittaispurkausten syttymisjännitteet mitattiin laboratoriotesteissä todellisilla jatkoksilla. Testeillä tuotettiin myös lisäinformaatiota vikojen vakavuudesta. Työssä käytetty simulointiohjelma oli COMSOL Multiphysics. Laboratoriotestit olivat offline-osittaispurkausmittaus ja portaittainen AC-jännitetesti. Osittaispurkausmittauksessa mitattiin osittaispurkauksien syttymis- ja sammumisjännitteet sekä purkaustasot. Portaittaisen AC-jännitetestin tarkoituksena oli antaa informaatiota testatun jatkoksen heikoimmasta kohdasta.

Tämän työn tuloksena saatiin arvioitua vikatyypit, jotka ovat kriittisimpiä jatkoksen eliniän kannalta. Työn tuloksia tullaan hyödyntämään Ensto Pro -koulutuksien materiaalissa.