High Voltage Subsea Connections

Undervanns høyspenningskonnektorer er ofte store, tunge og svært kostbare komponenter. I dag er systemspenningsnivået vanligvis 12 kV, men spenningsnivået må økes for å oppnå en høy overføringsevne. I dette forskningsprosjektet er det etablert et teoretisk og eksperimentelt grunnlag for utvikling av konnektorer for høye spenninger Fuktighet kan trenge inn i konnektorer. Effekten av fuktighet og kondensert vann i isolasjonssystemet er studert teoretisk og eksperimentelt. Numeriske beregninger har blitt utført for å utvikle helt nye elektrodesystemer som gir et uniformt elektrisk felt på en isolert overflate. Elektrodesystemet er plassert i en trykktank for 100 bar med optiske vinduer slik at dråpebevegelser i ester kan studeres under samtidig elektrisk påkjenning. Elektriske delutladninger detekteres ved relativt lave feltstyrker (< 1 kV/mm) og er assosiert med disintegrasjon av vanndråpene. Dette fenomenet er i all hovedsak uavhengig av påkjent hydrostatisk trykk. Store utladninger detekteres når dråpene er saltholdige (sjøvann), men reduseres betydelig ved høye trykk. En numerisk modell av en forenklet konnektor er utviklet og benyttet for å kartlegge hvordan essensielle materialparametere og dermed det elektriske feltet varierer over tid med temperatur, frekvens og hydrostatisk trykk. Effekten av dielektriske væsker inngår også i studien. Målinger av elektrisk ledningsevne og dielektriske parametere for materialene som inngår i en typisk konnektor, også ved høye trykk, er viktig input til modellen. Silikongummi og PEEK er viktige materialer i en konnektor. Målinger av opptak og transport av vann og syntetisk ester i silikon ved atmosfærisk trykk viser at absorpsjonen er høy, noe som påvirker både mekaniske og elektriske egenskaper. Opptaket av vann i PEEK er også relativt høyt. Dette kan påvirke det elektriske feltet i konnektoren, og bør derfor tas hensyn til i designkriteriene for en fullskalakonnektor. Det er utviklet et spesialdesignet oppsett inkludert en trykktank for å studere hvordan holdfastheten endres med økende hydrostatisk trykk og fukt for ulike elektrodegeometrier opp til 500 bar. Resultatene viser at økende fuktnivå reduserer holdfastheten i en syntetisk ester i et semi-homogent elektrisk felt over et kritisk fuktnivå. Det er ikke funnet en signifikant korrelasjon mellom elektrisk holdfasthet langs overflater og ruhet for elektriske isolermaterialer i syntetisk ester. En slik korrelasjon er derimot godt dokumentert i prosjektet for to faste materialer typisk brukt i konnektorer, en modell for elektrisk holdfasthet er også etablert. Elektriske trær (pre-breakdown) i isolasjonen svekker den elektriske holdfastheten i isolermaterialene kraftig. Det er vist at økt hydrostatisk trykk reduserer initiering av elektriske trær, og resulterer i høyere elektrisk holdfasthet og kraftig reduksjon av delutladninger. Dette er assosiert med deformasjon av silikongummien på grunn av at det hydrostatiske trykket som fører til at mikrokanalene kollapser i et deformert materiale. Forsøkene viser også at trevekst i silikongummi skjer langsommere når silikonmaterialet er mettet av en syntetisk ester i en konnektor. Et optimalt konnektordesign fordrer hybride materialvalg, som utsettes for høye trykk og varierende temperaturer over lengre tid. Kompatibilitet mellom disse materialene er en avgjørende parameter å kartlegge. Fasiliteter for å studere om isolerende væsker og polymerbaserte faste isolasjonsmaterialer er kompatible ved aktuelle betingelser er utviklet og etablert. Dette arbeidet inkluderer noen aktuelle kombinasjoner av fast/flytende isolasjonsmaterialer som er studert med hensyn på både kort- og langtidsaldring (3 år). Resultatene viser til dels betydelige negative vekselvirkninger mellom noen av de valgte materialkombinasjonene ved høye temperaturer og økt relativ fuktighet i isolasjonsvæsken. Det er funnet at effekten av økt trykk er av mindre betydning mht. kompatibilitet. Oppsummert indikerer resultatene fra prosjektet at vanninntrengning i form av saltvann under kobling er mer kritisk for levetiden til en konnektor enn vann som over tid diffunderer gjennom fast materiale og eventuelt kondenserer i det trykk-kompenserte volumet fylt med syntetisk ester. Høyt trykk vil deformere myke materialer som inngår i konnektoren. Dette i tillegg til absorpsjonen av syntetisk ester fører til at slike materialer får en høyere elektrisk holdfasthet. Spesielt elektrisk ledningsevne endrer seg med temperatur og opptak av væsker, mens hydrostatisk trykk påvirker ledningsevnen i mindre grad. Dette er viktig å ta hensyn til ved design av konnektorer, og spesielt ved testing og tilstandskontroll der slike teknikker ofte baserer seg på testing ved redusert frekvens (VLF). Denne hypotesen er verifisert i en konnektormodell utviklet i prosjektet. Det er også vist at fuktighet kombinert med relativt høy temperatur har større betydning enn det hydrostatiske trykket for kompatibiliteten mellom materialer.

The demands towards future oil- and gas production at the Norwegian continental shelf and worldwide includes increased recovery and long step-outs. Subsea processing is considered as one of the main issues in achieving these goals. To enable the next gene ration subsea boosting and processing facilities, high power electrical connectors are strongly needed and considered one of the most critical components. This project will obtain essential knowledge and criteria to design the future subsea power connecto rs. Material characterization and numerical simulations as well as development of test methods will provide the foundation for choosing candidate designs and material combinations. In this work, financial support from the Norwegian Research Council is ess ential to establish fruitful co-operation between Norwegian and foreign connector manufacturers, SINTEF Energy Research and NTNU.