Aluminium in High Voltage Subsea Cables

Høyspente sjøkabler er viktige for overføring av fornybar energi, for eksempel i forbindelse med vindkraftverk til havs. Tradisjonelt har strømlederen i slike kabler vært laget av kobber. Aluminium er et billigere alternativ, men det har vært påvist fenomener, hvis fukt tilstede, som kan begrense levetiden til kabler med aluminiumsleder. I dette prosjektet har arbeid blitt gjort for å forstå noen sentrale mekanismer rundt vanninntrenging bedre slik at inntrenging og effekten av den lettere kan unngås. Målet er å kunne produsere billigere sjøkabler med god levetid. Prosjektet ble opprinnelig startet hos Nexans landkabelavdeling i Namsos, men har så blitt «transformert» til å bli et høyspent sjøkabelprosjekt for Halden-avdelingen med hensyn til kompleksiteten av høyspente sjøkabler som man ikke har i mellomspente landkabler. Dagens høyspente sjøkabler har tre ulike komponenter for å enten totalt forhindre eller avgrense vanninntrenging. For å hindre radiell inntrenging benyttes blykappe. Den aksielle vanninntrengingen motvirkes ved å benytte svellebånd under blykappa, og kan brukes også på leder. Ellers vil vanninntrenging på leder forhindres av god adhesjon mellom indre halvleder og leder, samtidig som det legges et fleksibelt gummibasert elektrisk ledende (inneholder sot) materiale mellom kordelene i leder. Graden av kontakt mellom aluminium og halvledende material bidrar til å begrense levetid ved bruk av aluminium hvis vann er tilsted. Dette er ulikt fra kobber for en bestemt påvist prosess. Derfor er basiskunnskap her avgjørende både når det gjelder vanninntrenging og elektriske egenskaper. Det er behov for god kontakt og adhesjon mellom halvledende materiale for å sikre vanntett konstruksjon ved feil slik at konsekvensene blir mindre hvis kabler blir skadet av ytre påkjenninger, slik som fra skipsankere og trål. Imidlertid, når man har kontakt mellom halvledende materiale og aluminiumsleder med vann til stede kan korrosjon på aluminiumsleder og dannelse av porøse strukturer i indre halvledermateriale oppstå, noe som videre kan gi startpunkt for dannelse av lange kanaler som gror inn i isolasjonen. Dette kan føre til kortslutning. Et viktig og avgjørende arbeid for prosjektet er å bedre forstå adhesjonen mellom aluminium og indre halvledermateriale. Leder-kordeler av aluminium har etter trekking en varierende glatthet og har dessuten rester av trekkolje. Vi har undersøkt hvordan varierende overflateegenskaper påvirker kontakten, dvs. adhesjonen, mellom aluminium og halvledermaterialet. En større forståelse for dette er viktig og avgjørende mht. produksjon av kabler og har derfor hatt en prioritet i prosjektet før evt. en kostbar sjøkabelkabel for testing i fullskala kunne produseres. En rigg for testing av effekten for ulik overflatebehandling av aluminium er utviklet og laget og testmetoden er ferdig utviklet. Halvledende materialer er testet på ulikt preparerte prøver av aluminium hvor også påvirkning av «rester» av ulike trekkoljer er testet. Interessante og uventede resultater er oppnådd.Publikasjon er antatt på faglig konferanse. Dette har gitt kunnskap som allerede har kunnet blitt anvendt i kommersielle sjøkabelprosjekter med hensyn til anvendelse av produksjonsforhold. En annen viktig aktivitet har vært å studere egenskapene til svellebånd. Båndet må kunne beholde elektriske egenskaper i størst mulig grad hvis det sveller. Inne i en konstruksjon vil svellebåndet bli utsatt for et varierende trykk som påvirker svellevne, dvs. vannopptak, og dermed elektriske egenskaper. Derfor har variasjoner i egenskaper ved varierende trykk samtidig som fukt har blitt tilført, også saltvann, blitt undersøkt. Svellebånd er også med på å hindre korrosjon på aluminiumoverflater ved fuktopptak. En student har utført sitt masterarbeid på dette. Det er utviklet metoder for målinger som også har blitt verifisert, og ny og avgjørende kunnskap har blitt oppnådd. Dette arbeidet vil danne grunnlaget for publisering, planlagt våren 2019. Som nevnt hindres vanninntrenging aksielt i leder ved påføring av et fleksibelt gummibasert materiale. Også her er det viktig at materialet fester seg godt på kordelene for å oppnå vanntetthet. Vanntetting, uansett metode, er en kritisk egenskap i en sjøkabel. Aldringsprosessen mellom aluminium og halvledermateriale er en følge av vanninntrenging eller kondensasjon ved temperatursvingninger. Dette har tidligere blitt studert ved ulike forhold i regi av Nexans Halden. Likeledes har Nexans Halden, kompetansesenteret for sjøkabel, stor kunnskap og mye erfaring med å hindre aksiell vanninntrenging og det gjøres stadig tiltak for å øke kunnskap og bedre disse egenskapene for sine produkter. Dette prosjektet har undersøkt, oppsummert og gjort opp status av dagens forskningsbaserte kunnskap angående effekt av vann i kabel med hensyn til aksiell vanntetting, aldring og vanntrevekst på høyspent sjøkabel ved bruk av aluminiumleder.

Dette forskningsprosjektet har hatt aktiviteter som er knyttet sentralt inn i Nexans' kompetanse og kjernevirksomhet. Oppnådde resultater, både på målinger på svellebånd og adhesjon halvledermateriale og overflateegenskaper på aluminium har medført undersøkelser og resultatet som er viktige og som har gitt svar på aktuelle problemstillinger. Nexans leverer for tiden store kabelprosjekter i milliardklassen hvor selv "mindre" resultater kan gi særdeles viktige bidrag for å oppnå ønsket kvalitet. Dette med å oppnå best mulig vanntetting er en stadig tilbakevendende problemstilling siden nye problemstillinger stadig dukker opp. En gjennomgang og status av kjent kunnskap er derfor av god nytte. Dette gjelder likeledes aldringseffekter ved bruk av aluminium.

Summary: This project will bring forward new fundamental knowledge for the Norwegian cable industry which is essential in order to develop reliable high power subsea and underground transmission cables with lower costs, and power cables for more demanding applications such as deep water offshore wind installations. Previously performed R&D projects sponsored by Norwegian Research Council have observed phenomena that may limit the life time of wet high voltage cables with Al conductors. In this work, financial support from the Norwegian Research Council is essential to establish fruitful co-operation between Norwegian and international cable industry companies, SINTEF Energy Research and NTNU.