Tilbake til søkeresultatene

ENERGIX-Stort program energi

Mass impregnated non-draining HVDC submarine cables

Alternativ tittel: Masseimpregnert HVDC sjøkabel

Tildelt: kr 13,5 mill.

Prosjektnummer:

256405

Prosjektperiode:

2016 - 2021

Midlene er mottatt fra:

Samarbeidsland:

Strømbelastningen til høyspenningskabler er blant annet bestemt av hvor høye temperaturer isolasjonen kan utsettes for, uten å ta skade av det. For masseimpregnerte likestrømskabler er det vanlig å sette en øvre grense på rundt 50-55 grader Celsius. Langtidsforsøk der man studerer aldring av papiret i en slik kabelisolasjon ved forskjellige temperaturer er utført. Resultatene viser at papiret tåler betydelig høyere temperaturer i flere tiår uten å forringes nevneverdig. Termisk nedbrytning av papir virker således ikke å være en kritisk aldringsmekanisme for slike kabler. Måling av interne trykk og trykkendringer i isolasjonen i 4 meter lange lengder av en 525 kV masseimpregnert sjøkabel viser at det ved lastendringer kan oppstå hurtige og store trykkendinger inne i det ca. 20 mm tykke isolasjonslaget. I minuttene etter at kabelen ble påtrykket full last ble det målt mer enn 30 bars trykkforskjell mellom de innerste og ytterste lagene av isolasjonen. Det er rimelig å anta at dette fører til at noe av impregneringsmassen (tykkolje) presses utover i isolasjonssystemet. Dette kan gi lavere impregneringsgrad og fare for dannelse av skadelige hulrom i de innerste isolasjonslagene når lasten slås av og temperaturen faller. Videre viser det seg at trykket inne i kablene endrer seg sakte over lang tid (uker og måneder) selv om kabelen befinner seg ved konstant omgivelsestrykk og temperatur. Strekklappmålinger på de ytre lagene i kabelen tyder på at dette skyldes langsomme plastiske deformasjoner i bly- og polyetylen-lagene. Det interne trykket er en viktig parameter i og med at den elektriske isolasjonsevnen (dielektrisk holdfastheten) varierer med dette trykket. Hurtige lastendringer kan gi store trykkendringer, og dette må man ta hensyn til ved driften av slike kabler. Om man har detaljert forståelse av mekanismene som her virker, kan man i enkelte tilfeller belaste kablene "hardere" enn det gjøres i dag uten at dette øker risikoen for feil. En numerisk modell er utviklet for å kunne simulere interne trykk og oljestrømning, samt gi elektrisk felt og temperaturfordeling i isolasjonslaget til kabelen under drift. Modellen gir resultater som støtter opp under antakelsen om at forflytning av tykkolje i isolasjonslaget under drift kan være en viktig prosess for denne typen kabler. Modellen viser at permeabiliteten til papiret og de mekaniske egenskapene til lagene utenfor papiret (primært bly, polyetylen og stål) kan forklare hvorfor det tar så lang tid før det interne trykket når en ny likevekt etter en temperaturendring. Permeabiliteten er et mål på hvor lett oljen kan trenge gjennom papiret, høy permeabilitet betyr at det er enkelt for oljen å strømme gjennom papiret. Målinger av oljestrømning gjennom kabelpapir, og simuleringer av interne trykkforhold under lastpåslag, viser at permeabiliteten for moderne massekabler er lavere enn tidligere antatt. Dette er trolig på grunn av høyere strekk på papiret under vikling, som fører til at oljen ikke lenger kan strømme mellom papirlagene, men må presses gjennom papiret. De mekaniske egenskapene til de ytre lagene av kabelen gir trykket i ytre deler av kabelisolasjonen via likevekten mellom trykket inne i isolasjonen og motstanden mot ekspansjon fra ytre deler av kabelen. Denne likevekten endrer seg over tid på grunn av egenskapene til blyet og polyetylenet mellom stålbandene og isolasjonen (sein plastisk deformasjon). Ytterligere undersøkelser og videreutvikling av den numeriske modellen vil gjøres for å forstå mekanismene og hvilke konsekvenser dette eventuelt vil ha for hvilke belastningsmønstre som kan tillates for slike kabler. Typetesting har tidligere blitt utført med en spenning opp til 525 kV som samsvarer med maksimal driftsspenning på installerte masseimpregnerte HVDC kabelsystemer. I dette prosjektet ble det forsøkt fullskala typetesting av den første 600 kV masseimpregnerte HVDC kabelen. I tillegg til økt spenning, økte vi også strømmen slik at temperaturen på lederen ble 60 - 65 grader Celsius. Overføringsevnen tilsvarer dermed ca. 1200 MW per kabel, som igjen resulterer i en mulig overføringseffekt på ca. 2400 MW i en bipolkonfigurasjon (to kabler à 1200 MW). Dessverre viste det seg at økt strøm, og dermed økt ledertemperatur, gjorde at den elektriske typetesten feilet. Årsaken til dette er funnet og skyldes høyst trolig selve testoppsettet der den oppvarmede oljen i overgangen mellom terminering og kabel har lavt trykk. Dette skjer ikke for kabler i drift. Simuleringer og tester utført i prosjektet viser at HVDC kabelen tåler 600 kV, men økt temperatur på lederen gir problemer på grunn av testoppsettet.

Prosjektet har bidratt til å øke forståelsen betydelig for mekansimene som begrenser overføringseffekten i MIND-kabler. Arbeid med eksperimenter, småskalaforsøk, utvikling av en numerisk modell og fullskalatesting har økt innsikten i aldringsmekanismer, feil som kan oppstå i kabelisolasjonen og effekten av trykkvariasjoner ved hurtige lastendringer. Det er påvist at hurtige lastendringer kan gi store trykkendringer i isolasjonen som igjen kan føre til radiell strømning av impregneringsoljen og hulromsdannelse. Dette utgjør en betydelig fare for elektrisk gjennomslag. Resultatene viser også at sannsynligheten for hulromdannelse øker ytterligere ved lave temperaturer og lavt eksternt trykk. Erfarningene fra prosjektet har stor verdi for fremtidig utvikling og testing av MIND-kabler. Videre utvikling av pålitelige kraftkabler med stor overføringseffekt, MIND-kabler, vil i årene framover være svært viktig for å sikre enegiutveksling mellom land og fra sjø til land.

While extruded HVDC cables are increasingly being utilized at voltages up to 320 kV (up to 600 MW per cable), mass impregnated non-draining (MIND) cables is still the preferred option for the highest voltage/power levels. This is a proven technology that has been used for decades, but still the mechanisms limiting the utilization of the existing cables, and the current and voltage ratings of new cables, are not fully understood. In this project material characterization, numerical simulations and laboratory investigations on MIND cables will provide the foundation for improving the design and operation of such cables. Scaled models and full size prototypes will be tested to validate these designs. Increasing the power transmission rating without increasing the dimensions of the cable is only possible by raising the conductor current and/or voltage level. Raising the current will result in a higher conductor temperature and increased temperature gradient across the insulation, while higher voltage results in a higher maximum electric field in the insulation than in today's design. This project addresses how this can be achieved by modifying the materials used, the cable design and the manufacturing process with basis in a fundamental understanding of the degradation and (dielectric) breakdown mechanisms and causes for MIND cables. The planned innovations involve both improving future MIND cables and improving the operation of existing cables. HVDC subsea cables facilitate the transition to more renewable energy sources by making power transmission over large distances and to remote locations possible. An example is the possible utilization of hydro power from the Nordic region of Europe as balancing power for Europe, as these facilities can be used to store energy. In order to realize this new HVDC subsea cables with higher power ratings are needed.

Budsjettformål:

ENERGIX-Stort program energi