Current interruption in supercritical fluids

Vindkraftutbygging langt til havs og et økende behov for å forsyne olje og gassinstallasjoner på havbunnen med elektrisk energi vil føre til at det bygges ut infrastruktur for overføring og distribusjon av elektrisk kraft også til havs. For å unngå de store kostnadene med plattformer og flytere, vil strømbrytere og andre elkraftkomponenter bli installert på havbunnen og bli fjernstyrt. I konvensjonelle løsninger plasseres komponentene inne i tykkveggede stålkamre med normalt atmosfærisk trykk innvendig. Kabelgjennomføringer fra vannet utenfor og inn til de mer "normale" omgivelsene inne i kammeret er nødvendig. Disse elementene øker kostnadene og kompleksiteten til slike installasjoner i betydelig grad, spesielt ved store havdyp. Prosjektet har som målsetting å utvikle et nytt konsept for undersjøiske strømbrytere der brytekammeret inneholder nitrogen i sin superkritiske tilstand ved det samme (høye) trykket som vannet utenfor. Dette kan gi store kostnadsreduksjoner da det ikke er behov for et trykkammer, og ved at kabelgjennomføringene blir enklere. Superkritiske fluider har noen egenskaper som man vanligvis ser hos væsker og noen typiske for gasser. For å slukke lysbuer, som er det strømbrytning dreier seg om, kan dette være fordelaktig. I prosjektet har konseptet med å bruke superkritisk nitrogen til strømbrytning blitt utforsket. Den eksplosjonssikre høyspenningslaben til SINTEF på Tiller har gjennomgått en omfattende ombygging, og nå er det mulig å gjøre bryterforsøk med inntil 2 000 A (50 Hz), en systemspenning på 24 kV, og med nitrogentrykk opptil 300 bar. Utførte eksperimenter i løpet av prosjektperioden har vært med på å kartlegge hvordan lysbuer oppfører seg når nitrogentrykket øker, både når lysbuen brenner fritt, eller blir kjølt ved hjelp av ablasjons-, "self-blast"- eller pufferteknologi. Jo høyere nitrogentrykket er, jo bedre blir de dielektriske egenskapene til bryteren. Likevel øker også energien som lysbuen avgir i brytergapet, som kan gjøre kjøling vanskeligere. Det vil derfor kreve målrettet designutvikling spesifikt for superkritisk nitrogen for å lage effektive høytrykksbrytere. I tillegg til laboratorieaktivitet har postdoktorkandidaten ved NTNU jobbet to år med å utvikle en simuleringsmodell for lysbuer som brenner i høytrykksnitrogen. Modellen inkluderer initiering av lysbuen med kobbertenntråd, samt lysbuens interaksjon med superkritisk nitrogen og slitasje av kontakter og dyser. Arbeidet er sammenfattet i publikasjoner. Prosjektet har resultert i 10 tidsskrift- og konferanseartikler. Se publikasjonsliste for prosjektet for mer informasjon, eller ta kontakt med nina.stoa-aanensen@sintef.no. Både kunnskap og labutstyr som prosjektet har bidratt til er gode utgangspunkt for videre utvikling av strømbrytere for havbunnen. Det jobbes med å videreføre av arbeidet gjennom fremtidig EU eller annen Forskningsrådstøttet prosjektaktivitet. I tillegg har prosjektet fått oppmerksomhet blant miljøer som utvikler brytere for mellomspenning DC.

Prosjektet har bidratt til å skape en plattform for forskning på subseabrytere med høyt fyllingstrykk, som vil brukes til videre forskning og utvikling av mer kostnadseffektive brytere for havbunnen. Plattformen består av utdannet personale (PhD og postdoktorkandidat ved NTNU og forskere i SINTEF Energi), fysisk laboratorieinfrastruktur og en simuleringsmodell for høytrykkslysbuer. Laboratoriet er fleksibelt, og legger til rette for ikke bare superkritisk nitrogen, men også andre fluider som karbondioksid, trykksatt luft eller til og med olje. Prosjektet har gjennom publikasjoner og konferansedeltagelse nådd flere tusen lesere. Jobben videre blir å utvikle kompetansen i det eksisterende prosjektteamet, samt å involvere industri i videre arbeid mot produktutvikling.

A novel subsea circuit breaker concept where the interrupting chamber contains a supercritical fluid at the same (high) pressure as the surrounding water is proposed. This has the potential of huge cost savings as no pressure-safe enclosure is required and power cable feed-throughs become simpler. Supercritical fluids have certain physical properties similar to those of liquids and others similar to what is seen in gases. For arc extinction purposes - which is what current interruption in switchgear is about - the properties may be advantageous. Their high density yields a high dielectric strength, whereas high heat conductivity and low viscosity yield a large heat transfer capability, leading to a fast dielectric recovery after a current interruption. The concept of using supercritical fluids for current interruption purposes will be explored by experimental work in SINTEF's Safety Cell laboratory. Arcing tests with gradually increasing pressure of nitrogen and possibly also hydrogen, and with increasing currents and arcing times will be carried out. Arc voltage, thermal time constants and other characteristic parameters will be recorded, and used to establish a physical model for such arcs.