Next Generation High Voltage Wet Designed Cables

Formålet med dette prosjektet har vært å utvikle en våt konstruksjon for høyspent PEX-kabler. Det er forsket på kabler med kobberleder og aluminiumsleder. Saltvann har blitt brukt som aldringsmedium. Det er utviklet et testoppsett for å utføre våtaldringstester av kabler med høyt elektrisk stress i saltvann. Det er utviklet en metodikk for å måle konsentrasjon av saltioner i isolasjonssystemet. En våt kabelkonstruksjon er en design som tillater vanndiffusjon inn i det elektriske isolasjonssystemet. Ved prosjektets oppstart i 2019 var PEX-kabler opptil og inkludert 36 kV vanligvis våte konstruksjoner. Kabler med høyere spenning driftes med høyere elektrisk påkjenning, og er normalt designet med tørr konstruksjon som inkluderer en radiell metallisk vannbarriere, typisk bly (Pb). Årsaken til denne spenningsklassegrensen for våtdesign er den økte risikoen for aldring av XLPE-isolasjonen når den utsettes for høy elektrisk spenning i kombinasjon med fuktighet. De to hovedfordelene ved å bruke en våt konstruksjon ved høyere spenningsnivåer er redusert miljøpåvirkning og kostnadsbesparelser. Begge stammer fra å fjerne den metalliske vannbarrieren fra designet. Høyspentkabler med våt konstruksjon er også en svært attraktiv løsning for flytende applikasjoner hvor en tradisjonell metallisk vannbarriere raskt vil oppleve mekanisk utmatting. En kabel med vår konstruksjon vil også redusere vekten av kabelen betydelig og forbedre håndteringsegenskaper som vil være gunstige for installasjon. Kabler med våt konstruksjon vil kreve færre installasjonskampanjer, som er et viktig tids- og kostnadselement for lange sjøkabelprosjekter. Nesten all tidligere kunnskap om våt aldring av PEX-isolerte kabler har vært basert på aldring i ferskvann. Det har vært en generell oppfatning at saltioner ikke migrerer gjennom det ytre laget (halvledende eller termoplastisk kappe) og inn i isolasjonssystemet. I dette FoU-prosjektet var det derfor viktig å avdekke om saltioner diffunderer inn i isolasjonssystemet, og mulig påvirkning av saltioner på nedbrytningen av isolasjonssystemet under aldring. Langtids våtaldring av fullskala kabler ble utført i saltvann ved bruk av identiske aldringsparametere som ved tidligere testing i ferskvann. Fabrikkskjøter er en nødvendighet på lange sjøkabler og ble inkludert på testobjekter utsatt for langvarig våtaldring. Påvirkning av saltioner fra aldring ble undersøkt ved å utføre elektriske tester på kabler og fabrikkskjøter etter aldring og ved å analysere vanntrevekst i isolasjonssystemet. Høyere frekvens under aldring har tidligere vist seg å øke vanntreveksten i isolasjonssystemet og dermed nedbrytningen. En del av våtaldringstestene på kablene ble derfor utført med økt frekvens for å studere påvirkningen på isolasjonssystemet i et saltvannsmiljø. Forskningen utført i dette prosjektet gir økt tillit for vellykket kvalifisering av våtdesignkabler opp til 72 kV. Tidligere studier har vist at korrosjonsprodukter på en aluminiumsleder kan fungere som initieringspunkter for vanntrær i isolasjonssystemet og dermed akselerere vanntredannelse (stress-indusert elektrokjemisk nedbrytning (SIED)). Kabler med aluminiumsleder ble også inkludert i langtids våtaldring i saltvann og ble deretter utsatt for elektrisk testing og vanntreundersøkelser. I dette FoU-prosjektet var det også viktig å kunne måle konsentrasjon av saltioner i isolasjonssystemet nøyaktig. Egnetheten til to kommersielle testmetoder for måling av saltionekonsentrasjon ble testet på laboratorieproduserte polymerprøver med kjent saltinnhold. En av testmetodene viste lovende resultater og kan benyttes til å måle konsentrasjon av saltioner i isolasjonssystemet nøyaktig. Et spesialbygget testoppsett for å utføre våtaldringstester av kabler ved høy elektrisk påkjenning i saltvann ble også utviklet i prosjektet. For høyspentkabler er det nødvendig med svært høyt elektrisk stress under testing, og det er flere utfordringer knyttet til å utføre slik testing i saltvann. Dette inkluderer utfordringer som å forhindre elektrisk gjennomslag ved termineringene, og anomalier ved vannoverflaten på grunn av ikke-radiale temperatur- og diffusjonsgradienter. Foreløpig testing av kabler ved 70°C ved høy elektrisk spenning demonstrerte at testoppsettet fungerer.

The main result from WetCab is increased knowledge about wet ageing of XLPE-insulated HVAC cables. Specifically, a methodology for measuring ion diffusion has been developed, as well as short- and long-term testing of cables. The results from WetCab are essential for the development of HVAC XLPE wet design cable systems (without lead sheath). Such cables constitute a key technology for the further development of renewable offshore power, and they can open the door to new markets such as interconnectors and electrification of platforms. Removal of the lead sheath is in itself a good measure to meet increasingly stringent requirements for the reduction of heavy metals. In addition, material costs will be reduced by 15-25%. Other benefits will be lower cable weight, better handling properties, and better mechanical performance, which can reduce the installation cost and -duration of subsea cables.

The WetCeb project will bring forward new and essential knowledge for the Norwegian cable industry to develop high voltage subsea transmission cables for more demanding applications such as deep water and offshore wind installations. In this project, the performance of superclean high voltage cable insulation systems will be verified by assessing the wet ageing properties of models and full-scale prototypes. Numerical modelling and material characterizations will be used to assess the reliability and expected service lifetimes of new wet designed high voltage subsea cables. This knowledge will extend the use of wet cable designs beyond todays' acceptance criteria resulting in more efficient, lighter and thus cost optimal cable designs. Financial support from the Norwegian Research Council is essential to establish fruitful research co-operation between Nexans Norway, SINTEF Energy Research and NTNU.