Reliability of eco-friendly cables in future power grids

Den storstilte elektrifiseringen av samfunnet og økende bruken av fornybar energi stiller høyere krav til kabelnettet. For å realisere økt overføringskapasitet til lavere kostnader, kombinert med kommende krav til sirkulær økonomi og miljøvennlige materialer, kan kabler med isolasjon av polypropylen-baserte termoplastiske materialer (PP-TP) være et godt alternativ til kabler med kryss-bundet polyetylen (PEX) som benyttes i dag. PP-TP kan smeltes om, krever mindre energi og forårsaker mindre CO2-utstlipp under produksjon, samt har kortere produksjonstid. Det trengs imidlertid mer kunnskap om hva som begrenser levetiden og hvordan kabler med PP-TP isolasjon skal testes for å sikre høy pålitelighet under drift. De siste 50 år har kun PEX-isolerte kabler vært godkjent for installasjon i henhold til den norske standarden NEK HD 620 S2, men denne revideres nå og det vil åpnes for bruk av termoplastiske isolasjonsmaterialer. Forskningsresultat fra REWARD vil gi et bedre grunnlag for å sikre lang levetid og trygg utnyttelse av PP-TP kabler, og unngå mange av de tidlige feilene som ble observert etter installasjon av første- og andre generasjon PEX kabler. I REWARD vil hovedfokuset være rettet mot bruk av PP-TP som isolasjonssystem i mellomspent og høyspent AC kabler (12-145 kV), men vil også undersøke egenskaper som er relevante ved høyere spenning (=145 kV). REWARD vil blant annet undersøke hvordan mekanisk induserte svakheter og andre introduserte defekter påvirker de elektriske egenskapene til PP-TP som isolasjonsmateriale. . Fremtidige offshore kabler vil produseres uten en vanntett kappe, noe som innebærer at vann kan diffundere inn i isolasjonen over tid (wet design). Vann vil påvirke de elektriske egenskapene og kan resultere i vekst av vanntrær, som kan forårsake gjennomslag/feil. Et fokusområde for REWARD er å finne ut om vanntrær vokser i PP-TP isolasjon og gi et kunnskapsbasert grunnlag til nye testmetoder som må utvikles for våtaldring av PP-TP kabler

With the green energy transition and massive electrification of society, energy consumption in Norway is expected to increase from 140 TWh today, to 178 TWh in 2030. Grid capacity is a limiting factor for development of new industry and renewable energy production, and grid investments of 160–200 billion NOK in the period 2021–2030 are announced. This includes both new installations and reinvestments of cables approaching end of life, as well as 10 billion NOK allocated to offshore grids. Power cables with cross-linked polyethylene (XLPE) insulation was introduced in the Norwegian distribution grid during the 1970s. This first-generation design suffered from unexpected failures after only 10-15 years in service. Up to now XLPE has been the only electrical insulation system approved by the Norwegian standard NEK HD 620 S2. The standard is currently under revision, allowing the use of thermoplastic cable insulation materials based on polypropylene compounds (PPC). PPC cables are recyclable, require less energy and have lower CO2 emissions during manufacturing, thus being an eco-friendly alternative to XLPE. However, limited service experience is available, especially in colder climate, and there are significant knowledge and technology gaps that need to be addressed prior to large-scale installation of PPC cables: • Electrical long- and short-term performance during and after mechanical stress is unknown • Effect of contaminations on electrical pre-breakdown mechanisms is not examined • Performance in wet environment is not understood, and reliable analysis methods are not established • Lack of lifetime assessment methods for designs exposed to Nordic climate and grid transients The REWARD project will aim to provide this knowledge to ensure safe and reliable use of eco-friendly cable designs in the Nordic grids and future high voltage subsea applications, hence avoiding unexpected premature service failures as experienced for the first XLPE cable generation.