Aldring av PEX-isolasjon ved påtrykk av HVDC med overlagrede transienter

Abstract

Produksjon av elektrisk kraft fra offshore vindturbiner vil bli en stor utfordring i nær fremtid. Forskningsrådet har i den forbindelse tildelt SINTEF et femårig forskningsprosjekt på HVAC og HVDC undervannskabler for offshore vindkraft og overføringsnett. Denne masteroppgaven er en del av dette forskningsprosjektet, og arbeidet er en videreføring av fordypningsprosjektet i 2010. Det er ønskelig å undersøke aldringsmekanismene som opptrer i undervannskabler påtrykt den relevante spenningen ved HVDC-overføring. Kraftelektronikk benyttes for å omforme generert vekselspenning til HVDC, slik at effekttapene over lange avstander reduseres. En konsekvens av omformingen er at det oppstår overlagrede transienter på overført HVDC. Den overførte spenningen kan følgelig beskrives som en ikke-ideell DC-spenning. Innvirkningen av denne på kabelisolasjon er ikke kjent, og vanntrevekst er definert som relevant aldringsfenomen.Arbeidet har hovedsakelig vært eksperimentelt. Problemstillingen er løst ved å modellere relevant spenningspåkjenning på laboratoriealdrede kabler. Etter forsøkene ble det gjennomført holdfasthetstesting og vanntreanalyse av kablene. Resultatene er sammenlignet med referansekabler påtrykt ren DC-spenning. Aldringen viste seg ikke å være signifikant, men det ble likevel registrert tendenser i utviklingen som funksjon av tid. Sannsynlig årsak ligger i lav elektrisk feltstyrke fra AC-komponenten. Nye forsøk på Rogowski koppobjekter ble derfor utført, og parameterne ble justert slik at feltstyrken fra AC-bidraget ble doblet. Dette resulterte samtidig i større prosentvis rippel, som også kan ha innvirkning på aldringen. Forsøket kan anses som en pilotstudie med kraftige aldringsparametere, og det er således mindre realistisk. Resultatene belyste likevel den opprinnelige problemstillingen fra en annen vinkel, og aldringen ble signifikant. Det lengste ventilerte vanntreet vokste igjennom hele isolasjonen i løpet av tre uker, og det ble initiert et elektrisk tre her. Dette resulterte i gjennomslag i isolasjonen. Beskyttelsesmekanismene koblet ut prøveoppsettet uten skade på komponentene.Videre arbeid bør omfatte forsøk på koppobjekter for å undersøke om det finnes nedre grenseverdier for at elektrisk feltstyrke og prosentvis rippel ikke medfører aldring. Disse parameterne er av interesse for industrien, som kan forsøke å redusere de overlagrede transientene som oppstår på grunn av svitsjingen i omformerne. Nye omformersystemer vil eksempelvis kunne bruke flernivåveksling for å redusere transientene. En overføringskabel har dyr investeringskostnad, og det foreligger derfor økonomiske incentiver for å oppnå lengst mulig økonomisk levetid ved å redusere aldringen.