Virkning av mekanisk spenning på vanntrevekst i PEX isolerte høyspentkabler

Abstract

Vanntrær er en nedbrytningsmekanisme som kan oppstå i alle polymerisolerte kabler ved interaksjon mellom fuktighet og et elektrisk felt. Polymerisolerte kabler kan få redusert levetid grunnet dette nedbrytningsfenomenet. Den siste tiden har et økt miljøfokus ført til en elektrifisering av flytende olje- og gassinstallasjoner, samt økt satsing på flytende vindturbiner offshore. Kabler som benyttes til slike formål blir utsatt for både statiske og dynamiske krefter. Det har i denne oppgaven blitt undersøkt hvordan mekanisk belastning påvirker vanntreveksten, da særlig dynamisk mekanisk strekk. Det har også blitt undersøkt om de innfryste strekk- og kompresjonskrefter som dannes under produksjonsprosessen får betydning for vanntreveksten. Det ble gjennomført 9 forsøk med samme type 12 kV trippelekstrudert PEX-kabel, hvor 3 av disse ble gjennomført høsten 2012 i forbindelse med prosjektoppgaven. Kablene ble påtrykt 50 Hz AC-spenning hvor U= 2U0, men det ble også gjort ett forsøk med 25 kV spenning. Samtlige kabler benyttet i eksperimentene ble aldret ved romtemperatur med vann både i og utenfor kabelisolasjonen. I forsøkene ble kabler uten leder utsatt for statisk og dynamisk mekanisk belastning med 1% strekk. Kabler ble belastet med ulik dynamisk mekanisk belastning ved å benytte to motorer med ulik rotasjonsfrekvens. Det ble også gjort forsøk uten mekanisk belastning. I det ene av disse forsøkene ble en kabel uten kobberleder varmebehandlet ved 120 grader celsius og deretter nedkjølt gradvis til romtemperatur. Det ble også gjort forsøk med lederen beholdt i kabelen.Etter endt aldring ble kablene snittet opp og innfarget før vanntreveksten ble dokumentert ved mikroskopanalyse. Alle ventilerte vanntrær ble registrert med tilhørende lengde. For bow-tie trær ble det lagt særlig stor vekt på registreringen av det lengste treet i hvert snitt.Resultatene dokumenterer at forekomsten av ventilerte vanntrær ved den indre halvlederen er 3-5 ganger større og at den gjennomsnittlige lengden er 27,3 - 32,8% større i de mekanisk belastede kablene sammenlignet med ubelastet kabel. Den mekaniske belastningen er funnet å ikke påvirke forekomsten av ventilerte vanntrær ved den ytre halvlederen og tettheten av bow-tie trær i det ytre isolasjonsområdet. Innfryste kompresjonskrefter i den ytre delen av isolasjonen antas å hindre vanntreveksten, selv om kablene belastes med strekk.Det er dokumentert at innfryste strekk- og kompresjonskrefter er den dominante effekten som gir høy vanntrevekst i det indre isolasjonsområdet og lav vanntrevekst i det ytre isolasjonsområdet.Forsøk viser at det kan ha blitt fjernet strekkrefter på mer enn 5,6% i aksiell retning for en varmebehandlet kabel. Den mekaniske avspenningen med varmebehandling indikerer at det må ha blitt dannet strekkrefter som er i størrelsesorden med fjernet strekk under produksjonsprosessen. Det er dokumentert at forekomsten av ventilerte vanntrær ved indre halvleder er 5 til 10 ganger større i en PEX-kabel med lederen beholdt sammenlignet med mekanisk avspente kabler. Grunnet innfryste strekkrefter er forekomsten like stor eller større sammenlignet med kabler utsatt for eksternt påført mekanisk strekk.Resultater fra forsøk med dynamisk mekansik belastning gir grunnlag for å anta at en økt frekvens på den dynamiske belastningen ikke øker vanntreveksten.