Future Design of Subsea High Voltage Cables for Offshore Renewables - Effect of Static Mechanical Stresses on the Insulation Lifetime

Abstract

I dag er normalt en våtdesign kabel klassifisert for opptil 36 kV. I det siste har det vært en stor interesse for å øke spenningen slik at de kan brukes til inter-array forbindelser i vindparker til havs hvor de utsettes for både dynamisk og statisk mekanisk krefter. Kabler med våtdesign kan imidlertid være utsatt for en nedbrytningsmekanisme kalt vanntre. Dannelse av vanntre kan forekomme i polymerisolerte kabler der vann og et elektrisk felt er tilstede. Vanntrær reduserer gjennomslagsspenning og reduserer levetiden til kablene. Målet med denne rapporten var å undersøke hvordan statisk mekaniske påkjenninger påvirker den nyutviklede våtdesign kabelen, med fokus på lengden på vanntrærne observert i kablene.

En aldringsrigg ble satt opp og bekreftet fungerende høsten 2022. Ti prøver av 12 kV kabler med våtdesign ble aldret med statisk mekanisk påkjenning. Den mekaniske påkjenningen ble indusert ved å bøye kablene rundt tre forskjellige rør med forskjellige diametere, noe som gir en strekk på 4%, 6% og 12%, samtidig ble samme mengde i kompresjonskraft påført. Disse kablene ble deretter koblet til den aldrende riggen. Riggen består av et stort vannbasseng som ble varmet opp til 40 °C. Alle kabler ble koblet i parallell på en samleskinne og spenningssatt med 30 kV 50 Hz AC. Kablene ble deretter aldret i totalt seks måneder, hvor den første kabelen ble koblet fra og inspisert etter en måned, mens de andre kablene følger samme prosedyre med 1 måneds intervaller.

Etter aldringsperioden ble isolasjonen kuttet i helikoider og farget. Under mikroskopanalysen ble det lengste sløyfetreet i strekk og kompresjon sonen registrert, samt lengde på ventilerte trær hvis de var observert i de forskjellige sonene. I tillegg var de to lengste ventilerte trærene undersøkt nærmere for å undersøke årsaken til initiering. Denne prosedyren ble brukt for de tre forskjellige mekaniske påkjenningene.

Resultatene som er dokumentert indikerer gjennomsnittlig maksimal lengde på \linebreak sløyfetrærne er lengre i sonen som påføres med strekk sammenlignet med kompresjons. Det er også dokumentert at 8\% økning i strekk, gir 7% økning i lengde på sløyfertrær. Mens den samme økningen i kompresjonskraft gir en 10% økning i lengden på sløyfene. Resultatene viser at det ikke er noe forskjell mellom strekk og kompresjonssonen når det kommer til mengden av ventilert vanntre observert. Dette gjelder også lengden av de ventilerte trærne. Det lengste treet som ble observert var et ventilert tre på 250 μm som var initiert fra den indre halvlederen. 250 μm i lengde tilsvarer 7% av den totale tykkelsen. Det lave antallet av ventilerte trær i tillegg de korte lengdene kan indikere et godt design som er veldig motstandsdyktig mot vanntrevekst.

Today, a wet-design cable is normally rated for up to 36 kV. Recently there has been a great deal of interest in increasing the voltage so they can be used for inter-array connections in offshore wind farms where they are exposed to both dynamic and static mechanical stresses. However, wet-design cables are subjected to a degradation mechanism called water treeing. Water treeing can occur in polymer-insulated cables where water and an electric field are present. Water trees reduce breakdown voltage strength and reduces the lifetime of the cables. The aim for this report was to investigate how static mechanical stresses affect this newly developed wet-design cable, with focus on the length of the water trees observed in the cables.

An aging rig was set up and confirmed functional in the autumn of 2022. Ten samples of 12 kV wet-design cables were aged with static mechanical stress. The mechanical stress was induced by bending the cables around three different pipes with different diameters, which gives a stretch of 4%, 6% and 12%, simultaneous the same amount in compression force was applied. These cables were then connected to the aging rig. The rig consists of a large waterbed that was heated to 40 °C. All cables were connected in parallel to a bus bar and energized with 30 kV 50 Hz AC. The cables were then aged in a total of six months, where the first cable was disconnected and inspected after one month, with the other cables following the same procedure with one month intervals.

After the aging period the insulation of the cable was cut into helicoids, and dyed. During the microscope analysis the longest bow-tie tree in stretch and compression zone was recorded, as well as length of vented trees if observed in the different zones. In addition, the two longest vented trees were examined in more detail to investigate the cause of initiation. This procedure was used for the three different mechanical stresses.

The results documented indicate the average maximum length of the bow-tie trees are longer in the zone applied with stretch compared to the compression zone. It was also documented that 8\% increase in stretch, gives 7% increase in length of the bow-ties. Whereas the same increase in compression force yields a 10% increase in length of the bow-ties.

The results show no difference between stretch and compression zone in the amount of vented water tree observed. The longest tree observed was a vented tree of 250 μm, initiated from the inner semi-conductor, which is 7% of the total thickness. The low number of vented trees in addition to the short lengths can indicate a good design that is very resistant to water tree growth.