Future Design of Subsea High Voltage Cables for Offshore Renewables - Water tree growth from contaminants of oxidized polyethylene

Abstract

Høyspent sjøkabel er en nøkkelkomponent i offshore energiproduksjon fra vind eller sol. I kablene som kobles mellom slike installasjoner er det ikke ønskelig med en vanntettende barriere av bly. Dette er både av hensyn til miljø, størrelse, vekt, pris og for å unngå tretthetsbrudd i blyet dersom kabelen benyttes i flytende installasjoner. Ved å fjerne denne barrieren, kan vann trenge inn i kabelisolasjonen og resultere i vanntrær som kan forkorte kabelens levetid. Hovedmålet med denne masteroppgaven er å finne ut av hvorvidt vanntrær kan oppstå i eller rundt partikler av oksidert kabelisolasjon, for å så se nærmere på årsakene det.

Denne oppgaven undersøker partikler detektert av kontrollsystemet til produksjonen av polyetylenet brukt i kabelisolasjon. Partiklene støpes inn i en Rogowski-kopp av polyetylen for å aldres elektrisk ved å legge til rette for at vanntrær kan dannes og vokse i et kontrollert miljø.

Etter aldring undersøkes prøven i mikroskop og elektronmikroskop for å studere eventuelle vanntrær og partikkelens struktur. Videre analyseres innholdet av ulike atomer ved hjelp av energidispersiv røntgenanalyse med mål om å søke etter kjemisk innhold utover de organiske gruppene som oppstår ved oksidasjon av polyetylen.

Resultatene viser en forekomst av vanntrær fra 2 av 43 partikler aldret, hvor vanntrær oppstod blant de mest oksiderte partiklene. Felles for partiklene med vanntrær er at de har den samme porøse strukturen som kan observeres i elektronmikroskop, og ingen forskjeller atom innhold sammenlignet med isolasjonen rundt partikkelen. Noen av partiklene uten vanntrær kan beskrives som kornete gjennom mikroskopisk analyse. Disse kan relateres til forekomster av silisium som detekteres i partikkelen og ikke i isolasjonen rundt.

High voltage subsea cables are key components of offshore floating renewables such as floating wind and solar farms. It is favorable to produce the inter-array cables of such installations without a water barrier of lead to reduce environmental impact, size, weight, price, and avoid fatigue the in lead sheathing. Removing the water barrier facilitate the possibility of water tree growth, as water will diffuse into cable insulation material. The main goal of this master’s thesis is to determine whether water trees can originate from such particles and determine the cause of initiation.

This thesis investigates particles of oxidized polyethylene detected by an optical control system used in cable insulation manufacturing. The particles are molded into Rogowski-cups and electrically aged in a wet environment to facilitate the growth of water trees in a controlled manner.

After aging the particles are inspected using a microscope and a scanning electron microscope to detect water trees and study the structure of the particles. The elemental composition of each particle is analyzed using energy dispersive X-ray spectroscopy in search of chemical content beyond the organic groups produced by the oxidation of polyethylene.

Results show an occurrence of water trees from 2 out of 43 aged particles, which were among the most oxidized particles in the study. Both particles had the same porous structure when studied in a scanning electron microscope and there were no differences in elemental composition in the particles compared to the surrounding insulation. In other particles without water trees, some contained grains visible through microscopy. Deposits of silicon were discovered using energy dispersive X-ray spectroscopy, which can be related to the grains.