Semi-Wet Design of High Voltage Subsea Cables with XLPE-insulation

Abstract

Et semi-våt design av undersjøiske høyspentkabler (HVSC) har blitt undersøkt som et mulig alternative til tørr-design gjennom analyse av vanntrær, akkumulering av romladninger og urenheter i tverrbundet polyetylen (XLPE)-isolasjon. I tillegg ble polypropylen (PP) diskutert som et mulig alternativ til XLPE-isolasjon med hensyn på miljø og isolerende egenskaper.

En vannbarriere av bly blir vanligvis brukt i undersjøiske høyspentkabler for å forhindre vanngjennomtrengning og dannelsen av vanntrær i XLPE-isolasjonen. Som et alternativ, ble bruken av to polymeriske ytre lag vist til å forhindre dannelsen av vanntrær flere år etter estimert levetid for undersjøiske høyspentkabler. Dette ble oppnådd ved å utsette tiden det tok for kabelen i å oppnå en relativ fuktighet (RH) tilsvarende 70%, noe som er nødvendig for at vanntrær skal kunne bli dannet. Med det ytterste laget bestående av material med lav vann-permabilitet og det innerste laget bestående av material med høy vann-løselighet, simulerte numeriske kalkulasjoner at relativ fuktighet på 70% ble oppnådd etter 300 år når kabelen var under påvirkning av en termisk gradient.

Vanntrær er en av de største årsakene for tidlig kabelfeil i undersjøiske høyspentkabler med XLPE-isolasjon og kan bli delt inn i ventilerte og sløyfetrær. Ventilerte vanntrær vokser fra enten lederen eller halvlederen, mens sløyfetrær vokser fra defekter eller urenheter i XLPE-isolasjonen. Biprodukter fra peroksid-tverrbinding av XLPE-isolasjons materiale som acetofenon, alfa-metylstyren og alfa-cumylalkohol ble observert til å forårsake akkumulering av romladninger ettersom ladningsbærere ble fanget. Akkumulering av romladninger ble dessuten observert til å bli forsterket når fuktighet var tilstedet, noe som understreker viktigheten av vannbarriere-designet. Alfa-cumylalkohol og vann oppførte seg som grunne feller, noe som økte konduktiviteten til XLPE-isolasjonen og dermed reduserte dens dielektriske egenskaper. Biproduktene må derfor gjennomgå avgassing, noe som ikke er nødvendig for PP-isolasjon.

Polyolefin elastomerer (POE) ble vist til å forbedre sprøheten til iPP, noe som ga iPP de ettetraktede egenskapene for kabel-isolasjon, og er i tillegg resirkulerbart. En blanding av iPP/POE kan dermed være et godt alternativ til XLPE-isolasjon, men det har blitt observert en signifikant økning i vekstrate av elektriske trær med økt innhold av elastomerer.

A semi-wet design of high voltage subsea cables (HVSC) has been investigated as a substitute of a dry design through analyses of water treeing, space charge accumulation and impurities in the crosslinked polyethylene (XLPE)-insulation. Additionally, polypropylene (PP) was discussed as a possible alternative to XLPE-insulation with respect to environmental concerns and insulating properties.

A water barrier of lead is frequently used in high voltage subsea cables to prevent water ingress and water treeing in the XLPE-insulation. As an alternative, the employment of dual polymeric outer layers has been shown to prevent water treeing several years beyond the projected lifespan of the cable. This is achieved by prolonging the time to reach a relative humidity of 70%, which is necessary for water trees to initiate. With a low water permeability outer jacket and a high water solubility inner jacket, numerical calculations simulated that a relative humidity of 70% was first achieved after 300 years under the influence of a thermal gradient.

Water trees are one of the main reasons for premature cable failure in high voltage subsea cables with XLPE-insulation and can be divided into vented and bow-tie water trees. Vented water-trees initiate from either the conductor or semi-conductor, while bow-ties initiate from defects and by-products. The by-products from peroxide-crosslinking of the XLPE insulation material, such as acetophenone, alpha-methylstyrene and alpha-cumylalcohol were found to cause space charge accumulation due to the entrapment of charge-carriers. Space charge accumulation was found to be enhanced in the presence of moisture, highlighting the importance of the water barrier design. Alpha-cumylalcohol and water function as shallow traps, increasing conductivity and cause loss of dielectric properties. Therefore, by-products from crosslinking must undergo degassing which is not necessary for PP-based insulation.

Polyolefin elastomers (POE) were shown to improve the brittleness of iPP, giving iPP its desired properties for cable insulation as well as recyclability. As a result, iPP/POE blends could be a suitable alternative to XLPE-insulation. However, it has been reported that an increase in elastomer-content could significantly increase electrical treeing.