Degradation Mechanisms and Water Treeing in Cross-linked Polyethylene Wet-design Subsea Power Cables

Abstract

Våtdesignede kabler av kryssbundet polyetylen (XLPE) presenterer et mer miljøvennlig alternativ til tradisjonelle undersjøiske kabler med en ytre blykappe. Med EU som vurderer et forbud mot bruk av bly innen 2025, er undersjøiske kabler av XLPE klare til å bli en essensiell erstatning. Forskning på disse kablene har så langt vist lovende resultater, men utfordringer som vanntrær må fortsatt løses.

Målet med denne studien var å undersøke og sammenligne vanntrær og nedbrytning i tre forskjellige strømkabeldesign med XLPE. Våt-designet består av et isolasjonslag av XLPE, og to halvledende skjermer som inneholder et karbonsvart additiv. Den innerste delen av kabelen er en metallisk lederkjerne. To av kablene ble utsatt for våt-aldring, og de hadde kobberledere som innerste del. En av de laboratorie- aldrede kablene hadde et "furnace black" additiv, og den andre hadde høyere renhet "acetylene black" som karbonsvart additiv. Disse kablene ble sammenlignet med en kabel aldret i bruk med en aluminiumsleder og et "furnace black" additiv i de halvledende skjermene. XLPE og halvledende skjermer ble karakterisert i henhold til mikrostruktur og kjemisk sammensetning.

Halveledende skjermer med "acetylene black" presenterte et lite vanntre (55 µm) i 15 cm spiralisert kabelisolasjon. Videre analyse av vanntreets initieringssted viste at ingen urenheter eller defekter var til stede på stedet. I den våt-aldrede halvledende skjermen med "furnace black", ble 10 vanntrær lokalisert i 10 cm spiralisert kabelisolasjon, med lengder fra 206 til 924 µm. Tilstedeværelsen av hulrom og porøse regioner ved vanntrærne sine initieringssteder ble funnet for to vanntrær. Na og Cl ble oppdaget på overflatene av hulrommene og inne i de porøse regionene. I kabelisolasjonen som har vært i bruk ble vanntrær lokalisert langs hele den indre halvledende skjermen og ingen vanntrær ble funnet ved den ytre halvledende skjermen. Kanalstrukturer med Na og Cl ble identifisert i den indre halvledende skjermen. Ulike former for nedbrytning har derfor gitt opphav til vanntrær i de ulike kablene.

Resultatene presentert i denne oppgaven viser at halvledende skjermer med "acetylene black" har færre urenheter og nedbrytning sammenlignet med halvledende skjermer med "furnace black". "Acetylene black" er derfor mer egnet for bruk i høyspente undersjøiske strømkabler. Kabelen som har vært i bruk med en aluminiumsleder hadde mer alvorlig nedbrytning enn de laboratorie-aldrede kablene med kobberledere. Aluminium har flere fordeler for bruk som leder i undersjøiske strømkabler, og siden aluminium er utsatt for korrosjon i kontakt med vann er det av ytterste viktighet at flytende vann ikke når lederkjernen i disse kablene.

Wet-design cross-linked polyethylene (XLPE) cables present an environmentally friendly alternative to traditional subsea cables with an outer lead sheath. With the European Union considering a ban on lead use by 2025, XLPE subsea cables are poised to become an essential replacement. Research on these cables has shown promising results so far, but challenges such as water treeing still need to be resolved.

The objective of this study was to investigate and compare water treeing and degradation in three different wet-design subsea power cables. The wet-design consists of an insulation layer of XLPE, and two semiconductive screens containing a carbon black additive. The innermost part of the cable is a metallic conductor core. Two of the cables were subjected to wet-ageing, and they had copper conductors as the innermost part. One of the laboratory-aged cables had a furnace black additive, and the other had higher purity acetylene black as the carbon black additive. These cables were compared with a service-aged cable with an aluminium conductor and a furnace black additive in the semiconductive screens. The XLPE and semiconductive screens were characterized according to microstructure and chemical composition.

The semiconductive screen with acetylene black presented one small water tree (55 µm) in 15 cm of spiralized cable insulation. Further analysis of the water tree inception site revealed that no impurities or defects were present at the site. In the wet-aged semiconductive screens with furnace black, 10 water trees were located in 10 cm of spiralized cable insulation, with lengths ranging from 206 to 924 µm. The presence of voids and porous regions at water tree inception sites was revealed for two water trees. Na and Cl were detected at the void surfaces and inside the porous regions. In the service-aged cable insulation, water treeing had occurred along the whole inner semiconductive screen and no water treeing had occurred at the outer semiconductive screen. Channel structures with Na and Cl were identified in the inner semiconductive screen. Different degradation mechanisms have lead to water treeing in the three cables.

The results presented in this thesis show that semiconductive screens with acetylene black has less impurities and degradation compared to semiconductive screens with furnace black. Acetylene black is therefore more suitable for use in high voltage subsea power cables. The service-aged cable with an aluminium conductor had more severe degradation than the laboratory-aged cables with copper conductors. Aluminium has several advantages for use as the conductor in subsea power cables, and since aluminium is prone to corrosion in contact with water it is of utter importance that liquid water does not reach the conductor core in these cables.