Høyspente sjøkabler: Reduserte kostnader med et enklere design

Foreløpig er de ganske dyre, men LowEmission ønsker å utvikle et nytt design som reduserer kostnadene.

Først litt bakgrunn

En undersjøisk HVDC-kabel er en overføringskabel som leder høyspent elektrisk strøm over lange avstander under vann. Kablene er satt sammen av en leder, som vanligvis er kobber eller aluminium, XLPE-isolasjon og et beskyttende lag rundt isolasjonen. Kabler som tåler spenning høyere enn 52 kV er vanligvis utstyrt med en ekstrudert blyhylse som skal hindre vann i å trenge inn i isolasjonen. Dette er et velprøvd design med noen begrensninger, som at blyhylsen som er kostbar og gjør kabelen mindre fleksibel. Dessuten vil EU sannsynligvis forby bruk av bly i fremtiden. Og dette betyr at andre løsninger må vurderes.

XLPE eller fornettet polyetylen er et middels- til høydensitets polyetylen (lang karbonkjede) som har krysskoplede forbindelser i polymerstrukturen, og endrer termoplasten til varmeherdet plast. Høytemperaturegenskapene i polymeren forbedres, flyteevnen reduseres, og kjemikaliebestandigheten økes. Brukes hovedsakelig i rørsystemer i bygg, hydronisk strålingsoppvarming og kjølesystemer, vannledninger i husholdninger og isolasjon for høyspente elektriske kabler.

Når det foreslås nytt design og følgelig reduksjon i kostnader for sjøkabler, er det avgjørende å forstå effekten av de forskjellige materialegenskapene på langtidsaldringen av kablene. Bruk av wet-design høyspente AC-kabler (se Figur 1) – uten beskyttende metallag som hindrer vanninntrenging i kabelen – er et interessant alternativ. Disse kablene er enklere å lage og installere enn tradisjonelle tunge kabler. Siden de er lettere kan lengre deler transporteres samtidig, noe som reduserer de samlede utgiftene. De er kort sagt billigere og enklere. Over tid vil vann trenge inn i kabelen og forårsake en nedbrytning av kabelisolasjonen. Når vann trenger inn i isolasjonssystemet fører flere aldringsmekanismer til redusert levetid. Kombinasjonen av spenningsaldring, vannløselige kontaminerende stoff og et fuktighetsnivå over 70 % kan føre til utvikling av såkalte vanntrær.

Hva er et vanntre?

Et vanntre er et tett nettverk av ekstremt små vannfylte kanaler som danner en diffus, delvis ledende, tredimensjonal, fjærformet struktur.
Vanntrær oppstår i kontaktflaten mellom de halvledende lagene og isolasjonen, som følge av en kontaminering av ioner. Siden 1980-tallet er det gjort mye for å redusere konsentrasjonen av kritiske ioner i de halvledende, beskyttende lagene, blant annet ved å forbedre materialene og måten de produseres og behandles på. Til tross for fortløpende utvikling i teknologien oppstår det fortsatt vanntrær i ny og moderne isolasjon: Her kan de halvledende lagene spille en viktig rolle.

Hva er formålet med denne studien?

Figur 2 viser et vanntre sett gjennom et optisk mikroskop, som utvikler seg fra nettingen inne i isolasjonen. Overflaten er helt jevn og ser ikke ut til å være kontaminert. Det foreligger ingen åpenbare avvik, som hulrom. Hva har forårsaket veksten av dette treet på akkurat dette stedet? Det prøver vi å finne ut av.

Målet med denne studien er å undersøke ulike metoder som kan brukes til å oppdage ionene som fører til spiring og vekst av vanntrær i isolasjonen i moderne sjøkabler, ved å beregne den kjemiske sammensetningen i umiddelbar nærhet av roten til vanntreet. Hvis den totale konsentrasjonen av ioner inne i materialet er nær null, er vårt mål å påvise at en høy konsentrasjon lokalt kan resultere i vekst av vanntrær.

Resultatene

Vi brukte et sveipelektronmikroskop (SEM) til å undersøke og analysere grenseflaten mellom de halvledende skjermene og XLPE-isolasjonen i umiddelbar nærhet av et vanntre (Figur 3). Trærne er imidlertid vanskelige å skille fra hverandre gjennom SEM fordi trestrukturen tørker ut i løpet av vakuumprosessen, og gjør det vanskelig å lokalisere de bestemte stedene vanntrærne spirer.

Et sveipelektronmikroskop (SEM) er et elektronmikroskop som produserer bilder av en prøve ved å skanne overflaten med elektroner som er fokusert til en tynn stråle. Den opererer i et vakuum for å hindre elektrisk utladning i elektronkanonen (lysbue), og hjelpe elektronene til å vandre uhindret i instrumentet. Elektronene samhandler med atomer i prøven, og produserer forskjellige signaler som inneholder informasjon om prøvens overflate topografi og sammensetning.

Energidispersiv røntgenanalyse (EDX) brukes til å bestemme den kjemiske sammensetningen av området som undersøkes av SEM (figur 3). Y-aksen viser antall tellinger og x-aksen viser energien i røntgenstrålene. Topplasseringene identifiserer stoffene, og topphøyden kvantifiserer konsentrasjonen til hvert enkelt stoff i prøven.

Vi påviste at konsentrasjonen av natrium og klor nær utspringet av et vanntre var to ganger høyere enn i andre områder, noe som viser en potensielt høyere konsentrasjon av salt, som igjen forårsaker veksten av vanntrærne.

For å undersøke om det som ble observert ved hjelp av kombinasjonen av SEM og EDX var relevant eller bare en overflateeffekt (kontaminering), ble det brukt en fokusert ionstråle (FIB). Galliumioner beskytes på overflaten på prøven for å frese i dybden (ca 50 μm dyp), se Figur 4. FIB-fresing er en ødeleggende prosess, da beskytningen av en overflate med ioner fører til atomsforstøvning fra overflaten. Prøven snus og den kjemiske sammensetningen av overflaten mellom isolasjonen og halvlederen kan undersøkes av EDX langs en rett linje, se Figur 4. Enkelt forklart grov vi ut et hull i prøven, for å kontrollere sammensetningen under overflaten.

EDX-spekter langs linjen under overflaten viste bare karbon og oksygen. Vi fant ingen andre stoffer. Differanser i konsentrasjonen i stoffene på overflaten kan variere innenfor noen få mikrometer. Det er derfor mulig at området vi undersøkte var for langt fra vanntreet. Det ble imidlertid ikke observert andre stoffer enn karbon og oksygen under overflaten. Det er mulig at beskytningen med gallium har fjernet de andre stoffene fra overflaten, og derfor må vi fortsette undersøkelsen.

Konklusjon

Vanntrær kan også vokse i betydelige lengder XLPE-isolasjon på moderne høyspentkabler. Hvis de kontaminerte ionene som har ført til spiringen av vanntrærne i isolasjonen finnes på overflaten, selv når kontamineringen ikke er synlig, kan de enkelt påvises ved å bruke metoden der man undersøker overflaten ved hjelp av SEM kombinert med EDX.

Resultatene viser at eventuelle overflatekontamineringer kan svekke resultatene, noe som gjør denne tilnærmingen utfordrende. Dette kan løses ved å bruke FIB-fresing for å utelukke kontamineringer på overflaten, og påvise ioner titalls mikrometer inne i prøven.

Fortsettelse følger…