Av Børre Sivertsvoll og Terje Rønningen Siemens AS Hallvard Faremo og Jens Kristian Lervik SINTEF Energi AS Kåre Hønsi og Rolf Wilnes Statkraft Energi AS Ole Kristian Jacobsen og Hans Lavoll Halvorson BKK Sammendrag Denne artikkelen omhandler 24 kv kabelanlegget til generatorene i Aura Kraftverk, og skjermstrømmene som oppstod i aluminiumslaminatet for disse kablene, de problemer dette forårsaket og hvilken løsning som ble valgt for dette anlegget. Stadig flere feil på et nytt kabelanlegg, medførte en sterkt sviktende tiltro til at kabelanlegget kunne oppfylle sin tekniske funksjon. En utskiftning av det nyinstallerte kabelanlegg ble ansett som et reelt scenario, selv med de store økonomiske konsekvenser det ville gi for de involverte partene. Men som en siste utvei, ble man enige om å etablere en arbeidsgruppe. Hvis mandat var å finne årsakssammenhengen for problemene man har hatt ved kabelanlegget tilknyttet Aura kraftverk og foreslå egnede og begrunnede løsninger. Denne arbeidsmetodikk og angrepsvinkel for kompliserte tekniske feil og utfordringer kan på det sterkeste anbefales. Det er viktig at de involverte parter jobber sammen, etablerer en felles forståelse for problemet og enes om en teknisk god løsning. Dette bidrar til å skape en god og nødvendig tillit hos de involverte parter. Det ble presisert fra arbeidsgruppens oppdragsgivere at eventuelle kommersielle og juridiske problemstillinger skulle holdes utenfor gruppens arbeid. 235
Vinteren 2006 inngikk Siemens AS og Statkraft Energi AS en avtale om elektroteknisk leveranse tilknyttet oppgraderingen av Aura Kraftverk. Avtalen innebar blant annet en oppgradering av generatorkabelanlegget perioden 2006 til 2008 [1]. Denne artikkelen omhandler 24 kv kabelanlegget til generatorene i Aura Kraftverk. Herunder de skjermstrømmer som oppstod i kablene, de problemer dette forårsaket og hvilken løsning som ble valgt for dette anlegget. September 2007 oppstår feil på kabelanlegg i tilknytning til endeavslutning for generator 3. Feil utbedres og årsak oppgis å være montasjefeil. Ingen ytterligere undersøkelser foretas. Oktober 2008 oppstår feil på kabelanlegget tilknyttet generator 1. Feil lokaliseres og utbedres. Anlegget spenningssettes, men generator 1 frakobles umiddelbart av vern. Nytt søk gjøres og ny feil lokaliseres under en kabelklamme. I forbindelse med dette reparasjonsarbeid, oppdages yterligere skader på kabelanlegget, i form av utposing på generatorkablenes yterkappe. Skaden er markert med stiplet sirkel i nederste bilde, se figur 1. 236
Under et fellesmøte mellom Statkraft, Siemens og Nexans november 2008, konkluderer deltagerne med at problemstillingen synes kjent. Den mest sannsynlige forklaring var manglende sammenkobling mellom aluminiumslaminat og kobberskjermtrådene til generatorkablene. Nexans anbefalte at kabler som hadde synlige deformasjoner på yterkappe, skulle kappes ut og nye kabler skulle skjøtes inn. Samtidig skulle det etableres forbindelse mellom av aluminiumslaminatet og kobberskjermtråder i henhold til anbefalt metode fra Nexans. Totalt ble det etablert 17 skjøter for kabelanlegget. Figur nedenfor viser hvordan kabelsko er loddet fast til kabelens aluminiumslaminat, hvor kabelsko med tilhørende leder utgjør en forbindelse til kabelens kobberskjermtråder. I mars 2009 ble det under utbedringsarbeidet, på ny oppdaget skader på allerede utbedrede kabler, men da som varmgangsproblematikk i 3 etablerte kontaktpunkt for aluminiumslaminatet. Et kabelstykke ble kappet ut og oversendt til Nexans for nærmer analyse. Nexans konkluderte med at årsaken til varmgangen var for dårlig elektrisk kontakt mellom aluminiumslaminat og påloddet kabelsko [6]. Statkraft Energi AS fant det urovekkende at stadig nye feil på kabelanlegget dukket opp, også på de deler av anlegget som var utbedret. Det ble derfor besluttet å overvåke strømflyten i etablerte forbindelser mellom aluminiumslaminat og kobberskjermtråder. Strøm ble målt og loggført forholdsvis regelmessig fra november 2009 til september 2011. Målingene konstaterte at strøm i mange av sammenkoblingspunktene ble betydelig redusert over tid, noe som indikerte en økende overgangsmotstand i forbindelsen mellom aluminiumslaminatet og kablenes kobberskjermtråder. 237
Stadig nye feil og etablerte kontaktpunkt som sviktet, medførte en sterkt sviktende tiltro til at kabelanlegget kunne oppfylle sin tekniske funksjon. En utskiftning av det nyinstallerte kabelanlegg ble ansett som et reelt scenario, selv med de store økonomiske konsekvenser det ville gi for de involverte partene. Men som en siste utvei, ble man enige om å etablere en arbeidsgruppe. Arbeidsgruppens mandat var å finne årsakssammenhengen for problemene man har hatt ved kabelanlegget tilknyttet Aura kraftverk og foreslå egnede og begrunnede reparasjonsscenarioer. Det ble presisert fra arbeidsgruppens oppdragsgivere at eventuelle kommersielle og juridiske problemstillinger skulle holdes utenfor gruppens arbeid. Arbeidsgruppen hadde følgende deltagere: Terje Rønningen, Siemens AS (leder av arbeidsgruppen) Børre Sivertsvoll, Siemens AS Rolf Wilnes, Statkraft Kåre Hønsi, Statkraft Ole-Kristian Jacobsen, BKK Nett AS Hans Lavoll Halvorson, BKK Nett AS Arbeidsgruppen etablerte i tillegg kontakt med Sintef Energi AS, herunder seniorforskere: Hallvard Faremo Jens Kristian Lervik Begge de sistnevnte arbeidet som rådgivere i arbeidet med å finne frem til en god teknisk løsning for utbedringen av kabelanlegget. Arbeidsgruppens innledende arbeid gikk ut på å avklare hva som var årsaken til problemene og hvilke mulige løsningsscenarioer man stod ovenfor. 238
I kabelforlegningen ved Aura Kraftstasjon var benyttet enlederkabler av type TSLF 24 kv 1x1200 mm 2 Al. Kablene som ble valgt for dette anlegget benytter aluminiumslaminat som radiell vanntetting. I konstruksjonen ytterst over PEX isolasjonen er det en halvledende isolasjonsskjerm (ytre halvleder) og utenpå denne et halvledende bånd og isolerende svellebånd i såkalt interlock. Kopperskjermen (trådskjerm) ligger utenpå disse båndene. Mellom kopperskjermen og aluminiumslaminatet ligger det et halvledende nylonbånd på cirka 0,7 mm. Aluminiumslaminatet har en tykkelse på ca 0,2 mm, noe som tilsvarer et ekvivalent kobbertverrsnitt på 38 mm 2. Kobberskjermtrådene hadde et ekvivalent tverrsnitt på 50 mm 2. Det oppstod flere ulike feil på dette kabelanlegget. Kabelfeil som følge av høy overgangsmotstand i sammenkoblingspunkt (illustrert figur 2) mellom aluminiumslaminat og kabelsko. Det ble videre observert kappefeil, som følge av tilfeldig etablerte kontaktpunkt mellom aluminiumslaminat og kobberskjermtråder. Tilfeldige kontakt ble eksempelvis etablert ved at kabel ble påtrykt ytre press som følge av kabelklammer, illustrert i figur 1. Ved SINTEF Energi er man kjent med at det kan oppstå feil på grunn av induserte strømmer for denne kabelkonstruksjonen. Laminatkabler er tidligere (omkring 1993) vurdert ved SINTEF Energi. En aktivitet i prosjektet omhandlet induserte strømmer i laminat og kopperskjerm. 239
Det ble i dette prosjektet påvist både eksperimentelt og teoretisk at det kunne oppstå varmgang i laminatet/kopperskjermen med følgeskader på kabelens isolasjonssystem dersom laminat og kopperskjerm ikke var tilstrekkelig sammenkoplet i endene. På grunn av fasestrømmene vil det induseres spenninger i kabelskjermene. De induserte spenningene vil medføre induserte strømmer når kabelskjermene er jordet eller sammenkoplet i begge ender. De induserte spenningene/strømmene vil øke med faseavstanden mellom enlederkablene. Tett trekant forlegning vil gi de laveste induserte strømmene. I plan forlegning vil dermed det vil bli større induserte strømmer og høyere induserte tap. Når det gjelder skjermtverrsnitt, vil et økt skjermtverrsnitt gi økt indusert strøm. Varmeutviklingen i skjermene vil øke med skjermtverrsnittet opp til et visst nivå. Beregninger viser at maksimal varmeutvikling ligger ved et koppertverrsnitt på ca 100 mm 2, men dette kan variere avhengig av konfigurasjonen. For den aktuelle forlegningen med kablene forlagt i tett trekant i tre grupper, viste beregningene at de induserte strømmene i hver kopperskjerm var cirka 14 % og i hvert aluminiumslaminat cirka 7 % av lederlederstrømmet. Det vil si henholdsvis 130 A og 65 A for den aktuelle lederstrømmen i anlegget på 900 A. I de tilfeller hvor det er dårlig elektrisk forbindelse mellom kopperskjerm og aluminiumslaminat, kan en risikere at hele den induserte strømmen på 65 A i aluminiumslaminatet går via en av kopperskjermtråd på 1 mm 2 og dermed føre til høy varmeutvikling. Strømovergangen kan i dette tilfellet skje under en kabelklammer eller i endene eller skjøtene hvor aluminiumslaminatet er avsluttet. For å redusere problemene som kan oppstå med induserte strømmer kan det være aktuelt å frakople kopperskjerm og aluminiumslaminat i en ende og beholde jordingen i den andre enden. Kabeldesignet som ble benyttet i Auraanlegget er fortsatt aktuelt i 2014. Men for kabler med tverrsnitt opp til cirka 400 mm 2, benyttes et 240
annet design for å koble sammen aluminiumslaminat og kobberskjerm. Her legges et isolerende svellebånd i ÅPEN spiral mellom de to metallskjermene slik at sikker kontakt oppnås ved direkte metallisk kontakt mellom skjermene i hele kabellengden. Dette designet er imidlertid ikke innført på de større tverrsnittene; her må fortsatt aluminiumslaminatet og kobberskjermen fysisk kobles sammen både i endeavslutningene og i skjøtene. Alle feil som oppsto på det nye kabelanlegget førte til at alle de involverte parter, Statkraft Energi AS, Siemens AS og BKK, var enige om at kabelanlegget ikke var i tilfredsstillende teknisk stand for å kunne driftes med høy driftssikkerhet i de kommende 20 år. Enten måtte man finne en god og pålitelig måte å utbedre kabelanlegget på, eller som siste mulighet skifte ut hele kabelanlegget. Den innledende årsak til problemene med kabelanlegget hadde sin opprinnelse i feil bruk av montasjeanvisning, og dermed ble ikke aluminiumslaminatet sammenkoblet med kobbertrådene ved montasje av kablenes endeavslutninger. Etter at aluminiumslaminatene i ettertid ble sammenkoblet med kobbetrådene, viste det seg at man også fikk varmgang i flere av sammenkoblingspunktene. Dette var en problemstilling man også ville stå ovenfor ved eventuell utskifting av hele kabelanlegget. Dermed ble oppgavestillingen for arbeidsgruppen å finne ut om det lot seg gjøre å utbedre de skader man allerede hadde fått på anlegget, samt å finne best egnede og pålitelige metode for å forbinde kabelens aluminiumslaminat og kablenes kobbertråder. Dersom man klarte å finne gode og egnede metoder for å løse disse problemstillingene ville det være klart foretrukket å foreta utbedringene i forhold til å skifte ut hele kabelanlegget. Aura Kraftverk er i norsk målestokk et stort kraftverk med en gjennomsnittlig årsproduksjon på 1,8 TWh fordelt på 7 aggregat. Totalt består generatorkabelanlegget av 51 kabler, alle av typen 24 kv TSLF 1200 mm 2 Al med en samlet kabellengde på ca 12,5 km 241
Driftsmessig ville en utskifting av hele kabelanlegge gitt Statkraft Energi AS betydelige utfordringer både med hensyn til produksjonsplanlegging og med hensyn til å unngå tapt produksjon. Videre så ville både produksjon av ny kabel, demontering og utsjauing av eksisterende kabel samt legging og idriftsettelse av ny kabel tatt relativt lang tid. Kostnadene med komplett utskifting av kabelanlegget også ville blitt meget høye, men dette var ikke av avgjørende betydning i de vurderinger som ble foretatt. De underliggende årsakene til problemene ble relativt raskt funnet. Disse var i korthet følgende: Manglende god elektrisk forbinding mellom aluminiumslaminat og jordskjerm hadde ført til varmgang med påfølgende skade påført kablenes ytterkappe flere steder i kabelanlegget. Den ettermonterte forbindingen av aluminiumslaminat og kobberskjermtråder ved hjelp av loddemetoden (Nexans anbefalte metode) var ikke pålitelig nok og det oppsto varmgang pga for høy overgangsmotstand i flere sammenkoblingspunkt. Dette førte til nye skader på kablenes ytterkappe, og i noen tilfeller også i kablenes PEX-isolasjon. Kabelanleggets generelt sett meget store (omkring 200A) skjerm / kappestrømmer var også en betydelig utfordring. Siden man også måtte løse de samme utfordringene ved eventuell utskifting av hele kabelanlegget ble arbeidsgruppens klare anbefaling å utbedre det eksisterende kabelanlegget etter nøye vurderte og forhåndsbeskrevne tekniske metoder og prosedyrer. Arbeidsgruppen mente videre at Nexans anbefalte metode for etablering av kontakt mellom aluminiumslaminat og kobberskjermtråder ikke lot seg gjennomføre i praksis. Dette da det stiltes så store krav til montasjemessig kvalitet og utførelse, at det vanskelig lot seg gjennomføre i praksis. Arbeidsgruppen var av den oppfatning at metoden fra ABB-Kabeldon var mer egnet til å håndtere de relativt store skjerm- og kabelstrømmer. Dette da metoden lot skalere i form av antall innstikksplater. I tillegg var det en klar oppfatning at metoden fra ABB-Kabeldon var en enklere i form av å oppnå god montasje- 242
messig kvalitet og utførelse. Arbeidsgruppen valgte derfor løsningen fra ABB-Kabeldon. De meget høye skjerm- og kabelstrømmer ble fremdeles ansett som en utfordring. For å adressere dette, anbefalte arbeidsgruppen at aluminiumslaminat og kobberskjermtråder ble isolert i en ende av anlegget. Dette ville redusere de store strømmene, og dermed gjøre anlegget mindre sårbart for svake sammenkoblingspunkt. Statkraft Energi AS har så langt positive erfaringer med valgt teknisk løsning. Det er i etterkant ikke oppdaget varmgang eller andre feil på kabelanlegget. Det er for tidlig å gi en endelig konklusjon på et anlegg som har forventet levetid over flere tiår, men de valgte tekniske løsninger har så langt vist seg å gi de forventede resultatene. Metoden med pålodding av en kabelsko til aluminiumslaminatet ble utviklet av Alcatel Kabel Norge i 1996 [3]. 243
Det finnes ingen fullstendig testdokumentasjon for denne metoden. Det er utført noen laboratorietester i 1996 med lastsykling der temperaturer på kritiske steder ble overvåket. Det ble konkludert med at metoden med metallisk kontakt (lodding) ikke gir noen varmgang og metoden ble anbefalt industrialisert. Nexans påpekte at spesiell opplæring av montører i metoden er avgjørende for et tilfredsstillende resultat. Noe som i praksis har vist seg svært vanskelig å oppnå. SCK er en forkortelse for Screen Connection Kit for Cables with Extruded Insulation and Oversheath with Aluminium Laminate. SCK er basert på at ytterkappen sammen med aluminiumslaminatet splittes opp og det settes inn kontaktblikk på undersiden av laminatet [4]. Kontakttrykket mellom kontaktblikk og laminat opprettholdes ved bruk av fjærklemmer og elastisk isolasjonstape. Det finnes ingen fullstendig testdokumentasjon for denne metoden. Men SCK metoden har vært i bruk i ca 20 år på høyspent- og mellomspenningskabel. En mulig feilkilde ved SCK-metoden ble sagt å være at blikket kunne bli dratt ut fra laminatet og dermed få en mindre kon- 244
taktflate pga shrink back av ytre kappe. Shrink back betyr at kablenes ulike bestandeler beveger seg relativt ulikt til hverandre under oppvarming og nedkjøling. Metoden går ut på å bruke kobbernett og rullefjær [5]. Det finnes ingen fullstendig testdokumentasjon for denne metoden. Det hersker også en viss usikkerhet om hvor egnet denne metoden er for de kabelkonstruksjoner som har høye skjermstrømmer. ABB Kabeldons SCK-metode med kontaktblikk montert under aluminiumslaminatet ble anbefalt av arbeidsgruppen som den best egnede metoden. Det ble benyttet 5 stk SCK-plater per laminatskontaktpunkt. Figure 10 illustrerer hvordan løsningen ble benyttet på de ulike deler av anlegget 245
For å redusere strømpåkjenningen i kobberskjerm og aluminiumslaminat anbefalte arbeidsgruppen å bygge om kabelanlegget til å ha jordet skjerm kun en ende. Ved generatorenes faseuttak ble det etablert forbindelse mellom kobberskjermtråder og aluminiumslaminat, og som igjen ble ført ut av kabelen i felles jordleder som ble terminert på isolator inne i faseuttaksrommet. Dette reduserte den total skjermstrømmen fra ca 200 A til mindre enn 1 A. 246
Arbeidsgruppen fant med god hjelp fra SINTEF Energi AS en teknisk og praktisk måte på å utbedre kabelanlegget. De valgte løsninger anses som teknisk god og vil som ventelig gi et pålitelig og driftssikkert kabelanlegg. Arbeidsgruppen mente at SCK-metoden til ABB-Kabeldon var den mest egnede metode for å løse de problemer man opplevde med kabelanlegget i Aura kraftverk. I tillegg ble en ende av kablene isolert. Dette reduserte den total skjermstrøm fra cirka 200 A til mindre enn 1 A. Noe som også gjør at man er mindre sårbar for eventuelle svake kontaktpunkt mellom aluminiumslaminat og kobberskjermtråder. [1] Statkraft Energi AS. [2] Nexans datablad. 24 kv TSLF 1x1200 mm 2 Al. [3] Alcatel Contracting Norway AS. MONTASJEANVISNING. Jording av laminat ved en montert kabelavslutning. Alcatel Tegning nr.: 101137. 09.10.1996. [4] ABB AB, Kabeldon Montasjebeskrivelse. Screen connection kit for cables with a radial aluminium laminate water barrier. 4290.6031-02. March 2008. [5] ENSTO Montasjebeskrivelse MB 239 (73) - 05/2002 EPP-0741- NO-2/98. TSLE, TSLF jordingssett for endeavslutning og skjøt. [6] Nexans Teknisk rapport. 00000-EMT-21065. April 2009. 247