Høyspenningskomponenter og materialer utsatt for høye hydrostatiske trykk

Like dokumenter
Tilstandskontroll av kabel- og transformatoranlegg. Del 1: Kabel.

INNHOLDSFORTEGNELSE. Partielle utladninger. Typer utladninger. Årsaker til partielle utladninger. Hvorfor bør man ha fokus på partielle utladninger?

Vedlikeholdsforum september 2011 Rica Nidelven

TILSTANDSVURDERING AV 24 KV-ISOLATORER. Av Kristian Thinn Solheim og Steinar Refsnæs, SINTEF Energi AS

Kvalitetssikring av polymerisolerte HVDC kabler ved hjelp av spenningsprøving

Raychem MVTI/MVTO push on endeavslutning for PEX- og EPR-isolert kabel fra 12 kv opp til 36 kv

Brytning av strøm. - Hvordan brytes strøm? - Hvordan lages brytere? Den elektriske lysbuen, koblingsoverspenninger etc.

Mandag Ledere: Metaller. Atomenes ytterste elektron(er) er fri til å bevege seg gjennom lederen. Eksempler: Cu, Al, Ag etc.

Tilstanden på kraftnettet vårt?? Anngjerd Pleym SINTEF Energiforskning AS

1 BEREGNINGSGRUNNLAG...2

Optimal belastning av kabel. REN AS Kåre Espeland

Kjøling av restråstoff

Jordelektroder utforming og egenskaper

IFEA Subsea Kraftforsyning-elektro 26 mai 2011 Subsea Switchgear

SI Energi og Miljø

Infrastrukturdagene 2014

Tirsdag r r

Jernbaneverket KONTAKTLEDNINGSANLEGG Kap.: 4.d Infrastruktur Regler for bygging Utgitt: Tilleggsisolasjon for kontaktledningsanlegg Rev.

[C] oi) Patent nr (51) mt. Cl 3 H 01 B 7/00. (21) Patentsøknad nr. 4004/69. (22) Inngitt (24) Løpedag

Elektrisk trevekst og partielle utladninger i silikongummi for HVAC konnektorer

Havari av 132 kv PEX kabel i Naddvik Kraftstasjon Kontrollmetoder benyttet for å redusere risikoen for nye problemer

TSLI flammehemmende og halogenfri

Kraftforsyning til installasjoner på havbunnen

Elektrisk trevekst i ekstrudert Polypropylen (PP) kabelisolasjon

Høy spenning i lavspenningsanlegg

Polarisasjon og Elektrisk ledningsevne i HVDC masse- og PEX isolerte kabler som funksjon av spenning og temperatur.

Selvutslettende betongankre

HVDC-kabelisolasjon for neste generasjons transmisjonsnett

(12) PATENT (19) NO (11) (13) B1. (51) Int Cl. NORGE. Patentstyret

Observert undertrykk i urinpose/slange etter start bruk av ecinput.

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

RELICON - Innovative støpeskjøter og Gel-teknologi

Onsdag og fredag

Melbye Skandinavia Mikrorør

Rev.: 3 Kabler Side: 1 av 7

Undersøkelse av hvordan vanninntrengning kan føre til havari av oljefylte kabeltermineringer

D i e l e ktri ku m (i s o l a s j o n s s to ff) L a d n i n g i e t e l e ktri s k fe l t. E l e ktri s ke fe l tl i n j e r

Forskrifter om elektriske forsyningsanlegg Jording

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Eksamen GEOF100 Introduksjon til meteorologi og oseanografi

Tolkning av måledata betinger kunnskap om egenskaper ved elektriske apparater. en kort innføring i disse for enkelte utbredte apparater

Den franske fysikeren Charles de Columb er opphavet til Colombs lov.

Forelesning nr.7 INF Kondensatorer og spoler

PD-testing av høytemperatur motorkabel

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN FY1013 ELEKTRISITET OG MAGNETISME II Fredag 8. desember 2006 kl 09:00 13:00

Feilsøking og skadeanalyse. Øivind Husø

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer. Vekselstrøm Kondensatorer

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2013 Løsninger

Historikk. 2 av 6. VERSJON DATO VERSJONSBESKRIVELSE Førsteutkast PROSJEKTNOTATNR AN VERSJON 1.0 PROSJEKTNR

LABORATORIERAPPORT. RL- og RC-kretser. Kristian Garberg Skjerve

Oppgave 4 : FYS linjespesifikk del

IEC serien. IEC består av følgende deler under den generelle tittel Virkninger av strøm på mennesker og husdyr

NEK Elsikkerhetskonferanse 2009

Lavspenning og 22 kv/vedlikehold/sporvekselvarme

DATABLAD. Gnistgap AUS montasje

Jernbaneverket Teknisk regelverk Utgitt 1. februar 2016

..og kraftelektronikk

Eksamen i TMT 4185 Materialteknologi Tirsdag 12. desember 2006 Tid:

Brytning av små induktive strømmer

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. ving 11.

EKSAMENSOPPGAVE. Adm.bygget, Aud.max. ü Kalkulator med tomt dataminne ü Rottmann: Matematisk Formelsamling. rute

Utvikling av testmetoder for fiberoptisk sjøkabel med DC-drevne forsterkere

Typiske spørsmål til en muntlig eksamen i IN5490 RF MEMS, 2008

AST1010 En kosmisk reise Forelesning 13: Sola

PatXML 1/ HT. Teknikkens område

MEK4540/9540 Høsten 2008 Løsningsforslag

BRUKSINSTRUKS AB CHANCE TYPE C

Drypp fra forskning innen produksjon, prosessering og transport

Frivillig test 5. april Flervalgsoppgaver.

Plast produksjon i små serier. En kombinasjon av framtidens produksjonsmetode DDM og sprøytestøping. Og formeverktøy for små serier.

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Øving 11. Veiledning: november.

FlexFlame BFOU 0,6/1(1,2)kV P5/P12 Kraft kabel

ELEKTRISK STRØM 2.1 ELEKTRISK STRØM ATOMER

Øving 15. H j B j M j

MULTIKABEL. Multikabel fremtidens kabel. Kombinert løsning med kraft og fiber i en og samme kabel

Degradering av flourpolymerer ved hjelp av partielle utladninger

Kondensator. Symbol. Lindem 22. jan. 2012

Overoppheting av mellomspennings PEXkabelskjøter

Elektrisk trevekst i kryssbundet polyetylen (PEX) kabelisolasjon ved ulike spenninger og frekvenser

Jordas energikilder. Tidevann. Solenergi Fossile. Vind Gass Vann Olje Bølger År

Signalkabel type MEBI 4x2x1,5mm 2 Rev.: 0 Utvendig sikringsanlegg Side: 1 av 5

TEST & MÅLEINSTRUMENTER

Fordelingstransformatorer og levetid

Forelesning nr.7 IN 1080 Elektroniske systemer. Spoler og induksjon Praktiske anvendelser Nøyaktigere modeller for R, C og L

(12) Oversettelse av europeisk patentskrift

Vestfold Trafo Energi AS. Lokal spolekompensering ute i nettet

FYS1120 Elektromagnetisme

Styre- og kontrollkabler for krevende industrimiljøer

Bygningsfysikk-passivhus Fuktighet. I l so asj t on og ett tthet. Tetthet K.Grimnes, 2009

Forelesning nr.4 INF 1411 Elektroniske systemer

Tilstandskontroll av mellomspennings kabelskjøt

(.675$25',1 5 0$7(5,$// 5( )DJNRGH,/,

Isiflo Sprint Prosessteknisk Optimalisering av Sveiselinjestyrke

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 13: Sola

Fuktig luft. Faseovergang under trippelpunktet < > 1/71

Solceller. Josefine Helene Selj

Vanntrevekst i mekanisk og elektrisk påkjente PEX-kabler

Chapter 2. The global energy balance

Energy Division. KKSMA Kaldkrymp Alt i ett en-leder skjøt for PEX-isolerte kabler opp til 24kV

Brukstemperatur: +5 / +40C +5 / +40C

Reka kabler til vindkraftindustrien

Transkript:

IEEE PES 2. mai 2017 Høyspenningskomponenter og materialer utsatt for høye hydrostatiske trykk Gunnar Berg Forsker, Dr. Ing. Sintef Energi AS Sverre Hvidsten Seniorforsker, Dr. Ing. gunnar.berg@sintef.no sverre.hvidsten@sintef.no 1

2

Innledning Sintef har gjennomført mange ulike prosjekter med testing av undervanns HV isolasjonsmaterialer og komponenter Det er i dag stort fokus på den kanskje mest kritiske komponenten; høyspennings våtkonnektor I dag er våt-konnektorer designet for installasjon på inntil 3000 m dyp, med høyeste spenningsnivå 36 kv (Deutsch, GE, Tronic (Siemens)) Ønsket systemspenning: 145 kv Onshore: Termineringer for 500 kv AC, 320 kv DC I prinsippet er designet likt for onshore kabeltermineringer og subsea konnektorer Isolert leder (kabel) med geometrisk feltavlastning i et oljefylt volum. Kryputladninger fra leder mot jord kan føre til overslag langs en grenseflate, ev. materialerosjon og gjennomslag i bulk isolasjon.

Utfordringer for isolasjonssystemet Elektrisk holdfasthet Elektrisk feltstyrke er geometrisk bestemt og er i en konnektor spesielt kritisk langs isolatorens grenseflate Ledningsevne Permittivitet Mekanisk styrke Generelt: Alle dielektriske egenskaper til et isolasjonssystem kan påvirkes av fukt, temperatur og trykk.

Elektrisk feltstyrke Feltfordeling styres av dielektriske parametere i isolasjonsmaterialet AC: Kapasitiv feltfordeling gitt av elektrisk permittivitet ε. DC: Resistiv feltfordeling gitt av ledningsevne σ, som igjen er avhengig av feltstyrke og temperaturgradient. Eksempel: Feltfordeling i konsentrisk HV kabel. DC: Gir invertering av elektrisk felt ved økt strømbelastning ( T > 0).

Ved lokal feltforsterkning kan isolasjonsmediets holdfasthet overskrides Generering av elektriske del-utladninger (pd) Kraftig aldringsmekanisme: Høy temperatur, elektroner med høy energi, ioniserende stråling => brudd i molekylkjeder, erosjon. Gassdannelse i isolervæsker. Forekommer alltid i forbindelse med elektrisk feil og gjennomslag Feltforsterkning kan oppstå på grunn av Diffusjon av vann inn i bulk isolasjon eller på grenseflater (økt ledningsevne) Lokale forurensninger Hulrom pga. delaminering av materialer (mekanisk, termisk sykling) Designfeil

Effekt av vann og hydrostatisk trykk 7

Effekt av hydrostatisk trykk på damptrykk av vann Fra termodynamikken kan det utledes at en økning i hydrostatisk trykk fra p 0 til p vil øke vannets damptrykk med Δππ = ππ 0νν RRRR (pp pp 0) hvor ππ 0 er damptrykk ved referansetrykk p 0 og νν er spesifikt volum (invers tetthet) Ved konstant temperatur finner man at damptrykket på 1000 m dyp (10 MPa) bare er 8% høyere enn ved havflaten (0,1 MPa). Det betyr at hydrostatisk trykk forventes å ha liten betydning for absorbsjon av løst vann i en polymer.

Vanninntrenging Med sprekker, porer eller smale kanaler i et isolasjonssystem kan vann trenge inn på grunn av kapillartrykk eller høyt hydrostatisk trykk På grunn av hydrogenbindinger har vann en forholdsvis høy grenseflatespenning γ (74,5 mn/m for sjøvann), som er høyere enn for de fleste polymerer. Det betyr av vann ikke vil fukte en polymer, men danne dråper på en overflate. Da vil inntrengning av vann forhindres, med mindre det hydrostatiske trykket blir større enn kapillartrykket ΔPP = pp 1 pp 2 = γγ RR = 2γγ R dd hvor R er krumningen av fritt vann. For en undervanns kabel installert på 100 m havdyp ( P = 1 MPa) kan det beregnes at porer større enn 0,15 µm vil fylles med vann. Slike lave verdier betyr i praksis at alle skjøter må være perfekt forseglet for å unngå vanninntrenging på store havdyp. d

Effekt av saltkonsentrasjon Ved å tilsette salt til flytende vann vil damptrykket reduseres. I fortynnede løsninger gjelder ππ ss = ππ 0 (1 iiiiii ρρmm VV ) hvor ππ ss og ππ 0 er damptrykk for hhv. salt- og ferskvann, i er Hoffs faktor (tilnærmet 2 for NaCl), M er molarvekt for vann og M' er molarvekt for salt. For sjøvann med 3,5 wt% NaCl finner man numerisk at damptrykket er bare 2% lavere enn for ferskvann med samme temperatur og trykk. Det betyr at ferskvann foretrekkes i eksperimenter for å måle vanndiffusjon i isolasjonsmaterialer.

Laboratorietester 11

Forsøksoppsett Normalt vil et testoppsett bestå av en trykktank av passende størrelse, en høyspennings gjennomføring, og utstyr for trykksetting med vann, gass eller olje. HV spenning forsynes vanligvis fra en utladningsfri kilde (DC, VLF, AC) opp til 100 kv Eksempel på ulike målinger som gjøres på trykksatt testobjekt: Isolasjonsmotstand (megging) Ledermotstand Grenseflate ledningsevne V/I karakteristikker Elektriske utladninger (< 1 pc) Dielektrisk spektroskopi (1 mhz 1 MHz) Ledningsevne og permittivitet LCR Optiske observasjoner (trykktanker med vindu)

Stor variasjon i tester få standarder Enkel statisk trykktest i vann ved lav temp Kombinert gass- og hydrostatisk trykk Hydraulisk trykk Trykksykling og temperatursykling kombinert Enkle komponenter: Materialprøver (hundebein og plater), kabler, skjøter Komplekse komponenter: Kondensatorer, transformatorviklinger, konnektorer, penetratorer, kabler og skjøter som ikke kan kveiles, kraftelektronikkmoduler med pulset spenning Komplekse omgivelser: Glykol, saltvann og H2S ved temperaturer opp mot 200 C Påtrykt spenning opp til 100 kv Strøm > 100 A Trykk opp til 15 000 psi (1034 bar)

Trykktanker Sintef Energi disponerer trykktanker med volum fra 1 dl to 2 m 3 og arbeidstrykk opp til 1000 bar Temperatur kan reguleres mellom -40 og +200 C Ex-sikkerhetsceller for forsøk med naturgass, H2S, kondensat etc.

Noen eksempler fra materialtesting 15

Isolasjonsmaterialer Trykkavhenging vanndiffusjon Vanntrevekst ved hydrostatisk trykk Elektrisk trevekst ved hydraulisk trykk Egenskaper til en polymer (s-pp) ved høyt trykk og temperatur Andre materialer Trykkavhengighet magnetisk blikk

Trykkavhenging vanndiffusjon Materiale: Sotfylt (carbon black) polypropylen Anvendelse: Feltstyring, ytre halvleder på kabel Aldret ved 65 C og 100 bar trykk i ferskvann Water concentration C (kg m -3 ) 20 16 12 8 4 B4 - atmospheric pressure B4-100 bar hydrostatic pressure B5 - Atmospheric pressure B5-100 bar hydrostatic pressure Kurvene B5 viser en betydelig økning i vannopptak med økt trykk To-stegs prosess med svært raskt vannopptak i starten SEM-bildet viser sotpartikler akkumulert rundt mikro-sprekker i materialet Vannopptaket skjer ved at hulrom og sprekker fylles. 0 0.0x10 0 1.0x10 6 2.0x10 6 3.0x10 6 4.0x10 6 Reduced time, t* (s 1/2 m -1 )

Vanntrevekst ved hydrostatisk trykk Et vanntre vil effektivt kortslutte deler av isolasjonen Forsøk ble utført på PEX-isolert kabel (kryssbundet polyetylen) med ytre halvleder Aldret i 12 mnd. ved 90 C og hydrostatisk trykk 1, 300 og 500 bar Påtrykt spenning tilsvarende et elektrisk felt E = 3,4 kv/mm ved leder Eksempler på observerte vanntrær: a) 1 bar (146 µm) b) 300 bar (108 µm) Holdfasthet etter 12 mnd. betydelig redusert pga. vanntrær. Lite trykkavhengighet. Trykkavhengighet uten vanntrær! a) b)

Trykkavhengig holdfasthet PEX-isolasjon SEM-analyse av PEX-isolasjonen viser at nytt materiale (referanse) er fullt av små hulrom (< 1 µm) Etter 12 mnd. ved 90 C og 500 bar har hulrommene kollapset og gir dermed høyere holdfasthet enn referansematerialet.

Elektrisk trevekst ved høyt trykk Elektriske trær er gassfylte kanaler i et isolasjonsmateriale som dannes av elektriske utladninger Starter typisk ved hulrom eller forurensninger som forsterker det elektriske feltet lokalt Elektriske trær vil normalt vokse til gjennomslag inntreffer Omgivende væske kan diffundere inn isolasjonsmaterialet Isolerende olje kan reparere isolasjonsmaterialet ved å fylle elektriske trær helt Vann kan gi kombinasjon av elektriske trær og vanntrær og redusere holdfasthet ytterligere Gassfylte hulrom i elastiske polymerer vil komprimeres ved ytre trykk Økt gasstrykk gir økt holdfasthet (Paschens lov) og undertrykker pd Reduserer vekst av elektriske trær

Elektrisk trevekst i silikon Elektrisk trevekst studert i transparent silikon elastomer. Trykksatt med silikonolje Tester utført på både tørre prøver og prøver mettet av silikonolje Tydelig effekt av trykk og oljemetning a. Tørr, 1 bar. 8 kv b. Tørr, 50 bar. 11 kv c. Oljemettet, 50 bar. 17 kv a) b) c) V BD [kv] t BD [min:sek] Tørr, 1 bar 10.0 36:19 Tørr, 50 bar 12.3 49:36 Olje, 1 bar 14.3 58:58 Olje, 50 bar 19.3 83:34

Egenskaper til s-pp ved høyt trykk og temperatur Materiale: Syndiotaktisk polypropylen med smeltepunkt 128 C Aldret i 3 mnd. ved 110 C og 300 bar Trykksatt med vann mettet med nitrogengass Stort opptak av nitrogen i materialprøvene på grunn av høyt partialtrykk N2 Ved trykkavlastning blir det dannet gassbobler i materialet som skaper store mekaniske spenninger og redusert mekanisk styrke.

Magnetiske materialer Det er kjent at magnetiske materialer endrer egenskaper ved trykk, et fenomen kalt magnetostriksjon Er opphav til brumming som kan høres fra store transformatorer Magnetostriksjon oppstår ved at magnetiske domener i materialet endrer retning ved ytre trykk Figuren viser at strøm-spenning karakteristikk kan endre seg betydelig for en vikling med magnetisk kjerne ved økende trykk Viklingen når metning ved lavere spenninger med økende trykk Voltage (V) Increasing pressure 1-300 bar Current (A)

Noen eksempler fra komponenttesting 24

Subsea transformator Transformatormodell testet ved hydraulisk trykk. Testspenning 6/70 kv Høyeste prøvetrykk: 300 bar Transformatorolje: Nynäs Nytro (1000 l) Temperatur: 4 35 C Trykk- og temperaturvariasjon Eks. på frekvensresponsanalyse ved økende trykk 25

Subsea konnektor 2 år testing ved 30 bar i sjøvann 10 og 30 C 6,6 kv og 300 A Kontinuerlig PD-måling 26

Motor kabelskjøt Trykksykling 0 15 000 psi 50 sykluser ved 4 C 50 sykluser ved 80 C 27

28