English summary  

SINTEF gruppen | SINTEF Energiforskning | Innhold 

Langsiktig EnFO-prosjekt med viktige avklaringer:
Vanntette PEX-kabler i fordelingsnettet

PEX-kabelen har 30-års jubileum i Norge i år. De første norske kabelgenerasjonene hadde etter forholdene brukbar kvalitet. Det var likevel begrensninger knyttet til disse kablene; hovedsakelig relatert til fuktighet og vanntrevekst i isolasjonen. De første "kjente" norske problemene med vanntrevekst i drift oppstod midt på 80-tallet.

En rekke tiltak for å fjerne og forhindre at vann kommer inn til isolasjonssystemet ble igangsatt. Først ble selve produksjonsprosessen endret; fra damp-vulkanisering til tørr-vulkanisering. Grunnen til dette er at det har lite for seg å tette for vanninntrengning utenfra dersom nok vann for at vanntrevekst kan initieres, allerede finnes i isolasjonssystemet fra damp-vulkaniseringen. Rundt 1990 kom de første norske radielt og aksielt vanntette PEX-kablene på markedet.

Forprosjekt i 1992

Energiforsyningens Fellesorganisasjon (EnFO) og SINTEF Energiforskning kom raskt i diskusjon om at man snarest burde få tak i tilgjengelige erfaringer fra andre land. I 1992 ble det satt i gang et forprosjekt, og en referanse-gruppe bestående av representanter fra både everk og kabelprodusenter ble nedsatt. Arne Steen fra Nordhordland Kraftlag ble valgt til leder for gruppen.

Målsettingen for prosjektet

Med bakgrunn i datidens standardløsning (1993) skulle prosjektet identifisere og utprøve ulike aspekter som kunne ha betydning for levetid og funksjonsdyktighet til den nye vanntette PEX-kabel konstruksjonen med aluminiumlaminat. Det skulle legges spesielt vekt på å kartlegge følgende egenskaper:

• Korrosjon av Al-laminatet i den vanntette kabelkonstruksjonen
• Skjermstrømmer i vanntette kabler
• Aldringsegenskaper for de ulike kabelkonstruksjonene
• Skjøter og endeavslutninger for vanntette kabler

Testkabler som ble valgt hadde ulike egenskaper

I målsettingen for prosjektet står det at man skal sammenligne ulike egenskaper for konvensjonelle og vanntette PEX-kabler. Derfor ble det kjøpt inn 1 km enlederkabel med 4 ulike konstruksjoner. Figur 1 viser de viktigste forskjellene.

Figur 1
Kabler som inngikk i prosjektet 12 kV - 1x240 mm² med svellepulver i aluminiumlederen og LDPE-kappe (LDPE = low density polyetylen). Alle kablene er aksielt vanntette i AL-ledersen og produsert i 1993. TSLE kablene gjøres readielt vanntette ved en 0,2 mm tykk AL-folie som er limt på innsiden av kappen med en ca 15 mm bred limfuge i overlappen. TSLE 1 har 25 mm² Cu-skjermtverrsnitt og TSLE 2 har tilsvarende 35 mm² Cu-tverrsnitt.

Det er ikke observert aldring i vanntette kabler uten hull i kappen

Det er kjent at vanntrevekst er det største (muligens eneste) levetidsproblemet for PEX-kabler. Spesielt er det observert at vanntrevekst fra den ytre halvlederen er et problem for kablene i det norske fordelingsnettet. I Norge ble tørr-vulkanisering i produksjonen innført i 1982. Etter denne endringen, ble det iverksatt flere tiltak for å gjøre kablene mer vanntette (LDPE-kappe, svellepulver i Al-lederen, svellebånd under LDPE-kappen, Al-laminat under LDPE-kappen).

I det store nordiske EnFO-prosjektet "Prøving av PEX-kabler" ble det klarlagt at dersom det kommer vann i kontakt med ytre halvleder, starter vanntreveksten relativt raskt også i dagens PEX-kabler [1] og den elektriske isolasjonsevnen (holdfasthet) svekkes gradvis.

For å studere egenskapene til de ulike kabelkonstruksjoner ble en rekke forhold undersøkt:

1) Hel kappe i en konvensjonell PEX-kabel uten svellebånd
2) Skadet kappe i en konvensjonell PEX-kabel uten svellebånd
3) Hel kappe i en konvensjonell PEX-kabel med svellebånd
4) Skadet kappe i en konvensjonell PEX-kabel med svellebånd
5) Hel kappe i to vanntette PEX-kabler
6) Skadet kappe i to vanntette PEX-kabler

Resultatene fra levetidstestene er vist i figur 2.

Figur 2 Aldring av PEX-kabler ved 3x merkespenning i vann ved romtemperatur

Kurvene i figur 2 viser at dersom den ytre LDPE-kappen er skadet, starter aldringen relativt raskt både for konvensjonelle og vanntette kabler. Kabelens levetid blir redusert signifikant i forhold til de andre tilfellene der LDPE-kappen er uskadet. For vanntette konstruksjoner er det imidlertid godt dokumentert at dersom man går ca 1 m til hver side av kappeskaden, er resten av kabelen ikke aldret. Svellebåndet har fungert etter hensikten.

De konvensjonelle kablene uten skade i LDPE-kappen aldres i løpet av 2-års perioden, men svært sakte. Dette var som forventet. Selv om 2 år viste seg å være noe kort tid, så aner man av resultatene at svellebåndet under LDPE-kappen gir redusert aldringstakt sammenlignet med den "åpne" kabelkonstruksjonen uten svellebånd. Resultatene viste ingen forskjeller mellom det å teste direkte i springvann og det å teste i korrosive miljø. Al-laminatet var kraftig korrodert i et område på ±1m fra kappeskaden; Al-laminatet var fullstendig oppløst uten at dette hadde påvirket aldringstakten.

Strømfordelingen mellom Cu-skjerm og Al-laminat er viktig

Ved beregninger og laboratoriemålinger ble det vist at i ugunstige tilfeller kan strømfordelingen mellom Cu-skjerm og Al-laminat bli et problem. Spesielt gjelder dette for kabler med svært store ledertverrsnitt (>240 mm2), flat forlegning og høy belastning.

Underveis i prosjektet ble det også registrert driftshavarier på store høyspenningskabler (1000 - 1200 mm2) der man tilskrev problemet med strømfordelingen mellom Cu-skjerm og Al-laminat til å være en sannsynlig havariårsak.

Bakgrunnen for problemet ligger i det halvledende båndet som benyttes mellom Cu-skjerm og Al-laminatet. Uten skade i dette båndet vil strømmen i Al-laminatet øke etter hvert som man går lengre inn på kabelen. Hvis kabelen er lang, vil fordelingen av jordstrømmen i Cu-skjermen og Al-laminatet midt på kabelen være bestemt av den elektriske ledningsevnen i Cu-skjermen og Al-laminatet; ca 1/3 av jordstrømmen går i Al-laminatet og 2/3 i Cu-skjermen. Ved feil i det separerende båndet, nær en diskontinuitet i Al-laminatet (endeavslutning, skjøt, annet brudd i Al-laminatet), vil disse ideelle forholdene ikke være tilfredsstilt. I verste fall kan feilen bli av en slik art at det oppstår en tilfeldig kontakt mellom Al-laminatet og én Cu-tråd. Dette går bra hvis belastningen er lav. I en høylast periode kan dette gå galt. Det ser imidlertid ut som at 12 og 24 kV kabler klarer seg godt basert på at feilstatistikken fremdeles (1997) oppviser svært få problemer med den vanntette kabelkonstruksjonen (TSLE).

Konvensjonelle og vanntette kabler for 12 og 24 kV kan behandles likt

I utgangspunktet kan man tenke seg at belastningsevnen til konvensjonelle og vanntette kabelkonstruksjoner vil være forskjellige. Forsøk og beregninger viser imidlertid at for 12 og 24 kV kabler med vanlige tverrsnitt (<400 mm2), vil forskjellene være neglisjerbare.

Når det gjelder kabelutstyr er det flere spørsmål/løsninger :

1) Må man ha spesiell vanntetting i skjøtene?
Dette kan være en ekstra sikkerhet. "Riktig " utførte skjøter med en uskadet og godt limt ytre kappe, vil også gi en relativt god beskyttelse.

2) Må Al-laminatet føres ubrutt gjennom skjøten?
Dette vil gi den teknisk beste løsningen. Feilstatistikken for de vanntette 12 og 24 kV kablene indikerer imidlertid intet behov for slike løsninger. Everkene i Referansegruppen for prosjektet har hevdet at tilgjengelig kommersielt sammenkoblingsutstyr som tilbys på markedet ennå ikke er montasjevennlige nok.

3) Må Al-laminat og Cu-skjerm kobles sammen i endeavslutningene?
Samme forhold som ved skjøtene.

Prosjektet har bidratt til utvikling av nye norske kabelkonstruksjoner

Forståelsen, spesielt knyttet til strømfordeling mellom Al-lamintatet og Cu-skjerm, har ført til at den norske kabelkonstruksjonen er endret. Cu-skjermen og Al-laminatet legges nå direkte på hverandre. Dette er vist i
figur 3.

Figur 3 Ny norsk PEX-kabelkontruksjon med Al-laminat og Cu-skjerm i fysisk kontakt med hverandre inne i selve konstruksjonen.

Erfaringene i prosjektet viser at korrosjonsproduktene ved et eventuelt hull gjennom kappe og Al-laminatet, ikke øker aldringstakten.

Kappeprøving anbefales av referansegruppen

Kappeprøving med reparasjon av eventuelle skader, gir også økt levetid for konvensjonelle PEX-kabler (se figur 2).

For å gjøre kabelen mer robust under utlegging, har referansegruppen sendt et forslag til endring av de norske normene for PEX-kabler. Forslaget anbefaler at man går over til et mekanisk sterkere materiale, LDPE ‘ LLDPE (LLDPE = linear low density polyetylen). I prinsipp anbefalte også referansegruppen at kappen burde lages noe tykkere. Her har de norske produsentene vegret seg noe ut fra konkurransemessige hensyn. Dersom det bygges inn tekniske forbedringer vil dette gi økt pris. Så lenge hovedfokus for 12 og 24 kV PEX-kabler mer og mer blir pris, vil økt kvalitet gi høyere pris som kunne medføre redusert salg! Her er det viktig at everkene er oppmerksomme slik at kvaliteten holdes på et høyt nivå.

Referansegruppens oppsummering

Dagens konvensjonelle PEX-kabler er vesentlig forbedret i forhold til "problemkablene" fra 70-årene, og vil etter all sannsynlighet ha levetider ut over 30-40 år under "normale" driftsforhold.

Resultatene viser at de vanntette PEX-kablene er godt beskyttet mot vanntrevekst. Ingen indre aldring er påvist når kappen er hel. Den vanntette PEX-kabelen er ikke like enkel som den konvensjonelle elektrisk sett. Problemene løses ved overgangen til ny vanntett konstruksjon der metallskjermene koples sammen.

For å få maksimal levetid av en PEX-kabel (konvensjonell eller vanntett) så er det en forutsetning at ytre kappe er hel. Referansegruppen anbefaler at kappeprøver utføres og at eventuelle hull i kappen utbedres. I tillegg til at dette forsinker initiering av vanntrevekst, vil man også unngå initiering av korrosjonsprosesser.

Referanser

1)  J.T.Benjaminsen, H.Faremo: "Testprogram for aksellerert aldringstesting av PEX-kabel i spenningsområdet
     12-24kV". EFI TR A4298, juni 1995.

2)  S.Refsnæs, O.Rørvik:"Aldring av PEX-kabler i korrosivt miljø. Korrosjonsmekanismer og prøveopplegg".
     EFI TR A4294, juni 1995.

3)  J.T.Benjaminsen, H.Förster: "Kappeprøving av polymerkabler". EFI TR A4576, november 1997.

Ansvarlig redaktør: Harald.Danielsen  Teknisk ansvarlig: www-admin@energy.sintef.no