Contact Us

Elektrische Feldsimulation von 3-Phasen-Hochspannungs-Unterseekabeln

HOME / Anwendungen / Elektrische Feldsimulation von 3-Phasen-Hochspannungs-Unterseekabeln

Anwendungen

WEBINAR
Electro-Thermo-Mechanical Simulation of Eddy Current Braking Systems in EMS for SOLIDWORKS
Wednesday, May 26, 2021
Time
SESSION 1
SESSION 2
CEST (GMT +2)
03:00 PM
08:00 PM
EDT (GMT -4)
09:00 AM
02:00 PM
Gebrauchte Werkzeuge:

Unterseekabel

Ein U-Boot-Stromkabel ist ein Hauptübertragungskabel für den Transport von elektrischem Strom unter der Wasseroberfläche. Diese werden "U-Boote" genannt, da sie normalerweise elektrischen Strom unter Salzwasser (Meeresarme, Meere, Meerengen usw.) transportieren. Es ist jedoch auch möglich, unter Süßwasser (große Seen und Flüsse) U-Boot-Stromkabel zu verwenden. Es gibt Beispiele für letztere, die das Festland mit großen Inseln im St. Lawrence River verbinden. Der Zweck von Unterseekabeln ist es, elektrischen Strom mit hoher Spannung zu transportieren. Der elektrische Kern ist eine konzentrische Anordnung aus Innenleiter, elektrischer Isolierung und Schutzschichten. Der Leiter besteht aus Kupfer- oder Aluminiumdrähten, wobei letzteres Material einen kleinen, aber zunehmenden Marktanteil hat. Leitergrößen von weniger als 1200 mm 2 sind am häufigsten, aber Größen über 2400 mm 2 haben gelegentlich gemacht worden. Bei Spannungen über 12 kV sind die Leiter rund [1].

Kabel werden in der Regel 1 m und in Ausnahmefällen bis zu 10 m unter dem Meeresboden verlegt, um sie vor Schleppnetzen, Ankern und anderen Aktivitäten zu schützen. Die Bestattungsgeschwindigkeit beträgt ca. 0,2 km/h und ist abhängig von Kabeltyp und Meeresbodenbedingungen. Beerdigung ist nicht immer möglich, besonders in felsigen Gebieten. Abbildung 1 zeigt den Querschnitt eines 3-Phasen-Seekabels. Abbildung 2 zeigt ein typisches Unterseekabelsystem.

Querschnitt eines 3-Phasen-Seekabels

Abbildung 1 - Querschnitt eines 3-Phasen-Seekabels

CAD-Modell eines 3-Phasen-Unterseekabels

Das in Abbildung 3 gezeigte 3D-Modell wurde in SolidWorks CAD erstellt. Für die Simulation des Seekabels in einer realen Umgebung haben wir das Simulationsszenario erstellt, in dem das Kabel bis zu 1,0 m unter der Meeresgrundoberfläche vergraben ist. Es wird angenommen, dass der Boden nicht magnetisch ist. Abbildung 4 zeigt das Simulationsszenario des Kabels. Die nachstehende Tabelle 1 enthält die Hauptabmessungen des simulierten Kabels, die mit denen des realen Kabels identisch sind [2].

Tabelle 1 - Abmessungen des Seekabels

Dicke (mm) Durchmesser (mm) Hinweis
Leiter (Kupfer) 29.8
Isolator (XLPE) 17.3 64.4 Außendurchmesser
Scheide (Blei) 2.3 69,0 Außendurchmesser
Rüstung (Stahldraht) 5.0 172.8 Außendurchmesser
3D-Modell eines 3-Phasen-Unterseekabels
Abbildung 2 - 3D-Modell eines 3-Phasen-Seekabels
Verkabelungsszenario des in der Simulation verwendeten Unterwasserkabels

Abbildung 3 - Verkabelungsszenario des in der Simulation verwendeten Unterwasserkabels
Abbildung 5 zeigt das vereinfachte Modell mit Material in jedem Körper des Unterseekabels. Die elektromagnetischen Eigenschaften der im Kabel verwendeten Materialien sind in Tabelle 2 aufgeführt. Das Hochleistungskabel wird mit 50 Hz und einer Wechselspannung von 135 kV zwischen den Phasen betrieben. Da das elektrische Feld berechnet werden muss, wurde das Modell mit dem AC Electric Solver von EMS simuliert.
Geometrisches Modell des Seekabels für die Simulation
Abbildung 4 - Geometrisches Modell des Unterseekabels für die Simulation
Tabelle 2 - Elektrische Eigenschaften der in der Simulation verwendeten Materialien
Relative Permittivität Leitfähigkeit (S/m)
Leiter (Kupfer) 1,0 58.000.000
Isolator (XLPE) 2.3 0.0
Scheide (Blei) 1,0 1.000.000
Rüstung (Stahldraht) 1,0 1,100,00
Meeresboden 25 0,25

Simulationseingaben und Ergebnisse

Mit der elektrischen Wechselstromanalyse können Benutzer Leitungsströme aufgrund zeitlich variierender elektrischer Felder analysieren. Die Ergebnisse, die von AC Electric Solver von EMS generiert wurden, bestehen aus elektrischem Feld in V/m, Verdrängungsfeld in C/m ^ 2, Stromdichte in A/m ^ 2, Potential in Volt, Energie in Joule, Widerstand in Ohm, Kapazität in Farad .
Der Wechselstromlöser berechnet die elektrischen Felder, die durch eine sich ändernde sinusförmige (oder wechselnde) Spannung oder einen sich ändernden sinusförmigen (oder wechselnden) Strom angeregt werden.

Zurückhaltung laden

Jede Ader des Dreiphasenkabels mit den Phasen 1, 2 und 3 ist um 120 ° gegeneinander phasenverschoben. Die angelegte Wechselspannung beträgt 135 kV bei 50 Hz als Betriebsfrequenz.

Tabelle 3 - Angewandte Spannungen

Dirigenten Wechselspannung (kV) Phasenverschiebung (Grad)
Kern 1 135 0
Kern 2 135 120
Kern 3 135 240

Ineinander greifen

Abbildung 5 zeigt das Netz an einem 3-Phasen-Kabel. Die Vernetzung ist ein entscheidender Schritt in jeder FEA-Simulation. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Größe des generierten Netzes (Anzahl der Knoten und Elemente) hängt von der Geometrie und den Abmessungen des Modells, der Elementgröße, der Netztoleranz und der Netzsteuerung ab. In den frühen Phasen der Entwurfsanalyse, in denen ungefähre Ergebnisse ausreichen können, können Sie eine größere Elementgröße für eine schnellere Lösung angeben. Für eine genauere Lösung ist möglicherweise eine kleinere Elementgröße erforderlich.

Wir können die Maschengröße von einem Körper zum anderen in Abhängigkeit von seinen Abmessungen und seiner Bedeutung für das Ergebnis steuern, indem wir ein Maschensteuerelement anwenden. Angewandte Netzkontrollen für dieses Modell sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Tabelle 4 - Netzkontrollen für dieses Modell

Name Maschenweite (mm) Karosserien/Bauteile
Maschenkontrolle 1 5.00 Leiter/Isolator/Mantel/Rüstung
Maschenkontrolle 2 1,75 Gesichter der Leiter/Isolator/Hülle/Rüstung
Netzmodell eines dreiphasigen Kabels
Abbildung 5- Netzmodell eines dreiphasigen Kabels.

Elektrische Ergebnisse

Wie oben erwähnt, generiert AC Electric Solver die Stromverteilungen, E-Feldverteilungen und Potentialdifferenzen. Darüber hinaus kann jede Größe analysiert werden, die sich aus den elektromagnetischen Grundgrößen ableiten lässt. Abbildung 6.7 zeigt die Verteilung des elektrischen Feldes in allen Kabeladern. Metallische Ummantelungen im Kabel bilden eine geerdete Abschirmung für alle Adern, sodass die E-Felder in jeder Ader streng eingegrenzt sind und eine radialsymmetrische Verteilung innerhalb des dielektrischen XLPE aufweisen. Infolgedessen tritt an jedem Kern kein E-Feld aus, so dass außerhalb des Seekabels kein E-Feld auftritt. Das elektrische Feld E erreicht an der Oberfläche des Leiters seinen Maximalwert und beträgt etwa 1,0969 e + 7 V/m (etwa 1,0926e + 7 V/m in [1]). Abbildung 8 zeigt das elektrische Potential im Unterseekabel.

E Feldverteilung

Abbildung 6 - E-Feldverteilung

E-Feld-Animation-gegen-Phase-Vektor-Plot


Abbildung 7 - E-Feld-Animation gegen Phase, Vektordiagramm

Elektrisches Potenzial
Abbildung 8 - Elektrisches Potenzial

Fazit

Die elektromagnetische Simulation mit EMS kann Ingenieuren helfen, ihr Hochspannungs-Unterseekabel zu konstruieren und zu dimensionieren, indem sie die geometrischen Eigenschaften optimieren und die richtigen Materialien zu niedrigen Kosten auswählen. Außerdem kann es hilfreich sein, alle möglichen Durchbruchsspannungen zu untersuchen, die Wechselstrom-Unterseekabel beschädigen können. Weitere Informationen zu U-Boot-Wechselstromkabeln und deren Auswirkungen auf das Meeresökosystem finden Sie in unserem Blog unter https://www.emworks.com/blog/high-voltage/3-phase-high-voltage-submarine-power-cables.

Verweise

[1]: https://en.wikipedia.org/wiki/Submarine_power_cable

[2]: “Electromagnetic Simulations of 135 kV Three-Phase Submarine Power Cables” by Dr Yi Huang, Department of Electrical Engineering & Electronics Liverpool, L69 3GJ UK retrieved from the following URL - https://corporate.vattenfall.se/globalassets/sverige/om-vattenfall/om-oss/var-verksamhet/vindkraft/kriegers-flak/14-mkb-bilaga-414-cmacs-electrom.pdf