海底電力ケーブル
海底電力ケーブルは、水面下で電力を運ぶための主要な伝送ケーブルです。これらは通常、塩水 (大洋、海、海峡など) の下で電力を運ぶため、「潜水艦」と呼ばれますが、淡水 (大きな湖や川) の下で海底電力ケーブルを使用することもできます。後者の例は、本土とセント ローレンス川の大きな島々を結ぶものです。海底電力ケーブルの目的は、高電圧で電流を伝送することです。電気コアは、内部導体、電気絶縁層、および保護層の同心アセンブリです。導体は銅線またはアルミニウム線でできており、後者の材料の市場シェアは小さいながらも増加しています。 1200 mm 2未満の導体サイズが最も一般的ですが、2400 mm 2を超えるサイズも時々作られています。 12 kV を超える電圧の場合、導体の形状は円形です [1]。
ケーブルは通常、海底下 1 m、例外的に最大 10 m に埋められ、トロール漁、錨泊、およびその他の活動から保護されます。埋設速度は約 0.2km/h で、ケーブルの種類や海底の状態によって異なります。特に岩場では、埋設が常に可能であるとは限りません。図 1 は、三相海底ケーブルの断面を示しています。図 2 は、典型的な海底電力ケーブル システムを示しています。
図 1 -三相海底ケーブルの断面
三相海底ケーブルのCADモデル
図 3 に示す 3D モデルは、SolidWorks CAD で作成されました。実環境での海底ケーブルの動作シミュレーションでは、ケーブルが海底下 1.0 m まで埋設されているシミュレーション シナリオを設定しました。土壌は非磁性であると仮定されます。図 4 は、ケーブルのシミュレーション シナリオを示しています。以下に示す表、表 1 には、実際のケーブルと同一のシミュレートされたケーブルの主要な寸法が含まれています [2]。
表 1 -海底ケーブルの寸法
| 厚さ (mm) | 直径 (mm) | ノート | |
| 導体（銅） | 29.8 | ||
| 絶縁体（XLPE） | 17.3 | 64.4 | 外径 |
| 鞘（リード） | 2.3 | 69.0 | 外径 |
| シース（鋼線） | 5.0 | 172.8 | 外径 |
図 2 -三相海底ケーブルの 3D モデル
図 3 -シミュレーションで使用される海底ケーブルの配線シナリオ
図 4 -シミュレーション用の海底ケーブルの幾何学的モデル
| 比誘電率 | 導電率(S/m) | |
| 導体（銅） | 1.0 | 58,000,000 |
| 絶縁体（XLPE） | 2.3 | 0.0 |
| 鞘（リード） | 1.0 | 1,000,000 |
| シース（鋼線） | 1.0 | 1,100,00 |
| 海底 | 25 | 0.25 |
シミュレーションの入力と結果
AC 電気解析を使用すると、時間変化する電場による伝導電流を解析できます。 EMSのAC 電気ソルバーによって生成された結果は、V/m 単位の電界、C/m^2 単位の変位場、アンペア/m^2 単位の電流密度、ボルト単位の電位、ジュール単位のエネルギー、オーム単位の抵抗、ファラッド単位の静電容量で構成されます.
AC 電気ソルバーは、正弦波 (または交流) で変化する電圧または正弦波 (または交流) で変化する電流によって励起される電界を計算します。
負荷制約
フェーズ 1、2、および 3 で構成される三相ケーブルのすべてのコアは、互いに 120° の位相シフトを持っています。印加される AC 電圧の大きさは、動作周波数として 50 Hz で 135 kV です。
表 3 -印加電圧
| 導体 | 交流電圧 (kV) | 位相シフト (度) |
| コア 1 | 135 | 0 |
| コア 2 | 135 | 120 |
| コア 3 | 135 | 240 |
メッシング
図 5 は、3 相ケーブルのメッシュを示しています。メッシングは、FEA シミュレーションの重要なステップです。 EMS は、モデルの体積、表面積、およびその他の幾何学的詳細を考慮して、モデルの全体的な要素サイズを推定します。生成されるメッシュのサイズ (節点と要素の数) は、モデルのジオメトリと寸法、要素サイズ、メッシュ許容値、およびメッシュ コントロールによって異なります。おおよその結果で十分な設計解析の初期段階では、解析を高速化するために、より大きな要素サイズを指定できます。より正確な解を得るには、より小さい要素サイズが必要になる場合があります。
メッシュ コントロールを適用することで、その寸法と結果におけるその重要性に応じて、あるボディから別のボディへのメッシュ サイズを制御できます。このモデルに適用されたメッシュ コントロールを表 4 に示します。
表 4 -このモデルに適用されるメッシュ コントロール
| 名前 | メッシュサイズ (mm) | 本体・部品 |
| メッシュ コントロール 1 | 5.00 | 導体/絶縁体/シース/アーマー |
| メッシュ コントロール 2 | 1.75 | 導体/絶縁体/外装/外装の面 |
図 5 -三相ケーブルのメッシュ モデル。
電気的結果
前述のように、AC Electric ソルバーは、電流分布、電界分布、および電位差を生成します。さらに、基本的な電磁量から導出できる任意の量を分析できます。図 6、7 は、ケーブルのすべてのコア内の電界の分布を示しています。ケーブルの金属シースは、すべてのコアに対して接地されたシールドを作成するため、電界は各コアに厳密に閉じ込められ、誘電体 XLPE 内で放射状に対称的に分布するように見えます。したがって、各コアから電界が漏れることはなく、海底ケーブルの外側の電界はゼロになります。電界 E は導体の表面で最大値に達し、約 1.0969 e+7 V/m ([1] では約 1.0926e+7 V/m) になります。図 8 に海底ケーブルの電位を示します。
図 7 -電界アニメーション対位相、ベクトル プロット
図 8 -電位
結論
EMS を使用した電磁シミュレーションは、幾何学的特性を最適化し、低コストで適切な材料を選択することにより、エンジニアが高電圧海底ケーブルを設計およびサイジングするのに役立ちます。また、AC 海底ケーブルに損傷を与える可能性のあるすべてのブレークダウン電圧を調べるのにも役立ちます。 AC 高電圧海底ケーブルとその海洋生態系への影響について詳しくは、ブログ https://www.emworks.com/blog/high-voltage/3-phase-high-voltage-submarine-power-cables をご覧ください。
参考文献
[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
