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.
Abbildung 1 - Querschnitt eines 3-Phasen-Seekabels
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 |
| 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 |
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.
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 |
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 |
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.
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.
[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
| Share on |
English (CA)
Deutsch
日本語