Modelling and simulation of novel control policies for high voltage, high power cable testing

This thesis focuses on the testing of high-power high-voltage cables. Many types of such cables are available on the market, that are different from one another in materials, dimensions, layouts, depending also on the location they are supposed to be placed. Talking about safety, after a cable is designed, studied and produced, nobody can say for sure that it is going to support its future working conditions adequately. The only way to decide on the matter is to test the cable using the methods and techniques that will be explained in this document. Specifically, the goal of this thesis is to model the electric and thermal behavior of a high-power cable under test conditions, with the purpose of comparatively evaluating, in simulation, various control and actuation techniques to realize the test conditions just mentioned, i.e., to subject the cable to the required electrical and thermal stress. The ultimate goal of the work is to improve the state of the art as for the reduction of mechanical parts, and the robustness of the control network in the face of unavoidable hostility of the test environment due to the presence of extremely harsh electrical disturbances. The mathematical models required by the thesis are realized and simulated using the Modelica environment. Some models in terms of both code blocks and equations were built ad hoc to better describe the physical behavior of particular components. For enhanced computational efficiency and simplicity, the dynamic phasors approach was adopted to represent electrical sinusoidal, or in general periodic signals. As a result of the activity, we can conclude that the best solution to achieve the test requirements, in terms of both quality of control and robustness, is an SCR actuation system controlled by an event-based regulator. This choice allows to get a fast electronic control together with a greater reliability.

Questa tesi tratta dei test effettuati sui cavi ad alta tensione ed alta potenza. Sul mercato sono disponibili numerose varietà di cavi, i quali si distinguono tra loro per dimensione, tipologia, materiali che li compongono e le cui caratteristiche di progetto cambiano anche a seconda del luogo o area geografica di destinazione. Successivamente allo studio, progettazione e produzione di un cavo, ai fini della sicurezza, l'unico modo per conoscere veramente, o almeno con una migliore approssimazione, il suo comportamento nelle future condizioni di esercizio, è quello di sottoporlo ad alcuni test, i quali verranno esposti nel presente documento. In particolare, l'obiettivo di questo lavoro è quello di generare dei modelli matematici che descrivano i comportamenti elettrico e termico di un cavo di potenza nel corso di un test, con lo scopo di valutare, attraverso delle simulazioni, diverse tecniche di controllo ed attuazione per sottoporlo ai necessari stress termici ed elettrici richiesti proprio dalla prova di tenuta dell'isolamento. Il fine ultimo della tesi è quello di migliorare lo stato dell'arte, ovvero ridurre le componenti meccaniche dai dispositivi, ed aumentare la robustezza della rete di controllo, nei frequenti casi in cui inevitabilmente si è costretti a controllare un sistema all'interno di ambienti altamente ostili dal punto di vista elettromagnetico. I modelli matematici richiesti sono realizzati e simulati con l'ausilio dell'ambiente Modelica. Numerosi modelli sono stati implementati ad hoc tramite algoritmi e sistemi di equazioni, per una migliore approssimazione del reale comportamento fisico di determinati elementi che compongono il sistema. Per ottenere una maggiore efficienza del calcolatore ed una notevole semplicità di scrittura e manipolazione delle variabili, è stato scelto di utilizzare il metodo dei fasori dinamici per rappresentare segnali elettrici sinusoidali o, in generale, periodici. Come risultato del lavoro, possiamo concludere che la migliore soluzione per ottenere i requisiti delle prove sui cavi, in termini di qualità del controllo e robustezza, è un sistema a SCR controllato da un regolatore basato su eventi. Tale scelta permette di avere un rapido controllo elettronico ed una maggiore affidabilità.