Efficient electromagnetic simulation of AC submarine power cables

The recent development of large off-shore power generation is driving the installation of High Voltage submarine cables which are typically used to connect the off-shore hub to the mainland power network. These connections represent a first example of submarine electrical grid that is likely to further expand and develop to form a future off-shore submarine super grid. Efficient numerical simulations of the various physical aspects of these cables can be very useful for the design of connections that are cost effective and optimized from the point of view of dimensioning and material usage. In this work we concentrate on the efficient calculation of electromagnetic losses in the ferromagnetic wires that constitute the armour of three-core AC cables. For these cables a standard computation method is not available: the commonly used simplified formulas are inaccurate, while the use of general-purpose finite element softwares is computationally expensive. For this reason we develop a computational model based on integral equations that takes advantage of the quasi-1D nature of the armour wires to greatly reduce the cost of the simulations. This method can be used to compute both the power losses in the armour wires and the perturbation induced by the armour in the surrounding magnetic field. The results obtained using our method are compared to the results of a commercial finite element program, showing a good agreement and drastically reduced computational requirements.

Il recente sviluppo di impianti di generazione elettrica off-shore sta portando all'installazione di un crescente numero di cavi sottomarini ad alta tensione, tipicamente utilizzati per connettere le stazioni off-shore alla rete elettrica sulla terraferma. Questi collegamenti rappresentano l'inizio di una rete elettrica sottomarina probabilmente destinata a espandersi in futuro. Simulazioni numeriche efficienti dei vari aspetti della fisica dei cavi in questione possono rivelarsi di grande aiuto per la progettazione di collegamenti che risultino economicamente vantaggiosi e ottimizzati dal punto di vista del dimensionamento e dell'impiego dei materiali. In questo lavoro ci concentriamo sul calcolo efficiente delle perdite elettromagnetiche all'interno dei fili di materiale ferromagnetico che compongono l'armatura di cavi tripolari a corrente alternata. Per questa tipologia di cavi non esiste una procedura di calcolo universalmente riconosciuta: le formule semplificate comunemente adottate risultano infatti inaccurate, mentre l'utilizzo di pacchetti software agli elementi finiti si rivela molto oneroso dal punto di vista computazionale. Per questo motivo sviluppiamo una procedura di calcolo basata su un'equazione integrale che, avvantaggiandosi della natura quasi monodimensionale dei fili di armatura, permette di ridurre notevolmente il costo computazionale delle simulazioni. Questo metodo può essere utilizzato per calcolare sia le perdite nell'armatura del cavo, sia la perturbazione indotta dall'armatura nel campo magnetico circostante. I risultati ottenuti con il nostro metodo vengono confrontati con i risultati delle simulazioni effettuate con un programma a elementi finiti commerciale, mostrando un buon accordo e una drastica riduzione delle risorse computazionali richieste.