Boundary element method computation of series impedances of High Voltage Direct Current submarine cables

This thesis proposes a boundary element method formulation for the computation of series per-unit-length impedances of High Voltage Direct Current submarine cables. Because of the complex cable structure, analytical definitions of the above-mentioned parameters may not exist, thus a robust and reliable numerical method for the computation is needed. The boundary element method with constant elements is adopted as a numerical method. The physical problem to be investigated has been posed as an eddy current problem in parallel conductors. Thanks to the available results, for the study of series impedances, the 3D cable structure can be reduced to the 2D cable cross-section, neglecting the armature wire twisting effects. The computation of series impedances with different approaches in the frequency range of interest is proposed, and also the convergence analysis to understand if the numerical method has been properly formulated and implemented. Additionally, this thesis investigates the power losses in the armour wires and the error committed if analytical formulas are adopted, defined for simplified cases where armour is assumed as a unique solid conductor, to understand if a proper numerical method is necessary.

In questo lavoro di tesi, viene proposto ed implementato un approccio numerico al calcolo delle impedenze serie di cavi sottomarini per applicazioni HVDC (High Voltage Direct Current); in particolare una formulazione basata sul metodo degli elementi di contorno (boundary element method). Attualmente, non esistono formule per il calcolo analitico delle impedenze serie considerando la reale struttura dei cavi sottomarini; pertanto, è necessario un metodo di calcolo numerico robusto ed affidabile. Il problema fisico è stato ricondotto al calcolo delle correnti parassite in conduttori paralleli. L’implementazione numerica è stata effettuata utilizzando il metodo degli elementi di contorno con elementi costanti. Lo studio è formulato considerando la sezione bidimensionale 2D del cavo HVDC; perciò, i parametri calcolati sono per unità di lunghezza. Si può dimostrare che l’effetto 3D del twisting dei fili dell’armatura, ai fini del calcolo delle impedenze serie, è trascurabile. I parametri vengono calcolati in un intervallo di frequenze, tramite diversi approcci, e l’errore viene calcolato utilizzando formule analitiche di riferimento, nel caso di analisi semplificate dove le formule sono applicabili, oppure con risultati ottenuti tramite una analisi con il metodo degli elementi finiti. Oltre alla stima dell’errore nel range di frequenza anche l’analisi di convergenza viene effettuata, per comprendere se la formulazione e la sua relativa l’implementazione sono corrette. In aggiunta viene investigata la possibilità dell’utilizzo delle formule analitiche semplificate, le quali assumono l’armatura modellizzata come un unico conduttore solido, per il calcolo delle impedenze serie nella struttura reale del cavo HVDC, per comprendere se un metodo numerico sia effettivamente necessario. In fine il calcolo delle perdite nei fili dell’armatura viene proposto.