Моделирование силовых кабелей. Cable Design Toolkit.

Моделирование силовых кабелей. Cable Design Toolkit.

На нефтяных месторождениях в подводных целях для передачи мегаватт электроэнергии различным критически – важным узлам (насосы, двигатели и т.д.) используются специальные силовые кабели. В настоящее время технологии позволяют объединить несколько кабелей в шлангокабели для увеличения передаваемой мощности от одного источника к отдельным нагрузкам. Конструктивно он представляет собой комбинацию кабеля и трубопровода, необходим для различных целей: передает гидравлическую энергию, сигналы, электроэнергию; обеспечивает связь. Такого вида изделия могут быть очень дорогостоящими в производстве и обслуживании, поэтому анализ, лежащий в основе их разработки, должен быть детальным и точным.

Используемые продукты

ANSYS® Maxwell®, ANSYS Q3D Extractor®, ANSYS Simplorer®, ANSYS Workbench ™, ANSYS Mechanical ™, инструменты Cable Design Toolkits.

Ключевые слова

Передача электроэнергии, гибкий кабель, подводный кабель, шлангокабель, системы моделирования, создание эквивалентных моделей, тепловой анализ.

Введение

Высоковольтные силовые кабели состоят из нескольких наборов трехфазных силовых групп. Основные токонесущие проводники, состоящие из трех отдельных фаз многожильного медного провода, имеют полупроводниковую оболочку для снижения непредусмотренного накопления заряда и слой изоляции с повышенной диэлектрической прочностью, оснащённой отдельными экранами, для выравнивания и стабилизации электрического поля вокруг высоковольтных проводников.  Высоковольтный кабель может иметь оплётку из стальной проволоки, которая бронирует изделие от непредвиденных механических воздействий. На рисунке 1 комплекты силовых жил трех трехфазных систем немного скручены вокруг оси кабеля, а также и вокруг самих себя, что придаёт дополнительную жесткость многокомпонентной структуре.

Рисунок 1. Гибкий шлангокабель с бронированной оплёткой. Экранированные силовые жилы находятся внутри гидравлической трубы.

Виды расчётов, используемые для анализа кабелей:

• Потери в зависимости от частоты и близости проводящих объектов.
• Электрические параметры (RLCG) и параметры линии передачи (волновое сопротивление, скорость распространения).
• Визуализация поля (плотность потока, напряженность электрического поля, плотность тока)
• Влияние скручивание кабеля на его характеристики.
• Нагрев при номинальной нагрузки и при непредусмотренных переходных процессах, таких как короткое замыкание.
• Перекрестные влияния токов различных рабочих частот различных силовых групп кабеля.
• Влияние внешней морской воды и обводнения на кабель.

Параметрический анализ

В большинстве случаев моделирование кабеля сводится к анализу плоского сечения. Эффекты трехмерного скручивания учитываются усреднением результатов при параметрическом исследовании осевого положения сечения кабеля для всех его возможных угловых значений параметров (Рисунок 2). Параметрический анализ может использоваться для определения зависимостей потерь в кабеле от величин поля; представляет большой интерес исследование влияния величин входных токов, используемых материалов и топологии модели. Количество переменных в анализе кабелей может быть весьма значительным, ускоряют процесс параметрического расчета высокопроизводительные и распределённые вычисления (ANSYS Electronics HPC и ANSYS DSO).

Рисунок 2. Для анализа сложной топологии используются параметрически-описанные сечения по длине кабеля.

Системная интеграция

Эквивалентная модель кабеля может быть использована в системном моделировании ANSYS Simplorer для экспериментов с различными формами напряжения, например, прямоугольный или синусоидальный сигнал. Это помогает выявить перекрестные помехи или учесть переходные процессы в цепи (Рисунок 3).Частотнозависимые в широком диапазоне модели цепей описывают гармонический спектр для любых резонансных частот, а модели линии передачи описывают пространственные волновые эффекты вдоль всей длины кабеля.

Рисунок 3. Влияние 10мс короткого замыкания одной фазы на цепь питания электрической машины через несколько сотен метров кабеля.

Инструменты Cable Design Kit

Компания ANSYS разработала специализированные скрипты на IronPhyton, как дополнение к ANSYS Maxwell, ANSYS Q3D Extractor, для значительного упрощения работы, автоматизации процесса разработки, анализа и создания эквивалентных моделей силовых кабелей (Рисунок 4). Инструментарий позволяет автоматизировать ввод общих параметров для типичных конфигураций кабелей, создаёт геометрическую модель (есть возможность работать с собственной моделью) и проводит все операции для подготовки модели к расчёту, назначает необходимые операции постпроцессора, проводит вычисления и извлекает эквивалентные модели. Скрипты значительно облегчают и автоматизируют создание “параметрически-скрученных” моделей, по факту - 2-D сечений кабелей. Пользователь может для любого типа кабеля легко настроить Cable Design Kit, так как он написан на широко используемом языке программирования IronPhyton, что позволяет легкое редактирование скрипта по мере необходимости.

Рисунок 4. Процесс автоматизации моделирования кабелей с помощью инструментов Cable Design Kit.

Мультифизика.

Электромагнитные потери могут быть использованы для определения температуры внутри кабеля посредством совместного использования с ANSYS Mechanical. Пространственное распределение потерь приводит к неоднородным тепловым эффектам. Эти эффекты являются двухсторонними: если изменение температуры достаточно велико, то автоматически определится его влияние на электромагнитное сопротивление. Рисунок 5 демонстрирует потери в установившемся режиме и тепловое состояние под нагрузкой 200 А.

Рисунок 5. Трёхфазный кабель. Потери в установившемся режиме (слева) и температура (справа).

Заключение

ANSYS предоставляет автоматизированное решение для проектирования силовых кабелей, используемых в промышленности на подводных нефтяных месторождениях и других областях где используется оборудование большой мощности. Возможности ANSYS в междисциплинарных расчётах и автоматизации, простота использования, позволяют перед изготовлением оценить будущее изделие с электромагнитной и тепловой стороны.