Electromagnetic losses in three-phase power cables
- Reference number
- SM14-0033
- Start and end dates
- 150101-161231
- Amount granted
- 941 000 SEK
- Administrative organization
- Linnaeus University, Växjö
- Research area
- Computational Sciences and Applied Mathematics
Summary
The purpose of this project is to develop new theory and techniques to achieve an optimal electromagnetic design for the reduction of power losses in three-phase high-voltage power cables. The research comprises a detailed modeling of the electromagnetic fields inside the metal layers, the skin-effect and the related loss mechanisms in AC cables. The guest researcher (Sven Nordebo) will be pursuing the research effort in close collaboration with ABB AB, as well as with the newly granted SSF-project "Complex analysis and convex optimization for EM design'' and colleagues from the Linnaeus University as well as from Lund University (LTH) and KTH. ABB AB will be supplying relevant information, expertise in high voltage technology as well as access to measurement data based on their power cable systems. It is expected that the outcome of the project will be an enhanced collaboration and exchange between the industrial and academic partners, as well as an increased understanding regarding the losses in high-voltage power cables, electromagnetic design and optimization.
Popular science description
Målet med projektet är att utveckla nya teorier och metoder för optimal elektromagnetisk design av högspänningskablar med syfte att minimera effektförluster. Energiförlusterna i elnäten är avsevärda. De årliga förlusterna i det svenska stamnätet är ca 3 TWh vilket motsvarar ca 2 procent av den årliga totala elproduktionen eller produktionen från ett mindre kärnkraftverk. Anledningen till förlusterna är den ledningsresistans som finns i alla luftledningar och kablar. Dessa förluster utgör därmed ett fundamentalt problem av global betydelse. Det är också mycket viktigt för en kabeltillverkare att kunna prediktera och optimera kabelkonstruktionen med avseende på dessa förluster. En minskning av armeringsförlusterna kan exempelvis avvägas mot en minskning av koppararea och som skulle kunna göra kabelkonstruktionen billigare och mer konkurrenskraftig. För likströmskablar (HVDC - High Voltage Direct Current) är effektförlusterna relativt enkla att beräkna och förutsäga, och är något som kan vägas in i den elektromagnetiska designen av kablarna. För växelströmskablar (AC - Alternating Current) är det hela mycket mer komplicerat om man vill göra en noggrann bestämning av effektförlusterna. Detta beror på att strömfördelningen i AC kabeln inte är likformig utan måste beräknas med hjälp av avancerad elektromagnetisk fältteori och numeriska metoder. Förutom effektförlusterna i själva koppar- och/eller aluminiumledarna tillkommer också inducerade strömmar i blyskikten och i kabelarmeringen av stål. För att göra exakta beräkningar av dessa förlustfenomen måste problemet lösas som ett fullständigt elektrodynamiskt problem med hjälp av Maxwells ekvationer, dvs. som ett vågledarproblem där frekvensen är mycket låg (typiskt 50 Hz), kablarna mycket långa (ofta flera mil) och geometrin är mycket komplicerad (trefaskablar med flerlagrade och spiralformade strukturer). Till vår kännedom är dessa problem inte fullständigt lösta i den vetenskapliga litteraturen. Särskilt de inducerade strömmarna i kabelarmeringen och de motsvarande effektförlusterna är något som i dag betraktas som tämligen okända och svåra att mäta eller att beräkna noggrant. Målet med projektet är att utveckla elektromagnetiska modeller som kan prediktera dessa energiförluster med hög noggrannhet och som därmed kan användas vid optimering av den elektromagnetiska designen av högspänningskablar.