Elektromagnetiska förluster i trefas kraftkabel
- Diarienummer
- SM14-0033
- Start- och slutdatum
- 150101-161231
- Beviljat belopp
- 941 000 kr
- Förvaltande organisation
- Linnaeus University, Växjö
- Forskningsområde
- Beräkningvetenskap och tillämpad matematik
Summary
Syftet med projektet är att utveckla ny teori och metoder för att åstadkomma en optimal elektromagnetisk design för minskade effektförluster i trefas högspänningskablar. Forskningen omfattar en detaljerad modellering av de elektromagnetiska fälten inuti metallskikten, skin-effekten och de relaterade förlustmekanismerna i AC kablar. Gästforskaren (Sven Nordebo) kommer att arbeta med forskningsuppgiften i nära samarbete med ABB AB, så väl som med det nyligen beviljade SSF-projektet "Komplex analys och konvex optimering för EM design" och kollegor från Linnéuniversitetet samt från Lunds universitet (LTH) och KTH. ABB AB kommer att förse projektet med relevant information, kompetens inom högspänningsteknik samt tillgång till mätdata från deras kraftkabelsystem. Det förväntade resultatet av projektet är ett utökat samarbete och utbyte mellan de industriella och akademiska partnerna, samt en ökad förståelse för förluster i högspänningskablar, elektromagnetisk design och optimering.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.