Improved current rating methods of subsea HVAC cable systems for renewable energy applications
Authors: Χατζηπέτρος Δημήτριος 
Published: July 2024

Το πλήθος και το μέγεθος των έργων Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), όπως είναι τα Υπεράκτια Αιολικά Πάρκα (Α/Π), αυξάνει ταχύτατα τα τελευταία χρόνια, κυρίως εξαιτίας των ολοένα και περισσότερο έντονων περιβαλλοντικών ανησυχιών. Τα Υποβρύχια (Υ/Β) καλώδια ισχύος που απαιτούνται για την μεταφορά της παραγόμενης ισχύος από τις υπεράκτιες Ανεμογεννήτριες (Α/Γ) στην ξηρά αποτελούν έναν κρίσιμο παράγοντα για την βιωσιμότητα των έργων αυτών. Σήμερα, έχει επιτευχθεί σημαντική μείωση τόσο στο κόστος παραγωγής όσο και στα χρονοδιαγράμματα παράδοσης των καλωδίων, χάρη στην πρόοδο που έχει συντελεστεί στην τεχνολογία των μονωτικών υλικών. Ωστόσο, τα Υ/Β καλώδια υπόκεινται σε έναν δύσκολο συμβιβασμό: τα πάγια κόστη πιέζονται ολοένα και χαμηλότερα, ενώ την ίδια στιγμή απαιτείται ελαχιστοποίηση ενδεχόμενων σφαλμάτων και αύξηση της αξιοπιστίας του συστήματος μεταφοράς. Η χρυσή τομή σε αυτό το δύσκολο πρόβλημα εντοπίζεται στην σχεδιαστική βελτιστοποίηση του καλωδίου. Τα τριπολικά καλώδια Εναλασσομένου Ρεύματος Υψηλής Τάσης (ΕΡΥΤ) αποτελούν σήμερα την πιο αποδοτική, οικονομικά, λύση για την μεταφορά της ισχύος σε υπεράκτια Α/Π. Η ζήτησή τους αναμένεται σημαντική και στο άμεσο μέλλον, τουλάχιστον όσον αφορά στις διασυνδέσεις υπεράκτιων Α/Π που βρίσκονται εγκατεστημένα σε σχετικά μικρή απόσταση απ’ την ξηρά. Απαραίτητη προϋπόθεση για την βελτιστοποίηση του σχεδιασμού είναι ο κατά το δυνατόν ακριβέστερος υπολογισμός της μεταφορικής ικανότητας του καλωδίου. Λόγω του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, πρόσθετες επαγόμενες απώλειες ισχύος παράγονται στο καλώδιο, οι οποίες στην συνέχεια διαχέονται, με την μορφή θερμότητας, στον περιβάλλοντα χώρο. Για να διερευνηθούν τυχόν περιθώρια σχεδιαστικής βελτιστοποίησης, θα πρέπει να κατανοηθεί σε βάθος ο τρόπος με τον οποίον αυτές οι απώλειες παράγονται και διαχέονται. Οι υπάρχουσες μέθοδοι υπολογισμού επιτρέπουν μια τέτοια ανάλυση και θεωρητικά καλύπτουν τα μεγαλύτερα καλώδια που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα υπεράκτια Α/Π. Ωστόσο, σε αυτές τις μεθόδους γίνεται συχνά χρήση προσεγγιστικών μαθηματικών σχέσεων, οι οποίες έχουν προκύψει με τρόπο εμπειρικό αντί για τις αυστηρά μαθηματικές λύσεις των αντίστοιχων φυσικών προβλημάτων· συχνά, οι σχέσεις αυτές αναφέρονται σε τύπους καλωδίων που χρησιμοποιήθηκαν στο παρελθόν και διαφέρουν σημαντικά απ’ τα σύγχρονα Υ/Β καλώδια. Περαιτέρω, τα θεωρούμενα φυσικά μοντέλα συνήθως βασίζονται σε απλοποιητικές παραδοχές, οι οποίες αναμένεται, μεν, να δίνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα σε μικρότερες διατομές, χρήζουν, δε, προσεκτικής διερεύνησης όσον αφορά στην υιοθέτησή τους σε μεγαλύτερα μεγέθη. Είναι, επομένως, αναγκαίο να μελετηθούν οι υπάρχουσες μέθοδοι υπολογισμού ρεύματος και να αναθεωρηθούν στα σημεία που απαιτείται. Για την ποσοτική αξιολόγηση της ακρίβειας των επί του παρόντος χρησιμοποιούμενων μεθόδων, φυσικά μοντέλα που αναπαριστούν με περισσότερο ρεαλιστικό τρόπο τα εμπλεκόμενα φαινόμενα αναπτύσσονται στην παρούσα εργασία. Στα τριπολικά καλώδια ισχύος, η διδιάστατη φύση της μεταφοράς θερμότητας δεν μπορεί να αγνοηθεί, λόγω της γειτνίασης μεταξύ των πόλων. Οι συμβατικές μέθοδοι υπολογισμού υιοθετούν μονοδιάστατη, ακτινική ανάλυση, η οποία καταρχήν αδυνατεί να λάβει υπόψιν την γωνιακή συνιστώσα της θερμικής ροής. Οι συγκρίσεις που γίνονται μεταξύ των μοντέλων που αναπτύσσονται και των παραδοσιακών μεθόδων υπολογισμού αναδεικνύουν ότι μια τέτοια απλοποίηση μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στα μεγαλύτερα καλώδια.Ένα Υ/Β καλώδιο είναι, συνήθως, εκτεθειμένο σε ποικίλες συνθήκες εγκατάστασης, οι οποίες συχνά μπορεί να είναι θερμικά δυσμενείς. Καλώδια οπλισμένα με σύρματα μη μαγνητικού χάλυβα προτιμώνται σε αυτά τα σημεία της διαδρομής, λόγω των μειωμένων επαγόμενων απωλειών. Επομένως, είναι αναγκαία η σχεδιαστική βελτιστοποίηση των καλωδίων αυτών, έτσι ώστε να αποφευχθεί μια περιττή αύξηση του, συχνά χάλκινου, αγωγού, με ό,τι οικονομική επίπτωση μια τέτοια αύξηση θα συνεπαγόταν. Για το σκοπό αυτό, αριθμητικά μοντέλα, ικανά να αναπαραστήσουν τα εμπλεκόμενα επαγωγικά φαινόμενα, όπως είναι το επιδερμικό φαινόμενο και τα φαινόμενα γειτνίασης, αναπτύσσονται στην παρούσα εργασία. Γίνεται συγκριτική αξιολόγηση με τις υπάρχουσες, αναλυτικές μεθόδους και εκτιμάται το θερμικό κέρδος που απορρέει απ’ τις ρεαλιστικότερες απώλειες ισχύος.Καλώδια οπλισμένα με σύρματα μαγνητικού χάλυβα προτιμώνται, κατά κανόνα, στο κυρίως τμήμα της υποθαλάσσιας διαδρομής για τεχνοοικονομικούς λόγους. Στην περίπτωση αυτή, η τριδιάστατη γεωμετρία του καλωδίου δεν μπορεί να αγνοηθεί από το θεωρούμενο φυσικό μοντέλο. Λόγω της εγγενούς πολυπλοκότητας μιας τέτοιας θεώρησης, οι συμβατικές μέθοδοι την αγνοούν. Εφαρμόζοντας τριδιάστατη ηλεκτρομαγνητική ανάλυση, μέσω της Μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων, είναι εφικτό να μελετηθεί η επίδραση της γεωμετρίας στις επαγόμενες απώλειες ισχύος. Ως εκ τούτου, καθίσταται δυνατή η αξιολόγηση του βαθμού ακρίβειας που παρέχεται από τις παραδοσιακές μεθόδους υπολογισμού και, συνεπώς, η σχεδιαστική βελτιστοποίηση και η περαιτέρω μείωση του κόστους.