Elektromagnetisk modellering av høyspente kraftkabler

Det internasjonale energibyrået (IEA) anslår i sin «Net Zero by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector»-rapport fra 2021 at dersom verdens nasjoner følger sine annonserte klimamål, vil global elektrisitetsproduksjon dobles innen 2050, og fornybar energiproduksjon vil utgjøre 70 % av total elektrisitetsproduksjon. En stor utbygging av kraftnettet vil måtte følge, der høyspente kraftkabler vil være en sentral komponent. Eksempler på bruk kan være som eksportkabler for havvindparker som frakter strømmen som produseres inn til land, eller som interkonnektorer som forbedrer kapasiteten for kraftdeling mellom nasjoner. I designprosessen av slike kraftkabler inngår blant annet dimensjoneringsberegninger for å sikre at kraftkabelen kan frakte strømmen som det spesifikke prosjektet krever uten å overopphetes. I tillegg gjøres diverse systemberegninger for å sikre et velfungerende kraftsystem. Felles for disse oppgavene er at de krever en nøyaktig modellrepresentasjon av kraftkablene. For eksempel risikerer man overoppheting av kabelen om man underdimensjonerer, eller unødvendig høyt ressursbruk om man overdimensjonerer. Motivert av disse problemstillingene vil målet for dette prosjektet derfor være å forbedre dagens beste tilgjengelige beregningsmodeller for kabler. Prosjektet vil forsøke å svare på spørsmål som: Hvordan påvirkes varmetap av forskjellige typer kabeldesign? Vil det være mulig å forbedre regnemodellenes nøyaktighet, men ivareta anvendbarhet? Hvordan kan man sørge for høy nøyaktighet, men samtidig lav beregningstid? Er det mulig å finne modeller som er gyldige over et bredt frekvensbånd?

Elektriske kraftnett prosjekteres og driftes ved hjelp av forskjellige typer systemanalyser. En modell av et elektrisk kraftnett (et system) må inkludere modeller av komponentene som systemet er bygget opp av. For at analysene av systemet skal være nøyaktige, er det en forutsetning at alle komponenter har en nøyaktig modellrepresentasjon. Dette ph.d.-prosjektet tar sikte på å forbedre elektromagnetisk modellering av en vital komponent i moderne kraftsystemer, nemlig høyspente kraftkabler. Prosjektet vil dreie seg om å forbedre allerede eksisterende kabelmodeller, samt å utvikle nye, mer presise kabelmodeller. Disse vil valideres opp mot målinger fra bedriftens erfaringsdatabase, samt tids- og beregningskrevende elementmetode-modeller. I tillegg til at utviklingen av mer presise kabelmodeller vil bedre presisjonen til systemanalysene, vil også mer presise kabelmodeller kunne ha innvirkning på kabeldesign og drift. For eksempel benyttes det gjerne i dag konservative beregningsmetoder for å beregne varmetap og driftstemperatur på kabler, noe som kan føre til overdimensjonering og et høyere materialforbruk enn nødvendig, eller at overføringskapasiteten til kabler ikke utnyttes maksimalt. Med mer presise modeller kan man potensielt produsere kabler av mindre fysisk størrelse (som er ressursbesparende), eller man kan utnytte overføringsakapasiteten i større grad. De mest sentrale FoU-utfordringene vi venter å møte i dette prosjektet er: - Presis modellering av treledere med tolagsarmering pga. kabelens komplekse oppbygning. - Utvikle modeller som er gyldige over et bredt frekvensbånd. - Ivareta både nøyaktighet, anvendbarhet og lav beregningstid i en og samme beregningsmodell.