Die Kabelindustrie ist ein bedeutendes Milliardengeschäft, in dem Installation, Wartung und Entwicklung eine zentrale Rolle spielen. Insbesondere die Installation von Unterseekabeln wie dem Norned-Kabel, das Norwegen und die Niederlande verbindet, kann hohe Kosten verursachen. Die Reparatur oder der Ersatz solcher Kabel sind ebenfalls kostspielige Unternehmungen. Angesichts dieser Herausforderungen setzt das Unternehmen auf innovative Technologien, um die Effizienz und Kosteneffektivität in der Kabelindustrie zu steigern. Sie nutzen die Simulationssoftware von Comsol „Multiphysics“, um die komplexen Anforderungen der Kabelanalyse zu bewältigen.

Einschränkungen bei der Modellierung von Kabeln überwinden
Ein Problem bei der Prüfung von Kabeldesigns ist, dass viele bisherige Normen etwas veraltet sind. Einige IEEE- und IEC-Normen für Kabel beruhen auf analytischen Ansätzen, die vor etwa 80 bis 100 Jahren abgeleitet und vereinfacht wurden, um Berechnungen von Hand zu ermöglichen. In den letzten zehn Jahren wurde aber bewiesen, dass die Formeln die Verluste der Armierung überbewerten.

 Mit den jüngeren Methoden ist es möglich, die Verluste der Armierung genau zu messen. Dazu müssen jedoch Tests direkt am Kabel vorgenommen werden. Fast alle Hochspannungs-Offshore-Kabel werden maßgefertigt und stehen daher nicht für Tests zur Verfügung, bevor die Fertigung beginnt. Mit der numerischen Analyse wurde die Untersuchung einfacher, ließ aber noch zu wünschen übrig. Die ersten 3D-Kabel-Modelle wurden vor weniger als einem Jahrzehnt erstellt. Bis vor kurzem dauerte es noch Tage bis Wochen, bis sie auf einem Supercomputer berechnet werden konnten. Fortschritte bei der Hardware und heutige Modellierungstechniken haben die Entwicklung und Analyse mittlerweile schneller, einfacher und robuster gemacht.

Modellierung eines armierten Kabels in 3D
Die NKT-Forschungsgruppe nutzte die Comsol „Multiphysics“-Simulationssoftware und das Add-On AC/DC Modul für die Kabelanalyse. Diese Software ermöglicht die 3D-Modellierung eines armierten Kabels, um die Magnetfelder zu analysieren und die Verluste der Armierung zu berechnen. Die reduzierte Größe des Modells spart Rechenzeit und Speicherbedarf und stellt gleichzeitig sicher, dass alle relevanten physikalischen Aspekte erfasst werden. Ein weiterer speichersparender Ansatz ist die Verwendung von infiniten Elementen, die es den Designern ermöglichen, eine ausreichende Menge an Luft um das Kabel herum in den Modellierungsbereich einzubeziehen und gleichzeitig das erforderliche Netz und den Speicherplatz zu begrenzen.

 Die Modellierung umfasste drei Hauptschritte: Zunächst wurde ein stromgesteuertes Modell mit vordefinierten Temperaturen erstellt. Der Strom wird nicht durch die Kabelimpedanz oder Temperaturschwankungen beeinflusst, sondern durch die Systemlast gesteuert. Als Nächstes berechnete das Team die Wirbelstromverluste als Verluste, die durch lokale Ströme in den Armierungsdrähten bei der vordefinierten Temperatur verursacht werden. Drittens berechneten sie die magnetischen Hystereseverluste durch Integration einer Funktion der magnetischen B-Felder über das Armierungsdrahtvolumen.

Validierung der Kabelmodellergebnisse
Modellierung ist nur dann von Nutzen, wenn die Ergebnisse die Physik des Bauteils in der Realität genau wiedergeben. Um das sicherzustellen, validierte die Gruppe die vorhandenen Kabeldaten. Sie stellten fest, dass die modellierten Ergebnisse innerhalb von 3 % der experimentell gemessenen Kabelverluste lagen. Diese Ergebnisse sind genauer als die IEC-Norm für den modellierten Kabeltyp, bei dem der Gesamtverlust 10 % bis 30 % von den Messungen abweicht.

 Die Ergebnisse haben bewiesen, dass Simulation eine zuverlässige und vertrauenswürdige Methode zur Untersuchung von Kabelkonstruktionen ist. Diese Erkenntnis hatte weitreichende Auswirkungen für die Organisation. Da die Simulationen so genau sind, können sie die Kabel nun untersuchen, ohne sie jedes Mal mit Messungen zu vergleichen. Basierend auf den Analysen der Simulationssoftware konnte NKT herausfinden, wie groß die Verluste in einem Kabel sind, bevor es hergestellt wird.

Die Autorin des Beitrags ist Brianne Christopher, Senior Content Manager bei Comsol.

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