Pertes dans l’armure d’un câble tripolaire

Introduction

Les engagements internationaux visant à réduire les gaz à effet de serre, ainsi que le financement public, ont entraîné un changement radical dans la compétitivité du marché des énergies renouvelables ces dernières années. L’énergie éolienne et solaire sont les technologies renouvelables qui connaissent les taux de croissance les plus élevés et devraient générer environ 70 % des besoins énergétiques mondiaux d’ici 2050, tandis que les centrales électriques au charbon devraient chuter à 10 %.

Le remplacement de la production d’énergie à base de gaz offshore par de l’énergie renouvelable terrestre et de la production d’énergie fossile terrestre par de l’énergie éolienne en mer ne sont que deux exemples de mesures visant à réduire les émissions de carbone où les câbles de puissance jouent un rôle important et constituent une partie importante du coût total du projet.

Les efforts visant à améliorer la viabilité financière de l’éolien en mer exerce des pressions sur les promoteurs de parcs éoliens et les fabricants de câbles pour qu’ils réduisent le coût des câbles d’export et des câbles inter-éoliens.

L’augmentation de la taille des éoliennes et de la puissance installée, des navires d’installation plus spécialisés, des synergies de projets, de l’expérience et d’une chaîne d’approvisionnement optimisée sont quelques facteurs qui ont contribué à une réduction des coûts de 18 % de l’éolien offshore installé entre 2010 et 2019. En plus d’augmenter l’échelle des parcs éoliens, une autre tendance est de les éloigner du rivage.

Les câbles de transport d’interconnexions augmentent la redondance en permettant le flux d’énergie entre les pays en fonction de la production et de la demande. À mesure que le nombre de parcs éoliens en mer augmente, l’utilisation combinée de câbles d’export et d’interconnexion peut fournir un autre niveau de redondance.

Avec des câbles de Transport en AC atteignant des distances importantes moyennant de la compensation réactive (jusqu’à environ 200 km pour certains niveaux de tension), il est essentiel d’avoir des paramètres de câble précis pour aboutir à la bonne conception du système et de calculer les dépenses OPEX et CAPEX. L’utilisation de paramètres précis pour la conception des câbles permet potentiellement de réaliser d’importantes économies par rapport aux conceptions calculées à l’aide de la norme CEI 60287-1-1.

Scope et contenu de la Brochure Technique

Les membres du Comité d’Etude B1 ont voté à la réunion annuelle du Comité permanent de 2017 à New Delhi pour établir un Groupe de travail (GT) afin d’étudier les sujets proposés par la Task Force B1.64. Dans ce cadre, le WG B1.64 a développé des formules analytiques qui sont vérifiées par des mesures de câbles utilisant une procédure normalisée de mesure des pertes développée par le groupe ainsi que par l’analyse par éléments finis (FEA) 3D. Une méthode de mesure de la perméabilité magnétique des fils d’armure est proposée et utilisée par le GT pour obtenir des valeurs pour les fils d’armure des câbles mesurés afin de comparer les résultats des mesures de pertes avec les calculs de pertes.

La Brochure Technique (BT) est divisée en chapitres mentionnées ci-dessous :

Chapitre 1 “Introduction” contient l’introduction, le contexte, les termes de référence et un guide du contenu de la BT pour aider le lecteur à naviguer dans les différents sujets.

Chapitre 2 “Cable losses overview” décrit la physique responsable de ces pertes dans le câble. Il explique comment les différentes parties du câble interagissent entre elles à l’aide d’illustrations de l’Analyse par Eléments Finis. Le contexte des formules de la norme CEI 60287-1-1 est discuté et comparé d’une manière qualitative à la compréhension actuelle de la physique derrière les pertes dans les câbles tripolaires armurés.

Chapitre 3 “Calculations” présente deux méthodes de calcul analytique. Les résultats obtenus à l’aide des méthodes 1 et 2 sont comparés de façon approfondie dans l’ensemble de la BT. La méthode 1 est en développement continu par le GT. La méthode 2 est utilisée telle que publiée à l’origine [7].

Chapitre 4 “Impédance measurements” traite des facteurs importants liés à la mesure de l’impédance du câble et recommande des exigences minimales pour l’équipement afin d’obtenir des résultats de mesure précis. Les mesures d’impédance des câbles tripolaires armurés ont été effectuées par les membres du groupe de travail avant et pendant les activités du GT. Les résultats de ces mesures jouent un rôle central dans l’élaboration de ces recommandations, car ils contribuent à la vérification des résultats de l’analyse par éléments finis en 3D et des formules analytiques.

Chapitre 5 “Magnetic permeability measurements” présente la méthode utilisée par le groupe de travail pour obtenir les valeurs de perméabilité de plusieurs échantillons de fils d’armure, y compris des échantillons de câbles sur lesquels des mesures d’impédance ont été effectuées. Les résultats des mesures de perméabilité sont comparés et discutés.

La perméabilité magnétique des fils constituant l’armure est un paramètre important dans le calcul des pertes dans le câble. Les pertes par hystérésis entraînent une résistance du câble non linéaire avec le courant appliqué.

La contrainte mécanique dans les fils d’armure influence la perméabilité magnétique. Ce n’est pas une priorité pour cette BT, mais le sujet est brièvement discuté et l’effet mis en évidence en fonction des résultats des tests.

Chapter 6 “Finite Element Analysis” donne un compte rendu détaillé des différents sujets liés à l’analyse par éléments finis en 3D pour les câbles tripolaires avec armures présentés dans le présent document. La sensibilité de la taille du maillage et les propriétés géométriques sont discutées pour fournir des recommandations pour la modélisation en utilisant la Méthode par Eléments Finis en 3D.

Chapter 7 “Discussion” présente une brève étude avec les calculs de dimensionnement thermique pour trois câbles avec différents paramètres en considérant les pertes calculées de la méthode 1 et de la méthode CEI. Le chapitre illustre les avantages d’effectuer des calculs précis des câbles en comparant les résultats obtenus calculés avec la méthode 1 et la méthode CEI et en discutant des différentes possibilités d’optimisation de la conception des câbles.

Le procédé de vérification des différentes méthodes de calcul avec des mesures d’impédance est expliqué et les résultats du procédé sont présentés et comparés.

Les résultats de l’Analyse par Eléments Finis « FEA » d’un câble avec des fils plats et une double couche d’armure sont comparés aux mesures. Le but de cette discussion est de suggérer une méthode de calcul des paramètres des câbles armurés à fil plat et/ou à double couche, car aucune des méthodes présentées dans cette BT n’a cette capacité.

Les sujets qui ont fait l’objet de nouveaux développements au cours de ces travaux, mais qui n’ont pas été inclus dans la présente BT en raison de contraintes de temps, ainsi que les améliorations futures possibles, sont abordés.

Appendix A “References” présente la documentation qui est mentionnée directement dans la présente BT.

Appendix B “Abbreviations and symbols” énumère les abréviations et les symboles utilisés dans le présente BT.

Appendix C “Application of equations method 1” fournit un exemple de calcul numérique de la méthode 1 avec des données précises pour aider le lecteur à comprendre les étapes des calculs et à obtenir la même réponse.

Appendix D “Application of impedance measurement procedure” présente un exemple de mesure réelle effectuée par les membres du groupe de travail sur l’un des câbles utilisés à titre d’exemple dans tout la BT. Il est conforme aux exigences générales et à la procédure du chapitre 5 et constitue la méthode utilisée pour presque toutes les mesures décrites dans cette TB.

Appendix E “Comparison of results” compare tous les résultats des cas calculés à l’aide des méthodes par éléments finis « FEA » 1 et 2 et de la norme CEI 602871-1. Pour chaque câble, les paramètres de câble communs pour un ensemble de cas sont donnés dans un tableau séparé pour faciliter la comparaison entre les cas.

Après avoir vérifié que les propriétés fondamentales des méthodes prennent en compte tous les mécanismes de la physique responsables des pertes dans les câbles, la gamme de câbles pour lesquels les méthodes ont été évaluées par des mesures, est étendue. Cela a permis de comparer les résultats obtenus avec les formules analytiques et les analyse par éléments finis « FEA » pour les câbles présentant une gamme de paramètres plus large que ceux mesurés.

Appendix F “Cable data” présente les données pour les câbles qui sont mesurés et pour lesquels une comparaison entre les mesures par éléments finis « FEM » et les méthodes analytiques a été effectuée

Conclusion

La physique responsable des pertes dans un câble est présentée, augmentant progressivement en complexité, en commençant par un seul conducteur et finissant avec un câble tripolaire complet avec armure. L’effet de la conductivité de l’eau de mer sur les pertes de câbles est vérifié comme ayant un impact négligeable selon les considérations analytiques et l’analyse par éléments finis (FAE). Le contexte des formules de la norme CEI 60287-1-1 est examiné et comparé d’une manière qualitative à la compréhension actuelle de la physique derrière les pertes dans les câbles tripolaires avec armure.

Deux méthodes de calcul, « méthode 1 » et « méthode 2 », sont présentées dans la BT. La méthode 1 est une méthode analytique élaborée par les membres du GT, tandis que la méthode 2 est une méthode numérique référencée et utilisée dans la BT telle qu’elle a été publiée avant le GT. La principale différence entre les deux est que la méthode 1 tient compte de l’effet de proximité de l’âme sur le champ magnétique, tandis que les formules de la méthode 2 n’incluent pas les conducteurs. Ces différences se reflètent dans les résultats – la méthode 1 tient compte plus précisément des pertes induites dans les écrans (gaines) métalliques et les armures dans la plupart des cas, tandis que la méthode 2 surestime légèrement les pertes de l’écran (gaine) métallique et d’armure. Les deux méthodes prennent en compte l’armure magnétique et amagnétique.

Les méthodes de calcul sont vérifiées par des mesures de perte. La figure 1 compare les pertes de câbles mesurées à partir de six types de câbles différents avec les valeurs obtenues par différentes méthodes de calcul. Les pertes calculées par les méthodes sont en bon accord avec les pertes mesurées, à l’exception de la norme CEI 60287, qui surestime considérablement les pertes dans les câbles avec armure magnétique.

Le GT a effectué des mesures sur plusieurs câbles et la procédure recommandée est présentée avec un exemple suivant toutes les étapes utilisées lors de la mesure réelle de l’un des câbles dans la BT. Les facteurs importants, de la préparation de l’essai et de l’utilisation correcte de l’équipement, au post-traitement des données et à l’estimation des erreurs sont abordés.

L’analyse par éléments finis en 3D (FEA 3D) est largement utilisée dans la comparaison de plus de cent cas. Le modèle développé est utilisé pour aider à comprendre les pertes de câbles et pour vérifier les phénomènes physiques lors de l’élaboration de la méthode 1. La FEA 3D est la méthode recommandée pour les câbles avec une double couche d’armure ou à fil plat puisqu’aucune des autres méthodes de calcul ne comprend ces options. Il s’agit d’un domaine identifié pour de futurs travaux.

Les modèles par éléments finis en 2D (FE 2D) ne sont pas en mesure de prendre en compte la nature 3D des mécanismes responsables des pertes dans le câble. Le tableau 1 compare les pertes calculées en utilisant 2,5D et 3D pour quatre conceptions de câbles différentes. Pour les câbles unilay (avec long pas de câblage) le résultat est bon. Pour les câbles contralay la méthode 2.5D sous-estime les pertes. La sous-estimation augmente avec la diminution de la résistance des conducteurs et l’augmentation de la perméabilité de l’armure, tandis que pour les conducteurs plus petits transportant moins de courant et pour les armures avec une faible perméabilité, la précision de la méthode 2.5D s’améliore.

La perméabilité magnétique des fils d’armure est un paramètre important pour le calcul précis des pertes de câbles. Elle influence non seulement les pertes dans les fils d’armure, mais aussi les pertes dans les conducteurs et les écrans métalliques. Les propriétés non linéaires de l’armure entraînent une résistance dépendante du courant. Les résultats des mesures de perméabilité magnétique de plusieurs échantillons, incluant des échantillons des câbles mesurés, sont présentés et discutés dans la BT. La contrainte mécanique dans les fils d’armure influence la perméabilité magnétique. Cela n’est pas une priorité pour cette BT, mais le sujet est brièvement discuté, et les résultats d’un test effectué par le GT montrent l’effet.

Les calculs de dimensionnement thermique pour trois câbles de différentes conceptions d’armures avec les pertes calculées de la méthode 1 et CEI 60287-1-1 sont effectués. Le tableau 1 indique l’intensité maximale pour un câble en aluminium de 1200 mm2 avec différentes configurations d’armures calculées avec la méthode 1. Dans le même tableau, la section de l’âme requise pour atteindre la même intensité conformément à la norme CEI 60287-1-1 est indiquée. Une réduction significative de la section du conducteur est possible pour toutes les conceptions de câbles en utilisant le calcul des pertes avec la méthode 1.

Pour un câble avec des âmes en cuivre, tableau 3, la différence devient encore plus grande en raison de l’effet de peau accru dans les âmes. La réduction de la section de l’âme de 600 mm2 est indiquée pour le premier câble, aurait un impact sur le coût du câble avec environ 27 % pour les seuls matériaux. Les économies potentielles peuvent devenir encore plus importantes si l’on considère le coût de fabrication et l’impact de la réduction de poids de 19 % (2277 tonnes pour un câble d’une longueur de 100 km) sur le nombre de campagnes d’installation requises.