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Calculation of ampacity ratings of power cable systems by the use of thermal quadrupoles under consideration of soil properties

Balzer, Constantin (2020):
Calculation of ampacity ratings of power cable systems by the use of thermal quadrupoles under consideration of soil properties. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00017220,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Calculation of ampacity ratings of power cable systems by the use of thermal quadrupoles under consideration of soil properties
Language: English
Abstract:

The so-called ampacity rating, i.e. the maximum admissible conductor current due to thermal restrictions, represents the major constraint for the power transmission by cable systems. In order to determine this rating, two methodologies can be employed: On the one hand side, the calculation on the basis of analytical expressions allows a fast computation “with pen and paper”. Yet, complex configurations or non-linear material properties of the bedding can only be approximated. In contrast to this, numerical simulations can implement any sort of configurations or material properties, but on the expense of a high demand in computing capacity. However, the requirements on the operation of power grids are changing: The load patterns become more and more fluctuating due to power injection from dispersed generation. Also, enhanced measurement and control techniques in combination with incentive regulation encourage system operators to make the best use of their existing infrastructure and investments. Against this background, the need for a calculation method that combines both advantages of the aforementioned methods, i.e. the rapidity of analytical calculations with the universal possibilities of numerical simulations, is rising. Only with such methods, real time capable ampacity ratings can be included into an intelligent system operation, providing flexible thermal limits adopted to the actual properties of the load flow and bedding materials. As the hitherto existing methods for such real time capable algorithms rely on analytical approximations that entail restrictions to their application, the presented work aims at deriving an exact analytical method. In order to do so, solutions for all elements of cable systems have been brought together or derived by the author himself. Furthermore, it is shown that with the help of thermal quadrupoles, the separated solutions can be subsumed into one single network for the total cable system. Moreover, for elements that cannot be calculated analytically, such as the thermal coupling of multiple cables inside a non-homogenous bedding, numerically calculated spectra can be incorporated into the network of thermal quadrupoles. All dependencies in time, i.e. stationary, periodic and transient, can be calculated with the help of the methodology. Furthermore, an enhanced determination of cable ampacity ratings cannot be performed without reviewing the heat and mass transfer mechanisms inside the bedding. With the help of numerical simulations that have been validated through laboratory experiments, the factors of influence on the soil drying-out as well as the ambient water content are examined for a large variety of natural soils. Also, the dynamic of soil-drying out under transient heat injection is investigated. The presented results have been achieved in the framework of an interdisciplinary research project between the High Voltage Laboratories and the Geothermal Science and Technology of TU Darmstadt as well as a German distribution system operator. They have been incorporated into an application tool that has successfully been put into operation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die durch Verluste hervorgerufene Erwärmung führt, in Kombination mit der maximal zulässigen Leitertemperatur, zur Begrenzung der Übertragungsfähigkeit von Energiekabelsystemen. Zur Ermittlung dieser thermischen Stromtragfähigkeit stehen prinzipiell zwei Methoden zur Verfügung: die Berechnung auf Basis analytischer Ausdrücke oder numerischer Simulationen. Während erstgenannte schnelle Ergebnisse bei geringem Rechenaufwand ermöglichen, sind komplizierte Konfigurationen oder inhomogene Bettungseigenschaften nur näherungsweise durch diese abzubilden. Komplementär hierzu können durch numerische Simulationen beliebige Anordnungen oder Materialeigenschaften abgebildet werden, wobei dies mit einem erhöhten Rechenaufwand einhergeht. Vor dem Hintergrund veränderter Rahmenbedingungen wie einer fluktuierenden Last durch dezentrale Erzeugungseinheiten, verbesserten Kommunikations- und Messtechniken sowie einer Anreizregulierung, die finanzielle Anreize zur bestmöglichsten Auslastung von bestehenden Betriebsmitteln schafft, besteht ein Bedarf an einer Berechnungsmöglichkeit, die beide Vorteile der oben genannten Methoden kombiniert: Erst wenn es möglich ist, die genaue Berechnung beliebiger Konfigurationen und Belastungen mit einem geringem Rechenaufwand zu leisten, können echtzeitfähige Berechnungsmethoden der thermischen Stromtragfähigkeit einen Beitrag zu einer intelligenten Netzführung in Form von flexiblen Grenzwerten, die an die tatsächlichen thermophysikalischen Eigenschaften angepasst sind, leisten. Da die bisherigen Ansätze für eine echtzeitfähige Berechnung von thermischen Kabelbelastbarkeiten auf analytischen Näherungen basieren, die Einschränkungen bezüglich der Anwendbarkeit mit sich bringen, soll mit der vorliegenden Arbeit die Möglichkeit einer exakten analytischen Methodik ausgelotet werden. Hierzu werden zunächst analytische Lösungen für die Elemente eines Kabelsystems zusammengetragen beziehungsweise vom Autor selbst entwickelt. Sodann wird gezeigt, dass sich mit Hilfe der Methode der thermischen Vierpole die Einzellösungen in ein Gesamtsystem übertragen lassen. Elemente, die sich nicht analytisch berechnen lassen (wie beispielsweise die thermische Kopplung einzelner Kabel in einer nicht-homogenen Bettung) können als numerisch ermittelte Impedanz-Kennlinie in das Netzwerk der thermischen Vierpole integriert werden. Alle drei zeitlichen Abhängigkeitstypen – stationär, periodisch und transient – lassen sich auf Basis der thermischen Vierpole berechnen. Eine verbesserte Bestimmung der Kabelbelastbarkeit kommt weiterhin nicht ohne ein verbessertes Verständnis des Wärme- und Massetransportes innerhalb der Bettung aus. Mit Hilfe von numerischen Simulationen, die durch experimentelle Versuche validiert wurden, werden die Einflussfaktoren auf eine Bodenaustrocknung und den Umgebungswassergehalt für eine große Bandbreite an natürlichen Böden untersucht. Auch wird die Dynamik von Austrocknungen bei einem transienten Wärmeeintrag durch ein Kabelsystem dargestellt. Die präsentierten Ergebnisse sind im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsprojektes zwischen dem Fachgebiet Hochspannungstechnik, dem Fachgebiet für Angewandte Geothermie sowie einem deutschen Verteilnetzbetreiber entstanden. Sie flossen ein in eine Anwendung, die erfolgreich in den operativen Betrieb des Verteilnetzbetreibers integriert wurde.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvii, 135 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Power Systems > High Voltage Technology
Date Deposited: 21 Dec 2020 08:49
Last Modified: 21 Dec 2020 21:04
DOI: 10.25534/tuprints-00017220
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-172203
Referees: Hinrichsen, Prof. Volker ; Sass, Prof. Ingo
Refereed: 16 November 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17220
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