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全海深垂直多芯电缆的建模

丁展  
【摘要】:随着海洋经济的发展,水下电缆的研究逐渐引起人们的重视。应用于海洋作业的垂直多芯电缆,是连接上部母船设施和水下生产系统的关键设备。对垂直多芯电缆电能传输特性的分析,是整个深海作业系统功能设计的前提。而通过测试的方式获取电缆的传输性能费时费力,因此,通过建模的方法对水下垂直多芯电缆进行分析,可以有效简化系统设计,提高设计效率。目前国内外很多研究采用解析和数值法对水下电缆进行了分析,这些分析大多集中在其力学性能和制造设计方面,关于其电气传输性能的分析较少,并且还停留在构造简单的水平电缆上。然而,多芯电缆内部复杂的耦合关系以及垂直放置导致电路参数的动态变化对于电能传输的影响不可忽视。为了研究垂直多芯电缆应用于深海环境时,其电能传输过程中的沿线压降及能量流失情况,论文针对其放置方式、内部构造、应用环境的特殊性,建立了动态化的模型。该动态化模型与现有的普通电缆模型不同,区别主要体现在三个方面:一是作为垂直电缆,其参数计算随海洋深度动态变化;二是参数计算根据内部导体的位置关系而分类讨论;三是在参数计算中计及海床和海水介质的影响。本文将多芯电缆的电能传输问题抽象成为多导体传输问题,并据此对应用于深海的垂直多芯电缆进行了建模研究。本文首先用能量法、电荷量法、Neumann公式法,平均电位法详细推导了多导体系统的电感、电容参数的表达式,并在参数中引入导体间的位置关系、海水介质和海洋深度的影响,得到了应用于深海环境的垂直多芯电缆具体模型。然后,利用Matlab实现参数矩阵的计算,并通过EMTP的支路计算引擎辅助计算,完成模型对于各种输入的求解。根据模型,可以计算出在各种激励情况下沿线的电压电流响应。在此基础上,对“海龙号”ROV系统使用的6km水下电缆通电状态下,沿线的压降和损耗进行分析,并为系统供电频率为400Hz时,电缆沿线压降明显的现象提出解决意见。最后,通过实验与仿真进行对比,验证了模型的有效性。


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