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    全海深垂直多芯電纜的建模

    丁展  
    【摘要】:隨著海洋經濟的發展,水下電纜的研究逐漸引起人們的重視。應用于海洋作業的垂直多芯電纜,是連接上部母船設施和水下生產系統的關鍵設備。對垂直多芯電纜電能傳輸特性的分析,是整個深海作業系統功能設計的前提。而通過測試的方式獲取電纜的傳輸性能費時費力,因此,通過建模的方法對水下垂直多芯電纜進行分析,可以有效簡化系統設計,提高設計效率。目前國內外很多研究采用解析和數值法對水下電纜進行了分析,這些分析大多集中在其力學性能和制造設計方面,關于其電氣傳輸性能的分析較少,并且還停留在構造簡單的水平電纜上。然而,多芯電纜內部復雜的耦合關系以及垂直放置導致電路參數的動態變化對于電能傳輸的影響不可忽視。為了研究垂直多芯電纜應用于深海環境時,其電能傳輸過程中的沿線壓降及能量流失情況,論文針對其放置方式、內部構造、應用環境的特殊性,建立了動態化的模型。該動態化模型與現有的普通電纜模型不同,區別主要體現在三個方面:一是作為垂直電纜,其參數計算隨海洋深度動態變化;二是參數計算根據內部導體的位置關系而分類討論;三是在參數計算中計及海床和海水介質的影響。本文將多芯電纜的電能傳輸問題抽象成為多導體傳輸問題,并據此對應用于深海的垂直多芯電纜進行了建模研究。本文首先用能量法、電荷量法、Neumann公式法,平均電位法詳細推導了多導體系統的電感、電容參數的表達式,并在參數中引入導體間的位置關系、海水介質和海洋深度的影響,得到了應用于深海環境的垂直多芯電纜具體模型。然后,利用Matlab實現參數矩陣的計算,并通過EMTP的支路計算引擎輔助計算,完成模型對于各種輸入的求解。根據模型,可以計算出在各種激勵情況下沿線的電壓電流響應。在此基礎上,對“海龍號”ROV系統使用的6km水下電纜通電狀態下,沿線的壓降和損耗進行分析,并為系統供電頻率為400Hz時,電纜沿線壓降明顯的現象提出解決意見。最后,通過實驗與仿真進行對比,驗證了模型的有效性。


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