Contributions to Modeling and Simulation of HVAC Cables Using Field Test Results

L'intérêt pour les câbles de transmission de puissance a augmenté au cours des dernières années avec des projets ayant lieu partout dans le monde. Cette tendance a motivé le développement de modèles de câble plus précis utilisés dans la simulation des transitoires électromagnétiques. Cette thèse aborde les différents domaines d'action associés à la modélisation et à la simulation des câbles à haute tension en courant alternative. Le premier champ d'action est la validation de modèles de câbles pour la simulation de transitoires électromagnétiques. La validation est basée sur des essais disponibles en tenant compte des différents paramètres et équipements. L'approche typique pour l'analyse des résultats d'essais consiste à extraire l'atténuation et la vitesse de l'onde ainsi que l'impédance caractéristique et à comparer ces valeurs à ceux du modèle. Cette approche permet de vérifier qu'un modèle de câble est précis, mais ne donne pas des indications sur les sources de divergence lorsque les résultats de l'essai et de la simulation ne sont pas en accord. Cette thèse présente une nouvelle approche pour la validation d'un modèle de câble pour la simulation des transitoires électromagnétiques, basée sur des résultats d'essais sur le terrain. L'innovation consiste à extraire les paramètres par unité de longueur du câble à partir des formes d'onde mesurées, plutôt que d'extraire seulement l'atténuation, la vitesse et l'impédance caractéristique. Ces données supplémentaires fournissent une base additionnelle pour l'analyse des résultats de l'essai et de la simulation. Le deuxième champ d'action de cette thèse est l'étude du phénomène de décharge naturelle des câbles. Bien que très peu d'essais de décharge se trouvent dans la littérature, ce phénomène est un sujet important pour les ingénieurs qui réalisent des tests sur des câbles à haute tension et pendant des travaux d'entretien. Récemment, le sujet de décharge a été le sujet de nouvelles considérations par certains gestionnaires de réseaux qui utilisent les câbles pour réguler la tension du réseau. Cette thèse contribue à l'étude des caractéristiques de décharge des câbles de type ‘papier imprégné d'huile sous pression' à 275 kV.

Abstract

The interest towards power transmission cables has increased in the recent years with projects taking place all over the world. This trend has motivated research for better understanding of phenomena associated with cables as well for more accurate cable models used in the simulation of electromagnetic transients (EMTs). This thesis addresses the different fields of action associated with the modeling and simulation of HVAC cables. The first field of action is the validation of cable models for the simulation of EMT's. The most reliable validation method is based on comparison with field test results performed on actual cable system. Typically, the analysis of field test results consists of extracting the wave attenuation, velocity and surge impedance and comparing to those of the cable model. Although this approach allows verifying the cable model, it gives little insight into the sources of divergence when field test and simulations do not agree. This thesis presents a new method for validating a cable model for simulation of EMT's based on surge field test results. The innovation consists of extracting per-unit-length (PUL) cable parameters from the measured waveforms, rather than simply extracting attenuation, velocity and characteristic impedance. This approach provides a broader base for analyzing field test and simulation results. The second field of action is the study of cable natural discharge. Although very few test results of cable charging and discharging can be found in the literature, this phenomenon is a matter of concern to cable engineers particularly when performing tests and during maintenance work. Recently, the charging/discharging phenomenon has received renewed consideration from utilities when using high-voltage (HV) cables for voltage control during periods of light load which requires nightly switching of cables. This thesis investigates discharging characteristics of 275 kV POF cables based on field and laboratory tests. The factors affecting the phenomenon, i.e. cable capacitance, leakage resistances of cable insulation and external insulators, are identified and typical values are provided. From these values, the time required to discharge a cable to safe voltage limits (25 V according to IEC 60479-1) is calculated. A correction factor to account for the impact of relative air humidity on the leakage resistance of external insulators is proposed. The results of this study can be applied to the design of cable protections and to evaluate the need for special discharge equipment.