An offshore(submarine) cable has been used for more than a century, however it has been used mainly for communication or power supply to near-shore island. Therefore, offshore cable has not been got more attention than other types of cable and the related standards have also not been established well. However wind farms have been shifting from land to offshore because of better wind condition. Consequently, it has been pushing up demand for offshore cable. Hence, this paper introduces the trend of offshore cable industry and related standards or recommendations only focusing on offshore wind farm. In details, the installed offshore cables in offshore wind farms, the main offshore cable makers and up to date technologies are covered. In addition, the related standards or recommendations are also analyzed and compared each other.
Flexible stay cables on cable-stayed bridges are three-dimensional. They sag and flex in the complex wind environment, which is a different situation to ideal rigid cylinders in two-dimensional wind flow. Aerodynamic interference and the response characteristics of wake galloping of full-scale parallel cables are potentially different due to three-dimensional flows around cables. This study presents a comprehensive wind tunnel investigation of wake galloping of parallel stay cables using three-dimensional aeroelastic cable models. The wind tunnel study focuses on the large spacing instability range, addressing the effects of cable separation, wind yaw angle, and wind angle of attack on wake galloping response. To investigate the effectiveness of vibration suppression measures, wind tunnel studies on the transversely connected cable systems for two types of connections (flexibility and rigidity) at two positions (mid-span and quarter-span) were also conducted. This experimental study provides useful insights for better understanding the characteristics of wake galloping that will help in establishing a guideline for the wind-resistant design of the cable system on cable-stayed bridges.
A new theoretical model on rain-wind induced vibration (RWIV) of a continuous stay cable is developed in this paper. Different from the existing theoretical analyses in which the cable was modeled as a segmental rigid element, the proposed scheme focuses on the in-plane and out-of-plane responses of a continuous stay cable, which is identical with the prototype cable on cable-stayed bridge. In order to simplify the complexities, the motion law of the rivulet on the cable surface is assumed as a sinusoidal way according to some results obtained from wind tunnel tests. Quasi-steady theory is utilized to determine the aerodynamic forces on the cable. Equations of motion of the cable are derived in a Cartesian Coordinate System and solved by using finite difference method to obtain the in-plane and out-of-plane responses of the cable. The results show that limited cable amplitudes are achieved within a limited range of wind velocity, which is a unique characteristic of RWIV of stay cable. It appears that the in-plane cable amplitude is much larger than the out-of-plane cable amplitude. Rivulet frequency, rivulet distribution along cable axis, and mean wind velocity profile, all have significant effects on the RWIV responses of the prototype stay cable. The effects of damping ratio on RWIVs of stay cables are carefully investigated, which suggests that damping ratio of 1% is needed to well mitigate RWIVs of prototype stay cables.
Many investigations have been conducted to find out the reason behind wind-rain-induced cable vibration in cable-stayed bridges. A single-degree-of-freedom (SDOF) analytical model, which could capture main features of wind-rain-induced cable vibration, was recently presented by the writers. This paper extends the SDOF model to a 2DOF model by including the equation of motion of upper rivulet. The interaction between the upper rivulet and the cable is described in terms of nonlinear damping force, linear restoring force, and inertia force. The computed results using the 2DOF model are first compared with the results from simulated wind-rain tunnel tests, and the comparison is found satisfactory in general. The possible mechanisms of wind-rain-induced cable vibration are discussed and a parametric study is then conducted. Finally, the computed results using the 2DOF model are compared with those predicted by the SDOF model. The 2DOF model is found better than the SDOF model but the SDOF model is still acceptable for its simplicity.
In this study, a partially earth-anchored cable system is studied in order to reduce the dynamic wind response of cable-stayed bridges. The employment of earth-anchored cables changes the dynamic characteristics of cable-stayed bridges under wind loads. In order to estimate the changes in the member forces, the spectral analysis for wind buffeting loads are performed and the peak responses are evaluated using 3-D finite element models of the three-span cable-stayed bridges with the partially earth-anchored cable system and with the self-anchored cable system, respectively. Comparing the results for the two different models, it is found that the earth-anchored cables affect longitudinal and vertical modes of the bridge. The changes of the natural frequencies for the longitudinal modes remarkably decrease the peak bending moment in the pylon and the movements at the expansion joints. The small changes of the natural frequencies for the vertical modes slightly increase bending moments and deflections in the girder. The original effects of the partially earth-anchored cable system are also shown under wind loads; the decrement of girder axial forces and bearing uplifting forces, and the increment of cable forces in the earth-anchored cables.
The effect of a partially earth anchored cable system on the structural safety of a long span cable-stayed bridge under seismic and wind loads are examined during construction process. By assuming the FCM (free cantilever method) construction stages with structural vulnerability, a multi-mode spectral analysis and a multi-mode buffeting analysis are performed for specific seismic load and wind load, respectively. Results show that the wind load dominates the structural safety of a cable-stayed bridge during construction. And, the application of a partially earth anchored cable system can enhance structural safety under wind load since the maximum pylon moment in the model with partially earth anchored cable system is reduced by 49% under wind load. In contrast, the maximum pylon moment occurred by seismic load is only decreased by 8%.
By using a computational program of three-dimensional aerostatic and aerodynamic stability analysis of long-span bridges under skew wind, the dynamic characteristics and structural stability(including the aerostatic and aerodynamic stability) of a three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridge with main span of 1 400 meters are investigated numerically under skew wind, and the skew wind and aerostatic effects on the aerostatic and aerodynamic stability of three-tower cable-stayedsuspension hybrid bridge are ascertained. The results show that the three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridge is a longspan structure with greater flexibility, and it is more susceptible to the wind action. The aerostatic instability of three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridges is characterized by the coupling of vertical bending and torsion of the girder, and the skew wind does not affect the aerostatic instability mode. The skew wind has positive or negative effects on the aerostatic stability of the bridge, the influence is between -5.38% and 4.64%, and in most cases, it reduces the aerostatic stability of the bridge. With the increase of wind yaw angle, the critical wind speed of aerostatic instability does not vary as the cosine rule as proposed by the skew wind decomposition method, the skew wind decomposition method may overestimate the aerostatic stability, and the maximum overestimation is 16.7%. The flutter critical wind speed fluctuates with the increase of wind yaw angle, and it may reach to the minimum value under the skew wind. The skew wind has limited effect on the aerodynamic stability of three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridge, however the aerostatic effect significantly reduces the aerodynamic stability of the bridge under skew wind, the reduction is between 3.66% and 21.86%, with an overall average drop of 11.59%. The combined effect of skew and static winds further reduces the critical flutter wind speed, the decrease is between 7.91% and 19.37%, with an overall average decrease of 11.85%. Therefore, the effects of skew and static winds must be comprehensively considered in the aerostatic and aerodynamic stability analysis of three-tower cable-stayed-suspension hybrid bridges.
As the offshore wind farms increase, interest in the efficient power system configuration of submarine cables is increasing. Currently, transmission system of the offshore wind farm uses almost AC system. High temperature superconducting (HTS) power cable of the high capacity has long been considered as an enabling technology for power transmission. The HTS cable is a feasible way to increase the transmission capacity of electric power and to provide a substantial reduction in transmission losses and a resultant effect of low CO2 emission. The HTS cable reduces its size and laying sectional area in comparison with a conventional XLPE or OF cable. This is an advantage to reduce its construction cost. In this paper, we discuss the economic feasibility of the 22.9 kV HTS power cable and the conventional AC power cables for an offshore wind farm connections. The 22.9 kV HTS power cable cost for the offshore wind farm connections was calculated based on the capital expenditure and operating expense. The economic feasibility of the HTS power cable and the AC power cables were compared for the offshore wind farm connections. In the case of the offshore wind farm with a capacity of 100 MW and a distance of 3 km to the coast, cost of the 22.9 kV HTS power cable for the offshore wind farm connections was higher than 22.9 kV AC power cable and lower than 70 kV AC power transmission cable.
Rain-wind induced vibrations of cables are a challenging problem in the design of cable-stayed bridges. The precise excitation mechanism of the complex interaction between structure, wind and rain is still unknown. A theoretical model that is able to accurately simulate the observed phenomena is not available. This paper presents a mathematical model describing rain-wind induced vibrations as movement-induced vibrations using the quasi-steady strip theory. Both, the vibrations of the cable and the movement of the water rivulet on the cable surface can be described by the model including all geometrical and physical nonlinearities. The analysis using the stability and bifurcation theory shows that the model is capable of simulating the basic phenomena of the vibrations, such as dependence of wind velocity and cable damping. The results agree well with field data and wind tunnel tests. An extensive experimental study is currently performed to calibrate the parameters of the model.
Development of the technologies for offshore wind power is proceeding actively and the installation capacity is continuously increasing because of its many advantages in comparison with the land wind power. Accordingly, project for Southwestern 2.5GW offshore wind power plant is in progress in Korea. Design of electric power systems for offshore wind power plant is very important due to its high investment and operational costs. Hence, it needs to be designed in order to minimize costs. This way can be employed in determining the installation location of offshore substation for HVAC wind power plant. According to the offshore substation site, MV inter-array cable and HV export cable lengths vary and they change a total cost regarding submarine cable. This paper represents cost models with variables which are MV inter-array cable and HV export cable lengths to locate the offshore substation for HVAC wind power plant. It is classified into submarine cable installation cost, reactive power compensator installation cost, ohmic losses, and unsupplied energy cost. By minimizing a total cost, an appropriate installation site of the offshore substation is determined.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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