浮式風(fēng)電用動(dòng)態(tài)海纜初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王 輝， 袁振欽， 李居躍， 孫亞峰， 付凌云*

（1.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，深圳 518172； 2.江蘇亨通高壓海纜有限公司，常熟 215500）

0 引言

隨著海上風(fēng)電快速發(fā)展，海上風(fēng)電場從淺海向深遠(yuǎn)海發(fā)展將成為必然趨勢，采用漂浮式基礎(chǔ)的浮式風(fēng)電將成為主流。 動(dòng)態(tài)海纜作為浮式風(fēng)電場電力傳輸?shù)年P(guān)鍵裝備，不僅要具有傳輸電力和信號(hào)的功能，還需具備抵御各種環(huán)境載荷耦合所產(chǎn)生破壞的能力，如浮體運(yùn)動(dòng)、波流移動(dòng)耦合所產(chǎn)生的破壞。 由于動(dòng)態(tài)海纜在位運(yùn)行的特殊要求，其結(jié)構(gòu)與靜態(tài)海纜會(huì)有顯著差異。

國外對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組有多年的研究，并已建設(shè)多個(gè)示范應(yīng)用項(xiàng)目，在浮式風(fēng)電用動(dòng)態(tài)海纜設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用方面較為成熟，與國外相比，國內(nèi)浮式風(fēng)電發(fā)展較晚，目前與浮式風(fēng)機(jī)配套的動(dòng)態(tài)海纜尚處研發(fā)階段。 本工作依托于國內(nèi)某浮式海上風(fēng)電示范項(xiàng)目，研究動(dòng)態(tài)海纜運(yùn)行特征，分析動(dòng)態(tài)海纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 該示范項(xiàng)目的浮式風(fēng)電機(jī)組功率為6.2 MW，采用35 kV 三芯交流動(dòng)態(tài)海纜連接風(fēng)機(jī)。

1 動(dòng)態(tài)海纜在位工況載荷

浮式海上風(fēng)電場動(dòng)態(tài)海纜一端固定于機(jī)組浮體的J／I 形管處，另一端敷設(shè)于海底，中間段以一定的線型懸浮于海水中，在浮體運(yùn)動(dòng)與波流載荷的共同作用下，動(dòng)態(tài)海纜的水下線型不斷變化，特別是極端載荷情況下線型變化最大，圖1 所示為陡坡形線型動(dòng)態(tài)海纜在3 種極端載荷作用下所呈現(xiàn)的水下線型。

由圖1 可知，動(dòng)態(tài)海纜在浮力段的彎曲半徑較小，容易發(fā)生彎曲失效；此外，由于陡坡線型動(dòng)態(tài)海纜兩端的安裝角度是固定的，線型變化時(shí)兩端也容易發(fā)生彎曲失效，因動(dòng)態(tài)海纜的自重及波流載荷，其與平臺(tái)連接端承受的拉力載荷最大。 動(dòng)態(tài)海纜線型變化過程中也承受著交變的載荷作用，在動(dòng)態(tài)海纜兩端與浮力段等關(guān)鍵位置易發(fā)生疲勞損壞。 在沒有波流影響情況下，動(dòng)態(tài)纜與浮體在一個(gè)平面內(nèi)，即圖1 中示意的初始位置，當(dāng)浮體在波流影響下偏離出原平面時(shí)，發(fā)生側(cè)位偏移。 通常在垂直平面方向最遠(yuǎn)端的位置稱為側(cè)位。 圖2 所示為浮體側(cè)位偏移的動(dòng)態(tài)海纜水下線型，動(dòng)態(tài)海纜不在同一平面內(nèi)，在海流的作用下可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的扭矩對(duì)電纜有較大破壞性。

圖1 極端載荷作用下的動(dòng)態(tài)海纜線型

圖2 浮體側(cè)位下動(dòng)態(tài)海纜線型

因此，在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)海纜結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮各種載荷對(duì)海纜結(jié)構(gòu)的影響，確保海纜安全可靠運(yùn)行。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

目前沒有針對(duì)性動(dòng)態(tài)海纜的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，本工作通過研究海上油氣用管纜和靜態(tài)海纜的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，借鑒國外動(dòng)態(tài)海纜研究成果和設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以及場址條件等開展浮式風(fēng)電用動(dòng)態(tài)海纜初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)海纜規(guī)格為26／35-3×70，整體結(jié)構(gòu)參考靜態(tài)海纜結(jié)構(gòu)。

考慮到動(dòng)態(tài)海纜與靜態(tài)海纜的運(yùn)行環(huán)境，動(dòng)態(tài)海纜長期隨浮體、波流往復(fù)移動(dòng)，承受拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)等外力作用，結(jié)構(gòu)形式和機(jī)械性能有極大差異性。 本工作根據(jù)動(dòng)態(tài)海纜運(yùn)行環(huán)境條件及功能要求，對(duì)動(dòng)態(tài)海纜主要結(jié)構(gòu)（如纜芯、絕緣、護(hù)套及鎧裝等）進(jìn)行設(shè)計(jì)，使動(dòng)態(tài)海纜整體結(jié)構(gòu)符合電氣與機(jī)械性能要求。

3 動(dòng)態(tài)海纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 導(dǎo)體設(shè)計(jì)

導(dǎo)體結(jié)構(gòu)截面示意如圖3 所示，大截面交流電纜通常采用分割導(dǎo)體設(shè)計(jì)［1］，如圖3（a）所示，在防水措施中常用阻水膠或阻水帶同時(shí)加入阻水粉兩種阻水方法。 分割導(dǎo)體各扇塊間縫隙較大，采用上述兩種阻水方法阻水效果均不理想，并且動(dòng)態(tài)海纜在位運(yùn)行時(shí)受到外界載荷作用而發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，當(dāng)扭轉(zhuǎn)方向與分割導(dǎo)體絞合方向相反時(shí)，分割導(dǎo)體間可能發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)體的縱向阻水效果變差。 因此，動(dòng)態(tài)海纜與靜態(tài)海纜導(dǎo)體均不采用分割導(dǎo)體設(shè)計(jì)方案，而是采用緊壓絞合圓形導(dǎo)體，如圖3（b）所示，并在每層導(dǎo)體上涂抹阻水膠。

圖3 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)截面示意圖

3.2 絕緣與阻水設(shè)計(jì)

中高壓電纜絕緣材料主要選用交聯(lián)聚乙烯（XLPE）和乙丙橡膠（EPR）。 EPR 型電纜具有耐水樹性能強(qiáng)和抗過載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是與XLPE 型電纜相比，EPR 型電纜絕緣損耗受溫度和場強(qiáng)的影響較大，電壓等級(jí)越高兩者性能差距越大，目前XLPE 型電纜的生產(chǎn)與運(yùn)行越來越成熟，EPR 型電纜的制造工藝相對(duì)復(fù)雜，成本較高［2］，在應(yīng)用中中高壓電纜絕緣材料通常首選XLPE。

對(duì)于聚乙烯（PE）等聚合物絕緣材料，潮濕是首要危害。 受潮濕的影響，絕緣強(qiáng)度和抗老化性能會(huì)下降，如產(chǎn)生水樹等，因此需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保護(hù)絕緣，一般在絕緣系統(tǒng)外面纏繞阻水帶、擠包金屬護(hù)套等方式阻止徑向滲水，使其免受水分的影響。

國際大電網(wǎng)會(huì)議技術(shù)手冊CIGRE TB 722 根據(jù)海纜纜芯護(hù)套的徑向阻水能力，將纜芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為以下3 類，海纜纜芯結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

（1）金屬擠包護(hù)套，例如鉛護(hù)套，其阻水性能非常好且應(yīng)用廣泛，通常被認(rèn)為是干式結(jié)構(gòu)，纜芯結(jié)構(gòu)見圖4（a），無須進(jìn)行濕式絕緣測試。

（2）非擠包的金屬護(hù)套結(jié)構(gòu)，纜芯結(jié)構(gòu)見圖4（b）和圖4（c），一般統(tǒng)稱為半干式或半濕式設(shè)計(jì)，但其金屬護(hù)套結(jié)構(gòu)會(huì)隨著阻水條件的不同對(duì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)定義發(fā)生變化。 這種結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過CIGRE TB 722 中推薦的附加測試程序驗(yàn)證，若滿足測試要求，則重新被認(rèn)定為干式結(jié)構(gòu)，絕緣材料無須進(jìn)行水老化試驗(yàn)；反之，則被認(rèn)定為濕式結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行水老化試驗(yàn)。

（3）無護(hù)套或者只有聚合物護(hù)套，其金屬屏蔽可以為銅帶或者銅絲，水分直接接觸絕緣或者通過聚合物護(hù)套滲透并與絕緣接觸，稱為濕式設(shè)計(jì)，纜芯結(jié)構(gòu)見圖4（d），濕式結(jié)構(gòu)的絕緣材料必須進(jìn)行水老化試驗(yàn)。

圖4 海纜纜芯結(jié)構(gòu)分類

動(dòng)態(tài)海纜纜芯護(hù)套一般采用PE 或半導(dǎo)電PE，水分可透過PE 護(hù)套進(jìn)入內(nèi)部。 據(jù)CIGRE TB 446介紹，鋁塑復(fù)合結(jié)構(gòu)在50 ℃的水分穿透率為1.5 ngm-2s-1，而2 mm PE 的水分穿透率是鋁塑復(fù)合結(jié)構(gòu)的2000 倍。 依據(jù)CIGRE TB 722，該結(jié)構(gòu)被認(rèn)定為濕式結(jié)構(gòu)。

中高壓靜態(tài)海纜通常采用干式結(jié)構(gòu)，海纜由絕緣、鉛套和PE 護(hù)套組成，具有擠包鉛護(hù)套［3］，可承受高的電應(yīng)力，但成本較高，鉛護(hù)套疲勞性能差，不適合應(yīng)用在承受交變載荷的動(dòng)態(tài)海纜上；半干式或半濕式海纜結(jié)構(gòu)由絕緣、PE 護(hù)套、皺紋銅／鋁或鋁塑復(fù)合帶組成，其中海纜皺紋銅套具有良好的疲勞性能，但工藝較為復(fù)雜，成本較高，纜芯直徑較大；濕式結(jié)構(gòu)由絕緣、銅絲／帶、PE 護(hù)套組成，無須PE 護(hù)套，海纜結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝較簡單，纜芯外徑較小，易于生產(chǎn)，因此中壓海纜已廣泛應(yīng)用。

目前，海底電纜絕緣基本選用XLPE，動(dòng)態(tài)海纜大多采用抗水樹交聯(lián)聚乙烯（TR-XLPE），TR-XLPE抗水樹性能勝過常規(guī)的XLPE［4］，而且其流變特性、耐焦燒性等加工性能良好，在電氣、機(jī)械及熱性能等特性上都優(yōu)于常規(guī)XLPE。 綜合考慮，對(duì)浮式風(fēng)電用動(dòng)態(tài)海纜采用TR-XLPE 濕式絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.3 護(hù)套設(shè)計(jì)

內(nèi)外護(hù)套與海水接觸須有很好的防腐性能以及耐水能力，作為海纜的保護(hù)層還要具有提供機(jī)械緩沖、減小摩擦、使纜圓整、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等功能［5］。 通常護(hù)套材料采用聚氯乙烯（PVC）和PE。 PVC 外護(hù)套在較高環(huán)境溫度下電纜彎曲性能好，與外表面半導(dǎo)電石墨涂層黏附性強(qiáng)，具有較好的阻燃性能，缺點(diǎn)是絕緣電阻較低，在運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中吸潮后會(huì)使電纜絕緣電阻進(jìn)一步下降，甚至無法進(jìn)行直流電壓試驗(yàn)。PE 外護(hù)套具有較強(qiáng)的防濕、防潮性能，其絕緣電阻遠(yuǎn)高于PVC，但是阻燃性能差，且PE 護(hù)套與外表面的石墨涂層黏附性較差，電纜在復(fù)繞、存放和運(yùn)行過程中均會(huì)有涂層脫落現(xiàn)象。

靜態(tài)海纜運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定，承受機(jī)械外力的概率極小，通常用PP 繩構(gòu)成內(nèi)外襯層代替內(nèi)外護(hù)套，而動(dòng)態(tài)海纜長期承受外力作用，護(hù)套材質(zhì)須具有高的機(jī)械強(qiáng)度。 高密度聚乙烯（HDPE）由PE 單體聚合而成的，平均每個(gè)分子上都有一個(gè)長支鏈或許多小支鏈，與低密度聚乙烯（LDPE）相比，其具有很高的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度可達(dá)20 MPa 以上，耐受環(huán)境應(yīng)力開裂能力高。 浮式風(fēng)電用動(dòng)態(tài)海纜護(hù)套材料選用HDPE，可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)層的有效保護(hù)。

3.4 金屬鎧裝層設(shè)計(jì)

金屬鎧裝主要起加強(qiáng)作用，提供電纜抗拉、抗扭和抗壓保護(hù)，同時(shí)還有屏蔽作用。 一般用銅絲與鍍鋅鋼絲兩種材料。 銅絲作為鎧裝層無磁滯損耗，可降低海纜的損耗，但是力學(xué)性能較低，一般用于單芯電纜。 動(dòng)態(tài)海纜為三芯電纜，鋼絲鎧裝引起的損耗對(duì)海纜載流量的影響很小，鋼絲力學(xué)性能好，耐疲勞性能強(qiáng)，經(jīng)過鍍鋅處理的鋼絲具有一定的防腐蝕能力，所以動(dòng)態(tài)海纜選用鍍鋅鋼絲作為鎧裝材料。

動(dòng)態(tài)海纜在實(shí)際的安裝和運(yùn)行過程中，會(huì)受到拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種荷載的作用，并可能受到較嚴(yán)重的拉伸力而出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)打結(jié)現(xiàn)象，需要具有較大的拉伸和扭轉(zhuǎn)剛度來滿足要求。 同時(shí)，為了儲(chǔ)存和安裝便利，以及應(yīng)用時(shí)動(dòng)態(tài)反復(fù)彎曲作用，需要將海纜彎曲剛度及彎曲半徑設(shè)計(jì)得較小，使其滿足工程要求。 另外，動(dòng)態(tài)海纜在海底敷設(shè)必須保證其穩(wěn)定性，在波流作用下運(yùn)動(dòng)不能過大，以免與周圍錨鏈等發(fā)生沖撞，需保證其外徑與質(zhì)量比在一定范圍內(nèi)。因此，動(dòng)態(tài)海纜鎧裝設(shè)計(jì)需綜合考慮動(dòng)態(tài)海纜的參數(shù)，使其擁有較大的抗拉、抗扭轉(zhuǎn)剛度，以及較小的彎曲剛度，同時(shí)滿足拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等設(shè)計(jì)指標(biāo)。

為此，動(dòng)態(tài)海纜鎧裝鋼絲須設(shè)置異向螺旋的偶數(shù)層結(jié)構(gòu)，保證動(dòng)態(tài)海纜具有雙向抗扭轉(zhuǎn)載荷的能力，設(shè)計(jì)中通過調(diào)整鎧裝鋼絲的節(jié)距，使海纜兩個(gè)扭轉(zhuǎn)方向抗扭能力平衡。 采用Uflex 軟件對(duì)海纜截面進(jìn)行機(jī)械性能分析，海纜雙向扭轉(zhuǎn)應(yīng)力云圖與曲線見圖5（順時(shí)針）和圖6（逆時(shí)針）所示。

圖5 海纜扭轉(zhuǎn)應(yīng)力云圖與曲線（順時(shí)針）

海纜的扭轉(zhuǎn)剛度為海纜所受扭矩與海纜單位長度扭轉(zhuǎn)角的比值，提取扭矩與對(duì)應(yīng)的單位長度扭轉(zhuǎn)角，擬合后得到扭矩轉(zhuǎn)角曲線斜率即為扭轉(zhuǎn)剛度［6］。由圖5 和圖6 可知，繞纜軸線順時(shí)針扭轉(zhuǎn)剛度為199.11 kN·m2，逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)剛度為208.94 kN·m2，兩者相差4.7%，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可認(rèn)定為扭轉(zhuǎn)平衡。

圖6 海纜扭轉(zhuǎn)應(yīng)力云圖與曲線（逆時(shí)針）

3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析

3.5.1 動(dòng)態(tài)海纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)海纜結(jié)構(gòu)布局需滿足功能和使用環(huán)境的要求，各單元布局盡可能緊湊對(duì)稱。 與靜態(tài)海纜結(jié)構(gòu)相比，動(dòng)態(tài)海纜采用濕式絕緣結(jié)構(gòu)、銅絲／銅帶屏蔽、HDPE 護(hù)套和偶數(shù)層反向纏繞鋼絲鎧裝，加強(qiáng)動(dòng)態(tài)海纜在外力長期耦合作用下電氣與機(jī)械性能，相應(yīng)的動(dòng)態(tài)纜結(jié)構(gòu)有較大變化，動(dòng)態(tài)海纜初步結(jié)構(gòu)如圖7 所示，動(dòng)態(tài)海纜中其他單元材料、結(jié)構(gòu)形式和尺寸根據(jù)功能要求確定，確保傳熱性能良好。

圖7 動(dòng)態(tài)海纜結(jié)構(gòu)示意圖

3.5.2 動(dòng)態(tài)海纜性能分析

動(dòng)態(tài)海纜在安裝和運(yùn)行等狀態(tài)時(shí)，作用在動(dòng)態(tài)海纜上的載荷比較復(fù)雜，不僅要有效承受外力作用，也要有利于海纜散熱，保障海纜電氣性能。

通過Uflex 軟件對(duì)動(dòng)態(tài)海纜進(jìn)行力學(xué)性能分析，分別對(duì)動(dòng)態(tài)海纜截面模型施加拉伸載荷、曲率載荷、扭轉(zhuǎn)載荷，得到動(dòng)態(tài)海纜各元件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，如圖8 所示。

圖8 軸向拉力下截面應(yīng)力云圖

由圖8 可知，海纜截面中4 層鎧裝鋼絲是主要承力單元，其他單元受力很小，均得到鎧裝層的有效保護(hù)。 根據(jù)鋼絲和導(dǎo)體的屈服應(yīng)力準(zhǔn)則，得到動(dòng)態(tài)海纜的基本力學(xué)屬性，如表1 所示。

表1 動(dòng)態(tài)海纜基本力學(xué)屬性分析結(jié)果

依據(jù)CIGRE TB 623 規(guī)定，動(dòng)態(tài)纜初步設(shè)計(jì)的最大拉伸載荷T應(yīng)不小于公式（1）的計(jì)算結(jié)果。

式中：w為海纜單位長度濕重，取28.43 kg·m-1；d為敷設(shè)水深，取65 m；H為安裝時(shí)最大水平張力，取值不小于40w。 經(jīng)計(jì)算T＝35.395 kN，遠(yuǎn)小于動(dòng)態(tài)纜最大允許拉伸載荷，說明海纜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。動(dòng)態(tài)海纜最小彎曲半徑1.80 m，為動(dòng)態(tài)纜安裝及運(yùn)行提供了良好的工況。

采用COMSOL 軟件對(duì)動(dòng)態(tài)海纜傳熱和載流量進(jìn)行分析，以絕緣最高承受溫度90 ℃為限制條件，針對(duì)不同敷設(shè)方式，確定最惡劣環(huán)境溫度下（平臺(tái)J型管內(nèi)）海纜截面溫度分布及載流量，為方便分析，此處以海纜簡化模型為例。 載流量見表2，溫度分布見圖9。

表2 載流量分析結(jié)果

圖9 溫度場分布（平臺(tái)J 型管內(nèi)海纜）

由圖9 可知，海纜截面溫度場分布由內(nèi)向外溫度逐漸降低，沒有局部過熱現(xiàn)象，由此計(jì)算的載流量最小值為213 A，據(jù)此計(jì)算海纜的傳輸功率為12.27 MW，大于示范風(fēng)機(jī)功率6.2 MW，滿足輸電容量要求。

綜上分析，動(dòng)態(tài)海纜初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理可行的，動(dòng)態(tài)海纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)的計(jì)算和修正過程，動(dòng)態(tài)海纜各元件結(jié)構(gòu)及具體參數(shù)需要在初步結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行詳細(xì)的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

動(dòng)態(tài)海纜運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，受浮體及波流的耦合作用，長期處于往復(fù)的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，本工作根據(jù)漂浮式海上風(fēng)電場動(dòng)態(tài)海纜運(yùn)行工況及環(huán)境條件，分析動(dòng)態(tài)海纜電氣、機(jī)械性能等功能要求，提出了濕式絕緣與偶數(shù)層鎧裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過仿真計(jì)算表明該初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的，為浮式風(fēng)電用動(dòng)態(tài)海纜的設(shè)計(jì)提供一定的參考。