中國(guó)海底電纜可靠性模型的探究分析

中天海洋系統(tǒng)有限公司 顧思誠(chéng)

海底電纜是連接著島嶼與島嶼、島嶼與陸地之間電力、通訊輸送的重要器件，也是技術(shù)要求高、復(fù)雜程度大的工程之一，其電壓等級(jí)已從中壓、高壓發(fā)展到500kV超高壓領(lǐng)域。隨著電壓等級(jí)的需求提升，對(duì)海底電纜的要求越來(lái)越高，不僅要滿足正常電力輸送，還要保證有足夠拉伸、彎曲等機(jī)械性能。海底電纜的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其實(shí)際測(cè)試過(guò)程中會(huì)受多方面因素的影響，實(shí)際操作有困難且周期較長(zhǎng)，進(jìn)行建模有限元分析，提前優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。

1 海底電纜結(jié)構(gòu)介紹

1.1 海底電纜結(jié)構(gòu)分類

浸漬紙包海纜。一般用于小于45kV交流電和不大于400kV直流電的線路，通常安裝于水深500m以內(nèi)的海水域；充油海纜。即在電纜的氣隙中充入浸漬劑，當(dāng)電纜溫度升高時(shí)電纜內(nèi)部壓力增加、浸漬劑流入供油箱，當(dāng)溫度降低時(shí)浸漬劑收縮、電纜內(nèi)部壓力降低，供油箱內(nèi)浸漬劑又流入電纜，防止了電纜氣隙的產(chǎn)生，常用于110kV及以上線路，通常安裝于水深500m內(nèi)的海水域；充氣式海纜。使用浸漬紙包密封然后進(jìn)行充氣式的電纜，適合于較長(zhǎng)的海底電纜網(wǎng)傳輸，但由于須在深水下、壓力較高，一般限于水深為300m以內(nèi)淺水區(qū)域；擠壓式絕緣電纜。一般又包括交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜和乙丙橡膠絕緣電纜，適用于200kV交流電壓。

1.2 海底電纜詳細(xì)結(jié)構(gòu)介紹

本文采用擠壓式絕緣海底電纜為例進(jìn)行有限元建模分析。基于江蘇某科技海纜廠型號(hào)ACZTHYJQ40的單芯交流海底電纜進(jìn)行有限元建模分析。纜芯為緊壓絞合圓形導(dǎo)體，外層繞有阻水包帶，絕緣及內(nèi)、外屏蔽層采用三層共擠交聯(lián)工藝，金屬護(hù)套采用合金鉛護(hù)套，保護(hù)層采用鋁鎂合金鋼絲鎧裝等。最外層是聚丙烯纖維層，用來(lái)抵御海水腐蝕；下一層是鋁鎂鋼絲鎧裝，用來(lái)加強(qiáng)海纜的機(jī)械強(qiáng)度，防止外力破壞；鉛護(hù)套用來(lái)抵御海水腐蝕和強(qiáng)大的水壓；阻水層可阻止當(dāng)鉛護(hù)套損壞時(shí)海水滲入鉛護(hù)套并沿軸向擴(kuò)散；海纜絕緣層和陸纜絕緣層沒(méi)有區(qū)別，用來(lái)傳送能量；內(nèi)外屏蔽層用來(lái)均勻電場(chǎng)分布，提高絕緣壽命。鋼絲鎧裝用來(lái)加強(qiáng)海纜的機(jī)械強(qiáng)度，防止外力破壞[1]。

2 海纜結(jié)構(gòu)有限元模型建立

2.1 海底結(jié)構(gòu)受拉有限元基本方程

海底纜各結(jié)構(gòu)層多為空間螺旋結(jié)構(gòu)繞制而成，其外層鋁鎂合金鎧裝鋼絲起主要的保護(hù)作用，其不同的纏繞方式、螺旋升角等會(huì)導(dǎo)致受力狀態(tài)下應(yīng)力、應(yīng)變較為復(fù)雜。假定各結(jié)構(gòu)層是各向同性的線性彈性材料，在外載荷拉伸作用下任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)用σx、σy、σz3個(gè)正應(yīng)力和τxy、τyz、τxz3個(gè)切應(yīng)力來(lái)表示。應(yīng)力矩陣為：σ=[σx σy σz τxy τyz τxz]T，總體海底電纜的結(jié)構(gòu)在外載荷作用下將發(fā)生形變，其中εx、εy、εz表示正應(yīng)變，伸長(zhǎng)為正、縮短為負(fù)；γxy、γyz、γxz表示剪應(yīng)變，以所夾直角邊減小為正、增加為負(fù)。有限元計(jì)算過(guò)程中，海纜受到拉伸作用，其應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式按下式確定：

式中：e為彈性模量；μ為泊松比；e=εx+εy+εz為體積變量。故而也可以將上式表達(dá)為：{σ}=[D]{ε}，式中[D]為彈性矩陣，取決于彈性模量e和泊松比μ。

2.2 海底電纜數(shù)值計(jì)算模型的簡(jiǎn)化

彎曲模型簡(jiǎn)化。為了降低整個(gè)模型的計(jì)算量、提高計(jì)算效率，需要對(duì)整個(gè)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)了一個(gè)圓柱體作為彎曲體裝置，海底電纜繞著圓柱體的外表面進(jìn)行彎曲，海底電纜的導(dǎo)體材質(zhì)以紫銅進(jìn)行計(jì)算。如此類推，絕緣層、鉛護(hù)套層分布做彎曲有限元分析；主要材料的密度(×103kg·m-3)、彈性模量/MPa、泊松比分別為：銅導(dǎo)體(紫銅)8.9/127000/0.34、xLPe絕緣0.93/1070/0.43、鉛護(hù)套11.51/17000/0.42、半導(dǎo)電護(hù)套0.66/950/0.43、鎧裝鋼絲7.7/205000/0.27、合金鋼7.7/210000/0.28(在Solidworks中有相應(yīng)材料的數(shù)據(jù))。

拉伸模型的簡(jiǎn)化。銅導(dǎo)體拉伸模型按照?qǐng)A柱體來(lái)分析，鎧裝鋼絲護(hù)套按空心圓柱體進(jìn)行有限元分析，一端設(shè)置成固定形式，一端施加垂直壓力進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.3 有限元單元類型選擇和網(wǎng)格劃分

有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確與否與網(wǎng)格劃分的疏密程度有關(guān)，合適的網(wǎng)格密度不但能獲得精確的計(jì)算結(jié)果，且極大的節(jié)約計(jì)算成本。Solidworks有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格、基于曲率的網(wǎng)格、基于混合曲率的網(wǎng)格3種形式，標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格：Solidworks軟件按照Voronoi-Delaunay網(wǎng)格化方案進(jìn)行網(wǎng)格劃分，比較適合對(duì)稱的幾何模型。本文采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格形式[2]。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 彎曲應(yīng)力分析

海底電纜并不像一般的纜繩和繩索一樣可隨意彎曲，電纜最小彎曲半徑一般為電纜直徑的6倍，而常見(jiàn)的高壓海底電纜直徑一般都在200mm以上，因此海底電纜的彎曲半徑需1.2m以上。過(guò)度的彎曲會(huì)造成電纜的破壞，因此在與結(jié)構(gòu)連接時(shí)需對(duì)電纜做好保護(hù)工作。海底電纜在風(fēng)電基礎(chǔ)附近一般會(huì)安裝一段彎曲限制器，然后通過(guò)J型管進(jìn)入風(fēng)電平臺(tái)[3]。

本文Solidworks分別建立銅導(dǎo)體和鎧裝鋼絲護(hù)套的彎曲模型，建立后通過(guò)Solidworks Simulation插件進(jìn)行彎曲應(yīng)力分析，注意本次有限元分析鎧裝鋼絲的護(hù)套材料選用合金鋼材料，其彈性模量等數(shù)據(jù)和鎧裝鋼絲一樣。銅導(dǎo)體的屈服力為2.56e+008N/m2，海底電纜在彎曲力100kN的直徑1.2m的情況下沒(méi)有發(fā)生撕裂；鎧裝鋼絲的屈服力為6.204e+008N/m2，海底電纜在彎曲力100kN的直徑1.2m的情況下沒(méi)有發(fā)生撕裂。

3.2 拉伸應(yīng)力分析

在拉伸載荷作用下，海底電纜各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力分擔(dān)比例差距較大，鎧裝鋼絲承擔(dān)的應(yīng)力最多，絕緣、聚乙烯護(hù)套可以忽略。如是本文分別對(duì)銅導(dǎo)體、鎧裝鋼絲護(hù)套進(jìn)行了有限元分析；具體操作是把銅導(dǎo)體或鎧裝鋼絲護(hù)套一端固定，一端分別施加65kN、100kN、160kN的拉伸應(yīng)力載荷，觀察它的應(yīng)變力圖。銅導(dǎo)體的屈服力為2.56e+008N/m2，從圖中可看出海底電纜在拉伸力160kN的的情況下沒(méi)有發(fā)生斷裂現(xiàn)象；鎧裝鋼絲的屈服力為6.204e+008N/m2，從圖中可看出海底電纜在拉伸力160kN的情況下沒(méi)有發(fā)生斷裂。

3.3 分析結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述的銅導(dǎo)體和鎧裝鋼絲護(hù)套的彎曲應(yīng)力分析和拉伸應(yīng)力分析后，發(fā)現(xiàn)鎧裝鋼絲護(hù)套的彎曲能力和拉伸能力比銅導(dǎo)體強(qiáng)，但由于銅導(dǎo)體是海底電纜最重要的部分，起著傳輸電力的重要部件，在施工安裝電纜時(shí)不得超過(guò)銅導(dǎo)體的彎曲應(yīng)力和拉伸能力，否則海底電纜就會(huì)被損傷，造成重大的浪費(fèi)。本文使用的海底電纜型號(hào)為AC-ZTHYJQ40的單芯交流海底電纜，銅導(dǎo)體截面直徑100mm，鎧裝鋼絲護(hù)套的截面直徑為220mm，經(jīng)過(guò)模型計(jì)算后，該型電纜的彎曲半徑大于1.3m，也就是說(shuō)在盤(pán)內(nèi)徑為1.3m的轉(zhuǎn)盤(pán)上可以彎曲進(jìn)行繞制和傳輸。

同一工況下海纜不同結(jié)構(gòu)層之間所承受的最大主應(yīng)力差距較大。鎧裝鋼絲層作為最外層海纜保護(hù)層，承受主要拉力，對(duì)海纜起著最重要的保護(hù)作用。本文分別對(duì)銅導(dǎo)體和鎧裝鋼絲護(hù)套進(jìn)行了65kN、100kN、160kN的拉伸應(yīng)力載荷分析，發(fā)現(xiàn)鎧裝鋼絲承受的拉伸強(qiáng)度比銅導(dǎo)體大，也印證了銅導(dǎo)體外側(cè)加鎧裝鋼絲層護(hù)套，可以起到保護(hù)銅導(dǎo)體的作用。本文的海底電纜AC-ZTHYJQ40經(jīng)過(guò)模型分析比對(duì)，該種電纜可以承受160kN以下的拉力。

3.4 海底電纜施工技術(shù)分析

經(jīng)過(guò)對(duì)海底電纜建立可靠性模型并進(jìn)行有限元分析，一些參數(shù)數(shù)據(jù)就可應(yīng)用到海底電纜的施工技術(shù)上，從而保證海底電纜施工時(shí)不會(huì)損傷電纜，否則會(huì)造成重大的損失。本文分析的是單芯海底電纜，其三芯電纜的技術(shù)數(shù)據(jù)幾乎差不多；海底電纜實(shí)際施工時(shí)大部分是采用三芯海底電纜，目前海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目使用最多的是三芯交聯(lián)聚乙烯絕緣光電復(fù)合海底電纜。

3.4.1 海底電纜轉(zhuǎn)盤(pán)水平退扭技術(shù)

目前海底電纜施工領(lǐng)域常規(guī)的退扭方式是采用液壓轉(zhuǎn)盤(pán)式水平退扭，液壓轉(zhuǎn)盤(pán)可以正反方向旋轉(zhuǎn)，過(guò)纜橋進(jìn)口及出口可以左右上下調(diào)整；海底電纜牽引機(jī)將電纜從轉(zhuǎn)盤(pán)中送出，牽引機(jī)的速度和施工海船的速度、轉(zhuǎn)盤(pán)的線速度基本保持一致。這樣才不會(huì)拉壞海底電纜，海底電纜的扭力也會(huì)自動(dòng)消除。該轉(zhuǎn)盤(pán)的內(nèi)心直徑2.2米，最外圈直徑25米，能滿足大多數(shù)海底電纜盤(pán)繞的要求。

3.4.2 海底電纜牽引控制技術(shù)

液壓轉(zhuǎn)盤(pán)一般裝在海船上，由海船上的牽引機(jī)牽引著海底電纜慢慢從轉(zhuǎn)盤(pán)中輸出，海船的行進(jìn)速度不能太快也不能太慢，需要和牽引機(jī)做同步速度運(yùn)行，海底電纜從海船落入水中的銜接部位，需要有個(gè)空轉(zhuǎn)的從動(dòng)輪，這個(gè)從動(dòng)輪需要考慮海底電纜的彎曲半徑，基于國(guó)內(nèi)目前海纜應(yīng)用，一般大于1.2m。經(jīng)過(guò)模型計(jì)算，本文的海底電纜ACZTHYJQ40可用160kN的拉力讓牽引機(jī)進(jìn)行輸送。

3.4.3 海底電纜施工附件

牽引網(wǎng)套的應(yīng)用：在施工時(shí)海底電纜的頭端往往會(huì)加上牽引網(wǎng)套來(lái)進(jìn)行拉拽，目的是保護(hù)海底電纜在大的拉力下的銅導(dǎo)體等內(nèi)部保護(hù)層不被拉變形損壞。牽引網(wǎng)套一般采用高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲加工而成，通常長(zhǎng)度在2100mm左右。在選用時(shí)，主要看鋼絲網(wǎng)套額定載荷以及網(wǎng)套的內(nèi)徑多大、適合多大直徑范圍內(nèi)的海底電纜等。本文選用額定載荷165kN的牽引網(wǎng)套。

彎曲限制器的設(shè)計(jì)：海底電纜從底處往高處輸送、轉(zhuǎn)彎時(shí)就需要使用到彎曲限制器，目的是保護(hù)海底電纜從海底伸出水面到海上設(shè)施或者陸地時(shí)，不受海浪船只等碰到海底電纜而產(chǎn)生彎曲變形而拉壞海底電纜。彎曲限制器為單只多個(gè)組裝而成，需要長(zhǎng)度可以任意配備而成，每個(gè)彎曲限制器采用螺絲固定在海底電纜的外表面。一般廠家的彎曲限制器最小彎曲半徑為2~3米，本文根據(jù)模型計(jì)算出海底電纜的能承受的彎曲半徑為1.2米，如是本文可以選用2米以上的彎曲限制器。