浮式風電用動態海纜初步結構設計分析

王 輝， 袁振欽， 李居躍， 孫亞峰， 付凌云*

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

0 引言

隨著海上風電快速發展，海上風電場從淺海向深遠海發展將成為必然趨勢，采用漂浮式基礎的浮式風電將成為主流。 動態海纜作為浮式風電場電力傳輸的關鍵裝備，不僅要具有傳輸電力和信號的功能，還需具備抵御各種環境載荷耦合所產生破壞的能力，如浮體運動、波流移動耦合所產生的破壞。 由于動態海纜在位運行的特殊要求，其結構與靜態海纜會有顯著差異。

國外對漂浮式風電機組有多年的研究，并已建設多個示范應用項目，在浮式風電用動態海纜設計、制造與應用方面較為成熟，與國外相比，國內浮式風電發展較晚，目前與浮式風機配套的動態海纜尚處研發階段。 本工作依托于國內某浮式海上風電示范項目，研究動態海纜運行特征，分析動態海纜結構設計。 該示范項目的浮式風電機組功率為6.2 MW，采用35 kV 三芯交流動態海纜連接風機。

1 動態海纜在位工況載荷

浮式海上風電場動態海纜一端固定于機組浮體的J／I 形管處，另一端敷設于海底，中間段以一定的線型懸浮于海水中，在浮體運動與波流載荷的共同作用下，動態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態海纜在3 種極端載荷作用下所呈現的水下線型。

由圖1 可知，動態海纜在浮力段的彎曲半徑較小，容易發生彎曲失效；此外，由于陡坡線型動態海纜兩端的安裝角度是固定的，線型變化時兩端也容易發生彎曲失效，因動態海纜的自重及波流載荷，其與平臺連接端承受的拉力載荷最大。 動態海纜線型變化過程中也承受著交變的載荷作用，在動態海纜兩端與浮力段等關鍵位置易發生疲勞損壞。 在沒有波流影響情況下，動態纜與浮體在一個平面內，即圖1 中示意的初始位置，當浮體在波流影響下偏離出原平面時，發生側位偏移。 通常在垂直平面方向最遠端的位置稱為側位。 圖2 所示為浮體側位偏移的動態海纜水下線型，動態海纜不在同一平面內，在海流的作用下可能發生扭轉，產生的扭矩對電纜有較大破壞性。

圖1 極端載荷作用下的動態海纜線型

圖2 浮體側位下動態海纜線型

因此，在設計動態海纜結構時，要考慮各種載荷對海纜結構的影響，確保海纜安全可靠運行。

2 結構設計原則

目前沒有針對性動態海纜的標準規范，本工作通過研究海上油氣用管纜和靜態海纜的相關標準規范，借鑒國外動態海纜研究成果和設計應用經驗，以及場址條件等開展浮式風電用動態海纜初步結構設計。 設計的動態海纜規格為26／35-3×70，整體結構參考靜態海纜結構。

考慮到動態海纜與靜態海纜的運行環境，動態海纜長期隨浮體、波流往復移動，承受拉伸、彎曲和扭轉等外力作用，結構形式和機械性能有極大差異性。 本工作根據動態海纜運行環境條件及功能要求，對動態海纜主要結構（如纜芯、絕緣、護套及鎧裝等）進行設計，使動態海纜整體結構符合電氣與機械性能要求。

3 動態海纜結構設計

3.1 導體設計

導體結構截面示意如圖3 所示，大截面交流電纜通常采用分割導體設計［1］，如圖3（a）所示，在防水措施中常用阻水膠或阻水帶同時加入阻水粉兩種阻水方法。 分割導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，并且動態海纜在位運行時受到外界載荷作用而發生扭轉變形，當扭轉方向與分割導體絞合方向相反時，分割導體間可能發生滑動現象，導體的縱向阻水效果變差。 因此，動態海纜與靜態海纜導體均不采用分割導體設計方案，而是采用緊壓絞合圓形導體，如圖3（b）所示，并在每層導體上涂抹阻水膠。

圖3 導體結構截面示意圖

3.2 絕緣與阻水設計

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

對于聚乙烯（PE）等聚合物絕緣材料，潮濕是首要危害。 受潮濕的影響，絕緣強度和抗老化性能會下降，如產生水樹等，因此需要通過結構設計保護絕緣，一般在絕緣系統外面纏繞阻水帶、擠包金屬護套等方式阻止徑向滲水，使其免受水分的影響。

國際大電網會議技術手冊CIGRE TB 722 根據海纜纜芯護套的徑向阻水能力，將纜芯結構設計分為以下3 類，海纜纜芯結構如圖4 所示。

（1）金屬擠包護套，例如鉛護套，其阻水性能非常好且應用廣泛，通常被認為是干式結構，纜芯結構見圖4（a），無須進行濕式絕緣測試。

（2）非擠包的金屬護套結構，纜芯結構見圖4（b）和圖4（c），一般統稱為半干式或半濕式設計，但其金屬護套結構會隨著阻水條件的不同對結構性質定義發生變化。 這種結構需要經過CIGRE TB 722 中推薦的附加測試程序驗證，若滿足測試要求，則重新被認定為干式結構，絕緣材料無須進行水老化試驗；反之，則被認定為濕式結構，需進行水老化試驗。

（3）無護套或者只有聚合物護套，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套滲透并與絕緣接觸，稱為濕式設計，纜芯結構見圖4（d），濕式結構的絕緣材料必須進行水老化試驗。

圖4 海纜纜芯結構分類

動態海纜纜芯護套一般采用PE 或半導電PE，水分可透過PE 護套進入內部。 據CIGRE TB 446介紹，鋁塑復合結構在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合結構的2000 倍。 依據CIGRE TB 722，該結構被認定為濕式結構。

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

目前，海底電纜絕緣基本選用XLPE，動態海纜大多采用抗水樹交聯聚乙烯（TR-XLPE），TR-XLPE抗水樹性能勝過常規的XLPE［4］，而且其流變特性、耐焦燒性等加工性能良好，在電氣、機械及熱性能等特性上都優于常規XLPE。 綜合考慮，對浮式風電用動態海纜采用TR-XLPE 濕式絕緣結構設計。

3.3 護套設計

內外護套與海水接觸須有很好的防腐性能以及耐水能力，作為海纜的保護層還要具有提供機械緩沖、減小摩擦、使纜圓整、結構穩定等功能［5］。 通常護套材料采用聚氯乙烯（PVC）和PE。 PVC 外護套在較高環境溫度下電纜彎曲性能好，與外表面半導電石墨涂層黏附性強，具有較好的阻燃性能，缺點是絕緣電阻較低，在運輸、儲存過程中吸潮后會使電纜絕緣電阻進一步下降，甚至無法進行直流電壓試驗。PE 外護套具有較強的防濕、防潮性能，其絕緣電阻遠高于PVC，但是阻燃性能差，且PE 護套與外表面的石墨涂層黏附性較差，電纜在復繞、存放和運行過程中均會有涂層脫落現象。

靜態海纜運行環境穩定，承受機械外力的概率極小，通常用PP 繩構成內外襯層代替內外護套，而動態海纜長期承受外力作用，護套材質須具有高的機械強度。 高密度聚乙烯（HDPE）由PE 單體聚合而成的，平均每個分子上都有一個長支鏈或許多小支鏈，與低密度聚乙烯（LDPE）相比，其具有很高的力學性能，抗拉強度可達20 MPa 以上，耐受環境應力開裂能力高。 浮式風電用動態海纜護套材料選用HDPE，可實現對結構層的有效保護。

3.4 金屬鎧裝層設計

金屬鎧裝主要起加強作用，提供電纜抗拉、抗扭和抗壓保護，同時還有屏蔽作用。 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，但是力學性能較低，一般用于單芯電纜。 動態海纜為三芯電纜，鋼絲鎧裝引起的損耗對海纜載流量的影響很小，鋼絲力學性能好，耐疲勞性能強，經過鍍鋅處理的鋼絲具有一定的防腐蝕能力，所以動態海纜選用鍍鋅鋼絲作為鎧裝材料。

動態海纜在實際的安裝和運行過程中，會受到拉伸、彎曲、扭轉等各種荷載的作用，并可能受到較嚴重的拉伸力而出現扭轉打結現象，需要具有較大的拉伸和扭轉剛度來滿足要求。 同時，為了儲存和安裝便利，以及應用時動態反復彎曲作用，需要將海纜彎曲剛度及彎曲半徑設計得較小，使其滿足工程要求。 另外，動態海纜在海底敷設必須保證其穩定性，在波流作用下運動不能過大，以免與周圍錨鏈等發生沖撞，需保證其外徑與質量比在一定范圍內。因此，動態海纜鎧裝設計需綜合考慮動態海纜的參數，使其擁有較大的抗拉、抗扭轉剛度，以及較小的彎曲剛度，同時滿足拉伸、扭轉、彎曲等設計指標。

為此，動態海纜鎧裝鋼絲須設置異向螺旋的偶數層結構，保證動態海纜具有雙向抗扭轉載荷的能力，設計中通過調整鎧裝鋼絲的節距，使海纜兩個扭轉方向抗扭能力平衡。 采用Uflex 軟件對海纜截面進行機械性能分析，海纜雙向扭轉應力云圖與曲線見圖5（順時針）和圖6（逆時針）所示。

圖5 海纜扭轉應力云圖與曲線（順時針）

海纜的扭轉剛度為海纜所受扭矩與海纜單位長度扭轉角的比值，提取扭矩與對應的單位長度扭轉角，擬合后得到扭矩轉角曲線斜率即為扭轉剛度［6］。由圖5 和圖6 可知，繞纜軸線順時針扭轉剛度為199.11 kN·m2，逆時針扭轉剛度為208.94 kN·m2，兩者相差4.7%，根據工程經驗可認定為扭轉平衡。

圖6 海纜扭轉應力云圖與曲線（逆時針）

3.5 結構設計及性能分析

3.5.1 動態海纜結構設計

動態海纜結構布局需滿足功能和使用環境的要求，各單元布局盡可能緊湊對稱。 與靜態海纜結構相比，動態海纜采用濕式絕緣結構、銅絲／銅帶屏蔽、HDPE 護套和偶數層反向纏繞鋼絲鎧裝，加強動態海纜在外力長期耦合作用下電氣與機械性能，相應的動態纜結構有較大變化，動態海纜初步結構如圖7 所示，動態海纜中其他單元材料、結構形式和尺寸根據功能要求確定，確保傳熱性能良好。

圖7 動態海纜結構示意圖

3.5.2 動態海纜性能分析

動態海纜在安裝和運行等狀態時，作用在動態海纜上的載荷比較復雜，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 軟件對動態海纜進行力學性能分析，分別對動態海纜截面模型施加拉伸載荷、曲率載荷、扭轉載荷，得到動態海纜各元件結構的應力，如圖8 所示。

圖8 軸向拉力下截面應力云圖

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。 根據鋼絲和導體的屈服應力準則，得到動態海纜的基本力學屬性，如表1 所示。

表1 動態海纜基本力學屬性分析結果

依據CIGRE TB 623 規定，動態纜初步設計的最大拉伸載荷T應不小于公式（1）的計算結果。

式中：w為海纜單位長度濕重，取28.43 kg·m-1；d為敷設水深，取65 m；H為安裝時最大水平張力，取值不小于40w。 經計算T＝35.395 kN，遠小于動態纜最大允許拉伸載荷，說明海纜結構強度滿足要求。動態海纜最小彎曲半徑1.80 m，為動態纜安裝及運行提供了良好的工況。

采用COMSOL 軟件對動態海纜傳熱和載流量進行分析，以絕緣最高承受溫度90 ℃為限制條件，針對不同敷設方式，確定最惡劣環境溫度下（平臺J型管內）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 載流量分析結果

圖9 溫度場分布（平臺J 型管內海纜）

由圖9 可知，海纜截面溫度場分布由內向外溫度逐漸降低，沒有局部過熱現象，由此計算的載流量最小值為213 A，據此計算海纜的傳輸功率為12.27 MW，大于示范風機功率6.2 MW，滿足輸電容量要求。

綜上分析，動態海纜初步結構設計是合理可行的，動態海纜結構設計是一個反復的計算和修正過程，動態海纜各元件結構及具體參數需要在初步結構的基礎上繼續進行詳細的迭代優化設計。

4 結束語

動態海纜運行環境復雜，受浮體及波流的耦合作用，長期處于往復的動態環境中，結構設計尤為重要，本工作根據漂浮式海上風電場動態海纜運行工況及環境條件，分析動態海纜電氣、機械性能等功能要求，提出了濕式絕緣與偶數層鎧裝結構設計方案，通過仿真計算表明該初步結構設計是可行的，為浮式風電用動態海纜的設計提供一定的參考。