浮式风电用动态海缆初步结构设计分析

王 辉， 袁振钦， 李居跃， 孙亚峰， 付凌云*

（1.深圳中广核工程设计有限公司，深圳 518172； 2.江苏亨通高压海缆有限公司，常熟 215500）

0 引言

随着海上风电快速发展，海上风电场从浅海向深远海发展将成为必然趋势，采用漂浮式基础的浮式风电将成为主流。 动态海缆作为浮式风电场电力传输的关键装备，不仅要具有传输电力和信号的功能，还需具备抵御各种环境载荷耦合所产生破坏的能力，如浮体运动、波流移动耦合所产生的破坏。 由于动态海缆在位运行的特殊要求，其结构与静态海缆会有显著差异。

国外对漂浮式风电机组有多年的研究，并已建设多个示范应用项目，在浮式风电用动态海缆设计、制造与应用方面较为成熟，与国外相比，国内浮式风电发展较晚，目前与浮式风机配套的动态海缆尚处研发阶段。 本工作依托于国内某浮式海上风电示范项目，研究动态海缆运行特征，分析动态海缆结构设计。 该示范项目的浮式风电机组功率为6.2 MW，采用35 kV 三芯交流动态海缆连接风机。

1 动态海缆在位工况载荷

浮式海上风电场动态海缆一端固定于机组浮体的J／I 形管处，另一端敷设于海底，中间段以一定的线型悬浮于海水中，在浮体运动与波流载荷的共同作用下，动态海缆的水下线型不断变化，特别是极端载荷情况下线型变化最大，图1 所示为陡坡形线型动态海缆在3 种极端载荷作用下所呈现的水下线型。

由图1 可知，动态海缆在浮力段的弯曲半径较小，容易发生弯曲失效；此外，由于陡坡线型动态海缆两端的安装角度是固定的，线型变化时两端也容易发生弯曲失效，因动态海缆的自重及波流载荷，其与平台连接端承受的拉力载荷最大。 动态海缆线型变化过程中也承受着交变的载荷作用，在动态海缆两端与浮力段等关键位置易发生疲劳损坏。 在没有波流影响情况下，动态缆与浮体在一个平面内，即图1 中示意的初始位置，当浮体在波流影响下偏离出原平面时，发生侧位偏移。 通常在垂直平面方向最远端的位置称为侧位。 图2 所示为浮体侧位偏移的动态海缆水下线型，动态海缆不在同一平面内，在海流的作用下可能发生扭转，产生的扭矩对电缆有较大破坏性。

图1 极端载荷作用下的动态海缆线型

图2 浮体侧位下动态海缆线型

因此，在设计动态海缆结构时，要考虑各种载荷对海缆结构的影响，确保海缆安全可靠运行。

2 结构设计原则

目前没有针对性动态海缆的标准规范，本工作通过研究海上油气用管缆和静态海缆的相关标准规范，借鉴国外动态海缆研究成果和设计应用经验，以及场址条件等开展浮式风电用动态海缆初步结构设计。 设计的动态海缆规格为26／35-3×70，整体结构参考静态海缆结构。

考虑到动态海缆与静态海缆的运行环境，动态海缆长期随浮体、波流往复移动，承受拉伸、弯曲和扭转等外力作用，结构形式和机械性能有极大差异性。 本工作根据动态海缆运行环境条件及功能要求，对动态海缆主要结构（如缆芯、绝缘、护套及铠装等）进行设计，使动态海缆整体结构符合电气与机械性能要求。

3 动态海缆结构设计

3.1 导体设计

导体结构截面示意如图3 所示，大截面交流电缆通常采用分割导体设计［1］，如图3（a）所示，在防水措施中常用阻水胶或阻水带同时加入阻水粉两种阻水方法。 分割导体各扇块间缝隙较大，采用上述两种阻水方法阻水效果均不理想，并且动态海缆在位运行时受到外界载荷作用而发生扭转变形，当扭转方向与分割导体绞合方向相反时，分割导体间可能发生滑动现象，导体的纵向阻水效果变差。 因此，动态海缆与静态海缆导体均不采用分割导体设计方案，而是采用紧压绞合圆形导体，如图3（b）所示，并在每层导体上涂抹阻水胶。

图3 导体结构截面示意图

3.2 绝缘与阻水设计

中高压电缆绝缘材料主要选用交联聚乙烯（XLPE）和乙丙橡胶（EPR）。 EPR 型电缆具有耐水树性能强和抗过载能力强的优点，但是与XLPE 型电缆相比，EPR 型电缆绝缘损耗受温度和场强的影响较大，电压等级越高两者性能差距越大，目前XLPE 型电缆的生产与运行越来越成熟，EPR 型电缆的制造工艺相对复杂，成本较高［2］，在应用中中高压电缆绝缘材料通常首选XLPE。

对于聚乙烯（PE）等聚合物绝缘材料，潮湿是首要危害。 受潮湿的影响，绝缘强度和抗老化性能会下降，如产生水树等，因此需要通过结构设计保护绝缘，一般在绝缘系统外面缠绕阻水带、挤包金属护套等方式阻止径向渗水，使其免受水分的影响。

国际大电网会议技术手册CIGRE TB 722 根据海缆缆芯护套的径向阻水能力，将缆芯结构设计分为以下3 类，海缆缆芯结构如图4 所示。

（1）金属挤包护套，例如铅护套，其阻水性能非常好且应用广泛，通常被认为是干式结构，缆芯结构见图4（a），无须进行湿式绝缘测试。

（2）非挤包的金属护套结构，缆芯结构见图4（b）和图4（c），一般统称为半干式或半湿式设计，但其金属护套结构会随着阻水条件的不同对结构性质定义发生变化。 这种结构需要经过CIGRE TB 722 中推荐的附加测试程序验证，若满足测试要求，则重新被认定为干式结构，绝缘材料无须进行水老化试验；反之，则被认定为湿式结构，需进行水老化试验。

（3）无护套或者只有聚合物护套，其金属屏蔽可以为铜带或者铜丝，水分直接接触绝缘或者通过聚合物护套渗透并与绝缘接触，称为湿式设计，缆芯结构见图4（d），湿式结构的绝缘材料必须进行水老化试验。

图4 海缆缆芯结构分类

动态海缆缆芯护套一般采用PE 或半导电PE，水分可透过PE 护套进入内部。 据CIGRE TB 446介绍，铝塑复合结构在50 ℃的水分穿透率为1.5 ngm-2s-1，而2 mm PE 的水分穿透率是铝塑复合结构的2000 倍。 依据CIGRE TB 722，该结构被认定为湿式结构。

中高压静态海缆通常采用干式结构，海缆由绝缘、铅套和PE 护套组成，具有挤包铅护套［3］，可承受高的电应力，但成本较高，铅护套疲劳性能差，不适合应用在承受交变载荷的动态海缆上；半干式或半湿式海缆结构由绝缘、PE 护套、皱纹铜／铝或铝塑复合带组成，其中海缆皱纹铜套具有良好的疲劳性能，但工艺较为复杂，成本较高，缆芯直径较大；湿式结构由绝缘、铜丝／带、PE 护套组成，无须PE 护套，海缆结构、生产工艺较简单，缆芯外径较小，易于生产，因此中压海缆已广泛应用。

目前，海底电缆绝缘基本选用XLPE，动态海缆大多采用抗水树交联聚乙烯（TR-XLPE），TR-XLPE抗水树性能胜过常规的XLPE［4］，而且其流变特性、耐焦烧性等加工性能良好，在电气、机械及热性能等特性上都优于常规XLPE。 综合考虑，对浮式风电用动态海缆采用TR-XLPE 湿式绝缘结构设计。

3.3 护套设计

内外护套与海水接触须有很好的防腐性能以及耐水能力，作为海缆的保护层还要具有提供机械缓冲、减小摩擦、使缆圆整、结构稳定等功能［5］。 通常护套材料采用聚氯乙烯（PVC）和PE。 PVC 外护套在较高环境温度下电缆弯曲性能好，与外表面半导电石墨涂层黏附性强，具有较好的阻燃性能，缺点是绝缘电阻较低，在运输、储存过程中吸潮后会使电缆绝缘电阻进一步下降，甚至无法进行直流电压试验。PE 外护套具有较强的防湿、防潮性能，其绝缘电阻远高于PVC，但是阻燃性能差，且PE 护套与外表面的石墨涂层黏附性较差，电缆在复绕、存放和运行过程中均会有涂层脱落现象。

静态海缆运行环境稳定，承受机械外力的概率极小，通常用PP 绳构成内外衬层代替内外护套，而动态海缆长期承受外力作用，护套材质须具有高的机械强度。 高密度聚乙烯（HDPE）由PE 单体聚合而成的，平均每个分子上都有一个长支链或许多小支链，与低密度聚乙烯（LDPE）相比，其具有很高的力学性能，抗拉强度可达20 MPa 以上，耐受环境应力开裂能力高。 浮式风电用动态海缆护套材料选用HDPE，可实现对结构层的有效保护。

3.4 金属铠装层设计

金属铠装主要起加强作用，提供电缆抗拉、抗扭和抗压保护，同时还有屏蔽作用。 一般用铜丝与镀锌钢丝两种材料。 铜丝作为铠装层无磁滞损耗，可降低海缆的损耗，但是力学性能较低，一般用于单芯电缆。 动态海缆为三芯电缆，钢丝铠装引起的损耗对海缆载流量的影响很小，钢丝力学性能好，耐疲劳性能强，经过镀锌处理的钢丝具有一定的防腐蚀能力，所以动态海缆选用镀锌钢丝作为铠装材料。

动态海缆在实际的安装和运行过程中，会受到拉伸、弯曲、扭转等各种荷载的作用，并可能受到较严重的拉伸力而出现扭转打结现象，需要具有较大的拉伸和扭转刚度来满足要求。 同时，为了储存和安装便利，以及应用时动态反复弯曲作用，需要将海缆弯曲刚度及弯曲半径设计得较小，使其满足工程要求。 另外，动态海缆在海底敷设必须保证其稳定性，在波流作用下运动不能过大，以免与周围锚链等发生冲撞，需保证其外径与质量比在一定范围内。因此，动态海缆铠装设计需综合考虑动态海缆的参数，使其拥有较大的抗拉、抗扭转刚度，以及较小的弯曲刚度，同时满足拉伸、扭转、弯曲等设计指标。

为此，动态海缆铠装钢丝须设置异向螺旋的偶数层结构，保证动态海缆具有双向抗扭转载荷的能力，设计中通过调整铠装钢丝的节距，使海缆两个扭转方向抗扭能力平衡。 采用Uflex 软件对海缆截面进行机械性能分析，海缆双向扭转应力云图与曲线见图5（顺时针）和图6（逆时针）所示。

图5 海缆扭转应力云图与曲线（顺时针）

海缆的扭转刚度为海缆所受扭矩与海缆单位长度扭转角的比值，提取扭矩与对应的单位长度扭转角，拟合后得到扭矩转角曲线斜率即为扭转刚度［6］。由图5 和图6 可知，绕缆轴线顺时针扭转刚度为199.11 kN·m2，逆时针扭转刚度为208.94 kN·m2，两者相差4.7%，根据工程经验可认定为扭转平衡。

图6 海缆扭转应力云图与曲线（逆时针）

3.5 结构设计及性能分析

3.5.1 动态海缆结构设计

动态海缆结构布局需满足功能和使用环境的要求，各单元布局尽可能紧凑对称。 与静态海缆结构相比，动态海缆采用湿式绝缘结构、铜丝／铜带屏蔽、HDPE 护套和偶数层反向缠绕钢丝铠装，加强动态海缆在外力长期耦合作用下电气与机械性能，相应的动态缆结构有较大变化，动态海缆初步结构如图7 所示，动态海缆中其他单元材料、结构形式和尺寸根据功能要求确定，确保传热性能良好。

图7 动态海缆结构示意图

3.5.2 动态海缆性能分析

动态海缆在安装和运行等状态时，作用在动态海缆上的载荷比较复杂，不仅要有效承受外力作用，也要有利于海缆散热，保障海缆电气性能。

通过Uflex 软件对动态海缆进行力学性能分析，分别对动态海缆截面模型施加拉伸载荷、曲率载荷、扭转载荷，得到动态海缆各元件结构的应力，如图8 所示。

图8 轴向拉力下截面应力云图

由图8 可知，海缆截面中4 层铠装钢丝是主要承力单元，其他单元受力很小，均得到铠装层的有效保护。 根据钢丝和导体的屈服应力准则，得到动态海缆的基本力学属性，如表1 所示。

表1 动态海缆基本力学属性分析结果

依据CIGRE TB 623 规定，动态缆初步设计的最大拉伸载荷T应不小于公式（1）的计算结果。

式中：w为海缆单位长度湿重，取28.43 kg·m-1；d为敷设水深，取65 m；H为安装时最大水平张力，取值不小于40w。 经计算T＝35.395 kN，远小于动态缆最大允许拉伸载荷，说明海缆结构强度满足要求。动态海缆最小弯曲半径1.80 m，为动态缆安装及运行提供了良好的工况。

采用COMSOL 软件对动态海缆传热和载流量进行分析，以绝缘最高承受温度90 ℃为限制条件，针对不同敷设方式，确定最恶劣环境温度下（平台J型管内）海缆截面温度分布及载流量，为方便分析，此处以海缆简化模型为例。 载流量见表2，温度分布见图9。

表2 载流量分析结果

图9 温度场分布（平台J 型管内海缆）

由图9 可知，海缆截面温度场分布由内向外温度逐渐降低，没有局部过热现象，由此计算的载流量最小值为213 A，据此计算海缆的传输功率为12.27 MW，大于示范风机功率6.2 MW，满足输电容量要求。

综上分析，动态海缆初步结构设计是合理可行的，动态海缆结构设计是一个反复的计算和修正过程，动态海缆各元件结构及具体参数需要在初步结构的基础上继续进行详细的迭代优化设计。

4 结束语

动态海缆运行环境复杂，受浮体及波流的耦合作用，长期处于往复的动态环境中，结构设计尤为重要，本工作根据漂浮式海上风电场动态海缆运行工况及环境条件，分析动态海缆电气、机械性能等功能要求，提出了湿式绝缘与偶数层铠装结构设计方案，通过仿真计算表明该初步结构设计是可行的，为浮式风电用动态海缆的设计提供一定的参考。