中国海底电缆可靠性模型的探究分析

中天海洋系统有限公司 顾思诚

海底电缆是连接着岛屿与岛屿、岛屿与陆地之间电力、通讯输送的重要器件，也是技术要求高、复杂程度大的工程之一，其电压等级已从中压、高压发展到500kV超高压领域。随着电压等级的需求提升，对海底电缆的要求越来越高，不仅要满足正常电力输送，还要保证有足够拉伸、弯曲等机械性能。海底电缆的结构复杂，其实际测试过程中会受多方面因素的影响，实际操作有困难且周期较长，进行建模有限元分析，提前优化设计尤为重要。

1 海底电缆结构介绍

1.1 海底电缆结构分类

浸渍纸包海缆。一般用于小于45kV交流电和不大于400kV直流电的线路，通常安装于水深500m以内的海水域；充油海缆。即在电缆的气隙中充入浸渍剂，当电缆温度升高时电缆内部压力增加、浸渍剂流入供油箱，当温度降低时浸渍剂收缩、电缆内部压力降低，供油箱内浸渍剂又流入电缆，防止了电缆气隙的产生，常用于110kV及以上线路，通常安装于水深500m内的海水域；充气式海缆。使用浸渍纸包密封然后进行充气式的电缆，适合于较长的海底电缆网传输，但由于须在深水下、压力较高，一般限于水深为300m以内浅水区域；挤压式绝缘电缆。一般又包括交联聚乙烯绝缘电缆和乙丙橡胶绝缘电缆，适用于200kV交流电压。

1.2 海底电缆详细结构介绍

本文采用挤压式绝缘海底电缆为例进行有限元建模分析。基于江苏某科技海缆厂型号ACZTHYJQ40的单芯交流海底电缆进行有限元建模分析。缆芯为紧压绞合圆形导体，外层绕有阻水包带，绝缘及内、外屏蔽层采用三层共挤交联工艺，金属护套采用合金铅护套，保护层采用铝镁合金钢丝铠装等。最外层是聚丙烯纤维层，用来抵御海水腐蚀；下一层是铝镁钢丝铠装，用来加强海缆的机械强度，防止外力破坏；铅护套用来抵御海水腐蚀和强大的水压；阻水层可阻止当铅护套损坏时海水渗入铅护套并沿轴向扩散；海缆绝缘层和陆缆绝缘层没有区别，用来传送能量；内外屏蔽层用来均匀电场分布，提高绝缘寿命。钢丝铠装用来加强海缆的机械强度，防止外力破坏[1]。

2 海缆结构有限元模型建立

2.1 海底结构受拉有限元基本方程

海底缆各结构层多为空间螺旋结构绕制而成，其外层铝镁合金铠装钢丝起主要的保护作用，其不同的缠绕方式、螺旋升角等会导致受力状态下应力、应变较为复杂。假定各结构层是各向同性的线性弹性材料，在外载荷拉伸作用下任一点的应力状态用σx、σy、σz3个正应力和τxy、τyz、τxz3个切应力来表示。应力矩阵为：σ=[σx σy σz τxy τyz τxz]T，总体海底电缆的结构在外载荷作用下将发生形变，其中εx、εy、εz表示正应变，伸长为正、缩短为负；γxy、γyz、γxz表示剪应变，以所夹直角边减小为正、增加为负。有限元计算过程中，海缆受到拉伸作用，其应力应变表达式按下式确定：

式中：e为弹性模量；μ为泊松比；e=εx+εy+εz为体积变量。故而也可以将上式表达为：{σ}=[D]{ε}，式中[D]为弹性矩阵，取决于弹性模量e和泊松比μ。

2.2 海底电缆数值计算模型的简化

弯曲模型简化。为了降低整个模型的计算量、提高计算效率，需要对整个几何模型进行简化。设计了一个圆柱体作为弯曲体装置，海底电缆绕着圆柱体的外表面进行弯曲，海底电缆的导体材质以紫铜进行计算。如此类推，绝缘层、铅护套层分布做弯曲有限元分析；主要材料的密度(×103kg·m-3)、弹性模量/MPa、泊松比分别为：铜导体(紫铜)8.9/127000/0.34、xLPe绝缘0.93/1070/0.43、铅护套11.51/17000/0.42、半导电护套0.66/950/0.43、铠装钢丝7.7/205000/0.27、合金钢7.7/210000/0.28(在Solidworks中有相应材料的数据)。

拉伸模型的简化。铜导体拉伸模型按照圆柱体来分析，铠装钢丝护套按空心圆柱体进行有限元分析，一端设置成固定形式，一端施加垂直压力进行试验分析。

2.3 有限元单元类型选择和网格划分

有限元数值计算结果的准确与否与网格划分的疏密程度有关，合适的网格密度不但能获得精确的计算结果，且极大的节约计算成本。Solidworks有标准网格、基于曲率的网格、基于混合曲率的网格3种形式，标准网格：Solidworks软件按照Voronoi-Delaunay网格化方案进行网格划分，比较适合对称的几何模型。本文采用标准网格形式[2]。

3 有限元分析结果

3.1 弯曲应力分析

海底电缆并不像一般的缆绳和绳索一样可随意弯曲，电缆最小弯曲半径一般为电缆直径的6倍，而常见的高压海底电缆直径一般都在200mm以上，因此海底电缆的弯曲半径需1.2m以上。过度的弯曲会造成电缆的破坏，因此在与结构连接时需对电缆做好保护工作。海底电缆在风电基础附近一般会安装一段弯曲限制器，然后通过J型管进入风电平台[3]。

本文Solidworks分别建立铜导体和铠装钢丝护套的弯曲模型，建立后通过Solidworks Simulation插件进行弯曲应力分析，注意本次有限元分析铠装钢丝的护套材料选用合金钢材料，其弹性模量等数据和铠装钢丝一样。铜导体的屈服力为2.56e+008N/m2，海底电缆在弯曲力100kN的直径1.2m的情况下没有发生撕裂；铠装钢丝的屈服力为6.204e+008N/m2，海底电缆在弯曲力100kN的直径1.2m的情况下没有发生撕裂。

3.2 拉伸应力分析

在拉伸载荷作用下，海底电缆各结构层应力分担比例差距较大，铠装钢丝承担的应力最多，绝缘、聚乙烯护套可以忽略。如是本文分别对铜导体、铠装钢丝护套进行了有限元分析；具体操作是把铜导体或铠装钢丝护套一端固定，一端分别施加65kN、100kN、160kN的拉伸应力载荷，观察它的应变力图。铜导体的屈服力为2.56e+008N/m2，从图中可看出海底电缆在拉伸力160kN的的情况下没有发生断裂现象；铠装钢丝的屈服力为6.204e+008N/m2，从图中可看出海底电缆在拉伸力160kN的情况下没有发生断裂。

3.3 分析结论

经过上述的铜导体和铠装钢丝护套的弯曲应力分析和拉伸应力分析后，发现铠装钢丝护套的弯曲能力和拉伸能力比铜导体强，但由于铜导体是海底电缆最重要的部分，起着传输电力的重要部件，在施工安装电缆时不得超过铜导体的弯曲应力和拉伸能力，否则海底电缆就会被损伤，造成重大的浪费。本文使用的海底电缆型号为AC-ZTHYJQ40的单芯交流海底电缆，铜导体截面直径100mm，铠装钢丝护套的截面直径为220mm，经过模型计算后，该型电缆的弯曲半径大于1.3m，也就是说在盘内径为1.3m的转盘上可以弯曲进行绕制和传输。

同一工况下海缆不同结构层之间所承受的最大主应力差距较大。铠装钢丝层作为最外层海缆保护层，承受主要拉力，对海缆起着最重要的保护作用。本文分别对铜导体和铠装钢丝护套进行了65kN、100kN、160kN的拉伸应力载荷分析，发现铠装钢丝承受的拉伸强度比铜导体大，也印证了铜导体外侧加铠装钢丝层护套，可以起到保护铜导体的作用。本文的海底电缆AC-ZTHYJQ40经过模型分析比对，该种电缆可以承受160kN以下的拉力。

3.4 海底电缆施工技术分析

经过对海底电缆建立可靠性模型并进行有限元分析，一些参数数据就可应用到海底电缆的施工技术上，从而保证海底电缆施工时不会损伤电缆，否则会造成重大的损失。本文分析的是单芯海底电缆，其三芯电缆的技术数据几乎差不多；海底电缆实际施工时大部分是采用三芯海底电缆，目前海上风电场项目使用最多的是三芯交联聚乙烯绝缘光电复合海底电缆。

3.4.1 海底电缆转盘水平退扭技术

目前海底电缆施工领域常规的退扭方式是采用液压转盘式水平退扭，液压转盘可以正反方向旋转，过缆桥进口及出口可以左右上下调整；海底电缆牵引机将电缆从转盘中送出，牵引机的速度和施工海船的速度、转盘的线速度基本保持一致。这样才不会拉坏海底电缆，海底电缆的扭力也会自动消除。该转盘的内心直径2.2米，最外圈直径25米，能满足大多数海底电缆盘绕的要求。

3.4.2 海底电缆牵引控制技术

液压转盘一般装在海船上，由海船上的牵引机牵引着海底电缆慢慢从转盘中输出，海船的行进速度不能太快也不能太慢，需要和牵引机做同步速度运行，海底电缆从海船落入水中的衔接部位，需要有个空转的从动轮，这个从动轮需要考虑海底电缆的弯曲半径，基于国内目前海缆应用，一般大于1.2m。经过模型计算，本文的海底电缆ACZTHYJQ40可用160kN的拉力让牵引机进行输送。

3.4.3 海底电缆施工附件

牵引网套的应用：在施工时海底电缆的头端往往会加上牵引网套来进行拉拽，目的是保护海底电缆在大的拉力下的铜导体等内部保护层不被拉变形损坏。牵引网套一般采用高强度镀锌钢丝加工而成，通常长度在2100mm左右。在选用时，主要看钢丝网套额定载荷以及网套的内径多大、适合多大直径范围内的海底电缆等。本文选用额定载荷165kN的牵引网套。

弯曲限制器的设计：海底电缆从底处往高处输送、转弯时就需要使用到弯曲限制器，目的是保护海底电缆从海底伸出水面到海上设施或者陆地时，不受海浪船只等碰到海底电缆而产生弯曲变形而拉坏海底电缆。弯曲限制器为单只多个组装而成，需要长度可以任意配备而成，每个弯曲限制器采用螺丝固定在海底电缆的外表面。一般厂家的弯曲限制器最小弯曲半径为2~3米，本文根据模型计算出海底电缆的能承受的弯曲半径为1.2米，如是本文可以选用2米以上的弯曲限制器。