中國海底電纜可靠性模型的探究分析

中天海洋系統有限公司 顧思誠

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，也是技術要求高、復雜程度大的工程之一，其電壓等級已從中壓、高壓發展到500kV超高壓領域。隨著電壓等級的需求提升，對海底電纜的要求越來越高，不僅要滿足正常電力輸送，還要保證有足夠拉伸、彎曲等機械性能。海底電纜的結構復雜，其實際測試過程中會受多方面因素的影響，實際操作有困難且周期較長，進行建模有限元分析，提前優化設計尤為重要。

1 海底電纜結構介紹

1.1 海底電纜結構分類

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以內的海水域；充油海纜。即在電纜的氣隙中充入浸漬劑，當電纜溫度升高時電纜內部壓力增加、浸漬劑流入供油箱，當溫度降低時浸漬劑收縮、電纜內部壓力降低，供油箱內浸漬劑又流入電纜，防止了電纜氣隙的產生，常用于110kV及以上線路，通常安裝于水深500m內的海水域；充氣式海纜。使用浸漬紙包密封然后進行充氣式的電纜，適合于較長的海底電纜網傳輸，但由于須在深水下、壓力較高，一般限于水深為300m以內淺水區域；擠壓式絕緣電纜。一般又包括交聯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 海底電纜詳細結構介紹

本文采用擠壓式絕緣海底電纜為例進行有限元建模分析。基于江蘇某科技海纜廠型號ACZTHYJQ40的單芯交流海底電纜進行有限元建模分析。纜芯為緊壓絞合圓形導體，外層繞有阻水包帶，絕緣及內、外屏蔽層采用三層共擠交聯工藝，金屬護套采用合金鉛護套，保護層采用鋁鎂合金鋼絲鎧裝等。最外層是聚丙烯纖維層，用來抵御海水腐蝕；下一層是鋁鎂鋼絲鎧裝，用來加強海纜的機械強度，防止外力破壞；鉛護套用來抵御海水腐蝕和強大的水壓；阻水層可阻止當鉛護套損壞時海水滲入鉛護套并沿軸向擴散；海纜絕緣層和陸纜絕緣層沒有區別，用來傳送能量；內外屏蔽層用來均勻電場分布，提高絕緣壽命。鋼絲鎧裝用來加強海纜的機械強度，防止外力破壞[1]。

2 海纜結構有限元模型建立

2.1 海底結構受拉有限元基本方程

海底纜各結構層多為空間螺旋結構繞制而成，其外層鋁鎂合金鎧裝鋼絲起主要的保護作用，其不同的纏繞方式、螺旋升角等會導致受力狀態下應力、應變較為復雜。假定各結構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的應力狀態用σx、σy、σz3個正應力和τxy、τyz、τxz3個切應力來表示。應力矩陣為：σ=[σx σy σz τxy τyz τxz]T，總體海底電纜的結構在外載荷作用下將發生形變，其中εx、εy、εz表示正應變，伸長為正、縮短為負；γxy、γyz、γxz表示剪應變，以所夾直角邊減小為正、增加為負。有限元計算過程中，海纜受到拉伸作用，其應力應變表達式按下式確定：

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 海底電纜數值計算模型的簡化

彎曲模型簡化。為了降低整個模型的計算量、提高計算效率，需要對整個幾何模型進行簡化。設計了一個圓柱體作為彎曲體裝置，海底電纜繞著圓柱體的外表面進行彎曲，海底電纜的導體材質以紫銅進行計算。如此類推，絕緣層、鉛護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：銅導體(紫銅)8.9/127000/0.34、xLPe絕緣0.93/1070/0.43、鉛護套11.51/17000/0.42、半導電護套0.66/950/0.43、鎧裝鋼絲7.7/205000/0.27、合金鋼7.7/210000/0.28(在Solidworks中有相應材料的數據)。

拉伸模型的簡化。銅導體拉伸模型按照圓柱體來分析，鎧裝鋼絲護套按空心圓柱體進行有限元分析，一端設置成固定形式，一端施加垂直壓力進行試驗分析。

2.3 有限元單元類型選擇和網格劃分

有限元數值計算結果的準確與否與網格劃分的疏密程度有關，合適的網格密度不但能獲得精確的計算結果，且極大的節約計算成本。Solidworks有標準網格、基于曲率的網格、基于混合曲率的網格3種形式，標準網格：Solidworks軟件按照Voronoi-Delaunay網格化方案進行網格劃分，比較適合對稱的幾何模型。本文采用標準網格形式[2]。

3 有限元分析結果

3.1 彎曲應力分析

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。過度的彎曲會造成電纜的破壞，因此在與結構連接時需對電纜做好保護工作。海底電纜在風電基礎附近一般會安裝一段彎曲限制器，然后通過J型管進入風電平臺[3]。

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

3.2 拉伸應力分析

在拉伸載荷作用下，海底電纜各結構層應力分擔比例差距較大，鎧裝鋼絲承擔的應力最多，絕緣、聚乙烯護套可以忽略。如是本文分別對銅導體、鎧裝鋼絲護套進行了有限元分析；具體操作是把銅導體或鎧裝鋼絲護套一端固定，一端分別施加65kN、100kN、160kN的拉伸應力載荷，觀察它的應變力圖。銅導體的屈服力為2.56e+008N/m2，從圖中可看出海底電纜在拉伸力160kN的的情況下沒有發生斷裂現象；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的情況下沒有發生斷裂。

3.3 分析結論

經過上述的銅導體和鎧裝鋼絲護套的彎曲應力分析和拉伸應力分析后，發現鎧裝鋼絲護套的彎曲能力和拉伸能力比銅導體強，但由于銅導體是海底電纜最重要的部分，起著傳輸電力的重要部件，在施工安裝電纜時不得超過銅導體的彎曲應力和拉伸能力，否則海底電纜就會被損傷，造成重大的浪費。本文使用的海底電纜型號為AC-ZTHYJQ40的單芯交流海底電纜，銅導體截面直徑100mm，鎧裝鋼絲護套的截面直徑為220mm，經過模型計算后，該型電纜的彎曲半徑大于1.3m，也就是說在盤內徑為1.3m的轉盤上可以彎曲進行繞制和傳輸。

同一工況下海纜不同結構層之間所承受的最大主應力差距較大。鎧裝鋼絲層作為最外層海纜保護層，承受主要拉力，對海纜起著最重要的保護作用。本文分別對銅導體和鎧裝鋼絲護套進行了65kN、100kN、160kN的拉伸應力載荷分析，發現鎧裝鋼絲承受的拉伸強度比銅導體大，也印證了銅導體外側加鎧裝鋼絲層護套，可以起到保護銅導體的作用。本文的海底電纜AC-ZTHYJQ40經過模型分析比對，該種電纜可以承受160kN以下的拉力。

3.4 海底電纜施工技術分析

經過對海底電纜建立可靠性模型并進行有限元分析，一些參數數據就可應用到海底電纜的施工技術上，從而保證海底電纜施工時不會損傷電纜，否則會造成重大的損失。本文分析的是單芯海底電纜，其三芯電纜的技術數據幾乎差不多；海底電纜實際施工時大部分是采用三芯海底電纜，目前海上風電場項目使用最多的是三芯交聯聚乙烯絕緣光電復合海底電纜。

3.4.1 海底電纜轉盤水平退扭技術

目前海底電纜施工領域常規的退扭方式是采用液壓轉盤式水平退扭，液壓轉盤可以正反方向旋轉，過纜橋進口及出口可以左右上下調整；海底電纜牽引機將電纜從轉盤中送出，牽引機的速度和施工海船的速度、轉盤的線速度基本保持一致。這樣才不會拉壞海底電纜，海底電纜的扭力也會自動消除。該轉盤的內心直徑2.2米，最外圈直徑25米，能滿足大多數海底電纜盤繞的要求。

3.4.2 海底電纜牽引控制技術

液壓轉盤一般裝在海船上，由海船上的牽引機牽引著海底電纜慢慢從轉盤中輸出，海船的行進速度不能太快也不能太慢，需要和牽引機做同步速度運行，海底電纜從海船落入水中的銜接部位，需要有個空轉的從動輪，這個從動輪需要考慮海底電纜的彎曲半徑，基于國內目前海纜應用，一般大于1.2m。經過模型計算，本文的海底電纜ACZTHYJQ40可用160kN的拉力讓牽引機進行輸送。

3.4.3 海底電纜施工附件

牽引網套的應用：在施工時海底電纜的頭端往往會加上牽引網套來進行拉拽，目的是保護海底電纜在大的拉力下的銅導體等內部保護層不被拉變形損壞。牽引網套一般采用高強度鍍鋅鋼絲加工而成，通常長度在2100mm左右。在選用時，主要看鋼絲網套額定載荷以及網套的內徑多大、適合多大直徑范圍內的海底電纜等。本文選用額定載荷165kN的牽引網套。

彎曲限制器的設計：海底電纜從底處往高處輸送、轉彎時就需要使用到彎曲限制器，目的是保護海底電纜從海底伸出水面到海上設施或者陸地時，不受海浪船只等碰到海底電纜而產生彎曲變形而拉壞海底電纜。彎曲限制器為單只多個組裝而成，需要長度可以任意配備而成，每個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，本文根據模型計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。