考虑机电热性能的水下动态电缆基本设计

考虑机电热性能的水下动态电缆基本设计

刘延超1，翟常营1，马红星1，李岩2

（1.福建福清核电有限公司，福建 福清 350318；2.华北电力大学（保定），河北 保定071003）

摘要  动态电缆是水下漂浮式供电线路关键构成设备，因为没有固定装置，动态电缆在输送电能的同时持续受到海水冲击，动态电缆设计须综合考虑机械、电气和热力方面的指标，从材料选择、结构设计上进行综合考量。当前缺乏专门针对动态电缆设计的文献资料，本文介绍了动态电缆使用方式和基本线型，针对动态电缆机电热性能提出了基本设计思路和注意事项，为动态电缆的生产和应用提供借鉴和指导。

关  键  词： 水下动态电缆；漂浮式；机电热；设计

Basic Consideration for Under Water Dynamic Cable’s Mechanical-electrical-thermal Design

LIU Yanchao1, ZHAI Changying1, MA Hongxing1, LI Yan2

(1.Fujian Fuqing Nuclear Power Co., Ltd., Fuqing350318; 2.North China Electric Power University, Hebei Baoding 071003)

Abstract：The dynamic cable is essential equipment for under water power line. Since there is no fixture, dynamic cables suffer from waves besides transmitting power. Dynamic cable design has to consider mechanical, electrical and thermal parameters, which is an overall evaluation for material and structure. There is little literature about dynamic cable design. This paper introduces configuration of dynamic cables. Design procedure and cautions considering mechanical, electrical and thermal effect are described. This paper serves as reference for dynamic cable production and application.

Keywords：under water dynamic cable; floating; mechanical-electrical-thermal; design

0 前言

动态电缆是水下漂浮式供电线路的关键构成要素，在核电厂潜水泵等水下设备上普度应用。动态电缆与漂浮式供电线路的连接示意图如图1所示，其动态特性主要体现在安装位置和环境带来的动态机械负荷上。尽管动态电缆主要用来传输电能，但动态电缆设计不仅涉及电气参数，实际上，动态电缆设计需要考虑电气、水深、水文情况、气候、温度和电磁限值等因素，通常是一个迭代过程，综合考量多种不同参数，最终达到设计指标。

图1  动态电缆与漂浮式供电线路连接示意图

Fig.1  Schematic of dynamic cable connection with floating under water power line

动态电缆通常由图2所示的几部分构成，主要部分分别是导体线芯，绝缘，光纤，护套/防水，铠装。

图2动态电缆截面图

Fig.2  Schematic of dynamic power cable crossing

动态电缆生产厂家主要为国外企业，国内单位针对动态电缆的设计能力亟需提高。动态电缆设计一般遵循如图3所示的方法和步骤，途中左列为电缆设计流程，右列为每个步骤所需要的工具和方法。

图3  动态电缆设计步骤

Fig.3  Design procedure of dynamic power cable

产业需求促进了动态电缆的研究，陈嘉豪等综合分析了动态电缆关键技术，指出水下动态电缆的设计存在极限长度和极限弯曲角度限制[1]。孙兆浩等运用OrcaFlex软件建立了半潜式平台和导管架平台之间的漂浮式跨接电缆模型，提出了电缆设计指标[2]。蒲定等针对动态电缆线型进行了分析。这些文献都分析了动态电缆的性能需求，即图3中的第一步，并未专门讨论动态电缆设计。Ryota TANINOKI等结合应用需求直接给出了所用电缆，并未分析其设计过程[3]。

本文将结合实际应用场景，围绕电缆机电热特性，专门针对动态电缆的主体设计进行讨论。首先介绍动态电缆使用场景和方式，其次针对动态电缆不同结构层的机电热性能阐述其设计方法和步骤。

1 参数设计

动态电缆的基础线型对其性能参数有重要影响。其设计主要参考油/气行业的脐带缆设计[4]。常见线型有悬链线、波形态、S形线。悬链线是最经济的线形设计，但触地点容易压屈，疲劳。波形态线型分为陡波和缓波，通过在电缆中间段添加分布式浮筒显著减小电缆动态位移对触地点影响。陡波线型需要在水底安装弯曲限制器保护触地点，相对于缓波成本更高，但水流影响过大时，宜采用陡波。S型同样分为陡S型和缓S型，采用系链锚固的浮筒来支撑动态电缆的中段，减缓电缆在水底的张力变化，缓解触地点压力。S型线型需要更多的水下附件，提高了成本，可通过多根电缆公用浮筒来降低成本。其他变种的线型也存在，如W型，灯笼型，但最常见的设计为缓波和缓S型[5]。

经过系统设计后，提取电缆机电热指标参数，依照指标参数进行具体的电缆设计，典型的动态电缆指标参数如表1所示。

表1动态电缆典型设计参数

Table 1 Typical design parameters for dynamic power cable

2 导体设计

常用导体材料为铜和铝，两种材料的密度和电阻率如表2所示。铜因其低电阻率和良好的机械性能成为最普遍的电缆导体材料，电缆导体用铜纯度一般为99.9%，剩余的0.1%为金属或非金属杂质。当对电缆的机械强度要求极高时，则需要选择特殊的导体材料。铝的电阻率高于铜，铝的密度约为铜的30%，它的优点是可降低电缆在水中的密度，但是相较于铜，铝更易腐蚀，且其机械强度差。基于动态考虑，导体要使用多股导线结构。电缆导体设计首先要满足其电气指标，交流电磁场作用下，导体中的“集肤效应”和“邻近效应”需要考虑。机械性能也是需要考虑的指标，不同材料和规格的导体机械强度有显著差异。相较于静态电缆，同规格的动态电缆导体面积一般更大，以满足其在弯曲部分的热限制。

表2动态电缆常用导体密度和电导率

Table 2 Density and resistivity of commonly used conductor material

3 绝缘设计

如若考虑海上风电的发展，66kV甚至更高电压等级的动态电缆也在试点或研讨中。绝缘材料的选择取决于很多因素，如厚度、电压等级、温度、使用环境等。对于动态电缆，绝缘材料主要用于导体绝缘和外护套。动态电缆常用绝缘材料如表3所示。

交联聚乙烯（XLPE）是目前高压电缆的主要绝缘材料。乙丙橡胶（EPR）也是常用的电缆绝缘材料。此外，高密度聚乙烯（HDPE），低密度聚乙烯（LDPE）均为聚乙烯材料，可作为电缆绝缘材料。乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）具有优异的电热性能、力学性能和耐腐蚀性。全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）具有优异的电气绝缘性能和耐高温性能，可耐受200摄氏度以上的高温。聚丙烯（PP）具有媲美交联聚乙烯的绝缘和耐热性能，并且可熔融再利用，其相对于聚乙烯硬度更高。对于高压动态，XLPE仍是电缆绝缘的主要材料，因其工作环境，XLPE应为抗水树型。

表3动态电缆常用绝缘材料参数

Table 3Insulation material commonly used for dynamic cable

4  光纤设计

动态中的光纤可用来进行数据传输、分布式测温、压力和振动测量、故障定位或者电缆路径变化监测。光纤可置于金属或者非金属保护套管内，金属套管的机械保护性能更优。套管内可采用固体填充保护光纤（如芳纶）或者液体填充（胶），不同填充材料的光纤套管终端结构将不同。在电缆设计中要注意光纤的布置方位，一般而言，光纤越靠近电缆外层，在生产及使用过程中其承受的拉伸力越大。信号衰减与电缆长度直接相关，设计时要考虑光纤中随长度减弱的信号仍能满足需求。

5  护套设计

静态中一般采用铅层作为护套进行防水，但是铅层不适于动态电缆，皱纹铜护套可以代替铅护套，ABB公司生产过采用该结构的三芯115kV动态[15]。除导体用铜材外，镀锡铜，镀银铜也可根据情况使用。镀锡铜的电阻率高于铜，但提高了材料的最大工作温度，锡也有利于限制铜的热氧化，利于焊接。镀银铜则进一步提高了材料的最大工作温度。虽然没有严谨的定量描述，根据CIGRE TB490描述，电缆分为

“干式”和“湿式”两类，“湿式”的意思是水可以进入电缆绝缘和导体。一般来说，“干式”设计采用金属外护套而“湿式”设计采用非金属，不考虑其他因素变化，前者的成缆外径大于后者。“干式”设计需考虑护套机械疲劳以及成本。

6  铠装设计

钢丝铠装是常见的动态电缆受力承受单元，一层以上的铠装在动态电缆中十分常见，设计中要通过调整钢丝扭转方向、数量、直径等以保证多层铠装之间力矩的平衡。

动态电缆的设计寿命一般为20年，受力分析是其设计的关键环节，一般分为静态、动态和疲劳分析三步。在静态分析中，要根据基础水文情况和接入设备、线型对其整体受力进行评估；在动态分析中则要计算接入设备移动情况下电缆不同段位上的受力[16]。疲劳分析的过程如下[17]：1 将作用在电缆上的弯曲，扭转和拉伸负荷等效为Von Mises等效应力[18]；2 根据SN曲线和Palmgren–Miner理论评估作用在动态电缆上的周期性负荷带来的疲劳损伤[19]。SN曲线是在一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线，也被称为应力-寿命曲线。构件疲劳寿命的计算是基于材料SN曲线完成的[20]。Miner-Palmgren理论则是经典的线性累积损伤理论[21]，线性累计损伤理论是指试件在循环载荷的作用下，疲劳损伤的程度与载荷循环的次数是线性变化，疲劳损伤可线性累加，各个应力之间相互独立、互不相关，当累加的损伤达到某一数值时，试件即会发生疲劳破坏[22]。Palmgren–Miner理论可以表示为

               (1)

式中Dm表示周期负荷产生的累计损伤，ni是特定负荷的统计数据，Nicycles表示该负荷导致被试品疲劳失效的次数。需要指出的是，上述受力分析过程不仅适用于铠装，对其他电缆层也适用，如Nexans电缆公司的Karlsen针对动态电缆导体进行了疲劳分析[23]。

9  结论

本文介绍了动态电缆的使用环境和线型，针对机电热热性梳理了其设计步骤和注意事项。从导体设计、绝缘设计、光纤设计、护套设计和铠装设计几个方面分别进行了阐述。本文可作为了解动态电缆的辅助资料，为相关人员提供指导。

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