【鲁缆学堂】国内浮式风电动态电缆发展概况及设计综述

随着陆上和近海风电资源日趋紧张，深远海风电成为能源转型的新战场。在这场蓝色能源革命中，动态电缆作为连接漂浮式风机与海底的'生命线'，正逐渐成为海洋工程领域的焦点技术。本期将为您深度解析这一关键技术的发展现状与未来挑战。

深远海风电：海洋能源的未来

全球观测数据显示，超过80%的海上风电资源分布在水深超过60 m的海域。随着近海资源的日趋紧张，深远海风电已成为我国海上风电发展的必然方向，而漂浮式风机则是开发深远海风电资源的最优选择。

近年来，我国深远海风电取得了显著进展，已陆续建成'引领号''扶摇号''海油观澜号''国能共享号''明阳天成号'五个漂浮式风电示范项目，总装机容量达39.55 MW，占全球总装机容量的17%。

全球风能理事会预测，到2030年全球漂浮式海上风电装机容量将达18.9 GW，其中亚洲将占据52.7%的市场份额。这意味着作为核心配套设备的动态电缆产业也将迎来爆发式增长。

什么是动态电缆

动态电缆源自成熟的脐带缆技术，世界首条动态电缆由耐克森(Nexans)公司于1983年开发。根据国内标准NB/T 11379—2023的定义，动态电缆是指'应用于漂浮式海上构筑物、带有相关浮力元件、在水中允许跟随漂浮式基础在一定范围内移动的海底电缆'。

动态电缆截面图

1—铜导体；2—导体屏蔽；3—交联聚乙烯绝缘；4—绝缘屏蔽；5、8—半导电阻水带,带护套；6—金属屏蔽(铜丝)；7—金属蔽(铜带)；9—分相护套；10—光单元；11—填充；12、15、17—包带；13—内护套；14—第一层铠装镀锌钢丝；16—第二层铠装镀锌钢丝；18—外护套

动态电缆由海面浮式结构悬挂至海床，在工作过程中不断承受波浪、洋流冲击和浮体晃动。其典型构造包括悬挂点、弯曲加强件、悬垂段、重力段与浮力段等，通过精细调整配重块和浮力块的数量与位置来满足各种复杂工况需求。

动态电缆静态示意图

动态电缆的关键技术解析

设计流程与分析方法

动态电缆的设计流程包括设计输入、构型选择、构型分析、迭代优化和设计输出。其中，构型分析分为静态分析（平衡位置与最大偏移位置）和动态分析（极值分析、干涉分析、稳定性分析和疲劳分析）。

动态电缆构型设计与分析流程图

构型选择：五种主流方案的比较

根据水深、浮体运动特性、环境条件等因素，动态电缆主要有五种构型：

缓波型：适用于中深水域，可减少电缆顶部张力，但易受海生物附着影响，不适用于浅水区。

顺应波型：在缓波型基础上加入限位装置，适用范围更广，能承受更恶劣海况。

陡波型：在缓波型基础上增加弯曲加强件，不易与海底干涉，但成本较高。

缓S型：依靠浮筒实现电缆上浮，构型稳定，但成本高。

陡S型：在缓S型基础上增加弯曲加强件，适用于深海域，成本最高。

动态电缆常见构型图

疲劳分析：动态电缆的生命周期评估

动态电缆的疲劳损伤主要由两种机制导致：

波致疲劳：通过水动力分析软件和有限元计算软件，结合S-N曲线，计算波浪载荷作用下的疲劳损伤。

涡激振动：基于尾流振子模型预测动力响应，主要集中于电缆底部触底段与浪流方向垂直的截面。

行业发展面临的挑战

外部环境制约

• 地理条件限制：中国近岸平均水深不超过60m，而动态电缆的理想水深为60~100m。

• 气候环境挑战：东南海区季风气候显著，台风等极端天气对电缆设计和维护带来巨大挑战。

技术与标准短板

• 标准缺失：国内外均缺乏统一的动态电缆设计标准。

• 经验不足：国内动态电缆设计经验积累不足，仍有大量技术问题亟待解决。

未来发展与技术创新

尽管面临诸多挑战，但随着深远海风电项目的推进，国内动态电缆产业正迅速发展。主要电缆企业已从单纯的产品制造升级为提供一体化解决方案，并开始拓展国际市场。

未来技术发展的三大方向：

海生物防治技术：如使用PTFE高结晶膜防治海生物附着。

系泊电缆整合：将动态电缆与系泊系统结合，解决浅水区域电缆拱出水面和弯曲半径超标等问题。

快速安装与解脱装置：开发弯曲加强件快速解脱装置(BSC)，应对台风等极端天气。

随着深远海领域技术的持续发展，动态电缆作为关键配套设备，将为我国海上新能源发展奠定坚实基础，助力中国海洋可再生能源产业走向世界舞台。

作 者 | 林泽寅、汪伊冰、李东升

来 源 | 《海洋工程装备与技术》