规则波作用下悬跨海缆垂向动力响应试验研究

为探究不同规则波要素下悬跨海缆垂向动力响应的变化规律,本文开展了波浪作用下海缆振动模型试验。基于水弹性相似原理制作海缆模型,改变试验波高以及波周期,并引入Morison方程描述海缆所受垂向力。试验结果表明:波浪作用下海缆的振动频率以波浪频率为主,同时伴随着海缆表面弱涡脱落活动产生的波浪多倍频;波高的增大使得海缆周围水质点水平运动速度增大,导致漩涡脱落所引发的升力增大,进而垂向力增大;波周期的减小使得水质点垂向运动速度增加,海缆所受垂向波浪力增强,进而垂向力增大;海缆自振存在约2.8 N的临界垂向力,低于临界垂向力时,海缆未产生自振,大于临界垂向力时,波浪动力作用增强,海缆出现波浪周期的间歇性自振,垂向力增大,应变幅值显著增大。

不同覆盖物清理状态下海底电缆打捞受力仿真

该文通过对海缆深浅水打捞过程机理的分析,确定覆盖物对打捞过程存在一定影响。通过OrcaFlex考虑水动力建立打捞过程模型,研究覆盖物厚度与覆盖物位置对海缆打捞过程中张力及曲率的影响。研究发现,覆盖段被打捞时,海缆张力会出现明显的波动;打捞过程覆盖段海缆曲率极值明显增大。随着覆盖物厚度的增加,覆盖段海缆曲率极值逐渐增大,海缆的张力波动也更加明显。覆盖物只对覆盖段曲率极值有明显影响;当吊点处覆盖物未完全清理时海缆易发生弯曲失效,远离吊点处的覆盖物对打捞过程海缆沿缆曲率极值影响不大。在实际工况下可进行针对性工作和保护,降低工作量并提高打捞效率,防止电缆在打捞过程中受到二次破坏。

海底电缆液压剪切系统设计

在海底电缆抢修任务中,针对多层海底脐带缆的切割需求,提出一种基于水下机器人作业的水下液压剪切机构。结合海底脐带缆多层复合及金属绞线的特殊结构建立剪切失效模型,并对水下液压剪的切割机构进行设计。运用Abaqus软件分析切割过程中脐带缆的力学响应,对脐带缆逐层连续变化的力学特性进行研究,提出海底脐带缆切割需要满足的剪切力及水下液压剪机构的主要参数。

海底电缆覆盖物清理的移动射流过程仿真分析

在实际工况中,高压喷嘴存在横向移动的速度,使得射流对土体的冲埋深度难以预测,导致海缆表面覆盖物清理不完全。针对此问题,建立了优化后的流场与冲埋深度预测理论模型,利用数值仿真对模型进行了验证。首先,建立了一种喷嘴流场优化模型,阐述了冲埋深度的预测方法;其次,建立了水射流破土数值仿真模型,选取射流压强、喷嘴直径、喷嘴横移速度以及土壤剪切强度4种控制参数,分析了不同参数对冲埋深度的影响。结果表明,随着射流压强、喷嘴直径的增大,冲坑深度逐渐增大;随着喷嘴横移速度和土体剪切强度的增加,冲坑深度逐渐减小。最后,理论结果和仿真结果进行对比,两者误差在允许范围之内。该模型可在一定程度上解决冲埋深度难以预测的问题,可为工程应用提供指导。

综合地球物理方法在厦门220 kV海底电缆现状调查及分析中的应用

为保障未来海底缆线的安全运行,研究通过几种探测设备对比分析获取缆线位置的变化信息,在厦门220 kV海底电缆现状调查中,获取无人船多波束测深、单道地震、浅地层剖面和海洋磁力等多种探测手段的调查结果,结合其他自然环境资料以及合理运用综合地球物理方法对海底电缆现状进行了详尽的分析和研究。结果表明,海底缆线位置偏差与设计路由偏差不大,整体位于预设的路由区范围之内,海底缆线均埋藏于泥面以下,未发现海底缆线存在出露、悬空、折曲等危险因素。

浅海电缆弯曲刚度对电缆受力影响的试验研究

海缆敷设张力的确定是保证敷设工程质量的重要环节,目前对海缆张力的计算很少考虑弯曲刚度的影响。开展不同电缆弯曲刚度对电缆受力影响的水槽模型试验研究。研究结果表明,弯曲刚度对海缆顶部的水平张力影响不大,其主要影响的是海缆水中的姿态。

悬跨海底电缆涡激振动响应数值分析

悬跨海底电缆在海洋环境荷载的影响下易产生涡激振动现象,对海缆的服役安全性造成威胁。为了研究悬跨段海缆的涡激振动响应,提出一种利用数值软件分析悬跨段涡激振动的方法,并验证了其计算的准确性。首先,介绍了数值方法的计算原理。然后,利用Orcaflex软件建立悬跨段数值分析模型,理论验证了计算自振频率的准确性,经计算,一阶自振频率理论计算结果与数值结果的最大误差为8.89%,二阶自振频率理论计算结果与数值结果的最大误差为9.28%,证实了模型相符程度良好。接着,利用经验公式法对数值模型计算涡激振动的准确性进行验证,悬空段振型计算结果的平均误差为9%,验证了模型用于计算悬跨段涡激振动响应的准确性。最后,基于Orcaflex软件,开展了考虑海床作用的海缆悬跨涡激振动动力学分布特征及海缆振动特性的分析研究。结果表明:涡激振动作用下,悬跨海缆最大张力值和曲率值出现在海缆与海床分离点;最大振动幅值与流速无直接关系,而与悬跨段振型有关;随着流速的增加,悬跨段电缆横流方向振动模态阶数增加。该文研究成果为海底电缆涡激振动计算分析提供了一种有效计算模型和方法,未来基于该计算模型可对涡激振动的振动特性作进一步分析。

考虑扭绞的三芯海底电缆温度稳态分布数值求解方法

三芯海底电缆是连接近海风电场与陆地电网的重要装置,其正常运行对于经济发展具有重要意义。导体温度与光纤温度的关系模型是温度分布式传感的理论基础,过去的研究未考虑光纤及电缆的扭绞对导体与光纤温度关系的影响。基于有限元法构建了考虑扭绞的三芯复合光纤海底电缆的电热流耦合模型,得到了导体温度与光纤温度的关系式,并分析了在埋设和铺设两种敷设环境下节距、海水温度、海水表面换热系数及不同电缆尺寸对导体及光纤温度的影响,以及对光纤与导体温度关系式的影响。仿真结果表明:在埋设的条件下,不考虑扭绞时,导体每上升1.03℃,光纤上升1.00℃;考虑扭绞时,导体温度及光纤温度均高于不考虑扭绞,随着节距的增大即扭绞角度变小,温度均下降,相同导体温度时,节距越大,光纤温度越低;铺设时海水的流动对于电缆的散热效果显著强于埋设时;对流换热系数越大,导体及光纤的温度越低;相同导体温度时,导体截面积越大,光纤温度越高。

海底电缆至海上油气田平台的供电模式研究

高压电缆传输电能分为交流输电和直流输电,其中交流输电能量损耗大、故障率高,而高压直流输电输送容量大、损耗小,可以缓解输电廊道不足的问题,但是高压直流输电换流站构造复杂、造价高、运行管理要求高。分析交、直流海底电缆输电至海上平台的优劣势,建立电磁暂态仿真PSCAD/EMTDC模型,研究不同扰动对电能传输质量和功率因数的影响,并对模型抗干扰能力进行验证。

全球有缆海底观测网概述

近期有缆海底观测网发展迅猛,世界各国包括加拿大、美国、日本和欧洲国家都依据自己的科学目标,建立了相应的有缆海底观测网。文章针对不同国家有缆海底观测网系统的组成和建设分别做了概述和评论。从1978年开始到现在,日本成功建设了10条有缆海底地震观测网,从早期同轴电缆作为主干电缆,发展到使用光电缆连接水下设施。加拿大成功建成近岸尺度和区域尺度两条有缆海底观测网。美国2012年成功建成目前世界上最长的一条区域海底观测网(约900km)。欧洲国家也正在开展在10个海区建立有缆观测网。跟随国外的步伐,我国和我国台湾地区也建立了自己的海底观测站(东海小衢山)和有缆观测网(中国台湾妈祖)。文章依据世界上已经建立的有缆海底观测网,分析认为与全球有缆观测网布设有关的遥控水下机器人是关键技术,并探讨了海底观测网今后的发展和面临的挑战。

高压直流海底电缆电–热–流多物理场耦合仿真

高压直流电缆运行时径向温度和电场分布是反映其运行状态的重要参数,考虑流场的海底电缆电热耦合规律研究具有重要意义。依据南澳直流工程±160 kV高压直流海底电缆,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,建立了海缆本体及其敷设环境的3维电–热–流耦合模型,以控制变量法研究了铺设和埋设2种敷设方式下海缆载流量、海水温度和海水流速对海缆径向温度和电场分布的影响。结果表明:载流量是海缆径向温度和电场分布的主要影响因素;在该模型下海缆导体温度和绝缘层温差与海水温度存在线性关系;很小的海水流速能显著降低海缆温度,因此提出静止海水散热的流速修正系数;海水流动有利于海缆散热,导致海缆温度分布发生变化,同时影响海缆绝缘材料电导率而导致电场分布发生改变。

基于BOTDR的光纤复合海底电缆应变/温度监测

高压光纤复合海底电缆结构复杂、敷设环境特殊,日常巡检和状态检测实现难度大,利用分布式光纤应变和温度测量设备对其进行监测十分必要。为此,利用Brillouin光时域反射计(BOTDR)对110 kV光纤复合海底电缆中的复合光纤进行了应变和温度标定实验,比较了不同光纤Brillouin频移的应变/温度系数和初始频移的区别,给出了利用光纤中Brillouin频移分布曲线进行接续点精确定位的方法,对运行中的海缆进行了全面、实时、长期的状态监测和数据分析。结果表明:海缆光单元中不同光纤的Brillouin频移应变/温度系数基本相同,约为0.05 MHz/10-6和1.05 MHz/℃,但初始频移差别较大,变化范围约20 MHz;光路中接续点处的Brillouin频移变化明显,可作为定位依据;利用Brillouin频移监测海缆的应变和温度需结合海底地形、地质、洋流、环境温度、负荷电流等因素。

光电复合海缆中光纤与导体温度关系的有限元分析方法

根据光电复合海缆中的光纤温度计算导体温度是进行导体温度监测和载流量计算的关键。本文利用有限元法建立了110 kV光电复合海缆的有限元模型,根据IEC 60287标准计算出热载荷,分析了负荷电流、环境温度、土壤与海水的表面传热系数等因素对海缆本体及周围温度分布的影响,建立了海缆导体温度、光纤温度和环境温度的关系式。结果表明,导体温度与光纤温度呈线性关系,光纤温度每升高1℃,导体温度升高1.3℃;相同光纤温度下,环境温度每升高1℃,导体温度下降0.3℃;海缆发热主要耗散于周围1.6m以内的土壤中,土壤与海水表面传热系数对结果的影响可以忽略。根据光纤温度和海水温度,可计算出导体温度,作为海缆导体温度监测和载流量计算的理论依据。

浅析100 m以深海底电缆应急维修关键技术

基于100 m以深海域海底电缆(海缆)的应急维修技术进行探讨。结合实际工程案例,简要概述基于水下机器人(ROV)协同作业的海缆应急维修的典型作业方案,对其中的关键技术等方面进行详细探讨,包括动态定位的精度、故障点定位、ROV作业难度和风险,并探讨了海缆故障的潜在因素。同时对应急维修过程中的难点提出有效解决方案。

穿越沿海航道海底电缆的埋深要求探讨

结合现有规范标准的要求以及工程实例情况,对穿越沿海航道海上风电海缆埋设有关标准规范提出探讨意见,并结合海底礁石底质缆线的覆盖保护方案,进而对现行标准规范中穿越类工程埋深要求提出下一阶段的建议。

海缆作业线回收施工工艺简述

海缆包括海底动力电缆、海底光缆及海底光电复合缆(动力缆和光缆的组合缆),是海上油/气田和新能源海上风电生产中的命脉。随着海缆服役年限的增加、海上船舶的抛锚活动、海洋的恶劣环境以及产品技术升级使得原海缆无法满足新的技术要求等原因,海缆需要部分回收或整体回收,进行维修或更换的情况越来越多。介绍了一种利用收缆作业线进行海缆回收的施工工艺。该施工工艺安全、高效,可以保证回收后的海缆的完好性,有利于海缆后续进行实验室理化性能分析及海缆保险理赔取证流程的开展。回收的海缆长度越长,该工艺在效率上和经济上的优势越明显。值得在海缆回收工程中推广使用。

海底电缆精准抛石保护施工关键技术研究

针对国内尚无成熟的抛石保护设计标准和施工工艺指导细则的现状,文章结合“海南电网二回联网工程”子课题“海底电缆抛石保护工程”已有研究及应用成果,通过对关键设备、施工关键技术、检测关键技术进行研究,总结形成精准抛石保护施工关键工艺技术,并给出相应的结论及建议,为海底电缆抛石保护施工及国内同类工程提供指导意见和技术参考。

以全寿命周期成本为判据的近海风电场高压海底电缆选型标准

为了结合海底电缆寿命周期特点、制定适用于近海风电场高压海底电缆的选型标准,以海缆传输容量大于风电场设计向外传输容量为约束条件,构建了包括购置、敷设、损耗、故障损失、运行维护以及回收净投资成本的海缆全寿命周期成本(LCC)模型,并以LCC等额年值最小作为选型标准。以国内某海上风电场海底电缆选型为案例进行计算分析。结果表明,购置、损耗、故障损失成本与自身LCC占比较重,最高分别达到26.4%、30.8%、62.0%;所有方案前期投资与自身LCC占比≤40%。当电压等级相同时,单芯海缆方案损耗成本至少比三芯海缆方案高出4.68×103万元;而当线芯数相同时,高电压等级故障损失成本至少比低电压等级海缆方案高出8.8×103万元;2回110 k V 3×500 mm2高压XLPE绝缘钢丝铠装海缆方案LCC等额年值(3.08×103万元/a)最小,该方案最优。

利用光纤应变判断光电复合海缆锚害程度的有限元分析法

锚害占海缆机械故障的80%以上,不同程度的锚害会导致海缆发生漏电、接地、短路和断缆事故,及时发现锚害并判断锚害程度十分重要。本文提出了利用光电复合海缆中光纤的应变判断海缆锚害程度的有限元分析法。建立了110k V光电复合海缆的有限元模型,对海缆锚害过程进行了仿真和分析,建立了海缆锚害过程中铠装层应力和光纤应变的分段时间函数,对锚害程度进行了分级,并用海缆模型试验验证了仿真结果。结果表明,海缆锚害程度的加剧导致光纤应变的增加,海缆锚害过程可用5个分段函数表示,锚害程度可分为三级,分别对应0.12%、0.35%和1.1%的光纤应变,可利用分布式光纤传感技术测量的光纤应变判断海缆的锚害程度。

海底交流电缆暂态过电压仿真计算

针对海底交流电缆输电系统发生的单相短路和三相短路故障,在PSCAD/EMTDC平台上搭建仿真模型,仿真计算了短路故障引起的暂态过电压。对于110 kV中性点接地和35 kV中性点不接地海底电缆输电系统,分别对不同输送功率、不同输送距离和不同短路容量等情况下海缆的暂态过电压进行了仿真,计算了海缆线路上产生的最大过电压值,分析了最大过电压与这些变量之间的变化关系以及内在的物理机理。研究结果对于海缆线路和变电站的绝缘水平以及其他系统参数的确定具有参考价值。