随着海上风电快速发展，海上风电场从浅海向深远海发展将成为必然趋势，采用漂浮式基础的浮式风电将成为主流。动态海缆作为浮式风电场电力传输的关键装备，不仅要具有传输电力和信号的功能，还需具备抵御各种环境载荷耦合所产生破坏的能力，如浮体运动、波流移动耦合所产生的破坏。由于动态海缆在位运行的特殊要求，其结构与静态海缆会有显著差异。
本文研究依托于国内某浮式海上风电示范项目，该项目的浮式风电机组功率为6.2MW，采用35kV三芯交流动态海缆连接风机。
精读
动态海缆在位工况载荷
浮式海上风电场动态海缆一端固定于机组浮体的J/I形管处，另一端敷设于海底，中间段以一定的线型悬浮于海水中，在浮体运动与波流载荷的共同作用下，动态海缆的水下线型不断变化，特别是极端载荷情况下线型变化最大，图1所示为陡坡形线型动态海缆在3种极端载荷作用下所呈现的水下线型。
由图1可知，动态海缆在浮力段的弯曲半径较小，容易发生弯曲失效；此外，由于陡坡线型动态海缆两端的安装角度是固定的，线型变化时两端也容易发生弯曲失效，因动态海缆的自重及波流载荷，其与平台连接端承受的拉力载荷最大。动态海缆线型变化过程中也承受着交变的载荷作用，在动态海缆两端与浮力段等关键位置易发生疲劳损坏。
在没有波流影响情况下，动态缆与浮体在一个平面内，即图1中示意的初始位置，当浮体在波流影响下偏离出原平面时，发生侧位偏移。通常在垂直平面方向最远端的位置称为侧位。图2所示为浮体侧位偏移的动态海缆水下线型，动态海缆不在同一平面内，在海流的作用下可能发生扭转，产生的扭矩对电缆有较大破坏性。
因此，在设计动态海缆结构时，要考虑各种载荷对海缆结构的影响，确保海缆安全可靠运行。
✎结构设计原则
目前没有针对性动态海缆的标准规范，本文通过研究海上油气用管缆和静态海缆的相关标准规范，借鉴国外动态海缆研究成果和设计应用经验，以及场址条件等开展浮式风电用动态海缆初步结构设计。设计的动态海缆规格为26/35-3×70，整体结构参考静态海缆结构。
考虑到动态海缆与静态海缆的运行环境，动态海缆长期随浮体、波流往复移动，承受拉伸、弯曲和扭转等外力作用，结构形式和机械性能有极大差异性。本工作根据动态海缆运行环境条件及功能要求，对动态海缆主要结构（如缆芯、绝缘、护套及铠装等）进行设计，使动态海缆整体结构符合电气与机械性能要求。
✎动态海缆结构设计
1、导体设计
导体结构截面示意如图3所示，大截面交流电缆通常采用分割导体设计，如图3（a）所示，在防水措施中常用阻水胶或阻水带同时加入阻水粉两种阻水方法。分割导体各扇块间缝隙较大，采用上述两种阻水方法阻水效果均不理想，并且动态海缆在位运行时受到外界载荷作用而发生扭转变形，当扭转方向与分割导体绞合方向相反时，分割导体间可能发生滑动现象，导体的纵向阻水效果变差。因此，动态海缆与静态海缆导体均不采用分割导体设计方案，而是采用紧压绞合圆形导体，如图3（b）所示，并在每层导体上涂抹阻水胶。
2、绝缘与阻水设计
中高压电缆绝缘材料主要选用交联聚乙烯（XLPE）和乙丙橡胶（EPR）。EPR型电缆具有耐水树性能强和抗过载能力强的优点，但是与XLPE型电缆相比，EPR型电缆绝缘损耗受温度和场强的影响较大，电压等级越高两者性能差距越大，目前XLPE型电缆的生产与运行越来越成熟，EPR型电缆的制造工艺相对复杂，成本较高，在应用中中高压电缆绝缘材料通常首选XLPE。
对于聚乙烯（PE）等聚合物绝缘材料，潮湿是首要危害。受潮湿的影响，绝缘强度和抗老化性能会下降，如产生水树等，因此需要通过结构设计保护绝缘，一般在绝缘系统外面缠绕阻水带、挤包金属护套等方式阻止径向渗水，使其免受水分的影响。
国际大电网会议技术手册CIGRE TB 722根据海缆缆芯护套的径向阻水能力，将缆芯结构设计分为以下3类，海缆缆芯结构如图4所示。
（1）金属挤包护套，例如铅护套，其阻水性能非常好且应用广泛，通常被认为是干式结构，缆芯结构见图4（a），无须进行湿式绝缘测试。
（2）非挤包的金属护套结构，缆芯结构见图4（b）和图4（c），一般统称为半干式或半湿式设计，但其金属护套结构会随着阻水条件的不同对结构性质定义发生变化。这种结构需要经过CIGRE TB 722中推荐的附加测试程序验证，若满足测试要求，则重新被认定为干式结构，绝缘材料无须进行水老化试验；反之，则被认定为湿式结构，需进行水老化试验。
（3）无护套或者只有聚合物护套，其金属屏蔽可以为铜带或者铜丝，水分直接接触绝缘或者通过聚合物护套渗透并与绝缘接触，称为湿式设计，缆芯结构见图4（d），湿式结构的绝缘材料必须进行水老化试验。
动态海缆缆芯护套一般采用PE或半导电PE，水分可透过PE护套进入内部。据CIGRE TB 446介绍，铝塑复合结构在50℃的水分穿透率为1.5 ngm-2s-1，而2mm PE的水分穿透率是铝塑复合结构的2000倍。依据CIGRE TB 722，该结构被认定为湿式结构。
中高压静态海缆通常采用干式结构，海缆由绝缘、铅套和PE护套组成，具有挤包铅护套，可承受高的电应力，但成本较高，铅护套疲劳性能差，不适合应用在承受交变载荷的动态海缆上；半干式或半湿式海缆结构由绝缘、PE护套、皱纹铜/铝或铝塑复合带组成，其中海缆皱纹铜套具有良好的疲劳性能，但工艺较为复杂，成本较高，缆芯直径较大；湿式结构由绝缘、铜丝/带、PE护套组成，无须PE护套，海缆结构、生产工艺较简单，缆芯外径较小，易于生产，因此中压海缆已广泛应用。
目前，海底电缆绝缘基本选用XLPE，动态海缆大多采用抗水树交联聚乙烯（TR-XLPE），TR-XLPE抗水树性能胜过常规的XLPE，而且其流变特性、耐焦烧性等加工性能良好，在电气、机械及热性能等特性上都优于常规XLPE。综合考虑，对浮式风电用动态海缆采用TR-XLPE湿式绝缘结构设计。
3、护套设计
内外护套与海水接触须有很好的防腐性能以及耐水能力，作为海缆的保护层还要具有提供机械缓冲、减小摩擦、使缆圆整、结构稳定等功能。通常护套材料采用聚氯乙烯（PVC）和PE。
PVC外护套在较高环境温度下电缆弯曲性能好，与外表面半导电石墨涂层黏附性强，具有较好的阻燃性能，缺点是绝缘电阻较低，在运输、储存过程中吸潮后会使电缆绝缘电阻进一步下降，甚至无法进行直流电压试验。PE外护套具有较强的防湿、防潮性能，其绝缘电阻远高于PVC，但是阻燃性能差，且PE护套与外表面的石墨涂层黏附性较差，电缆在复绕、存放和运行过程中均会有涂层脱落现象。
静态海缆运行环境稳定，承受机械外力的概率极小，通常用PP绳构成内外衬层代替内外护套，而动态海缆长期承受外力作用，护套材质须具有高的机械强度。高密度聚乙烯（HDPE）由PE单体聚合而成的，平均每个分子上都有一个长支链或许多小支链，与低密度聚乙烯（LDPE）相比，其具有很高的力学性能，抗拉强度可达20 MPa以上，耐受环境应力开裂能力高。浮式风电用动态海缆护套材料选用HDPE，可实现对结构层的有效保护。
4、金属铠装层设计
金属铠装主要起加强作用，提供电缆抗拉、抗扭和抗压保护，同时还有屏蔽作用。一般用铜丝与镀锌钢丝两种材料。铜丝作为铠装层无磁滞损耗，可降低海缆的损耗，但是力学性能较低，一般用于单芯电缆。动态海缆为三芯电缆，钢丝铠装引起的损耗对海缆载流量的影响很小，钢丝力学性能好，耐疲劳性能强，经过镀锌处理的钢丝具有一定的防腐蚀能力，所以动态海缆选用镀锌钢丝作为铠装材料。
动态海缆在实际的安装和运行过程中，会受到拉伸、弯曲、扭转等各种荷载的作用，并可能受到较严重的拉伸力而出现扭转打结现象，需要具有较大的拉伸和扭转刚度来满足要求。同时，为了储存和安装便利，以及应用时动态反复弯曲作用，需要将海缆弯曲刚度及弯曲半径设计得较小，使其满足工程要求。另外，动态海缆在海底敷设必须保证其稳定性，在波流作用下运动不能过大，以免与周围锚链等发生冲撞，需保证其外径与质量比在一定范围内。
因此，动态海缆铠装设计需综合考虑动态海缆的参数，使其拥有较大的抗拉、抗扭转刚度，以及较小的弯曲刚度，同时满足拉伸、扭转、弯曲等设计指标。
为此，动态海缆铠装钢丝须设置异向螺旋的偶数层结构，保证动态海缆具有双向抗扭转载荷的能力，设计中通过调整铠装钢丝的节距，使海缆两个扭转方向抗扭能力平衡。采用Uflex软件对海缆截面进行机械性能分析，海缆双向扭转应力云图与曲线见图5（顺时针）和图6（逆时针）所示。
海缆的扭转刚度为海缆所受扭矩与海缆单位长度扭转角的比值，提取扭矩与对应的单位长度扭转角，拟合后得到扭矩转角曲线斜率即为扭转刚度。由图5和图6可知，绕缆轴线顺时针扭转刚度为199.11 kN•m²，逆时针扭转刚度为208.94 kN•m²，两者相差4.7%，根据工程经验可认定为扭转平衡。
动态海缆结构布局需满足功能和使用环境的要求，各单元布局尽可能紧凑对称。与静态海缆结构相比，动态海缆采用湿式绝缘结构、铜丝/铜带屏蔽、HDPE护套和偶数层反向缠绕钢丝铠装，加强动态海缆在外力长期耦合作用下电气与机械性能，相应的动态缆结构有较大变化，动态海缆初步结构如图7所示，动态海缆中其他单元材料、结构形式和尺寸根据功能要求确定，确保传热性能良好。