Анализ тепловых характеристик и экономической эффективности XLPE подводного кабеля на основе электротермико-гидравлического моделирования

Обеспечение безопасности подводных линий электропередачи

По мере расширения морских ветропарков всё больше электроэнергии должно транспортироваться на берег по массивным силовым кабелям, зарытым в донные отложения. Если эти подводные кабели перегреваются, пластмассовая изоляция, удерживающая ток внутри, стареет быстрее, что сокращает срок службы кабеля и повышает затраты. В исследовании поставлен на вид казалось бы простой, но практично важный вопрос: как свойства донного грунта и способ прокладки кабеля влияют на его температуру и, следовательно, на экономику доставки чистой энергии на сушу?

Почему дно океана важно

Для проектов морской ветроэнергетики подводные кабели обычно используют прочный пластик — сшитый полиэтилен (XLPE) — в качестве изоляции, и проектируются так, чтобы металлические жилы не нагревались выше примерно 90 °C. Выделяемое ими тепло должно рассеиваться в окружающие донные отложения и морскую воду. Но донные грунты разнятся: одни песчаные и хорошо проводят тепло, другие — глинистые и более теплоизолирующие. Вода, удерживаемая в порах между зернами, при нагреве может перемещаться и переносить тепло. Эти локальные условия определяют, насколько эффективно кабель отводит тепло, а значит — какой ток он безопасно может пропускать и насколько экономически выгоден проект в течение десятков лет эксплуатации.

Моделирование сложной тепловой задачи

Авторы сосредоточились на распространённом трёхжильном кабеле переменного тока 220 кВ и создали детальную модель сечения донного массива, где проходит такой кабель. Вместо того чтобы рассматривать кабель как простую точечную нагревательную нагрузку, они явно моделировали электромагнитные поля, создающие тепло в металлических жилах и других слоях. Это тепло затем распространяется в окружающий грунт как за счёт теплопроводности, так и за счёт движения поровой воды, вызванного перепадами плотности — очень медленного естественного конвективного потока. Совмещая в одной задаче электрические, тепловые и гидродинамические процессы, исследователи выявили, как взаимосвязанные изменения глубины прокладки, фоновой температуры, теплопроводности и проницаемости грунта задают стационарную рабочую температуру кабеля и допустимый ток. Они также проверили соответствие модели признанному инженерному стандарту и обнаружили лишь небольшое расхождение в прогнозируемой пропускной способности кабеля.

Что контролирует температуру кабеля

Моделирование выявляет явные и порой неожиданные закономерности. Увеличение глубины засыпки кабеля последовательно повышает температуру жил, и этот эффект усиливается с глубиной, потому что теплу требуется больше пути, чтобы достичь охлаждающего воздействия морской воды сверху. Более тёплый фон донного грунта смещает всю систему вверх: при той же электрической нагрузке несколько дополнительных градусов фонового нагрева могут вывести кабель за пределы безопасного режима. Теплопроводность грунта играет ключевую роль: в плохо проводящих тепло грунтах температура быстро падает с расстоянием, кабель работает горячее и резко ограничивает допустимый ток. В более теплопроводных грунтах тепло распространяется быстрее, что позволяет проводить больший ток, не превышая пороговой температуры.

Скрытая помощь от движения поровой воды

Ещё один важный фактор — проницаемость, то есть то, насколько легко вода проходит через поры грунта. В очень плотных грунтах, характерных для глин, модель показывает, что изменение проницаемости на несколько порядков почти не влияет на температуру кабеля, потому что поровая вода почти не движется и доминирует теплопроводность. Как только проницаемость превышает порог порядка 10⁻¹¹ м² — что ближе к крупнозернистым алевритам или пескам — становится заметен эффект витального потока, вызванного плавучестью. Более тёплая, менее плотная поровая вода поднимается, а более холодная опускается, образуя замкнутые потоки, которые усиливают отвод тепла. В этом режиме большая проницаемость приводит к заметному снижению температуры кабеля, а тепло рассеивается в удлинённых узорах, соответствующих внутренним течениям.

Что это значит для стоимости проектов

Поскольку стоимость кабеля — это не только покупка и установка оборудования, авторы связали свои тепловые результаты с простейшей экономической моделью. Они объединили затраты на оборудование и монтаж со стоимостью энергии, потерянной в виде тепла за 30-летний срок службы, и расходами на регулярное обслуживание, чтобы вычислить инвестиционный индекс: суммарные расходы, делённые на пропускную способность кабеля. Ниже индекс — больше ватт на вложенный доллар. Анализ показывает, что более мелкая закладка, более высокая теплопроводность грунта и достаточная проницаемость снижают этот индекс и делают проекты более экономически эффективными. Однако очень мелкая закладка может подвергнуть кабели риску повреждений от якорей, рыболовного инвентаря и волн, поэтому инженерам приходится балансировать тепловые и экономические преимущества с механическими рисками и регуляторными требованиями.

Вывод для морской энергетики

Для тех, кого интересует будущее морской ветроэнергетики, посыл исследования прост: дно моря — это не просто пассивный фон. Его температура, размер зерен и пути движения воды сильно влияют на то, насколько интенсивно можно эксплуатировать кабели, соединяющие морские турбины с сетью, и во сколько обойдётся это соединение за весь срок службы. Используя связную модель электрических, тепловых и гидродинамических процессов, авторы показывают, что выбор более прохладных, более теплопроводных и достаточно проницаемых слоёв осадков — а также избегание излишне глубокой закладки — позволяет передавать больше энергии и повышать отдачу от инвестиций, при условии сохранения мер защиты от механических повреждений.

Цитирование: Ye, M., Zhang, Y., Wu, H. et al. Analysis on the thermal performance and economic efficiency of XLPE submarine cable based on electric–thermal–hydraulic coupling simulation. Sci Rep 16, 9467 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40092-7

Ключевые слова: подводные силовые кабели, морская ветроэнергетика, морские донные отложения, теплообмен, надежность кабеля