基于电—热—水耦合仿真的 XLPE 海底电缆热性能与经济性分析

保障海底输电线路的安全

随着海上风电场规模扩大，越来越多的电力需要通过埋设在海床中的粗电缆传输到岸上。如果这些海缆过热，用于绝缘的塑料材料会加速老化，缩短电缆寿命并增加费用。本研究提出了一个看似简单但具有重要实际意义的问题：海床的性质和电缆的埋设方式如何改变电缆温度，从而影响将清洁电力送上岸的经济性？

为何海床至关重要

用于海上风电工程的海底电缆通常采用一种称为交联聚乙烯（XLPE）的耐用塑料作为绝缘层，并设计使其金属芯保持在约 90 摄氏度以下。电缆产生的热量必须散逸到周围的海床和海水中。然而海床土壤并不相同：有些为沙性、导热性好；有些含黏土，隔热性较强。此外，存在于颗粒间孔隙中的水在受热时会流动并携带热量。这些局部条件决定了电缆散热的难易，从而影响其允许通过的电流大小以及整个项目在数十年服役期内的成本效益。

模拟一个复杂的热问题

作者以一种常见的三芯 220 千伏交流电缆为对象，建立了电缆埋设剖面的详尽数值模型。他们没有把电缆简化为一个单纯的热源，而是显式模拟了在金属导体及其它层中产生热量的电磁场。该热量随后扩散到周围土体中，既通过简单的传导，也通过由浮力驱动的孔隙水缓慢流动来传递，类似非常缓慢的天然对流。通过在统一框架中耦合电学、热学和流体流动行为，研究者能够观察埋深、背景温度、土体导热率和土体渗透率如何相互作用，决定电缆的稳态工作温度及其允许电流。他们还将模型结果与既定工程标准进行了比对，发现预测的载流能力仅有小幅差异。

控制电缆温度的因素

模拟结果呈现出明确且有时令人意外的趋势。加深电缆埋深会持续升高导体温度，且随着深度增加该效应更明显，因为热量必须走更远的距离才能达到上方海水的冷却影响。较高的海床环境温度会整体上抬高系统温度：在相同电负荷下，几摄氏度的额外背景升温即可将电缆推至安全极限之上。土体导热率——热量在沉积物中传递的难易度——起着关键作用。在导热性差的土体中，温度随距离迅速衰减，电缆温度更高，从而剧烈限制其载流能力。在导热性较好的土体中，热量扩散更快，允许在不超过温度限值的情况下通过更高电流。

孔隙水运动的隐性助力

另一个重要因素是渗透率，它描述了水在土壤孔隙中流动的难易程度。在非常致密的土体（典型的黏土）中，模型显示即便渗透率在几个数量级变化也几乎不影响电缆温度，因为孔隙水几乎不流动，传导占主导。一旦渗透率超过约 10⁻¹¹ 平方米的阈值——更接近粗粉土或沙的情况——浮力驱动的流动变得重要。较暖且密度较小的孔隙水上升，较冷的下沉，形成环路流动路径，增强了热量的移除。在这一状态下，较高的渗透率会显著降低电缆温度，热量以反映内部流动的拉长模式扩散。

对工程造价的含义

鉴于电缆成本并非仅限于采购与安装，作者将热学结果与一个简明的经济模型相结合。他们把设备与安装费用与 30 年寿命期内作为热损失的能量价值以及例行维护相结合，计算了一个投资指标：总成本除以电缆的载流能力。指标越低表示每投入一美元能输送更多瓦特的电力。分析显示，较浅埋设、较高的土体导热率以及足够高的渗透率均能降低该指标，使项目更具成本效益。然而，过浅的埋深可能使电缆暴露于锚具、渔具和波浪的风险之下，因此工程师需在热学与经济优势与机械风险及监管要求之间权衡。

对海上能源的启示

对于关心海上风电未来的读者，这项研究传递的讯息很直接：海床并非单纯的被动背景。其温度、颗粒大小与水流路径深刻影响我们对连接海上风机与电网的电缆施加多大负荷是安全的，以及该连接在其寿命期内的成本。通过采用耦合的电—热—流模型，作者表明选择更凉、导热性更好且渗透率足够的沉积层——并避免不必要的深埋——可以在保证物理防护的前提下，实现更高的功率传输和更好的投资回报。

引用: 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

关键词: 海底电力电缆, 海上风电, 海床沉积物, 传热, 电缆可靠性