提高海底電纜可靠性的設(shè)計(jì)研究

韓志軍，陳 光，靳憲瑤

（1.東北電力設(shè)計(jì)院，長春 130021；2.大連電力勘察設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 大連 116011）

隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的超高壓、遠(yuǎn)距離、大容量的發(fā)展趨勢使得供電事故對于國民經(jīng)濟(jì)所造成的損失無法估量，所以，提高供電質(zhì)量，降低供電事故率，提高供電可靠性是當(dāng)今市場化大環(huán)境下對電力行業(yè)提出的新要求。由于海底電纜工程造價(jià)高，發(fā)生故障通常沒有備用線路，故障維修的費(fèi)用昂貴且周期很長，因此海底電纜的無故障運(yùn)行顯得尤為重要，為此提出了基于可靠性方面的研究。

1 海底電纜故障率調(diào)查及故障因素

國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）負(fù)責(zé)定期收集海底電纜可靠性的數(shù)據(jù)［1］，結(jié)合1950～1980年的海纜運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，給出海纜的故障率為0.32次／（a·100 km），這個故障率是在小部分海纜有保護(hù)的情況下得出的。由于海底電纜的保護(hù)率已經(jīng)大幅提高，而且勘測方法、電纜設(shè)計(jì)和安裝方法都有很大發(fā)展，因此目前海纜故障率非常低，其中有82%發(fā)生在電纜本體，18%發(fā)生在接頭［1］。電纜本體故障的主要原因是外力破壞，接頭故障的主要原因是不良的工程設(shè)計(jì)、安裝或維護(hù)。國際大電網(wǎng)會議2009年報(bào)告［1］的海纜故障率匯總見表1。由于一個回路通常包括有2、3或4根電纜，因此每千米電纜的故障率會更低。

表1 海底電纜的故障率

表2列出了一些大型的高壓直流海纜線路在1998年發(fā)生的故障情況，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)計(jì)算，海纜機(jī)械故障原因的故障率為0.264次／（a·100 km），內(nèi)部故障原因的故障率為0.0143次／（a·100 km），質(zhì)量較差的海纜或者不當(dāng)?shù)陌惭b方法引起的故障占海纜故障的大部分［1］。

對于不同的海域、不同的電纜類型來說，損傷原因差異較大，人為因素造成的損害占絕大多數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，漁業(yè)捕撈約占52%，疏?；蜚@井約占1%，魚類咬傷約占2%，錨害損傷約占18%，地震或泥沙運(yùn)動約占3%，海底電纜敷設(shè)船作業(yè)約占1%，海底電纜的自由懸掛約占5%，其他原因約占18%［1］。

表2 一些大型的高壓直流海纜線路在1998年發(fā)生的故障

2 提高海底電纜可靠性的設(shè)計(jì)建議

2.1 路徑選擇方面

海底電纜路徑是在海洋勘探的基礎(chǔ)上，經(jīng)過分析比較而確定的。在分析比較時(shí)需對各種因素進(jìn)行綜合考慮，如電纜類型、敷設(shè)方式、漁業(yè)捕撈、錨地區(qū)、航道區(qū)、地震和火山活動、船舶殘骸及海底地形和海床地質(zhì)情況等。同時(shí)需要注意河道入?？?、巖石地帶、移動沙坡區(qū)、海底峽谷和陡坡、廢棄物傾倒區(qū)、強(qiáng)水流區(qū)和軍事訓(xùn)練區(qū)等［2］，一般情況下應(yīng)避免與其他海底電纜和管線交叉，這些因素都有可能降低海底電纜的可靠性，必須予以避讓。

2.2 海纜及附件選型方面

直流電纜絕緣類型主要有高粘性浸漬紙絕緣電纜、充油電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜。交聯(lián)聚乙烯直流電纜主要具有以下4個特點(diǎn)：一是軟化點(diǎn)高，熱變形小，在高溫下機(jī)械強(qiáng)度大，抗熱老化性能好，相同輸送容量下所用的導(dǎo)體截面??；二是電纜的單位長度質(zhì)量和直徑相對較小，對施工設(shè)備要求較低；交聯(lián)聚乙烯為熱固性材料，其機(jī)械性能及抗彎曲能力優(yōu)異，敷設(shè)時(shí)彎曲半徑較小，電纜在設(shè)計(jì)、制造和敷設(shè)安裝中相對方便；三是交聯(lián)聚乙烯電纜為免維護(hù)的，不需要附屬設(shè)施；四是交聯(lián)聚乙烯電纜耐酸、堿，抗腐蝕，幾乎沒有環(huán)境龜裂現(xiàn)象。充油電纜具有運(yùn)行可靠性較高、無老化問題、防水性能良好等優(yōu)點(diǎn)，且具有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其主要缺點(diǎn)是敷設(shè)受高差限制，并且需要一整套的供油系統(tǒng)和告警系統(tǒng)，增加了運(yùn)行維護(hù)成本，線路較長時(shí)無法保證電纜內(nèi)有足夠的油流，且一旦漏油會造成環(huán)境污染。高粘性浸漬紙絕緣電纜運(yùn)行電壓高，對環(huán)境影響小，使用不受路由長度的限制，缺點(diǎn)是導(dǎo)體運(yùn)行溫度低，在相同輸送容量下，導(dǎo)體截面增加較大，成本高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，交聯(lián)聚乙烯電纜的故障率要比油浸紙絕緣電纜小得多（見表1），因此交聯(lián)聚乙烯電纜與高粘性浸漬紙絕緣電纜和充油電纜相比具有更高的安全可靠性。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對于重要電源線需要保持連接具有高可靠性回路的電力電纜應(yīng)采用銅芯；在給定工作溫度和電場強(qiáng)度的條件下，需選擇絕緣厚度以保證電纜在預(yù)期壽命期限內(nèi)擊穿概率低于某一可接受水平?？紤]到安裝和修復(fù)的困難，海底電纜可采用比陸上電纜更厚的絕緣，以減小電場強(qiáng)度，降低發(fā)生電氣故障的風(fēng)險(xiǎn)。鎧裝保護(hù)電纜可以抵御外界機(jī)械性損傷，應(yīng)根據(jù)海纜路由的張力穩(wěn)定性、外部危害形式和保護(hù)要求設(shè)計(jì)鎧裝層。海底電纜工程在淺海區(qū)一般采用較為重型的鎧裝，在深海區(qū)一般采用較為輕型的鎧裝，因?yàn)樵跍\海區(qū)出現(xiàn)外力破壞危險(xiǎn)比較頻繁，而重型的鎧裝有相對較好的抵抗捕魚機(jī)械和錨害的能力。海底電纜在生產(chǎn)和制造過程中盡可能少的使用工廠接頭，在敷設(shè)時(shí)不允許有施工接頭，工廠接頭應(yīng)與現(xiàn)場修理接頭有相同的機(jī)械和電氣性能，這樣可在一定程度上降低由于電纜接頭引起的故障率，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.3 運(yùn)行維護(hù)方面

采用安全、可靠、準(zhǔn)確的海底電纜監(jiān)測技術(shù)，建立相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，通過對海面環(huán)境監(jiān)控，海纜在線狀態(tài)監(jiān)控和加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)等措施，為海底電纜的安全運(yùn)行提供可靠的保障。

為了保證海纜的安全，可采用雷達(dá)監(jiān)控、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、海纜AIS（自動識別系統(tǒng)）綜合監(jiān)控系統(tǒng)、警示標(biāo)志系統(tǒng)、遠(yuǎn)程語音警告系統(tǒng)等海面環(huán)境監(jiān)控技術(shù)來控制或監(jiān)控海面船只的活動，向船舶發(fā)布通行告示，在出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，能夠進(jìn)行多方聯(lián)絡(luò)、搶險(xiǎn)和調(diào)度指揮等。

海纜在線狀態(tài)監(jiān)控是一種利用計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)以及光纖特性測量技術(shù)，對海纜進(jìn)行分布式的實(shí)時(shí)監(jiān)測，將光纖線路的狀況信息進(jìn)行收集、處理、存儲和遠(yuǎn)傳，并實(shí)現(xiàn)對海纜傳輸性能動態(tài)調(diào)節(jié)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。海纜在線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)一般由以下4部分構(gòu)成：用于監(jiān)視海纜運(yùn)行及環(huán)境溫度的測溫系統(tǒng)；用于精確故障損傷確定的定位系統(tǒng)；用于遠(yuǎn)方控制海纜負(fù)荷變化及進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的動態(tài)容量調(diào)節(jié)系統(tǒng)；海底電纜海底狀況（埋深、沖刷、磨損破壞）監(jiān)控系統(tǒng)。電纜運(yùn)維單位通過在線狀態(tài)監(jiān)控可及時(shí)發(fā)現(xiàn)海纜的異常情況并采取主動措施來保護(hù)海纜免受一些極端環(huán)境條件的損害，如過電壓、過熱、外力破壞和疲勞等，對海底電纜的運(yùn)行維護(hù)采取主動的控制可以提高電纜線路的可靠性。

電纜運(yùn)維單位可通過對電纜進(jìn)行維護(hù)來保持電纜長期的、高可靠性的運(yùn)行。海底電纜運(yùn)維措施主要包括4個方面：設(shè)置警示裝置，在海纜的登陸點(diǎn)附近設(shè)置警示裝置也是防止海纜受到損壞的重要措施；宣傳與教育，在海纜路由附近設(shè)置保護(hù)區(qū)或者禁錨區(qū)，使本地和過往船只的人員引起重視，告知民眾保護(hù)海纜的重要性；定期檢測、巡線和維護(hù)有關(guān)設(shè)施；從海底電纜完整性管理的角度出發(fā)，定期開展海底電纜的風(fēng)險(xiǎn)評估，識別出各個環(huán)節(jié)所存在的風(fēng)險(xiǎn)，并明確風(fēng)險(xiǎn)的大小和所能造成的后果，提前采取針對性較強(qiáng)的預(yù)防措施，保障海底電纜安全、有效的運(yùn)行。

2.4 保護(hù)方式方面

由于海底情況復(fù)雜，保護(hù)施工困難，施工費(fèi)用高，不可能無限制增加保護(hù)措施，因此，需采用符合工程實(shí)際、技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的海纜施工保護(hù)方式。海底電纜保護(hù)應(yīng)根據(jù)海水深度、海床地質(zhì)情況、海面船舶通行情況、電纜風(fēng)險(xiǎn)程度、維修代價(jià)等綜合考慮，采取合理的機(jī)械保護(hù)方案。埋設(shè)是國際上最常用的海底電纜保護(hù)施工方法，一般適用于海床底質(zhì)較軟，容易沖埋的區(qū)域，選用刀式或水沖式埋設(shè)犁可直接將海纜埋入泥土中；對于無法避讓的巖石較淺的地區(qū)，受機(jī)械設(shè)備和工期的限制埋入地下的方式難以實(shí)現(xiàn)，一般可采取人工覆蓋物保護(hù)電纜，常見的有套管、混凝土蓋板、水泥墊和拋石保護(hù)等。

3 小結(jié)

本文通過對海底電纜工程的可靠性調(diào)查和故障統(tǒng)計(jì)，給出造成海底電纜故障的自然因素、人為因素及電纜本身因素，對上述因素進(jìn)行總結(jié)分析，結(jié)合工程設(shè)計(jì)在路徑選擇、海纜及附件選型、運(yùn)行維護(hù)和保護(hù)方式等方面進(jìn)行可靠性分析，最終詳細(xì)闡述了提高海底電纜可靠性的設(shè)計(jì)建議。

［1］應(yīng)啟良，徐曉峰，孫建生.海底電力電纜設(shè)計(jì)、安裝、修復(fù)和環(huán)境影響［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］韓志軍，陳光.海底電纜登陸點(diǎn)及路徑選擇研究［J］.吉林電力，2013，41（2）：7－9.