海底電纜故障原因分析及建議

崔 勝

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

海洋石油平臺(tái)的供配電方式有獨(dú)立電站的孤島模式、邊際油田無(wú)人平臺(tái)的光伏發(fā)電模式以及通過(guò)海底電纜供電的組網(wǎng)模式等等。目前，國(guó)內(nèi)海洋石油井口平臺(tái)大多數(shù)都是采用海底電纜進(jìn)行輸電的供配電模式。而隨著油田的不斷開(kāi)發(fā)、平臺(tái)的增多以及局部電力缺口的出現(xiàn)都促使海洋石油平臺(tái)向大組網(wǎng)方向發(fā)展，海底電纜的應(yīng)用更為廣泛，隨之而來(lái)的各類海纜故障也逐漸涌現(xiàn)。

通過(guò)對(duì)海纜故障的有效分析，可從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試、保護(hù)系數(shù)、埋設(shè)深度到海纜驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)方案和海纜相關(guān)保護(hù)設(shè)定等各個(gè)環(huán)節(jié)提出建議，從而為海底電纜更可靠的長(zhǎng)效運(yùn)行提供基礎(chǔ)。

1 海底電纜故障分析方法

1.1 海底電纜故障線索梳理方案

為全面地梳理故障線索，根據(jù)電力故障常用分析方法之一的因果法劃分為以下幾個(gè)部分，并逐一進(jìn)行分析。

（1）整體故障事件回顧；

（2）海纜的工廠制造；

（3）海纜的安裝調(diào)試；

（4）海纜的運(yùn)行階段；

（5）故障海纜拆解及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)；

（6）電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在得到以上各部分的檢查結(jié)論后，可以總結(jié)出海底電纜故障的主要原因，然后針對(duì)故障產(chǎn)生的具體原因探討預(yù)防和處理該類故障的推薦做法。

1.2 海底電纜整體故障事件回顧

此階段主要是調(diào)取海纜故障前后所有的相關(guān)信息進(jìn)行分析，包括：調(diào)用海纜相關(guān)斷路器綜合保護(hù)系統(tǒng)的故障錄波信息；PMS電站管理系統(tǒng)相關(guān)故障歷史記錄信息；各項(xiàng)故障時(shí)間順序記錄，確定故障時(shí)間點(diǎn)；采用低壓脈沖法確認(rèn)的故障點(diǎn)位置；水下機(jī)器人實(shí)地錄像信息；打撈海纜查看實(shí)際損傷情況等。同時(shí)調(diào)用船舶AIS系統(tǒng)確定故障區(qū)域附近船只記錄，確認(rèn)可能的肇事船只。

通過(guò)以上信息的回顧分析，可大致確認(rèn)海纜故障的主要原因，是否為外力損壞，相關(guān)保護(hù)動(dòng)作是否正常等。

1.3 海底電纜的工廠制造

此階段主要是調(diào)查海纜制造廠家的相關(guān)設(shè)計(jì)文件、工廠試驗(yàn)報(bào)告、型式試驗(yàn)報(bào)告等相關(guān)文件是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 60502、IEC 60840等）的要求。

通過(guò)此階段的文件分析，可確認(rèn)海纜制造廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品及相關(guān)試驗(yàn)是否合格合規(guī)，排除因海纜自身問(wèn)題造成的故障隱患。

1.4 海底電纜的安裝調(diào)試

此階段主要是對(duì)海纜現(xiàn)場(chǎng)安裝后進(jìn)行的耐壓試驗(yàn)報(bào)告的有效性進(jìn)行檢查。

對(duì)于耐壓試驗(yàn)，IEC 60502-2推薦兩種方式進(jìn)行試驗(yàn)：施加15 min的4倍額定電壓的直流耐壓試驗(yàn)以及15 min的1.7U0交流耐壓試驗(yàn)。對(duì)于交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜，并不推薦使用直流耐壓試驗(yàn)，因?yàn)橹绷髂蛪涸囼?yàn)會(huì)破壞XLPE電纜系統(tǒng)，同時(shí)直流耐壓試驗(yàn)對(duì)于XLPE是無(wú)效的。由于很多缺陷伴隨著局部放電現(xiàn)象，因此測(cè)試時(shí)會(huì)在絕緣薄弱處開(kāi)始累積“電樹(shù)”并且在一定的時(shí)間內(nèi)最終發(fā)生擊穿現(xiàn)象。當(dāng)使用交流電壓試驗(yàn)時(shí)，絕緣缺陷容易造成很多局部放電，進(jìn)而導(dǎo)致在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)發(fā)生擊穿。但是如果施加的電壓是直流的，那么可能沒(méi)有或者幾乎沒(méi)有局部放電現(xiàn)象產(chǎn)生，在試驗(yàn)時(shí)間以內(nèi)，很多薄弱點(diǎn)就不會(huì)被擊穿。

但是，由于交流耐壓試驗(yàn)所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備較大，在海洋石油平臺(tái)有限的空間內(nèi)難以布置，因此可以考慮IEC 60502-2所描述的另一種交流試驗(yàn)，采用施加工頻額定電壓并持續(xù)24 h的試驗(yàn)方案。

1.5 海底電纜的運(yùn)行階段

此階段主要是檢查海纜正常運(yùn)行時(shí)是否出現(xiàn)連續(xù)過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)而導(dǎo)致海纜絕緣老化的現(xiàn)象，通過(guò)調(diào)取平臺(tái)或PMS電站管理系統(tǒng)中的負(fù)荷記錄，可以直觀地看出是否存在該類問(wèn)題。

1.6 故障海纜拆解及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

此階段主要是針對(duì)打撈上來(lái)的故障海纜段，對(duì)此段海纜進(jìn)行分解，進(jìn)行脈沖故障定位，查看物理?yè)p傷點(diǎn)，通過(guò)損傷外觀可確定絕緣破壞點(diǎn)，判斷是否為機(jī)械外力損傷。

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段包含以下內(nèi)容：老化前的絕緣應(yīng)力試驗(yàn)以及拉伸試驗(yàn)、熱延伸試驗(yàn)、DSC（差示掃描量熱）試驗(yàn)、水樹(shù)試驗(yàn)等，其中的DSC試驗(yàn)是通過(guò)采用一種比較新穎、有效的熱分析技術(shù)，用以比較試驗(yàn)中測(cè)試樣品和參考樣品的熱流率（mJ/s）隨溫度變化的曲線。海纜所使用的化學(xué)材料如XLPE交聯(lián)聚乙烯材料與金屬材料相比具有比較寬的熔點(diǎn)，該特性使得分析以及獲取這些化學(xué)材料的溫度變化歷史情況成為可能，進(jìn)而可以判斷海底電纜是否經(jīng)歷了長(zhǎng)期的過(guò)負(fù)荷運(yùn)行。

1.7 故障海纜電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此階段對(duì)海纜所有相關(guān)設(shè)計(jì)文件，包括設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)、數(shù)據(jù)表、計(jì)算書(shū)、圖紙、完工資料、錄波記錄等進(jìn)行集中檢查，對(duì)可能影響系統(tǒng)穩(wěn)定性或與海纜事故相關(guān)的文件內(nèi)容進(jìn)行分析。

1.8 故障分析總結(jié)

通過(guò)以上各個(gè)部分的線索整理和分析，可以一覽海纜從設(shè)計(jì)到制造再到安裝投運(yùn)全過(guò)程中的所有故障隱患點(diǎn)，最終通過(guò)各個(gè)階段問(wèn)題匯總對(duì)比獲得一個(gè)完整的海底電纜故障分析結(jié)論，進(jìn)而針對(duì)故障的原因進(jìn)行總結(jié)建議，可為后期電纜穩(wěn)定運(yùn)行起到指導(dǎo)作用。

2 海底電纜故障實(shí)例分析

2.1 海底電纜故障情況概述

海上某油田群組網(wǎng)海纜發(fā)生故障，平臺(tái)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油田群平臺(tái)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，兩中心平臺(tái)間30 km長(zhǎng)的1號(hào)海底電纜發(fā)出差動(dòng)及零序故障報(bào)警，并跳掉35 kV高壓斷路器VCB1及VCB2，兩中心平臺(tái)解列運(yùn)行，而圖1中的另外一根2號(hào)海底電纜隨后也發(fā)生了差動(dòng)及零序故障報(bào)警，并跳掉35 kV高壓斷路器VCB3和VCB4，使其所供電的井口平臺(tái)失電。

2.2 海底電纜故障實(shí)例分析

按照上述故障分析方法，筆者對(duì)本次海底電纜故障進(jìn)行了全面分析，過(guò)程如下：

（1）整體故障事件回顧：通過(guò)調(diào)取事件記錄和故障錄波并查詢當(dāng)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試報(bào)告，確認(rèn)當(dāng)時(shí)30 km長(zhǎng)的1號(hào)海底電纜B相對(duì)地絕緣為0，通過(guò)低壓脈沖法測(cè)量的結(jié)果是故障點(diǎn)位于圖1中的1號(hào)海底電纜15.7 km處，查閱水下機(jī)器人及聲吶探測(cè)記錄，在故障點(diǎn)處有錨纜拖痕，同時(shí)查詢AIS記錄，當(dāng)時(shí)有船舶在故障時(shí)間段及故障地點(diǎn)附近停留，初步判定船舶拖錨劃傷電纜為海纜故障原因之一，但是另外一根無(wú)故障的2號(hào)海底電纜，1號(hào)海纜短路故障對(duì)于2號(hào)海纜的差動(dòng)保護(hù)是屬于保護(hù)區(qū)外故障，不應(yīng)出現(xiàn)保護(hù)跳閘現(xiàn)象，此時(shí)發(fā)出報(bào)警和跳閘信號(hào)的現(xiàn)象是有疑問(wèn)的。

（2）海纜工廠制造階段：通過(guò)對(duì)相關(guān)試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)廠家沒(méi)有按照IEC 60840進(jìn)行的抽樣試驗(yàn)報(bào)告，同時(shí)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)廠家按照IEC 60840進(jìn)行的局部放電試驗(yàn)的報(bào)告。

（3）海底電纜的安裝調(diào)試階段：對(duì)此階段已完成的絕緣電阻試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)直流耐壓試驗(yàn)沒(méi)有按照IEC 60502-2進(jìn)行，IEC 60502-2要求的是施加15 min的4倍額定電壓的直流耐壓試驗(yàn)，而現(xiàn)場(chǎng)使用了1.5倍額定電壓的直流耐壓試驗(yàn)，但是由于直流耐壓試驗(yàn)會(huì)破壞XLPE電纜系統(tǒng)，且現(xiàn)場(chǎng)無(wú)足夠空間來(lái)進(jìn)行15 min的1.7U0交流耐壓試驗(yàn)，因此建議海洋石油平臺(tái)海纜在此階段的試驗(yàn)使用IEC 60502-2所描述的施加工頻額定電壓并持續(xù)24 h的試驗(yàn)方案。

（4）海纜的運(yùn)行階段：通過(guò)檢查平臺(tái)負(fù)荷記錄，發(fā)生故障時(shí)此海纜傳輸功率一直很小，不存在長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷運(yùn)行造成絕緣老化的情況，因此排除此故障原因的可能性。

（5）故障海纜拆解及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)：通過(guò)對(duì)打撈上來(lái)的故障段海纜進(jìn)行拆解分析，海纜故障處有明顯的機(jī)械外力損傷，在實(shí)驗(yàn)室DSC試驗(yàn)下，結(jié)果顯示，沒(méi)有線索表明電纜曾經(jīng)在比較高的溫度下運(yùn)行（比如過(guò)高的負(fù)載），再次排除過(guò)負(fù)載造成絕緣老化的可能。

（6）電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件檢查分析：通過(guò)對(duì)各類海纜相關(guān)設(shè)計(jì)文件的檢查，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)文件未針對(duì)海纜埋設(shè)深度做明確要求，實(shí)際海纜埋設(shè)深度為1.5 m左右，而根據(jù)事故發(fā)生時(shí)停留在現(xiàn)場(chǎng)的船舶估算，拋錨深度可能在2.7 m左右，因此海纜埋設(shè)深度不足。同時(shí)，對(duì)于非故障海纜的差動(dòng)保護(hù)響應(yīng)區(qū)外短路并動(dòng)作的原因，查明是因?yàn)?號(hào)海底電纜兩側(cè)斷路器所配備的差動(dòng)電流互感器（CT）變比不同，但是繼電保護(hù)整定時(shí)未根據(jù)此處變比的不同來(lái)進(jìn)行有針對(duì)性的保護(hù)定值設(shè)定，導(dǎo)致不平衡電流測(cè)量值被放大，進(jìn)而發(fā)生誤動(dòng)作。

（7）結(jié)論：通過(guò)對(duì)以上幾個(gè)階段的內(nèi)容分析，得出本次海纜故障的主要原因是因外力損傷所致，而通過(guò)對(duì)電纜損傷處外觀的形狀對(duì)比，結(jié)論也指向了船舶船錨，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室結(jié)果也證明了海纜無(wú)過(guò)載運(yùn)行絕緣老化現(xiàn)象。對(duì)于另外一根無(wú)故障的2號(hào)海底電纜跳閘問(wèn)題，原因在于海纜兩側(cè)所配備的差動(dòng)CT變比不同，而繼電保護(hù)整定設(shè)計(jì)時(shí)未做針對(duì)性設(shè)計(jì)而造成的。

2.3 相關(guān)建議

（1）廠家應(yīng)按照IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于安裝后的海纜耐壓試驗(yàn)，受海洋平臺(tái)空間制約，建議使用IEC 60502-2所描述的施加工頻額定電壓并持續(xù)24 h的試驗(yàn)方案。

（2）海纜敷設(shè)深度應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算，保證埋設(shè)深度以應(yīng)對(duì)此類船舶拖錨造成的損害。

（3）未來(lái)進(jìn)行海纜的差動(dòng)保護(hù)設(shè)定時(shí)，協(xié)調(diào)好不同配電盤廠家，使得同一海纜兩端的差動(dòng)CT變比相同，降低后續(xù)設(shè)計(jì)失誤的可能性。

3 結(jié)語(yǔ)

海底電纜在海洋平臺(tái)供配電系統(tǒng)中占有非常重要的地位，是各平臺(tái)電力輸送的紐帶，因此，做好海底電纜的保護(hù)工作是安全生產(chǎn)的重要保證，通過(guò)對(duì)海底電纜故障進(jìn)行分析，可為進(jìn)一步做好未來(lái)海底電纜的保護(hù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。