XLPE絕緣海底電纜的應(yīng)用及試驗(yàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

高鑫

摘 要：本文主要闡述了XLPE絕緣海底電纜的結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)海底電纜的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說明。

關(guān)鍵詞：XLPE絕緣海底電纜；分布式光纖檢測(cè)技術(shù)；局放檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TM247 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 XPLE海纜結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

1.1 單芯和三芯XLPE海纜

如圖1和圖2所示，XLPE絕緣海底電纜可分為單芯和三芯兩種。

如圖1所示，單芯XLPE 海底電纜基本結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外是線芯、內(nèi)屏蔽層、絕緣層、外屏蔽層、綜合防水層、金屬屏蔽層及外護(hù)層。單芯XLPE直流海底電纜因?yàn)橹挥幸桓€芯，制作成本低，單位重量和產(chǎn)品外徑相對(duì)三芯海纜都很小。且在長(zhǎng)距離的運(yùn)輸中一般輸送容量比較大且運(yùn)行電壓很高，單芯導(dǎo)體海底電纜的機(jī)械抗拉能力和線芯面積都可滿足要求。所以，大多數(shù)的海纜都會(huì)采用單芯XLPE絕緣電纜。

1.2 XPLE海纜絕緣試驗(yàn)

如圖2所示，相比單芯XLPE海底電纜，三芯XLPE海底電纜最難的工藝在于大長(zhǎng)度的高壓電力線芯成纜的絞合過程。對(duì)于相同的單位導(dǎo)體截面時(shí)，且在大容量長(zhǎng)距離的海底電纜工程中，三芯XLPE海底電纜在運(yùn)行過程中損耗更小，更是節(jié)省了生產(chǎn)、敷設(shè)及運(yùn)維成本。

1.3 直流和交流XLPE海纜

XLPE絕緣海底電纜同時(shí)也分為直流和交流兩種。區(qū)別于交流XLPE海底電纜最大的一點(diǎn)是，直流海底電纜一般采用單芯電力線芯，即單芯XLPE海底電纜。直流XLPE海底電纜的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：（1）采用高壓直流輸電方式，不存在無功補(bǔ)償問題。同時(shí)磁滯損耗、渦流損耗及環(huán)流損耗等問題，傳輸距離更長(zhǎng)，載流量更大；（2）可靈活調(diào)節(jié)線路的功率和電流，以滿足在不同或相同頻率下交流系統(tǒng)間的非同步聯(lián)網(wǎng)；（3）有效減少海纜工程的工程量和施工空間，是交流XLPE海底電纜施工量的2/3，而海纜路由占用海床的空間也只有其的1/2。

相對(duì)于交流XLPE海底電纜，直流海底電纜在絕緣層尺寸和材料特性上更加復(fù)雜。其采用的直流輸電方式亦存在固有的弊端：（1）不斷在絕緣層累積的空間負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)畸變，而導(dǎo)致絕緣層的絕緣性能下降。同時(shí)，由于絕緣層溫度分布特性和絕緣線芯結(jié)構(gòu)的影響，絕緣層電場(chǎng)呈電阻性分布。所以，需結(jié)合絕緣層的熱場(chǎng)和電場(chǎng)的耦合問題來考慮直流海底電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）直流系統(tǒng)單極運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電腐蝕對(duì)海底設(shè)備傷害比較大；（3）交流輸電方式在諧波控制方面更具有優(yōu)勢(shì)；（4）直流輸電必須采用環(huán)流設(shè)備，投資成本和換流損耗成本都比較高。

直流和交流XLPE海底電纜從投資成本、運(yùn)維成本及損耗成本相比較，在海底電纜工程輸電距離較短時(shí)，直流系統(tǒng)的換流設(shè)備成本和換流成本遠(yuǎn)大于交流海底電纜的損耗成本。這時(shí)采用交流輸電方式更具有經(jīng)濟(jì)性。而輸電距離超過臨界值（約為57 km）后，輸電線路越長(zhǎng)，直流海底電纜的成本和線路損耗低的優(yōu)勢(shì)就更加明顯。所以，直流輸電方式更加適用于長(zhǎng)距離的海底電纜工程。

2 XLPE絕緣海纜故障及監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 XLPE絕緣海底電纜故障原因

隨著海洋各類開發(fā)活動(dòng)的增加，海底電纜的安全性日趨重要。造成海底電纜故障的主要原因表現(xiàn)為：（1）漁船拋錨引發(fā)的海底電纜機(jī)械損傷；（2）電纜和電纜護(hù)管之間、海底電纜交叉點(diǎn)之間等的摩擦?xí)p害絕緣層和電纜護(hù)層，從而破壞海纜的絕緣性能；（3）地殼變動(dòng)或潮汐等自然環(huán)境的不可抗拒的運(yùn)動(dòng)可形成強(qiáng)拉力使海底電纜擺動(dòng)和位移而造成損傷；（4）海水腐蝕、海洋微生物附著海纜表面腐蝕等也容易造成海底電纜的阻水性能變差和絕緣老化。

2.2 XLPE絕緣海底電纜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

針對(duì)XLPE海底電纜發(fā)生故障時(shí)的溫度變化和應(yīng)變變化主要采用海底電纜復(fù)合光纖作為分布式傳感器元件來進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量。分布式光纖檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底電纜實(shí)時(shí)的全線路在線監(jiān)測(cè)，且耐腐性能良好、抗干擾性強(qiáng)、精度高，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)海底電纜的故障。目前主要有兩種分布式光纖傳感技術(shù)，但兩者都有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。具體表現(xiàn)在于：一是基于拉曼散射的光纖傳感技術(shù)，主要是應(yīng)用了基于拉曼散射的光時(shí)域反射儀通過獲取海底電纜上的溫度分布信息來實(shí)現(xiàn)沿著光纖的全分布式溫度測(cè)量，以達(dá)到監(jiān)測(cè)海底電纜的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況；光時(shí)域反射儀有著高精度的溫度分辨率，但卻無法測(cè)量光纖的應(yīng)變變化，即無法監(jiān)測(cè)海纜的機(jī)械損傷情況。這是它很大的一個(gè)弊端；二是基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)，通過測(cè)量沿光纖長(zhǎng)度方向的布里淵散射光的頻移和強(qiáng)度來同時(shí)獲取海底電纜的應(yīng)變變化和溫度變化。但不可避免地采納測(cè)量量布里淵散射光的頻移和強(qiáng)度會(huì)受到應(yīng)變和溫度的交叉影響，而影響測(cè)量精度。

2.3 XLPE絕緣海底電纜絕緣試驗(yàn)技術(shù)

對(duì)海底電纜進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)和局部放電檢測(cè)手段是檢測(cè)海底電纜絕緣性能最直觀最有效的試驗(yàn)方法。工頻耐壓試驗(yàn)的方法主要有變頻諧振法、阻尼振蕩波法、超低頻電壓法3種，其中變頻諧振法是最常用的方法，相比其他兩種方法，其具有較高的便捷性和安全性。而局部發(fā)電檢測(cè)是利用傳感單元將海底電纜絕緣劣化而引起的局放信號(hào)耦合到觀測(cè)系統(tǒng)中。海底電纜局部放電檢測(cè)方法有很多種，目前XLPE絕緣海底電纜主要用脈沖電流法、超高頻法及高頻電流法這3種局部放電檢測(cè)方法?；趩我坏木植糠烹姍z測(cè)方法有一定的局限性，現(xiàn)場(chǎng)一般都會(huì)聯(lián)合應(yīng)用多種局部放電檢測(cè)方法，以相互彌補(bǔ)不足，提高檢測(cè)的精度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海底電纜的缺陷診斷和故障定位。

結(jié)語(yǔ)

XLPE絕緣海底電纜隨著海洋開發(fā)活動(dòng)日益增加而越來越廣泛應(yīng)用，但其絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝、試驗(yàn)技術(shù)及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)還有待提高和研究，以確保其更加安全更加穩(wěn)定的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] GB 50217—2007，電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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