不同交流海底電纜系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)方法的差異分析

肖敬成

(上海國纜檢測股份有限公司,上海 200444)

0 引 言

隨著全世界對清潔能源需求的增加,依托于擠包絕緣高壓交流海底電纜的海上風(fēng)力發(fā)電工程在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展。我國海上風(fēng)電資源豐富,相比于陸上風(fēng)電資源,到達(dá)沿海等高能源需求地區(qū)的距離短、成本低,適合大規(guī)模開發(fā)。海底電纜系統(tǒng)也隨著海上風(fēng)電的大力建設(shè)而快速發(fā)展。海底電纜的快速發(fā)展帶動了技術(shù)的進(jìn)步,相應(yīng)的技術(shù)文件和標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新和完善。目前,國內(nèi)外對交流海底電纜的生產(chǎn)制造與考核主要依據(jù)國際電工委員會(IEC)發(fā)布的IEC 標(biāo)準(zhǔn)、國際大網(wǎng)會議(CIGRE)發(fā)布的CIGRE TB 技術(shù)手冊和中國國家標(biāo)準(zhǔn)[1]。

隨著試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的增加和修訂,形成了較完整的規(guī)范體系,包括CIGRE 規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)。國際電工委員會在2019 年也發(fā)布了唯一一個(gè)與海底電纜相關(guān)的IEC 標(biāo)準(zhǔn)。目前,主要應(yīng)用的交流海底電纜國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文件由于適用的電壓等級、使用環(huán)境、技術(shù)側(cè)重等情況不同,在機(jī)械試驗(yàn)、透水試驗(yàn)等海底電纜特殊試驗(yàn)的方法和技術(shù)要求上存在一定的差異。本工作對海底電纜系統(tǒng)機(jī)械試驗(yàn)、三芯海底電纜電氣試驗(yàn)和透水試驗(yàn)等海底電纜系統(tǒng)重點(diǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目在不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的差異進(jìn)行了討論。

1 國內(nèi)外海底電纜標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范

與陸地電纜相比,由于海底電纜在敷設(shè)或打撈過程中經(jīng)受機(jī)械力,且在海水中運(yùn)行,所以在不同的海底電纜標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)文件中,除電氣試驗(yàn)與相應(yīng)電壓等級陸地電纜標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法基本一致外,對機(jī)械試驗(yàn)方法、透水試驗(yàn)方法也進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。目前,國內(nèi)外常用的海底電纜標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范見表1。

表1 常用海底電纜標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范

2 機(jī)械試驗(yàn)標(biāo)規(guī)的差異分析

2.1 卷繞試驗(yàn)

海底電纜制造收貯和轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中,在儲纜池或敷設(shè)船沒有主動收放線的情況下,海底電纜將經(jīng)受扭轉(zhuǎn),繼而在海底電纜中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,因此有必要用卷繞試驗(yàn)來檢驗(yàn)海底電纜是否受損。卷繞試驗(yàn)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有JB/T 11167—2011、CIGRE TB 490(2012)、CIGRE TB 623(2015)、GB/T 32346.1—2015、GB/T 41629.1—2022、IEC 63026:2019。其中,卷繞試驗(yàn)均要求卷繞次數(shù)等于電纜在制造、儲存、運(yùn)輸和敷設(shè)過程中預(yù)期進(jìn)行卷繞作業(yè)的次數(shù);卷繞高度不超過任何卷繞操作的高度;接頭間及接頭和電纜末端的距離至少為兩整圈電纜。

不同標(biāo)準(zhǔn)在卷繞圈數(shù)、工廠接頭數(shù)量和最小卷繞直徑上存在差異。不同標(biāo)準(zhǔn)對卷繞圈數(shù)及工廠接頭數(shù)量的規(guī)定見表2。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)對卷繞圈數(shù)及工廠接頭數(shù)量的規(guī)定

最小卷繞直徑的規(guī)定直接影響卷繞試驗(yàn)中電纜的排列方式。根據(jù)IEC 63026:2019 規(guī)定,應(yīng)記錄工廠接頭所在位置的最小直徑,確保工廠接頭的位置在制造商規(guī)定的最小直徑上[3],電纜可以由內(nèi)向外平鋪排列。其他標(biāo)準(zhǔn)中,電纜和工廠接頭需要滿足制造商規(guī)定的最小直徑[4-8],電纜須由下至上進(jìn)行排列。

IEC 63026:2019 和CIGRE TB 623(2015)對三芯海底電纜中接頭數(shù)量和距離做了更詳細(xì)的描述。三芯海底電纜分相接頭的數(shù)量取決于電纜的結(jié)構(gòu)。接頭處鎧裝層外徑增加的部分被認(rèn)為是“機(jī)械特殊的部件”,若兩個(gè)“機(jī)械特殊的部件”之間距離至少為一個(gè)外鎧裝節(jié)距,則認(rèn)為兩個(gè)“機(jī)械特殊的部件”之間不會相互影響,被視為機(jī)械獨(dú)立,反之為非機(jī)械獨(dú)立,接頭位置示意圖見圖1。

圖1 三芯海底電纜接頭位置示意圖

機(jī)械獨(dú)立時(shí),接頭的數(shù)量和距離可以參照單芯電纜,在接頭端和測試電纜長度的最近端之間保持至少兩整圈線圈的距離;非機(jī)械獨(dú)立時(shí),三芯海底電纜分相接頭的數(shù)量應(yīng)與交貨電纜中的接頭數(shù)量一致[3,6],若電纜中接頭間距離小于1 個(gè)外鎧裝節(jié)距,那么被測海底電纜中應(yīng)至少包括三相接頭,且每一相接頭間的距離應(yīng)與交貨電纜中“機(jī)械相關(guān)”的每相接頭的距離保持一致。

2.2 張力彎曲試驗(yàn)

對于海底電纜張力彎曲的試驗(yàn)方法和規(guī)定,幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中均沒有很大差異,但是關(guān)于張力彎曲力的計(jì)算方法在CIGRE TB 623 (2015)中進(jìn)行了修訂。在CIGRE TB 623 (2015)發(fā)布之前,各標(biāo)準(zhǔn)中張力彎曲力計(jì)算方法均采用Electra No.171 中的方法,對0～500 m 敷設(shè)水深海底電纜的試驗(yàn)張力計(jì)算公式為[9]

式中:T為試驗(yàn)張力,N;W為1 m 電纜水中重量(電纜自重減去排開的同體積水重),N·m-1;d為最大敷設(shè)水深,m;H為安裝期間最大預(yù)期水底接觸點(diǎn)對電纜的張力,N。

d取最小規(guī)定值200 m 時(shí),H的計(jì)算公式為

CIGRE TB 623 (2015)中敷設(shè)水深為0～500 m時(shí)的張力計(jì)算與Electra No.171 中的相比,主要變化如下。

1)公式(1)中系數(shù)取值1.3,考慮到敷設(shè)和修復(fù)引起的額外張力及敷設(shè)和修復(fù)情況下的動態(tài)力而附加的力。CIGRE TB 623 (2015)中依然采用這個(gè)系數(shù),在有效波高(Hs)不大于2 m 時(shí)適用,但當(dāng)Hs大于2 m 時(shí),張力彎曲力需選擇敷設(shè)水深大于500 m時(shí)的公式進(jìn)行計(jì)算[6]。

2)安裝期間,最大預(yù)期底部張力H是水平方向上的力[6],與敷設(shè)水深無關(guān),在CIGRE TB 623 (2015)中規(guī)定H不應(yīng)小于40 N,意味著海底電纜在著陸點(diǎn)的最小彎曲半徑為40 m,如果半徑大于40 m,則應(yīng)選擇更大的張力。

3)CIGRE TB 623 (2015)刪除了Electra No.171 中建議的海底電纜直接從電纜溝槽被拉起時(shí)的額外張力5～20 kN,認(rèn)為這種做法并不常見,且對這個(gè)力值不是非常確定[6]。

CIGRE TB 623 (2015) 中對敷設(shè)水深大于500 m 時(shí)靜態(tài)張力的計(jì)算與Electra No.171 中保持一致,僅對動態(tài)張力的部分進(jìn)行了修訂,動態(tài)張力的計(jì)算由慣性力DI和拖拽力DD共同組成,這兩個(gè)參數(shù)均與實(shí)際敷設(shè)時(shí)的條件有關(guān)。

3 三芯海底電纜試驗(yàn)芯數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的差異

在不同標(biāo)準(zhǔn)中,對三芯海底電纜在型式試驗(yàn)或預(yù)鑒定試驗(yàn)中電氣試驗(yàn)試驗(yàn)芯數(shù)的規(guī)定見表3。

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對三芯海底電纜試驗(yàn)芯數(shù)的規(guī)定

目前,在型式試驗(yàn)中,電壓等級66 kV 及以上的三芯海底電纜在電氣試驗(yàn)時(shí)通常在其中一芯上進(jìn)行,預(yù)鑒定試驗(yàn)也是在其中一芯上進(jìn)行。參照IEC 63026:2019 執(zhí)行的型式試驗(yàn)均在三芯上進(jìn)行。三芯海底電纜針對一芯進(jìn)行試驗(yàn)和在三芯上均進(jìn)行試驗(yàn)的主要區(qū)別為對導(dǎo)體加熱時(shí)鋼絲鎧裝上是否產(chǎn)生渦流。使用三相交流電源對三芯導(dǎo)體加熱,三相電流之間的相角為120°,在鎧裝鋼絲上不會產(chǎn)生渦流損耗,鋼絲鎧裝不會發(fā)熱,和三芯海底電纜在實(shí)際運(yùn)行時(shí)保持一致。

4 海底電纜透水試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的差異

海底電纜透水試驗(yàn)方法主要包括導(dǎo)體的縱向透水,金屬套下的縱向透水和接頭的徑向透水,不同標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文件中的透水規(guī)定見表4。表4 中預(yù)處理的導(dǎo)體透水樣品取自經(jīng)機(jī)械試驗(yàn)的樣品,金屬套下的透水樣品不必經(jīng)機(jī)械試驗(yàn),試驗(yàn)前須受3 次熱循環(huán);試驗(yàn)用水為自來水或鹽水;d為申明最大敷設(shè)水深,m;d1為申明導(dǎo)體最大透水距離,m;d2為申明金屬屏蔽最大透水距離,m。

表4 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對海底電纜透水試驗(yàn)試驗(yàn)條件的差異

不同標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范除在表4 中對透水試驗(yàn)條件規(guī)定的差異外,還有以下幾點(diǎn)重要的差異。

1)IEC 63026:2019 中規(guī)定,導(dǎo)體透水的樣品,其規(guī)定導(dǎo)體的一端在試驗(yàn)設(shè)備中,另一端應(yīng)該暴露在試驗(yàn)設(shè)備外。其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,試驗(yàn)樣品的一端應(yīng)該密封,另一端去除導(dǎo)體外的包覆層露出導(dǎo)體,樣品兩端均安裝在試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部,試驗(yàn)樣品安裝方式見圖2[3,5]。

圖2 試驗(yàn)樣品安裝方式

2)IEC 63026:2019 中規(guī)定,在透水試驗(yàn)后對接頭的導(dǎo)體和水之間施加25 kV 的直流電壓[3],以驗(yàn)證是否有水分侵入。

3)GB/T 41629.1—2015 中規(guī)定了金屬套與鎧裝短接點(diǎn)透水試驗(yàn)。電纜采用絕緣護(hù)套時(shí),為解決電纜金屬套上感應(yīng)電壓,對電纜的金屬套和鎧裝之間進(jìn)行短接,檢驗(yàn)在最大水深時(shí)護(hù)套和金屬套內(nèi)有無水分侵入。電纜試樣(含短接點(diǎn))應(yīng)經(jīng)受機(jī)械試驗(yàn),對于不大于500 m 深度的情況,施加(d+50)m 的水壓;深度大于500 m 時(shí),施加(d+100)m 的水壓。透水試驗(yàn)持續(xù)48 h,當(dāng)?shù)竭_(dá)試驗(yàn)時(shí)間后,將試樣從水中取出,要求試樣的短接點(diǎn)連續(xù)可靠、無斷點(diǎn),護(hù)套和金屬套內(nèi)無水分侵入跡象[8]。

5 結(jié)束語

隨著海洋輸電工程的不斷發(fā)展,與之相關(guān)的海底電纜標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新完善。本工作結(jié)合實(shí)際工程,根據(jù)重點(diǎn)項(xiàng)目中試驗(yàn)方法的差異變化給出標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法制/修訂方向的建議。

1)推薦卷繞試驗(yàn)中海底電纜(含工廠接頭)的排列方式為由內(nèi)向外排列,且應(yīng)保證工廠接頭能夠在制造商申明的最小卷繞直徑的位置,從而確保能夠?qū)５纂娎|的機(jī)械性能和后續(xù)電氣性能進(jìn)行有效考核。

2)三芯海底電纜在經(jīng)歷卷繞試驗(yàn)時(shí),如果三相上的工廠接頭的距離大于1 個(gè)鎧裝節(jié)距,那么其中的至少兩相上應(yīng)分別有1 個(gè)工廠接頭來證明兩相上的工廠接頭的距離大于1 個(gè)鎧裝節(jié)距。但是,如果工廠接頭不參與后續(xù)電氣試驗(yàn),則可以做成與工廠接頭形狀類似的模擬接頭。

3)關(guān)于三芯海底電纜在電氣試驗(yàn)時(shí)芯數(shù)的規(guī)定,推薦試驗(yàn)中采用三相電流源對磁性鎧裝三芯海底電纜導(dǎo)體加熱,既可以減少鋼絲鎧裝的發(fā)熱,也符合三芯海底電纜運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。對于電氣試驗(yàn),如果進(jìn)行試驗(yàn)的三芯海底電纜系統(tǒng)的每一相包含的附件設(shè)計(jì)都相同,則可以在其中有代表性的一相上進(jìn)行電氣試驗(yàn),若試驗(yàn)通過,則可以證明與這項(xiàng)試驗(yàn)中相同設(shè)計(jì)的附件具有相同的性能。

4)實(shí)際透水試驗(yàn)結(jié)果表明,圖2(a)和圖2(b)的兩種導(dǎo)體安裝方式對試驗(yàn)結(jié)果無根本性影響。兩種導(dǎo)體透水試驗(yàn)方案的區(qū)別在于前者可以保證不會因水從導(dǎo)體端頭密封的地方進(jìn)入而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗,但這種方式很難滿足設(shè)備與電纜接口處的密封要求。因此,推薦采用圖2(b)的方式進(jìn)行導(dǎo)體的透水試驗(yàn),這種方式能夠滿足更大敷設(shè)水深時(shí)相應(yīng)的試驗(yàn)壓力。