海底電纜外破隱患辨識(shí)及防護(hù)方法研究

韓 磊，沈清野，丁同臻，蔣永梅

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000)

0 引言

海底電纜是采用絕緣材料包裹，敷設(shè)在海底，主要用于電力或信號(hào)傳輸?shù)碾娎|，通?？蓪⑵鋭澐譃楹５纂娏﹄娎|和海底通信電纜兩種[1]。海底電纜長(zhǎng)期受到海水沖刷，容易出現(xiàn)埋深變淺、遭受破壞的情況，當(dāng)海底電纜的外絕緣材料破損時(shí)，海底電纜內(nèi)設(shè)置的絕緣油會(huì)出現(xiàn)泄漏[2]，不僅污染海水，還影響區(qū)域的用電安全[3]，同時(shí)對(duì)社會(huì)以及居民生活造成嚴(yán)重的不便。

隨著海上風(fēng)電資源開發(fā)量的不斷提升，海底電纜的應(yīng)用更加廣泛。海上風(fēng)電場(chǎng)將海上風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)海底電纜傳送至內(nèi)陸[4]。由于所處環(huán)境極為特殊，海底電纜容易出現(xiàn)外破情況，而陸地上常用的電纜防護(hù)措施因條件限制無(wú)法保證海底電纜的安全[5]。相比于土壤，海水的電阻率較低，海底電纜接地極在海水中與電纜在陸地上的分布存在明顯差異。一旦出現(xiàn)海底電纜外破，海水將與電纜中的金屬構(gòu)件直接接觸，導(dǎo)致金屬構(gòu)件腐蝕，造成停電或通信異常。海底電纜防護(hù)是電力領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。

目前，眾多學(xué)者針對(duì)海底電纜的外破狀態(tài)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6]利用在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)海底電纜的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，用于確定海底電纜是否處于完好狀態(tài)；文獻(xiàn)[7]通過(guò)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海底電纜的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)海底電纜的外破故障。上述研究主要通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)海底電纜外破故障，但對(duì)造成海底電纜外破的隱患及防護(hù)方法研究不多，因此，從自然原因、人為原因等方向，分析梳理造成海底電纜外破的原因，并提出針對(duì)性的防護(hù)方法，為海底電纜的安全運(yùn)行提供依據(jù)。

1 造成海底電纜外破的原因分析

造成海底電纜外破的原因包括自然因素、人為因素及海底電纜內(nèi)部因素等。自然因素主要指海水以及海底生物長(zhǎng)期侵蝕海底電纜，海浪、海底地質(zhì)等原因容易造成海底電纜磨損以及拉斷，從而出現(xiàn)海底電纜外破故障。人為因素主要指人類從事漁業(yè)活動(dòng)以及海上作業(yè)船只運(yùn)行，容易出現(xiàn)拖拽和磨損海底電纜的情況，造成海底電纜出現(xiàn)外破故障。

1.1 自然因素

自然因素是對(duì)海底電纜影響最小，造成海底電纜外破風(fēng)險(xiǎn)可能性最低的因素。海底土壤長(zhǎng)期受到海浪作用容易出現(xiàn)塌陷情況，嚴(yán)重的可能造成海底土壤滑移，當(dāng)敷設(shè)海底電纜的表層土為粉砂土質(zhì)時(shí)，受到海浪影響，土壤容易出現(xiàn)液化，降低了土壤的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致海床下降，造成海底電纜懸空以及裸露，容易發(fā)生海底電纜外破故障；海底電纜長(zhǎng)時(shí)間受到持續(xù)性海浪作用，海床結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，容易加深局部海底電纜的埋深，造成海底電纜懸空及裸露，易出現(xiàn)外破故障。

1.2 人為因素

據(jù)統(tǒng)計(jì)，人為因素是造成海底電纜外破故障的主要原因。漁業(yè)活動(dòng)的捕撈漁具主要有張網(wǎng)類和拖網(wǎng)類兩種，采用拖網(wǎng)作業(yè)時(shí)，網(wǎng)的位置較淺，容易破壞裸露以及埋深較淺的海底電纜，而張網(wǎng)類的漁業(yè)作業(yè)方式，入海深度較深，對(duì)沉入海底的海底電纜影響極大。相比于漁業(yè)撈捕作業(yè)，船錨對(duì)海底電纜的影響更加明顯，船只拖網(wǎng)的船錨重量較重，船錨入海深度為100 cm 左右，則埋深較淺的海底電纜容易受到船錨影響；張網(wǎng)類船只的船錨重量較大，當(dāng)出現(xiàn)大潮時(shí)極易出現(xiàn)走錨情況，影響海底敷設(shè)的海底電纜；航運(yùn)船舶的船錨具有較大的重量，航運(yùn)船舶若在航行過(guò)程中隨意拋錨，船錨與海底電纜接觸，導(dǎo)致海底電纜受到較大作用力，造成海底電纜的表面結(jié)構(gòu)遭到破壞，若船只發(fā)生移動(dòng)，則出現(xiàn)拖拽海底電纜的情況，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)海底電纜斷裂的后果。

1.3 海底電纜內(nèi)部因素

海底電纜敷設(shè)時(shí)，設(shè)計(jì)不合理或電纜材料存在問(wèn)題將加大海底電纜外破故障出現(xiàn)的概率。伴隨海上風(fēng)電的發(fā)展，海底電纜制造工藝和材料技術(shù)不斷進(jìn)步，有效降低了海底電纜因內(nèi)部因素遭受外破故障的風(fēng)險(xiǎn)。

2 海底電纜外破防范措施

海底電纜與架空電纜線路搶修存在一定差異，海底電纜受到海流、風(fēng)力、水深等眾多因素影響，搶修難度劇增。當(dāng)海底電纜出現(xiàn)外破故障時(shí)，搶修工時(shí)較長(zhǎng)且需要耗費(fèi)大量人力物力，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為了避免海底電纜出現(xiàn)外破故障，保障海底電纜的安全，為海上風(fēng)電場(chǎng)的正常供電提供基礎(chǔ)，電力企業(yè)應(yīng)該采取措施做好海底電纜防護(hù)工作。

2.1 海底電纜外破的技術(shù)防護(hù)

2.1.1 完善新建工程的設(shè)計(jì)施工

針對(duì)新建工程的海底電纜線路，應(yīng)該提高其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，加大地勘密度，避開不良地質(zhì)海域。通過(guò)充分論證不同海域過(guò)往船舶的錨重，結(jié)合“BPI指數(shù)(海底電纜防護(hù)指數(shù))”開展差異化深埋設(shè)計(jì)。海底電纜的設(shè)計(jì)施工應(yīng)積極借鑒國(guó)內(nèi)外海纜、管道敷設(shè)經(jīng)驗(yàn)。下面以某聯(lián)網(wǎng)工程為例，闡述防護(hù)措施，該工程采用海底電纜堆石壩防護(hù)方式進(jìn)行防護(hù)，如圖1 所示。

圖1 海底電纜堆石壩防護(hù)方式

由圖1 可知，該工程采用底寬5 m、頂寬1 m、壩高1.5 m 的梯形堆石壩掩埋海底電纜的防護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)防護(hù)海底電纜的目的。

2.1.2 采用“分段防護(hù)”原則

從海底電纜的重要性和歷史故障區(qū)段等方面開展綜合評(píng)定，梳理海底電纜I/II/III 分級(jí)明細(xì)，以此為依據(jù)編排海底電纜外破隱患的治理計(jì)劃。針對(duì)海底電纜區(qū)段，開展海底電纜路由掃測(cè)，精細(xì)掌握海底電纜通道內(nèi)底質(zhì)、埋深、水深等信息，對(duì)各區(qū)段制定針對(duì)性防護(hù)措施，通過(guò)基巖開槽+保護(hù)管+混凝土聯(lián)鎖塊+四面六邊防沖刷等措施的綜合應(yīng)用，結(jié)合“綜合防護(hù)”原則，助力海底電纜外破隱患的治理。

2.1.3 加裝Ω 形蓋板

為了防止海底電纜本體因直拋段保護(hù)管脫開導(dǎo)致海底電纜與礁石直接接觸和摩擦，對(duì)潮間帶和淺灘區(qū)敷設(shè)的海底電纜加裝Ω 蓋板。Ω 蓋板采用CF 40 Ω 型高強(qiáng)度鋼纖維混凝土，每塊Ω 蓋板長(zhǎng)2.1 m、重3.3 t。Ω 形蓋板的實(shí)施，能夠防止海底電纜本體與礁石之間發(fā)生摩擦破損，有效提高海底電纜防護(hù)的效率，保證海底電纜線路安全、平穩(wěn)運(yùn)行，從而提高供電的可靠性。

2.1.4 “攔截鎖鏈”應(yīng)用

海底電纜外破的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段可通過(guò)加裝“攔截鎖鏈”進(jìn)行防護(hù)?！皵r截鎖鏈”是在海底電纜兩側(cè)均勻布設(shè)鋼管混凝土樁，樁與樁之間由錨鏈連接。船舶在海底電纜附近海域錨泊時(shí)，船舶在慣性及外力作用下會(huì)拖著船錨繼續(xù)移動(dòng)一段距離，此時(shí)船錨將先與錨鏈接觸，錨鏈將船錨的錨抓力傳遞至鋼管樁，由鋼管樁抵抗船錨運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的錨抓力，從而讓船錨在鉤掛海底電纜前停止運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底電纜的防護(hù)。

2.1.5 優(yōu)化完善海底電纜監(jiān)控資源

海纜一體化綜合監(jiān)控微應(yīng)用(簡(jiǎn)稱微應(yīng)用)的投用可實(shí)現(xiàn)全域海底電纜全天候全時(shí)段的監(jiān)控。大潮汛最低潮，船舶極易擱淺，通過(guò)微應(yīng)用可及時(shí)了解船舶信息，提前預(yù)警；依據(jù)“重點(diǎn)問(wèn)題重點(diǎn)處理”的隱患治理原則設(shè)置虛擬的預(yù)警和報(bào)警“電子圍欄”并將其融入微應(yīng)用，針對(duì)船載的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)進(jìn)行短報(bào)文廣播和推送，通過(guò)水上電子屏障實(shí)時(shí)獲取船舶航行特征與運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)。當(dāng)船舶進(jìn)入“電子圍欄”內(nèi)，即可對(duì)船舶控制臺(tái)發(fā)出電子信息和聲光報(bào)警，警告船舶危險(xiǎn)行為，保障海底電纜的安全，實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)提醒”轉(zhuǎn)向“主動(dòng)預(yù)警”。

電力企業(yè)可以接入海洋與漁業(yè)局的漁業(yè)北斗系統(tǒng)，通過(guò)政企聯(lián)動(dòng)完善海底電纜的監(jiān)控資源。借助于北斗定位的船舶管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域漁船的全面監(jiān)控，涵蓋了漁船的靜態(tài)信息(包括船長(zhǎng)、船寬、吃水深度等）、聯(lián)系方式、漁船作業(yè)方式等，增加了海底電纜外破預(yù)警和處置的成功率。

2.2 海底電纜外破的人力防護(hù)

2.2.1 重視初始建設(shè)

海上風(fēng)電場(chǎng)初始建設(shè)時(shí)，應(yīng)仔細(xì)分析海底電纜的敷設(shè)路徑，盡量避免漁業(yè)捕撈以及其他的特殊作業(yè)區(qū)域，防止海底電纜受到錨害以及其他破壞。

2.2.2 加強(qiáng)破壞行為的懲罰力度

政府部門應(yīng)依據(jù)法律對(duì)破壞海底電纜的行為進(jìn)行懲罰和追責(zé)，并通過(guò)講座等方式大力開展電力設(shè)施保護(hù)的宣傳工作，以規(guī)范海底電纜所在海域的海上作業(yè)行為。對(duì)于海上違規(guī)作業(yè)情況，需及時(shí)整治，防止對(duì)海底電纜等電力設(shè)施造成破壞。

2.2.3 加強(qiáng)巡視維護(hù)工作

電力企業(yè)需要針對(duì)海底電纜所在區(qū)域設(shè)置特殊的巡視方式，并與區(qū)域管理人員及時(shí)溝通，加強(qiáng)海底電纜通道的保護(hù)工作。企業(yè)內(nèi)部可建立運(yùn)行維護(hù)責(zé)任制，設(shè)置巡視員定期巡視海底電纜運(yùn)行狀況。在顯眼位置設(shè)置安全警示標(biāo)志，通過(guò)將懸浮標(biāo)識(shí)球設(shè)置在海底電纜經(jīng)過(guò)的航道附近，對(duì)過(guò)往船只起到警示作用；在容易出現(xiàn)海底電纜外破的位置，設(shè)置監(jiān)控裝置和航標(biāo)，降低船只拋錨造成海底電纜外破的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于海底電纜運(yùn)行維護(hù)人員，應(yīng)提升其業(yè)務(wù)水平，加強(qiáng)其海底電纜保護(hù)的意識(shí)，為海底電纜的可靠運(yùn)行提供安全的環(huán)境。

2.2.4 加深敷設(shè)深度

海底電纜的敷設(shè)深度對(duì)海底電纜的安全性存在明顯的影響。據(jù)海底電纜外破故障的統(tǒng)計(jì)，水深55 m 內(nèi)的淺水區(qū)是海底電纜外破故障的高發(fā)區(qū)，而造成海底電纜外破故障的主要原因是錨害。因此，當(dāng)海底電纜設(shè)置深度足夠深時(shí)，可有效防范漁船或其他船舶對(duì)其的影響。

3 海底電纜外破隱患治理成效

選取某設(shè)置海底電纜的電力企業(yè)作為研究對(duì)象，該電力企業(yè)正持續(xù)推進(jìn)海底電纜通道可視化工程。目前，已完成23 處AIS 基站、21 處雷達(dá)、50處雙光譜視頻的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)海底電纜通道船舶AIS信號(hào)覆蓋率95 %、雷達(dá)監(jiān)測(cè)覆蓋率80 %、視頻監(jiān)控覆蓋率48 %，逐步實(shí)現(xiàn)海纜通道狀態(tài)的全面感知、全景實(shí)時(shí)監(jiān)控、主動(dòng)可靠預(yù)警，相關(guān)治理成效如下。

3.1 處置成功率提升

該電力企業(yè)在2018 年開展海底電纜外破防護(hù)實(shí)施后，通過(guò)對(duì)2017—2021 年錨泊報(bào)警處置大數(shù)據(jù)的整理，得出表1 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1 2017 ～2021 年錨泊報(bào)警處置情況

由表1 可以看出，經(jīng)過(guò)海底電纜外破防控的整治，該電力企業(yè)取得了明顯效果，處置成功率逐年提升。錨泊處置成功率的提升，意味著海纜錨損事故率的降低，按照每年避免5 起錨損故障、單根海纜搶修直接成本約300 萬(wàn)計(jì)算，每年預(yù)計(jì)可避免企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失約1 500 萬(wàn)元；同時(shí)，處置成功率的提升也提高了輸電安全性，避免海底電纜外破故障造成的停電，供電更加安全可靠，有效提升了企業(yè)的社會(huì)效益。

3.2 應(yīng)急處置能力提升

當(dāng)面臨臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣時(shí)，電力企業(yè)可通過(guò)特殊惡劣天氣下的海底電纜防外破應(yīng)急處置管控，在臺(tái)風(fēng)影響前加強(qiáng)附近過(guò)往船舶的靠前指揮，積極引導(dǎo)船舶有序拋錨，強(qiáng)化“落指”管控；臺(tái)在風(fēng)影響期間落實(shí)海纜2 km 內(nèi)高風(fēng)險(xiǎn)錨泊船只的驅(qū)離和監(jiān)控；在海上風(fēng)潮嚴(yán)重影響時(shí)段，動(dòng)態(tài)點(diǎn)驗(yàn)海底電纜移錨警戒線邊沿的泊船，實(shí)時(shí)掌握船舶動(dòng)態(tài)；臺(tái)風(fēng)過(guò)境后，根據(jù)海事、漁業(yè)解禁時(shí)間，倒推船舶集中出航的高峰點(diǎn)，做好提前預(yù)控，重點(diǎn)盯防。

電力企業(yè)依據(jù)初步的氣象、通航、錨泊大數(shù)據(jù)分析，初步形成海底電纜防外破“二十四節(jié)氣”管控表，并在惡劣天氣與休漁季漁船集中回港期間應(yīng)用；基于氣象、潮汐預(yù)測(cè)和錨泊大數(shù)據(jù)，提前預(yù)判船舶錨泊高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和時(shí)段，高質(zhì)量處置移錨事件和提前驅(qū)離錨泊船只。

4 結(jié)束語(yǔ)

為消除海底電纜外破隱患，企業(yè)應(yīng)全面考慮海底電纜設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及維護(hù)的全過(guò)程，從海底電纜人工防護(hù)與技術(shù)防護(hù)兩方面出發(fā)，消除或降低海底電纜由于內(nèi)部因素、人為因素和自然因素造成的海底電纜外破的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)增厚海底電纜保護(hù)層、埋設(shè)保護(hù)等方式，充分發(fā)揮實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、政企聯(lián)動(dòng)等手段，保護(hù)海底電纜安全?；诙喾N防護(hù)方式的綜合應(yīng)用，有效提升海底電纜的防外破能力，保障海海上電力輸送的安全性。