近海風電場潮間帶風機集電海纜維修施工案例分析

李 雷,趙惜陽,錢洪宇*,徐擁軍,張正華,嚴小軍,陳 杰

(1.中天科技海纜股份有限公司,南通 226010;2.大豐海纜有限公司,大豐 224145)

0 引 言

隨著海上風電項目和海島開發(fā)等海洋資源開發(fā)規(guī)模的不斷擴大,各種類型的海纜大批量投入工程應用[1]。 受復雜運行環(huán)境的影響,海纜有時會因意外受力而出現故障,造成巨大的社會影響和經濟損失[2]。

近年來,海纜的故障維修技術得到了較多研究:中海油針對近海海纜的應急搶修,介紹了軟接頭工藝的實際應用效果,并總結了關鍵施工節(jié)點[3];中廣核及上海電力基于實際工程案例,分析了近海淺水區(qū)高壓海纜的維修方案及安全保障措施[4-5];國網舟山根據島嶼供電海纜的實際工況,研究了基于水下機器人平臺海纜的快速搶修技術[6]。

近海風電場潮間帶風機集電海纜維修是海纜維修的一種特殊工況,本工作對此特定工況下海纜維修施工的總體方案、故障診斷、打撈測試、登陸風機、接頭修復,以及后保護方案等方面進行了分析,并提出了針對潮間帶海纜的運行維護建議,為今后海纜維修提供可行案例。

1 故障概況及原因分析

該海上風電項目使用三芯35 kV 海底光電復合纜作為場內集電電纜,匯集至陸上升壓站接入電網。本次故障點位于潮間帶區(qū)域一臺風機塔筒底部,經過排查發(fā)現,受潮汐、涌浪等不可預判的外力因素影響[7],使得海水長時間沖刷風機管的周圍泥土,從而導致風機管附近出現沖刷塌陷區(qū),并使得海纜埋設路由發(fā)生小幅度變化,導致海纜出現懸空現象和拉扯現象,海纜本體受到機械力破壞,局部電氣性能受損,最終引發(fā)海纜失效故障,該故障概況見圖1。

圖1 故障概況

2 維修施工總體部署方案

本工程主體施工擬投入施工船、拖輪、錨艇各一艘,采用施工船作為海纜修復施工平臺,作業(yè)范圍為施工路由中軸線兩側各200 m 的區(qū)域。 總體工作量包括增加備用電纜、制作一套海纜搶修接頭、更換一套錨固及一組T 型終端,以及制作一個光纖接頭。主要維修施工流程示意圖見圖2。

圖2 海纜維修工藝流程示意圖

由圖2 可知,①根據定位結果找出故障海纜,將故障海纜打撈至船舶甲板;②截斷海纜,分別對A、B 端頭電纜進行故障測試,根據實際故障點的位置,切除故障海纜,并將A 端海纜封頭后沉放(靠近地上風機的線路一端為B 端);③施工船就位,由B 端開始回收廢棄海纜;④增加備用電纜,安裝中心夾具、彎曲限制器,通過J 管牽引至風機,安裝錨固及海纜T 型終端,制作光纖接頭,將備用電纜沿著風機向故障點方向敷設;⑤打撈海纜A 端,與備用電纜C 端制作海纜中間接頭,中間接頭處理完成后,對光纖及電纜進行相關試驗;⑥對沉放至海底的接頭盒及備用電纜進行沖埋保護,施工完成后進行竣工驗收試驗。

3 關鍵施工步驟

3.1 海纜打撈及切割

海纜的損壞位置在潮差段附近,打撈前,采用水陸兩棲挖溝設備清理海床面泥沙,將已敷設的海纜挖出泥面,由潛水員在水下探摸海纜,并用吊帶鎖固,做好浮漂標記,然后由吊機將海纜提到海床面。海纜打撈出泥面后,由潛水員下水,將破損段海纜固定于專業(yè)平衡梁起吊工裝上,緩慢起吊,轉動浮吊大臂,使海纜放置并固定在施工船甲板上,見圖3。

圖3 海纜打撈

海纜打撈至施工船作業(yè)平臺后,檢查海纜是否損壞、導體是否進水,并對內置光纖進行衰減指標測試。 找出故障海纜段,然后切割去除故障海纜段,并在海纜端頭進行密封處理后,重新將海纜沉放入海。

3.2 海纜登陸風機平臺

海纜靠近風機時,通過調整船位使得海纜在水下成“S”型敷設,從而保障海纜的余量。 海纜進入風機前,施工船拋“8”字開錨錨泊固定在平臺旁“I”型管側,由潛水員在水下檢查“I”型管入口處回淤的情況,保證“I”型管入口位置留有足夠的空間。

海纜登陸風機時,在“I”型管上口處,安裝一門架,并設置導向滑輪,使用牽引網套固定海纜端頭,并將海纜牽引至風機平臺,直至進入預定位置,牽引結束。 由潛水員下水確認海纜是否進入“I”型管預定位置,確認結束后安裝平臺錨固,海纜登陸風機平臺見圖4。 錨固安裝結束后,由潛水員下水,用高壓水槍對埋設點處海纜經行沖埋,沖埋深度不小于2 m。

圖4 海纜登陸風機平臺

3.3 海纜接頭制作及沉放

在制作接頭前對海纜分別進行絕緣電阻測試以及光纖測試,確保兩端海纜的性能可靠[3,8]。 海纜維修采用軟接頭式維修接頭進行修復,采用與海纜本體相同的材料逐層恢復,核心結構與原電纜的結構一致,具有與原電纜相同的電氣性能,運行穩(wěn)定可靠,軟接頭的主要結構見圖5。 軟接頭主要的制作流程包括:①海纜切剝及端頭預處理;②電纜纜芯校直及應力錐切削;③屏蔽層、絕緣層、金屬護套逐層恢復;④光纖接續(xù);⑤接頭盒殼體及保護裝置安裝。

圖5 軟接頭主要結構的示意圖

軟接頭制作完成后進行沉放作業(yè)。 將海纜維修接頭盒固定于專業(yè)平衡梁起吊工裝,兩端保護裝置用尼龍繩固定,緩慢起吊、旋轉至海面。 調整船位,緩慢下放海纜接頭,直至將海纜接頭下放至海床面,在此操作過程中,保證海纜彎曲度不劇烈改變。 沉放至海底后,由陸上側光纖測試人員進行測試,測試合格后,由潛水員下水解除吊具并進行沖埋。

4 后保護措施

DNVGL-RP-0360 規(guī)定,在彎曲限制器的保護下,海纜需要以一定的角度進入風機基礎。 早期風電場采用“I”型管設計,海纜以接近90°的夾角進入“I”型管,且未安裝保護裝置,海纜存在動態(tài)磨損及疲勞風險。 海底管道動態(tài)疲勞的研究結果表明,靜態(tài)鎧裝鋼絲若長期處于動態(tài)疲勞環(huán)境中,其壽命將降為原來預期壽命的10%。

為解決海纜故障隱患,本工作為海纜加裝后保護裝置,以保障其使用壽命及各種性能的可靠性。后保護裝置包括連接器、彎曲限制器和球墨鑄鐵保護管。 海纜后保護裝置結構示意圖見圖6。

圖6 海纜后保護裝置結構示意圖

由圖7 可知,連接器安裝在“I”型管喇叭口,恢復對海纜的中心定位作用,避免海纜擺動;彎曲限制器安裝于連接器下方,可防止由海纜過度彎曲而造成的局部異常受力;彎曲限制器末端安裝球墨鑄鐵保護管,對海纜起到抗沖擊、防止進一步被沖刷的作用。

5 潮間帶海纜的運行維護建議

針對潮間帶海纜,為防止海水沖刷等意外因素誘發(fā)海纜故障,應定期進行帶電運行維護檢測,確保線路運行的穩(wěn)定性[9]。 根據運行維護檢測結果,對線路異常狀態(tài)進行評估,若隱患嚴重則須進行停電維修,驗收合格后線路重新投入運營,并重新制定運行維護計劃。 具體運行維護計劃表見表1。

表1 運行維護檢測項目計劃

6 結 論

本工作對潮間帶海纜的故障及故障原因進行了分析,論證潮間帶海水沖刷是誘發(fā)該區(qū)域海纜故障的重要影響因素,并提出維修的總體部署、關鍵施工步驟,以及后保護方案,為后續(xù)潮間帶海纜維修施工提供了可參考案例。