海底电缆的故障检测及修复工艺方法

2012-09-25李敏雪缴春景

电气传动自动化 2012年5期

王昆，李敏雪，生宏，王靖，缴春景

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中海油田服务股份有限公司，天津 300452）

1 引言

随着海洋石油工业的发展，多样化的海上石油平台日益增加，而海底电缆作为海上各类平台间的动力传输设施，其安全性和重要性越来越广泛地受到关注。由于海缆线路的隐蔽性和重要性，海底电缆一旦发生故障，不但会严重影响海上石油平台的正常生产，造成很大的原油产量损失，而且还会影响平台人员的正常工作和生活。因此如何准确及时地检测并修复海底电缆变得尤为重要。

2 海底电缆的故障类型及检测方法

2.1 海底电缆的故障原因

造成海底电缆故障的原因有很多，比如：机械损伤、绝缘老化变质、过电压、材料缺陷、设计和制作工艺不良以及护层腐蚀等。根据历年来海缆故障的统计，引起海底电缆故障的原因大致如下：

（1）船舶抛锚引发的海底电缆损伤。

（2）电缆护管和电缆之间的摩擦造成电缆护层及绝缘层逐渐磨损，直至损坏。

（3）海缆交叉点部分经常发生摩擦，久而久之，其电缆护层及绝缘层发生损坏而造成相间短路故障。

（4）地壳变动对海缆形成的强拉力造成海缆损伤。

（5）潮汐能引发的波浪流使海缆移位和摆动。

（6）海洋微小生物和有机体长时间在海缆表面附着对海缆的化学腐蚀。

2.2 海底电缆的故障类型［1］

按照故障出现的部位，通常可分为线芯断线故障、主绝缘故障和护层故障。按其故障性质可分为低阻故障和高阻故障。

低阻故障指的是故障点绝缘电阻下降至该电缆的特性阻抗（即电缆本身的直流电阻值），甚至直流电阻为零的故障，也称短路故障。

高阻故障指的是故障点的直流电阻大于该电缆的特性阻抗的故障，可分为断路故障、高阻泄露故障和闪络性故障。其中高阻泄露故障是指在电缆高压绝缘测试时，当试验电压升高到一定值时，泄漏电流超过允许值的高阻故障。闪络性故障是指试验电压升至某值时，电缆局部出现闪络放电现象，泄漏电流突然波动，而此现象随电压稍降而消失，但电缆绝缘仍然有较高的阻值；由于这种故障点没有形成电阻通道，只有放电间隙或闪络性表面的故障，而称为闪络性故障。

2.3 海底电缆的故障检测方法

电力电缆故障的查找一般要经过诊断、测距（预定位）、定点（精确定位）3个步骤［2］。故障发生后，一般先通过测绝缘电阻等方法，初步判断出故障的性质；然后根据故障类型，采用合适的测量方法，初步测出故障的距离位置；最后沿着电缆走向在此位置前后仔细探测定点，直到找出精确的故障点位置。

在实际测试时，一般先用万用表、兆欧表等测量故障电缆的相间、相对地的绝缘电阻，结合电缆的情况以及绝缘电阻的测量情况初步判断电缆的故障类型，再根据不同的故障类型针对性地选择故障检测方法，海底电缆的故障检测流程如图1所示。

图1 海底电缆故障检测流程图

2.4 应用实例

2011年3月22日下午JX1-1油矿突然停电，严重影响了各平台正常运行。经排查判断，CEPA至WHPB海缆故障。3月23日测试人员对JX1-1油矿CEPA至WHPB海缆进行故障检测，用万用表初测的结果如下：

绿相对地：0MΩ 绿相对红相：0MΩ

红相对地：0MΩ 绿相对黄相：0MΩ

黄相对地：0MΩ 黄相对红相：0MΩ

由初测结果可以看出，此海缆的三相全为低阻性故障，故选择低压脉冲法分别对海缆的两端进行测试。测试结果如图2所示。

从绝缘测试和万用表测量数据可以判断，海缆三相接地故障。由于海缆故障为三相接地故障，故无法测量海缆全长，通过海缆测试数据分析：从CEPA平台侧测量故障点距离为127.7米；WHPB平台侧测量故障点距离为4202.3米，其故障点位置如图3所示。

图2 低压脉冲法测量波形（JX1-1 CEPA至WHPB海缆）

图3 海底电缆故障点位置示意图

该测量结果经海缆抢修项目检验比较准确，为海缆的修复工作起了重要的指导作用。事故调查发现，由于作业船施工时刮擦到海缆，导致海缆受损断裂，后经长时间海水浸泡导致最终接地。

3 海底电缆的修复工艺方法

电缆种类的不同决定了修复海缆工艺方法的不同，本文只针对浅海领域（水深50m以内）的XLPE电缆维修作介绍。由于修复海缆是在船上作业，因此要求风速不高于5级，浪涌不超过0.5m。

3.1 海底电缆修复工艺

故障点水深小于50m，修复XLPE电缆（非浸油电缆）的典型工艺修复顺序如下［3］：

（1）海底电缆的故障点定位后，船舶在拟定故障点就位。

（2）潜水员水下探查故障海缆，确定海缆的位置。在海底用高压水枪或其它吹泥设备，沿拟定故障点两侧海缆走向将海缆冲出，需冲出的长度由水深、电缆可弯曲半径、故障点切除余量等因素决定。

（3）计算需用的备用海缆长度。

（4）潜水员在水下切割电缆，在去除破损段的海缆两头安装防水组件并做好标记（1号和2号）。

（5）用就位在标记为1号海缆断点附近的浮吊，将故障海缆吊出水面并固定在作业平台上。在去除损坏点和进水部分后，对海缆进行导体直流电阻测量、绝缘测量、铅护套直流电阻均匀性测试和耐压试验，排除其它故障情况［4］。

（6）采用海缆专用接头将备用海缆与1号海缆端连接，并将1号海缆与备用海缆一起放回海底。

（7）将浮吊移至2号海缆断点附近，并将2号海缆断点吊出水面并固定在作业平台上。在去除损坏点和进水部分后，对海缆进行导体直流电阻测量、绝缘测量、铅护套直流电阻均匀性测试和耐压试验，排除其它故障情况。

（8）采用海缆专用接头将备用海缆与2号海缆端连接，并将2号海缆与备用海缆一起放回海底。

（9）对修复后的整根海缆进行导体直流电阻测量、绝缘测量、铅护套直流电阻均匀性测试和耐压试验，测试结果应满足最新API Spec17E标准。

3.2 备用海缆长度计算

海缆的修复工艺中，故障点、外部损伤、进水部分都需要在进行相关电气测试工作时将其切除掉，修复海缆所需的备用电缆长度需要通过手工比较计算得出。

修复海缆最常用的入水角度α一般接近60°，通过该角度就可以计算出需用备用海缆的长度，修复海缆所需电缆长度计算示意图如图4所示。

图4 修复海缆所需电缆长度计算示意图

切除电缆的最小长度为：

式中：H为从海缆所处的海床底部至海平面维修船舶甲板之间的距离；B为维修平台长度的1／2；J为海缆修复连接作业处为便于修复所需富余的长度；D为海缆故障检测出的破损段，底部的连接处不产生移位所需的最小长度；W为切除电缆的长度（外部破损、进水、测试长度）；α为连接作业时电缆的入水角度。

如果切除海缆的长度W≤Wmin，则修复海缆所需的备用海缆长度L1应满足：L1≥Lmin；

如果切除海缆的长度W＞Wmin，则修复海缆所需的备用海缆长度L2应满足：L2≥Lmin+W-Wmin。

3.3 海缆的连接及测试

海缆的连接及测试具体方法如下：

①用浮吊将故障海缆吊出水面并固定在作业平台上。

②将故障电缆从过故障点1m处切除，并用兆欧表测量其绝缘电阻，若电缆绝缘值低于200MΩ，则继续切除，直至绝缘达到200MΩ以上。

③对海缆进行导体直流电阻测量、铅护套直流电阻均匀性测试和耐压试验，排除其它故障。

④将试验合格后的海缆端头和备用海缆端头固定在工作架上，使需要对接海缆两端穿过海缆护卡的紧固部分。剥开海缆保护钢铠，使钢丝回返均匀包住电缆护卡紧固部分的锥心，然后进口外套。

⑤除去缓冲尼龙带，松开缠绕在海缆线芯上的屏蔽带，将两段电缆三条芯线分别错开25～30cm锯掉，两端海缆必须一样，以保证对接后三个接头的位置互相交错，而不至于形成一个大“肿瘤”，防止接点过热出现故障。

⑥剥除20cm绝缘屏蔽层，剥除10cm绝缘层，剥除5cm导体屏蔽层，用砂纸打磨平整，清除线芯氧化层，然后用无水酒精清洁表面，确定无杂质后，方可缠绕绝缘带。

⑦两端线芯分层进行热熔接，三相线芯熔接完成后再用无水酒精进行清洁。

⑧用半导体的交联聚乙烯胶带在距离导体屏蔽层5cm处均匀缠绕5层，然后用热吹风机使之均匀受热融合，并用砂纸打磨平整，再用无水酒精清洁，恢复海缆的导体屏蔽层；用高压干式交联聚乙烯绝缘防水胶带在距离绝缘层10cm处均匀缠绕20～25层，然后用热吹风机使之均匀受热融合，并用砂纸打磨平整，再用无水酒精清洁，恢复海缆的导体的绝缘层；满缠半导体的高压交联聚氟乙烯白胶带5层，然后用热吹风机使之均匀受热融合，并用砂纸打磨平整，再用无水酒精清洁，恢复海缆的绝缘屏蔽层；缠玻璃丝白粘带5～10层；用纵向开口的铅护套包住海缆的线芯接头，使之热融合，从而恢复海缆的铅护套屏蔽层。

⑨安装电缆护卡所有紧固螺栓。从护卡天窗浇注温度低于50℃的沥青，使沥青充满电缆护卡，以提高接头处绝缘强度和防腐能力。

⑩海缆接头制作完毕后，对整根海缆进行导体直流电阻测量、绝缘测量、铅护套直流电阻均匀性测试和耐压试验，以上的测试结果应满足最新API Spec17E标准。

4 预防措施

海缆由于所处的海洋环境条件，维护和保养工作极为困难，一旦发现其损坏，往往很难维修，导致平台停产，使客户蒙受严重损失。因此，加强在其使用过程中的维护工作，尤为重要。海底电缆的维护管理工作，建议采取如下措施。

（1）定期对海缆进行检测，收集整理海缆使用过程中的相关资料，监视海底电缆在操作使用过程中各种参数的变化情况，掌握海缆的使用情况。

（2）船在油田海域需要抛锚时应先取得允许抛锚坐标，并严格按照规定在指定区域抛锚。平时在海面值班巡视的工作船，一定要特别注意过往船舶及渔业捕捞作业等有无危机海缆安全的行为，以防止由此引起的机械损伤事故。SZ36-1油田、JZ21-1油田和JX1-1油田近年来在这方面有关的经验和教训表明了防患工作的重要性。

（3）海缆自海底引向平台甲板时，电缆护管起保护作用。因此必须加强对护管部位的防护措施，以防止冰荷载、恶浪及船舶的意外撞击。定期对海缆护管进行检查，发现损坏的立即修复，防止护管断裂沿海缆落入海中。

（4）收集海缆施工和检测资料，对每一条海缆的走向、水底富余量、实际长度等资料详细收集，便于故障时准确测量和定位。