提高海底电缆可靠性的设计研究

2014-04-03韩志军靳宪瑶

吉林电力 2014年3期

韩志军，陈光，靳宪瑶

（1.东北电力设计院，长春 130021；2.大连电力勘察设计院有限公司，辽宁大连 116011）

随着电力工业的快速发展，电力系统的超高压、远距离、大容量的发展趋势使得供电事故对于国民经济所造成的损失无法估量，所以，提高供电质量，降低供电事故率，提高供电可靠性是当今市场化大环境下对电力行业提出的新要求。由于海底电缆工程造价高，发生故障通常没有备用线路，故障维修的费用昂贵且周期很长，因此海底电缆的无故障运行显得尤为重要，为此提出了基于可靠性方面的研究。

1 海底电缆故障率调查及故障因素

国际大电网会议（CIGRE）负责定期收集海底电缆可靠性的数据［1］，结合1950～1980年的海缆运行经验，给出海缆的故障率为0.32次／（a·100 km），这个故障率是在小部分海缆有保护的情况下得出的。由于海底电缆的保护率已经大幅提高，而且勘测方法、电缆设计和安装方法都有很大发展，因此目前海缆故障率非常低，其中有82%发生在电缆本体，18%发生在接头［1］。电缆本体故障的主要原因是外力破坏，接头故障的主要原因是不良的工程设计、安装或维护。国际大电网会议2009年报告［1］的海缆故障率汇总见表1。由于一个回路通常包括有2、3或4根电缆，因此每千米电缆的故障率会更低。

表1 海底电缆的故障率

表2列出了一些大型的高压直流海缆线路在1998年发生的故障情况，根据表中的数据计算，海缆机械故障原因的故障率为0.264次／（a·100 km），内部故障原因的故障率为0.0143次／（a·100 km），质量较差的海缆或者不当的安装方法引起的故障占海缆故障的大部分［1］。

对于不同的海域、不同的电缆类型来说，损伤原因差异较大，人为因素造成的损害占绝大多数。据统计，渔业捕捞约占52%，疏浚或钻井约占1%，鱼类咬伤约占2%，锚害损伤约占18%，地震或泥沙运动约占3%，海底电缆敷设船作业约占1%，海底电缆的自由悬挂约占5%，其他原因约占18%［1］。

表2 一些大型的高压直流海缆线路在1998年发生的故障

2 提高海底电缆可靠性的设计建议

2.1 路径选择方面

海底电缆路径是在海洋勘探的基础上，经过分析比较而确定的。在分析比较时需对各种因素进行综合考虑，如电缆类型、敷设方式、渔业捕捞、锚地区、航道区、地震和火山活动、船舶残骸及海底地形和海床地质情况等。同时需要注意河道入海口、岩石地带、移动沙坡区、海底峡谷和陡坡、废弃物倾倒区、强水流区和军事训练区等［2］，一般情况下应避免与其他海底电缆和管线交叉，这些因素都有可能降低海底电缆的可靠性，必须予以避让。

2.2 海缆及附件选型方面

直流电缆绝缘类型主要有高粘性浸渍纸绝缘电缆、充油电缆和交联聚乙烯电缆。交联聚乙烯直流电缆主要具有以下4个特点：一是软化点高，热变形小，在高温下机械强度大，抗热老化性能好，相同输送容量下所用的导体截面小；二是电缆的单位长度质量和直径相对较小，对施工设备要求较低；交联聚乙烯为热固性材料，其机械性能及抗弯曲能力优异，敷设时弯曲半径较小，电缆在设计、制造和敷设安装中相对方便；三是交联聚乙烯电缆为免维护的，不需要附属设施；四是交联聚乙烯电缆耐酸、碱，抗腐蚀，几乎没有环境龟裂现象。充油电缆具有运行可靠性较高、无老化问题、防水性能良好等优点，且具有成熟的运行经验，其主要缺点是敷设受高差限制，并且需要一整套的供油系统和告警系统，增加了运行维护成本，线路较长时无法保证电缆内有足够的油流，且一旦漏油会造成环境污染。高粘性浸渍纸绝缘电缆运行电压高，对环境影响小，使用不受路由长度的限制，缺点是导体运行温度低，在相同输送容量下，导体截面增加较大，成本高。据统计，交联聚乙烯电缆的故障率要比油浸纸绝缘电缆小得多（见表1），因此交联聚乙烯电缆与高粘性浸渍纸绝缘电缆和充油电缆相比具有更高的安全可靠性。

根据相关设计规范要求，对于重要电源线需要保持连接具有高可靠性回路的电力电缆应采用铜芯；在给定工作温度和电场强度的条件下，需选择绝缘厚度以保证电缆在预期寿命期限内击穿概率低于某一可接受水平。考虑到安装和修复的困难，海底电缆可采用比陆上电缆更厚的绝缘，以减小电场强度，降低发生电气故障的风险。铠装保护电缆可以抵御外界机械性损伤，应根据海缆路由的张力稳定性、外部危害形式和保护要求设计铠装层。海底电缆工程在浅海区一般采用较为重型的铠装，在深海区一般采用较为轻型的铠装，因为在浅海区出现外力破坏危险比较频繁，而重型的铠装有相对较好的抵抗捕鱼机械和锚害的能力。海底电缆在生产和制造过程中尽可能少的使用工厂接头，在敷设时不允许有施工接头，工厂接头应与现场修理接头有相同的机械和电气性能，这样可在一定程度上降低由于电缆接头引起的故障率，提高了系统的可靠性。

2.3 运行维护方面

采用安全、可靠、准确的海底电缆监测技术，建立相应的监控系统，通过对海面环境监控，海缆在线状态监控和加强运行维护等措施，为海底电缆的安全运行提供可靠的保障。

为了保证海缆的安全，可采用雷达监控、远程视频监控、海缆AIS（自动识别系统）综合监控系统、警示标志系统、远程语音警告系统等海面环境监控技术来控制或监控海面船只的活动，向船舶发布通行告示，在出现险情时，能够进行多方联络、抢险和调度指挥等。

海缆在线状态监控是一种利用计算机和通信技术以及光纤特性测量技术，对海缆进行分布式的实时监测，将光纤线路的状况信息进行收集、处理、存储和远传，并实现对海缆传输性能动态调节的自动化监测系统。海缆在线状态监控系统一般由以下4部分构成：用于监视海缆运行及环境温度的测温系统；用于精确故障损伤确定的定位系统；用于远方控制海缆负荷变化及进行实时数据处理的动态容量调节系统；海底电缆海底状况（埋深、冲刷、磨损破坏）监控系统。电缆运维单位通过在线状态监控可及时发现海缆的异常情况并采取主动措施来保护海缆免受一些极端环境条件的损害，如过电压、过热、外力破坏和疲劳等，对海底电缆的运行维护采取主动的控制可以提高电缆线路的可靠性。

电缆运维单位可通过对电缆进行维护来保持电缆长期的、高可靠性的运行。海底电缆运维措施主要包括4个方面：设置警示装置，在海缆的登陆点附近设置警示装置也是防止海缆受到损坏的重要措施；宣传与教育，在海缆路由附近设置保护区或者禁锚区，使本地和过往船只的人员引起重视，告知民众保护海缆的重要性；定期检测、巡线和维护有关设施；从海底电缆完整性管理的角度出发，定期开展海底电缆的风险评估，识别出各个环节所存在的风险，并明确风险的大小和所能造成的后果，提前采取针对性较强的预防措施，保障海底电缆安全、有效的运行。

2.4 保护方式方面

由于海底情况复杂，保护施工困难，施工费用高，不可能无限制增加保护措施，因此，需采用符合工程实际、技术经济合理的海缆施工保护方式。海底电缆保护应根据海水深度、海床地质情况、海面船舶通行情况、电缆风险程度、维修代价等综合考虑，采取合理的机械保护方案。埋设是国际上最常用的海底电缆保护施工方法，一般适用于海床底质较软，容易冲埋的区域，选用刀式或水冲式埋设犁可直接将海缆埋入泥土中；对于无法避让的岩石较浅的地区，受机械设备和工期的限制埋入地下的方式难以实现，一般可采取人工覆盖物保护电缆，常见的有套管、混凝土盖板、水泥垫和抛石保护等。