胜利埕岛油田海底电力电缆故障类型与原因分析

郑春生

(中国石化胜利油田电力管理总公司，山东东营 257000)

胜利埕岛油田海底电力电缆故障类型与原因分析

郑春生

(中国石化胜利油田电力管理总公司，山东东营257000)

介绍了埕岛油田海底电力电缆的状况，从电缆故障类型、故障点位置分布、故障时间及故障原因等方面对海底电缆37次故障情况进行了综合分析,找寻电缆故障规律，发现海底电缆故障多发生在1、10、11、12月份。造成电缆故障原因是多方面的，海工作业、平台船舶停靠、锚桩钩挂、盗窃捕捞等外力机械对电缆造成伤害多发，海洋地质条件的改变与海底潮汐运动等造成的海缆悬空、磨损、拉伸等隐患危害较大。要综合规划海底管道、优选海底电缆路径、强化电缆保护宣传和运行维护管理等多种措施，以减少海底电缆故障，保障电网安全运行。

埕岛油田 电力电缆 故障规律 原因分析

中国石化胜利埕岛油田位于渤海湾南部浅海和极浅海海域，年产油能力275×104t。该油田包括中心平台3座(中心一号、中心二号、中心三号)，海上开发平台3座，井组平台71座，单井平台36座；初步形成以110 kV海洋变、35 kV海三变、海五变和东三变为35 kV供电电源，10 kV、6 kV电缆线路深入负荷中心的供电网络。海域水深3～15 m左右，春冬季多风浪，最大风速33 m/s，冬季有30～40 cm厚的海冰，气候潮湿，环境温度-25～45 ℃，相对湿度95%，有盐雾、油雾、霉菌和凝露，油区自然环境和气候条件恶劣。

与陆上电缆相比较，海底电缆所处的环境更为复杂[1]，极易因海床不规律运动、海上施工不当造成海缆绝缘层损坏甚至断裂，进而导致海缆接地或相间短路等事故的发生。埕岛油田海上平台主要采用链式供电方式，由于出线海缆较长，当海底电缆线路发生故障时，故障查找困难，停电时间长，对海上原油生产造成较大影响。

1 海底电力电缆状况

为保障胜利海上油田的勘探开发及配套设施建设，埕岛油田现已形成了一个平台自备发电机组和陆地供电系统紧密结合，发、供、配电比较完整的电力系统，为海上油田的开发建设提供了可靠的动力保障。

海底电力电缆最初采用德国一家公司生产的海底电缆。如从110 kV海洋变至埕岛中心一号平台的35 kV海缆，2根长度12 km。海缆型号为：三相XLPE绝缘海底电缆电缆，截面积为3×185 mm2；工作电压：额定26/35 kV，最高为45 kV；海缆允许拉力：敷设中165.62 kN(16 900 kgf)，维修时41.65 kN(4 250 kgf)；海缆直径：约129 mm；海缆重量：空气中约26.5 kg/m，水中约14.2 kg/m；海缆允许弯曲半径：盘绕时3.1 m，敷设时1.9 m，安装后1.3 m；退扭高度：最小6.5 m，允许最大扭角：30°/m。随着国内电缆制作水平和产品质量的提高，逐步采用国产电力电缆。目前，已建成海底电缆近300 km，埕岛油田海底电缆电压等级主要有35,10,6，3和1 kV等；按截面积主要有25，35，50，70，95，120，150，185 mm2，有单芯或三芯电缆。

2 海底电缆故障分析与典型事故

本文统计了2003年11月至2013年5月10年间海底电缆37次故障情况，从电缆故障类型、故障点位置分布、故障时间及故障原因等方面进行分析。

2.1 海底电缆发生的典型故障

故障1：2003年11月6日12∶30，35 kV海电一线、海电二线分别距离110 kV海洋变5 720 m、5 528 m处发生接地。当时难以修复两条电缆，12月10日为尽快恢复供电沿原路由附近重新敷设35 kV海电三线，沿途勘察调查发现电缆故障点区域为地质沉降区，两条故障电缆出现不同程度的路由位移和拖曳拉伸。此电缆即为投产不久的110 kV海洋变至埕岛中心一号平台35 kV海缆，电缆截面积3×185 mm2。事故影响原油产量63 000 t。

故障2：2006年10月12日5∶05，海五联～ZH104陆上段电缆在距离架空线1 500 m断，登陆点～ZH104平台距登陆点62 m处接地，陆上电缆现场有挖掘机刚刚挖过痕迹，海里是海堤防护抛石损伤电缆，电缆截面3×120 mm2，影响原油产量972 t。

2005年12月18日8∶30，CB4C～CB4B海底电缆距CB4C处1 224 m接地；由于冬季受气象条件限制修复较慢，难以在一个气象周期内完成修复。但可以完成铺设一条电缆工作，由于该区域缺一条电缆构成环网，经对比分析后重新铺设电缆一根。修复电缆时发现电缆上附着一个铁锚，经调查，电缆断点附近胜利221船舶在作业一号抛锚上料。电缆截面3×185 mm2，影响原油产量193 t。

2012年4月2日运行值班发现KD34A～KD34线海缆接地，4月5日组织维修，测量发现海缆A相接地，故障点位于KD34A平海底电缆与海管交叉处；之后用浮吊吊出海缆，切除井口平台海缆，重新做电缆中间接头连接恢复送电。电缆截面3×120 mm2，影响原油产量152 t。

2012年7月28日CB30A平台10 kV高压室内CB306平台出线柜跳闸，CB306平台失电，检查变压器室及控制柜室均无异常。检测海缆绝缘，发现海缆有一相接地，绝缘为零，其余两项均正常；测断点距离CB306平台2 008 m；7月29日吊起海缆并找到二处海缆接头，被渔网、锚和铁链缠绕。锯开重新做头后由于海况恶劣，至8月1日海缆送电。电缆截面3×120 mm2，影响原油产量105 t。

故障3：2008年1月22日21∶36，CB35井组平台停电，油开关烧毁，海一站～CB35井组海缆在登平台处离海面1 m的位置断开，海缆防护管脱落，海缆铠装及合金护套都已严重腐蚀，断口呈现出短路烧毁状，做两个中间接头，02∶47海一站组织送电，送电后发现一切恢复正常。电缆截面3×70 mm2，影响原油产量231 t。

故障4：2005年1月27日0∶28，CB11D～中心一号海缆11D端462 m处接地，电缆截面3×120 mm2，影响原油产量135 t。事后吊装发现，电缆绝缘层有一段不规则腐蚀状及接地点导体均有腐蚀现象。

故障5：2012年5月4日发现3512线海缆失电，检测发现海缆一相接地，经测量确定断点在海五变电所外278.5 m处。维修大队将故障海缆挖出，发现海缆接头防水层渗水造成海缆击穿。5月5日，由海洋电气对海缆做头并进行埋地处理，5月6日海洋电器人员对中三12线海缆打压，打压68 000 V正常后送电，电缆截面3×185 mm2，影响原油产量1 250 t。

故障6：2008年6月11日0∶25，CB11D～CB11E出线柜跳闸，致使CB12B、CB20A等11座平台停电，39口油井停井。CBG5～CB701海缆在距CB701平台端628 m处有一相接地。电缆接地原因没有查明。电缆截面3×70 mm2，影响原油产量198 t。

2.2 海底电缆故障类型

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[2]。根据统计，海底电缆故障类型中，单相接地故障与相间短路故障次数占故障总次数的90%以上。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、高阻泄漏故障和闪络性故障。表1给出了电缆各类故障次数与占比。

表1 埕岛油田2003～2013年海底电缆故障类型统计

2.3 电缆故障原因分析

埕岛油田地处黄河入海口的复杂海域环境，海底不断勘探开发和海上密集的构筑物建设及平台移动、船舶航行等多种因素的影响，造成海底电缆因地层地貌改变、外部机械损伤、绝缘介质老化、过电压击穿、设计和制作工艺不良以及护层腐蚀等原因，使海底电缆断裂或损坏等突发事件时有发生。根据10年间引起海缆故障的各种因素和造成海底电缆故障的原因进一步分析如下。

a)地质变动造成的电缆损伤。埕岛油田海域位于黄河三角洲前缘，海底易发生坍塌、沉陷、冲蚀等灾害地质现象，在波浪海流力量的作用下对海床稳定性造成破坏。与陆上电缆相比较，海底电缆所处的环境更为复杂[3]。极易因海床不规律运动，对海缆形成的强拉力造成海缆损伤、海缆绝缘层损坏甚至断裂，进而导致海缆接地或相间短路等事故的发生。如故障1所述。

b)外力机械对电缆的伤害。外力机械对电缆伤害的原因是多方面的。主要表现在一是海工作业损伤电缆，如海堤工程防护抛石砸伤电缆，海洋管线沉放敷设、打桩等施工；二是移动式作业平台或是船舶停靠海上设施，在井口区域的海底电缆会因为平台或船舶随海洋流向而位移，靠近、拖行、就位过程中，插桩固定平台或起桩等环节容易伤及电缆；三是船舶抛锚起锚过程中，锚钩对电缆刺伤或挂住电缆的锚钩在起吊时对电缆的拖拽；四是海底原油盗窃作业、渔网捕捞抛锚和铁链等缠绕损伤电缆。如故障2所述一些故障情况。

c)海底潮汐引发的电缆磨损与拉伸。海底海浪的不断冲击，会引起电缆与海底管线交叉处随海浪摩擦造成电缆护层及绝缘层逐渐磨损，直至损坏或是海缆随波晃动被稳定性更高的管线拖曳拉伸；也会因沿桩腿固定并由防护管做防护的电缆，被海浪折断脱落的护管与电缆的磨损[4]。如故障3所述。

d)海洋有机质对电缆的化学腐蚀。海洋环境是一种复杂的腐蚀环境，海水本身是一种较强的腐蚀介质。在诸多因素中，海底土的腐蚀性是其中关键因素之一，海缆埋设或放置在海底,与海底土直接接触,海底土中的腐蚀性因子会与海缆外护层发生化学反应而造成海缆腐蚀破坏，对海底土腐蚀性的研究已经证明了海底土中腐蚀因子的腐蚀作用[5]。加上海洋钻井液及海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都对电缆外层绝缘腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。如故障4所述，这类故障较难区分并呈现多重故障原因。

e)海缆敷设施工及运行维护时遗留的事故隐患。海底电缆敷设方法较多。按敷设电缆的动力方式分为自动敷设法和绞锚动力敷设法，从电缆入泥方式分为入泥埋设法和泥面埋设法；从埋设方式分为海沟犁埋、绞吸式埋设、喷射水埋设法等；从与海上设施相邻关系上可分为同沟埋设法、同步相距分离埋设法等[6]。虽然海底电缆施工敷设技术日臻完善成熟，但各种施工工艺都存在一些问题[7]。海底电缆敷设的一些独特特点[8]，如敷缆船定位问题，海缆盘绕退扭问题，海缆入水角问题等都会引发隐蔽性隐患。文献[8]给出了海缆在敷设过程中，在同一相上出现的两次接地故障现象，故障点为海缆表面有异常弯曲痕迹，海缆钢铠钢丝有明显的过度弯曲。解剖发现，故障相导线被拉断。并分析认为：由于海缆扭角太大，退扭高度偏低，施工时，施工公司未对其引起足够的重视，加之施工海域情况复杂。使海缆入水过程中较易打结，再受到纵向拉力，可将海缆中打结后最短的一相导线拉断。

由于电缆运行维护，特别是电缆头制作质量存在的缺陷，造成电缆外表防护不足发生渗透或是线芯导体连接存在的毛刺及应力锥处理不当等，引发“电-水树枝”不断放电发展直至造成击穿事故。如故障5所述。

f)其他及不确定原因。海底电缆故障原因除了上述外，勘探开发区域管网总体规划布局考虑不全、电缆设计缺陷及路由勘察选择不当、产品制造质量难以满足海洋环境以及运行检测、维护检维修等等诸多原因都会给电缆安全运行带来隐患。如故障6所述，此类故障由于事故原因分类及调查不详等因素，也呈现多重故障原因并存。

3 电缆故障呈现的规律分布与分析

3.1 故障原因频次占比分布

据统计，由地址变动造成的电缆损伤占5.4%；外力机械对电缆的伤害占37.8%；海底潮汐引发的电缆磨损与拉伸占16.2%；海洋有机质对电缆的化学腐蚀占5.4%；海缆敷设施工时遗留的事故隐患占13.5%；其他不明原因占21.6%。

3.2 故障时间分布

2003～2013年37次海底电缆故障统计，月度频次分布见图1。

图1可以看出，进入深秋冬季后，电缆发生故障的次数居多，月度故障次数最多为11月，发生8次，其次为：5月份5次，12、1月份均为4次；秋冬季节10、11、12月至来年1月，共计发生20次，占事故次数的54%。进一步分析发现:发生事故最多的11月份8次事故中，海底地质沉陷引起2次，抛锚、桩靴、打桩等外力机械引起4次，不确定原因3次；12月份4次事故中，外力机械引起3次，不确定原因1次；1月份4次事故中，腐蚀、潮汐引起2次，不确定原因2次；另有2次不确定原因发生在5月份。

图1 2003-2013年海底电缆故障月度频次分布

复杂的海域船运环境和油田特殊的海上生产组织方式，使得即使在冬季恶劣条件下，各类外力引起的电缆故障不断；推测在11、12、1月份发生故障6次不确定原因，认为应该与该海域气象规律特别是风向、波浪、潮流及潮汐有很大相关[3]。文献[3]指出：风、浪、流、冰等因素都会对海上生产设施造成一定成的影响，造成生产隐患，严重时会直接破环设施。受海流冲刷、淘空的影响，造成海管悬空、海缆拉直、偏移等隐患。在海缆方面，2003年海缆探摸资料，发现海缆拉直、悬空、喇叭口脱落、无喇叭口等较多问题。另外，部分海缆受海底表层土的滑移坍塌和液化的影响，同时，在涌浪、海流的冲刷作用下，会直接造成海缆损坏。

3.3 故障点位置分布

a)登陆地段：发生在电缆登陆固定式采油平台及登陆陆地区段。在统计的37次电缆事故中，发生电缆出水海面上下或是平台上设备电缆连接部位，或是电缆登陆陆地极浅水区和岸边区的事故有10次。

b)井口区域：指电缆处于采油平台井口区域。移动式作业平台或船舶移靠固定式采油平台时，为防止撞击采油平台，一般在距离40～50 m范围内移动以对正井口，在插桩、拔桩过程中对附近电缆的伤害。在统计的37次电缆事故中，发生在井口区域的有11次。

c)电缆接头：海底电缆中间头。37次事故中此类事故发生3次。

d)其它电缆故障点位置呈现离散分布。

4 结语

分析中可以得出，海底电缆故障呈现一些明显的特点。

a)秋冬季节10、11、12月至来年1月，电缆故障高发多发，共计发生20次，占事故次数的54%。一方面与油田海上原油生产组织模式及埕岛海域船舶活动规律有关，更与冬季海洋水文环境运动密不可分。

b)海底洋流湍急、天气多变，海工作业、平台船舶停靠、锚桩钩挂、盗窃捕捞等外力机械对电缆造成伤害属于多发事故原因，更由于船只随意抛锚和出现机械故障等原因在海缆保护区内抛锚、拖锚现象频发，对海底电缆安全造成极大威胁。保护海底电缆不受锚害、渔业作业等威胁，是海底电缆安全运行的重中之重。因而综合采取多方面有效的防止外力破坏措施是降低电缆故障的首要任务。

c)海缆运行过程中由于海洋地质条件的改变与海底潮汐运动等造成的海缆悬空、磨损、拉伸等隐患，其发展过程缓慢，但发生故障时，在海上对故障点的探测巡查和故障处理存有较大的困难。

d)应加强《海底电缆管道保护规定》的宣传贯彻和海缆区域巡查与警示，强化海上安全作业区的监管，定期对海缆进行检测、探摸，建立电缆动态数据库，及时消除存在的隐患。要对海上各类管道、管线综合规划布局，合理选择电缆路径，电缆设计要考虑地形地貌变化对电缆弯曲、拉伸等的影响；对海上电网进行综合自动化系统智能改造，优化电网运行方式，快速恢复事故供电。

通过对10年间37次海底电缆故障原因的分析，找出电缆故障类型和6方面的故障原因，故障原因上外力机械对电缆的损害造成电缆事故居多，而地质灾害造成的事故在故障查询和故障点处理上困难较大；时间上呈现冬季明显多发的特点，摸清故障点的位置分布规律有利于从易到难查找故障点。这对于采取综合有效措施减少电缆故障提供了很好的借鉴和依据。

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ShengliChengdaoOilfieldSubmarinePowerCableFaultTypeandCausesAnalysis

Zheng Chunsheng

(SINOPEC Shengli Oilfield Power Management Corporation，Shandong, Dongying， 257000)

This paper describes the status of submarine power cables of Chengdao oilfield, Through the comprehensive analysis of 37 submarine cables fault conditions from the cable fault type, fault location distribution, downtime and other aspects of the cause of the malfunction, found the submarine cable fault occurred mainly between 10,11, 12 and next January; cable fault is caused by many sea work industries such as the platform ship docked, anchor hook, theft of fishing and other external mechanical damage to cable multiple, marine geology submarine and seabed conditions change caused by tidal movement vacant, wear, stretching and other risks great harm; to integrated planning pipeline, preferably a submarine cable route, cable protection strengthen its management and operation and maintenance of a variety of measures, so as to reduce submarine cable fault, guarantee the safe operation of the power grid.

Chengdao oilfield; power cable; fault law; causes analysis

2015-11-23

郑春生，高级工程师，注册安全工程师，工程硕士，1988年毕业于承德石油学校工业企业电气化专业，现任胜利油田电力管理总公司首席专家,主要从事电力生产技术管理及电网运行工作。