XLPE绝缘海底电缆的应用及试验监测技术研究

高鑫

摘 要：本文主要阐述了XLPE绝缘海底电缆的结构和主要特点，同时对海底电缆的在线监测技术和试验技术进行了简要说明。

关键词：XLPE绝缘海底电缆；分布式光纤检测技术；局放检测

中图分类号：TM247 文献标志码：A

1 XPLE海缆结构和特点

1.1 单芯和三芯XLPE海缆

如图1和图2所示，XLPE绝缘海底电缆可分为单芯和三芯两种。

如图1所示，单芯XLPE 海底电缆基本结构由内到外是线芯、内屏蔽层、绝缘层、外屏蔽层、综合防水层、金属屏蔽层及外护层。单芯XLPE直流海底电缆因为只有一根线芯，制作成本低，单位重量和产品外径相对三芯海缆都很小。且在长距离的运输中一般输送容量比较大且运行电压很高，单芯导体海底电缆的机械抗拉能力和线芯面积都可满足要求。所以，大多数的海缆都会采用单芯XLPE绝缘电缆。

1.2 XPLE海缆绝缘试验

如图2所示，相比单芯XLPE海底电缆，三芯XLPE海底电缆最难的工艺在于大长度的高压电力线芯成缆的绞合过程。对于相同的单位导体截面时，且在大容量长距离的海底电缆工程中，三芯XLPE海底电缆在运行过程中损耗更小，更是节省了生产、敷设及运维成本。

1.3 直流和交流XLPE海缆

XLPE绝缘海底电缆同时也分为直流和交流两种。区别于交流XLPE海底电缆最大的一点是，直流海底电缆一般采用单芯电力线芯，即单芯XLPE海底电缆。直流XLPE海底电缆的优点主要表现在：（1）采用高压直流输电方式，不存在无功补偿问题。同时磁滞损耗、涡流损耗及环流损耗等问题，传输距离更长，载流量更大；（2）可灵活调节线路的功率和电流，以满足在不同或相同频率下交流系统间的非同步联网；（3）有效减少海缆工程的工程量和施工空间，是交流XLPE海底电缆施工量的2/3，而海缆路由占用海床的空间也只有其的1/2。

相对于交流XLPE海底电缆，直流海底电缆在绝缘层尺寸和材料特性上更加复杂。其采用的直流输电方式亦存在固有的弊端：（1）不断在绝缘层累积的空间负荷会产生电场畸变，而导致绝缘层的绝缘性能下降。同时，由于绝缘层温度分布特性和绝缘线芯结构的影响，绝缘层电场呈电阻性分布。所以，需结合绝缘层的热场和电场的耦合问题来考虑直流海底电缆结构设计；（2）直流系统单极运行时产生的电腐蚀对海底设备伤害比较大；（3）交流输电方式在谐波控制方面更具有优势；（4）直流输电必须采用环流设备，投资成本和换流损耗成本都比较高。

直流和交流XLPE海底电缆从投资成本、运维成本及损耗成本相比较，在海底电缆工程输电距离较短时，直流系统的换流设备成本和换流成本远大于交流海底电缆的损耗成本。这时采用交流输电方式更具有经济性。而输电距离超过临界值（约为57 km）后，输电线路越长，直流海底电缆的成本和线路损耗低的优势就更加明显。所以，直流输电方式更加适用于长距离的海底电缆工程。

2 XLPE绝缘海缆故障及监测技术

2.1 XLPE绝缘海底电缆故障原因

随着海洋各类开发活动的增加，海底电缆的安全性日趋重要。造成海底电缆故障的主要原因表现为：（1）渔船抛锚引发的海底电缆机械损伤；（2）电缆和电缆护管之间、海底电缆交叉点之间等的摩擦会损害绝缘层和电缆护层，从而破坏海缆的绝缘性能；（3）地壳变动或潮汐等自然环境的不可抗拒的运动可形成强拉力使海底电缆摆动和位移而造成损伤；（4）海水腐蚀、海洋微生物附着海缆表面腐蚀等也容易造成海底电缆的阻水性能变差和绝缘老化。

2.2 XLPE绝缘海底电缆在线监测技术

针对XLPE海底电缆发生故障时的温度变化和应变变化主要采用海底电缆复合光纤作为分布式传感器元件来进行监控和测量。分布式光纤检测技术实现了对海底电缆实时的全线路在线监测，且耐腐性能良好、抗干扰性强、精度高，能及时发现海底电缆的故障。目前主要有两种分布式光纤传感技术，但两者都有明显的优缺点。具体表現在于：一是基于拉曼散射的光纤传感技术，主要是应用了基于拉曼散射的光时域反射仪通过获取海底电缆上的温度分布信息来实现沿着光纤的全分布式温度测量，以达到监测海底电缆的实时运行状况；光时域反射仪有着高精度的温度分辨率，但却无法测量光纤的应变变化，即无法监测海缆的机械损伤情况。这是它很大的一个弊端；二是基于布里渊散射的光纤传感技术，通过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度来同时获取海底电缆的应变变化和温度变化。但不可避免地采纳测量量布里渊散射光的频移和强度会受到应变和温度的交叉影响，而影响测量精度。

2.3 XLPE绝缘海底电缆绝缘试验技术

对海底电缆进行工频耐压试验和局部放电检测手段是检测海底电缆绝缘性能最直观最有效的试验方法。工频耐压试验的方法主要有变频谐振法、阻尼振荡波法、超低频电压法3种，其中变频谐振法是最常用的方法，相比其他两种方法，其具有较高的便捷性和安全性。而局部发电检测是利用传感单元将海底电缆绝缘劣化而引起的局放信号耦合到观测系统中。海底电缆局部放电检测方法有很多种，目前XLPE绝缘海底电缆主要用脉冲电流法、超高频法及高频电流法这3种局部放电检测方法。基于单一的局部放电检测方法有一定的局限性，现场一般都会联合应用多种局部放电检测方法，以相互弥补不足，提高检测的精度，以实现对海底电缆的缺陷诊断和故障定位。

结语

XLPE绝缘海底电缆随着海洋开发活动日益增加而越来越广泛应用，但其绝缘结构设计、制作工艺、试验技术及在线监测技术还有待提高和研究，以确保其更加安全更加稳定的运行。

参考文献

[1] GB 50217—2007，电力工程电缆设计规范[S].

[2] GB 50168—2006，电缆线路施工及验收规范[S].