海底电缆故障定位技术研究

浙江启明海洋电力工程有限公司 沈春雨

近年来，伴随新能源海上风电场的快速崛起，海缆使用量呈指数倍上涨，但相应故障也愈发频繁。海缆不同于肉眼直观的架空线路，较难立即准确定位故障距离，这就对海岛电网和海上风电的建设及运维工作提出了新的挑战。因此，如何快速准确定位海缆故障，提高海缆供电的连续性，保证电网稳定可靠运行，是现阶段甚至未来亟须解决的问题。

1 故障海缆类型的研判

1.1 海缆故障产生原因

锚损和岩石磨损。随着渔业生产发展，海上运输来往船只大幅度增加，但部分船只不按规定抛锚，外加登陆点岩石与海缆长期不规则磨损，均是造成海缆故障的主要原因；自损。海缆在加工制作过程中，因工艺缺陷或中间接头制作缺陷，导致在运行几年甚至几个月后便被击穿；导体发热。海缆在满负荷或超负荷运行过程中，导体发热，达到一定温度时，在其最薄弱处（中间接头或终端）发生击穿。

1.2 海缆故障分类

海缆故障一般分为直接接地故障、断线故障、闪络性故障三类，其中直接接地故障和断线故障占海缆故障的比例较高。结合现场情况，故障分析如下：直接接地故障。根据接地电阻阻值高低可分为低阻故障和高阻故障，一般表现为一相或多相接地故障；海缆断线故障。海缆单芯或多芯被锚或其他形式的外力拉断，形成完全（海缆完全断线）或不完全断线（线芯断线但保护钢丝未断）；闪络性故障。主要发生在海缆中间接头或者终端处，海缆结构不同于陆缆，出厂规格为整条，不存在中间接头，且在几十年海缆故障研判过程中几乎未出现闪络性故障，故在此文中不再展开说明。测量绝缘电阻时，根据海缆的电压等级应选择不同的兆欧表，如10kV海缆应首选2500V 兆欧表测量，而确定故障海缆电阻数值时应通过万用表测量。

2 海缆故障预定位

海缆故障预定位，俗称故障粗测，即确定故障点到被测端的大概距离。故障预定位可大致分为低压脉冲反射法、电桥法、多次脉冲法三类，而根据海缆特性和现场测试经验，适用方法目前集中在前两种，即低压脉冲反射法和电桥法。若遇高阻故障，则须先降阻（烧穿），使其变成低阻故障，再通过低压脉冲反射法或电桥法进行预定位。

2.1 电桥法

电桥法是最早应用于电缆测试领域的方法。在低压脉冲迅速发展的时代，电桥法在测寻多芯海缆单相接地，仍有使用方便、测试误差小（误差一般在0.5%～0.8%，主要误差因素为操作误差）的独特优点。但电桥法也有一个明显缺点，即对原始资料依赖度高，如海缆原始长度、另设参考相位等，故在测试过程中有一定的局限性。另外，海缆有其固有的特性：一是交流海缆线路普遍较长，长度一般为10～30km，直流海缆最长可达60km 及以上，导致两端短接条件有限；二是110kV 及以上海缆多为单相，长度多不相同，电桥法测试容易产生误差；三是随着海缆GIS 终端的普及，终端全密封且充满SF6，拆分和短接终端的程序较为烦琐。综上，导致电桥法逐渐被低压脉冲反射法所代替。

2.2 低压脉冲反射法

该方法适用于测试海缆低电阻（绝缘电阻小于100Ω）的接地故障、断线故障探寻，随着探测仪器的不断更新换代，现场部分海缆故障的电阻达1000Ω 时，使用该方法多数情况下也能显示故障波形。低压脉冲反射仪预定位基本处理方法主要有以下两种：一是通过降频、加宽测试脉冲宽度、提高测试脉冲幅值来实现探测；二是利用宽频线性阻抗分析法来进行探寻。两种方式原理都为脉冲沿导体传播，遇到阻抗不匹配点（如中间接头、短路点、断路点和终端头等），就会引起脉冲信号的反射表现。本文以某巴低压脉冲反射仪（起始波为正向波）进行说明。

2.2.1 接地故障

就接地故障而言，判断短路波紧跟其后的波形是否为反射波或终端波形尤为重要，其会直接影响海缆是否拉断的判断。

2.2.2 断线故障

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因故障海缆长时间浸泡于海水中，根据多年波形判断的实践经验，海缆产生短路波形且无全长，基本可以判别故障原因为线芯断裂，但无法确定外层保护钢丝是否全断。维修多次的老旧海缆会增加海缆故障判断的难度，因其存在多个中间接头，且不同截面积的海缆相互连接的情况时常发生，导致海缆的线性阻抗发生变化，这就需要故障研判人员常年积累现场实战经验并进行大量数据的汇总分析，由此进行判断。

使用低压脉冲法探寻大长度海缆故障的预定位，其误差主要来源于是否选择了准确的波速和合适的量程。现阶段使用的主流波速为常规交联聚乙烯材质的电缆，但由于各个厂商使用原材料不同，加上工艺改进，生产的海缆波速也不尽相同，往往实际波速比参考波速要大。

2.3 海缆定距实例

2.3.1 案例描述

2018年，110kV 舟山岱山至上海沈家湾输变电工程海底电力电缆线路发生故障，导致整条输电线路停运。在对三相110kV 海缆进行耐压试验时，发现B 相达不到试验电压，最终击穿。

2.3.2 过程分析

接到故障探寻联系单后，单位立即组织专业人员前往现场进行故障探寻。人员分两组，分别安排在海缆线路岱山、沈家湾两端进行测试，但效果均不明显。由于该海缆线路长度为38km，致高压降阻仪的降阻效果也欠佳，最终电阻维持在2kΩ 左右。经研讨，最终打开沈家湾侧的GIS 终端，先用低压脉冲反射仪测得三相海缆的长度，调出出厂试验报告中的电阻度数；再用电桥法进行测量，根据三条电缆换算后的长度和电阻之比，定位出故障位置在离岱山侧终端300m 处；开挖后发现的故障准确距离为离岱山侧终端296m 处。在海缆线路总长38km 的基础条件下，误差仅4m，不仅为抢修赢得了宝贵时间，更大大缩短了电力复送电的周期，抢修工作圆满完成。

2.3.3 结论建议

3 海缆故障定点定位

海缆故障定点定位（也称海缆故障精确定位），是海缆故障定位工作的最后一步，也是最重要的一步。海上气候环境对海缆故障定点定位影响较大，抢修工作少则几天多则几个月，涉及直接费用几十万到几百万不等，间接经济损失更是巨大，故如何突破精确定位技术瓶颈至关重要。现阶段适用于海缆精确定位的主流方法有声测法和改进型电磁感应法。

3.1 声测法

该方法的原理是利用高压直流电源向干式电容充电，随后球间隙击穿，电能随即传至海缆线芯，到达故障点时在外铠处放电。在预定位确定的范围内（海缆一般为200m）进行听声，以此来确定最终的故障点位置。声测法普遍应用于陆缆检测，在海缆精确定位中也广泛推广应用，但随着海缆深埋技术的突破，该方法在现代海缆抢修中的不足也已慢慢体现。现阶段，高电压等级、长距离、风机间等海缆基本以深埋为主，埋设约为海床下3～4m，加上海水深度（一般为30m）。船只打捞上述工艺敷设的海缆难度较大，陆地上使用的探测设备在水深超过50m 的情况下就无能为力，声测法也无法常态应用。

3.2 改进型电磁感应法

经过大量工程抢修实践和改进，改进型电磁感应法已成功应用于现代深埋海缆的抢修中。改进型电磁感应探测的基本原理是在海缆终端发射一种25Hz/50Hz/133Hz 的交变电流（主要频率为133Hz），导体通过交变电流，使其周围产生电磁场，并向空中传播。海缆发生故障后，其芯线（或金属护层）与大地（海水）构成回路，当在海缆与大地之间送入一定功率的交流信号时，便在电缆周围产生电磁场，并通过海水（衰减）向海面传播，而后通过专门的信号接收器接收信号，根据信号显示的强弱程度，便可判断出电缆的位置。经过故障点则信号不能通过，接收机也就收不到信号，以此便可确定故障点的位置，如图1所示。

图1 改进型电磁感应法示意图

该方法主要步骤如下：判断海缆走向。到达的作业海区与已知电缆敷设点相距不远时，使用探棒平行海平面360°旋转，便可判断海缆走向。在探棒平行海平面360°旋转过程中，接收机收到信号会有两次强弱变化，信号最强时探棒的走向和信号最弱时探棒的走向是相互垂直的。其中，信号最强时探棒的走向与海缆走向垂直，信号最弱时探棒的走向与海缆走向平行。

海缆故障测试一般方法。在采到第一个海缆位置点后，工作船沿海缆向断头方向以“S”形航线前进，边采点边靠近断头。开始阶段“S”跨度较大，当此方向的“S”形航线没有采到海缆位置时，即表示工作船已超过断头，应调转船头，沿反方向继续以小跨度“S”形航线采取海缆位置。为提高精度，应在断头附近多次检测。通过对故障海缆两端放信号探测路由的结果分析，即可判断故障区域。

此新式定点方法具有设备轻、故障定点准等优点，可用于海缆路径核查，也可用于海缆开路、短路故障定点定位。同时，其克服了深埋海缆和海底水深等难点，可完成一般声测法和感应法所不能完成的探测任务。海缆探测系统由发信机、接收转换信号器、探棒组成。然而，此方式定点在实际探寻测试时的缺陷也较突出，即效率较低，船只需要不断来回在海缆路由上接收电磁波，且对海况的要求较高，在风浪稍强的海况下无法正常运作，不能保障海缆故障定点工作的时效性。

3.3 改进型电磁法实例

3.3.1 案例描述

2021年，110kV 南岑1926线输变电工程发生海缆故障跳闸，在完成故障点预定位后，进行定点定位（精确定位）。

3.3.2 过程分析

故障海缆采用深埋技术，无法用传统声测法，笔者果断采用改进型电磁感应法。经过前期测试改进频率，改良探棒有效长度，分析各种信号波形，最终在这次抢修中运用这种新型方法，获得海缆故障点的精确位置。作业时，先向海缆终端发射频率为133Hz 的脉冲信号，同步将探棒固定于无人机上，接收采集信号强弱反应转换，利用GPS 进行现场位置定位，从而精确定点，随后潜水员在此海域进行探摸，最终找到故障点（误差即为GPS 误差）。至此，完成了一般声测法和感应法所不能完成的探测任务，也提高了抢修作业效率。

4 故障定位步骤探讨

海缆故障定位不同于陆缆，具有路由复杂、埋设更深等特点，定位难度大，选择一套科学合适的探寻定位方式步骤尤为重要，海缆故障定位“五步法”，是笔者基于多年海缆故障定位理论学习和实践经验的提炼总结，具有一定参考借鉴和推广应用意义。海缆故障定位步骤正确与否，直接决定了海缆故障点探寻的速度与准确性，影响海底电力电缆线路恢复供电的周期。“五步法”具体步骤如下。

一是进入作业现场，确认故障线路名称，核对无误后方可进行作业。二是初步判断故障性质。三是选择定位方法并进行预定位。对于低阻故障，使用低压脉冲法进行预定位；对于高阻故障，配合使用高压降阻仪降阻后进行低压脉冲预定位，在条件允许的情况下也可使用电桥法进行预定位。四是故障定点定位（精确定位）。对于未深埋海缆，可先用特制检修锚找到故障区域内的海缆，继而使用传统声测法；对于深埋海缆，若用特制检修锚未找到海缆，则使用改进版电磁感应法。五是定位完成，故障排除后拆除试验线，清理试验现场，恢复试验前状态。