韓志軍，陳 光，靳憲瑤

（1.東北電力設(shè)計院，長春 130021；2.大連電力勘察設(shè)計院有限公司，遼寧 大連 116011）

隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的超高壓、遠距離、大容量的發(fā)展趨勢使得供電事故對于國民經(jīng)濟所造成的損失無法估量，所以，提高供電質(zhì)量，降低供電事故率，提高供電可靠性是當今市場化大環(huán)境下對電力行業(yè)提出的新要求。由于海底電纜工程造價高，發(fā)生故障通常沒有備用線路，故障維修的費用昂貴且周期很長，因此海底電纜的無故障運行顯得尤為重要，為此提出了基于可靠性方面的研究。

1 海底電纜故障率調(diào)查及故障因素

國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）負責定期收集海底電纜可靠性的數(shù)據(jù)［1］，結(jié)合1950～1980年的海纜運行經(jīng)驗，給出海纜的故障率為0.32次／（a·100 km），這個故障率是在小部分海纜有保護的情況下得出的。由于海底電纜的保護率已經(jīng)大幅提高，而且勘測方法、電纜設(shè)計和安裝方法都有很大發(fā)展，因此目前海纜故障率非常低，其中有82%發(fā)生在電纜本體，18%發(fā)生在接頭［1］。電纜本體故障的主要原因是外力破壞，接頭故障的主要原因是不良的工程設(shè)計、安裝或維護。國際大電網(wǎng)會議2009年報告［1］的海纜故障率匯總見表1。由于一個回路通常包括有2、3或4根電纜，因此每千米電纜的故障率會更低。

表1 海底電纜的故障率

表2列出了一些大型的高壓直流海纜線路在1998年發(fā)生的故障情況，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)計算，海纜機械故障原因的故障率為0.264次／（a·100 km），內(nèi)部故障原因的故障率為0.0143次／（a·100 km），質(zhì)量較差的海纜或者不當?shù)陌惭b方法引起的故障占海纜故障的大部分［1］。

對于不同的海域、不同的電纜類型來說，損傷原因差異較大，人為因素造成的損害占絕大多數(shù)。據(jù)統(tǒng)計，漁業(yè)捕撈約占52%，疏浚或鉆井約占1%，魚類咬傷約占2%，錨害損傷約占18%，地震或泥沙運動約占3%，海底電纜敷設(shè)船作業(yè)約占1%，海底電纜的自由懸掛約占5%，其他原因約占18%［1］。

表2 一些大型的高壓直流海纜線路在1998年發(fā)生的故障

2 提高海底電纜可靠性的設(shè)計建議

2.1 路徑選擇方面

海底電纜路徑是在海洋勘探的基礎(chǔ)上，經(jīng)過分析比較而確定的。在分析比較時需對各種因素進行綜合考慮，如電纜類型、敷設(shè)方式、漁業(yè)捕撈、錨地區(qū)、航道區(qū)、地震和火山活動、船舶殘骸及海底地形和海床地質(zhì)情況等。同時需要注意河道入海口、巖石地帶、移動沙坡區(qū)、海底峽谷和陡坡、廢棄物傾倒區(qū)、強水流區(qū)和軍事訓(xùn)練區(qū)等［2］，一般情況下應(yīng)避免與其他海底電纜和管線交叉，這些因素都有可能降低海底電纜的可靠性，必須予以避讓。

2.2 海纜及附件選型方面

直流電纜絕緣類型主要有高粘性浸漬紙絕緣電纜、充油電纜和交聯(lián)聚乙烯電纜。交聯(lián)聚乙烯直流電纜主要具有以下4個特點：一是軟化點高，熱變形小，在高溫下機械強度大，抗熱老化性能好，相同輸送容量下所用的導(dǎo)體截面??；二是電纜的單位長度質(zhì)量和直徑相對較小，對施工設(shè)備要求較低；交聯(lián)聚乙烯為熱固性材料，其機械性能及抗彎曲能力優(yōu)異，敷設(shè)時彎曲半徑較小，電纜在設(shè)計、制造和敷設(shè)安裝中相對方便；三是交聯(lián)聚乙烯電纜為免維護的，不需要附屬設(shè)施；四是交聯(lián)聚乙烯電纜耐酸、堿，抗腐蝕，幾乎沒有環(huán)境龜裂現(xiàn)象。充油電纜具有運行可靠性較高、無老化問題、防水性能良好等優(yōu)點，且具有成熟的運行經(jīng)驗，其主要缺點是敷設(shè)受高差限制，并且需要一整套的供油系統(tǒng)和告警系統(tǒng)，增加了運行維護成本，線路較長時無法保證電纜內(nèi)有足夠的油流，且一旦漏油會造成環(huán)境污染。高粘性浸漬紙絕緣電纜運行電壓高，對環(huán)境影響小，使用不受路由長度的限制，缺點是導(dǎo)體運行溫度低，在相同輸送容量下，導(dǎo)體截面增加較大，成本高。據(jù)統(tǒng)計，交聯(lián)聚乙烯電纜的故障率要比油浸紙絕緣電纜小得多（見表1），因此交聯(lián)聚乙烯電纜與高粘性浸漬紙絕緣電纜和充油電纜相比具有更高的安全可靠性。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求，對于重要電源線需要保持連接具有高可靠性回路的電力電纜應(yīng)采用銅芯；在給定工作溫度和電場強度的條件下，需選擇絕緣厚度以保證電纜在預(yù)期壽命期限內(nèi)擊穿概率低于某一可接受水平。考慮到安裝和修復(fù)的困難，海底電纜可采用比陸上電纜更厚的絕緣，以減小電場強度，降低發(fā)生電氣故障的風險。鎧裝保護電纜可以抵御外界機械性損傷，應(yīng)根據(jù)海纜路由的張力穩(wěn)定性、外部危害形式和保護要求設(shè)計鎧裝層。海底電纜工程在淺海區(qū)一般采用較為重型的鎧裝，在深海區(qū)一般采用較為輕型的鎧裝，因為在淺海區(qū)出現(xiàn)外力破壞危險比較頻繁，而重型的鎧裝有相對較好的抵抗捕魚機械和錨害的能力。海底電纜在生產(chǎn)和制造過程中盡可能少的使用工廠接頭，在敷設(shè)時不允許有施工接頭，工廠接頭應(yīng)與現(xiàn)場修理接頭有相同的機械和電氣性能，這樣可在一定程度上降低由于電纜接頭引起的故障率，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.3 運行維護方面

采用安全、可靠、準確的海底電纜監(jiān)測技術(shù)，建立相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，通過對海面環(huán)境監(jiān)控，海纜在線狀態(tài)監(jiān)控和加強運行維護等措施，為海底電纜的安全運行提供可靠的保障。

為了保證海纜的安全，可采用雷達監(jiān)控、遠程視頻監(jiān)控、海纜AIS（自動識別系統(tǒng)）綜合監(jiān)控系統(tǒng)、警示標志系統(tǒng)、遠程語音警告系統(tǒng)等海面環(huán)境監(jiān)控技術(shù)來控制或監(jiān)控海面船只的活動，向船舶發(fā)布通行告示，在出現(xiàn)險情時，能夠進行多方聯(lián)絡(luò)、搶險和調(diào)度指揮等。

海纜在線狀態(tài)監(jiān)控是一種利用計算機和通信技術(shù)以及光纖特性測量技術(shù)，對海纜進行分布式的實時監(jiān)測，將光纖線路的狀況信息進行收集、處理、存儲和遠傳，并實現(xiàn)對海纜傳輸性能動態(tài)調(diào)節(jié)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。海纜在線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)一般由以下4部分構(gòu)成：用于監(jiān)視海纜運行及環(huán)境溫度的測溫系統(tǒng)；用于精確故障損傷確定的定位系統(tǒng)；用于遠方控制海纜負荷變化及進行實時數(shù)據(jù)處理的動態(tài)容量調(diào)節(jié)系統(tǒng)；海底電纜海底狀況（埋深、沖刷、磨損破壞）監(jiān)控系統(tǒng)。電纜運維單位通過在線狀態(tài)監(jiān)控可及時發(fā)現(xiàn)海纜的異常情況并采取主動措施來保護海纜免受一些極端環(huán)境條件的損害，如過電壓、過熱、外力破壞和疲勞等，對海底電纜的運行維護采取主動的控制可以提高電纜線路的可靠性。

電纜運維單位可通過對電纜進行維護來保持電纜長期的、高可靠性的運行。海底電纜運維措施主要包括4個方面：設(shè)置警示裝置，在海纜的登陸點附近設(shè)置警示裝置也是防止海纜受到損壞的重要措施；宣傳與教育，在海纜路由附近設(shè)置保護區(qū)或者禁錨區(qū)，使本地和過往船只的人員引起重視，告知民眾保護海纜的重要性；定期檢測、巡線和維護有關(guān)設(shè)施；從海底電纜完整性管理的角度出發(fā)，定期開展海底電纜的風險評估，識別出各個環(huán)節(jié)所存在的風險，并明確風險的大小和所能造成的后果，提前采取針對性較強的預(yù)防措施，保障海底電纜安全、有效的運行。

2.4 保護方式方面

由于海底情況復(fù)雜，保護施工困難，施工費用高，不可能無限制增加保護措施，因此，需采用符合工程實際、技術(shù)經(jīng)濟合理的海纜施工保護方式。海底電纜保護應(yīng)根據(jù)海水深度、海床地質(zhì)情況、海面船舶通行情況、電纜風險程度、維修代價等綜合考慮，采取合理的機械保護方案。埋設(shè)是國際上最常用的海底電纜保護施工方法，一般適用于海床底質(zhì)較軟，容易沖埋的區(qū)域，選用刀式或水沖式埋設(shè)犁可直接將海纜埋入泥土中；對于無法避讓的巖石較淺的地區(qū)，受機械設(shè)備和工期的限制埋入地下的方式難以實現(xiàn)，一般可采取人工覆蓋物保護電纜，常見的有套管、混凝土蓋板、水泥墊和拋石保護等。

3 小結(jié)

本文通過對海底電纜工程的可靠性調(diào)查和故障統(tǒng)計，給出造成海底電纜故障的自然因素、人為因素及電纜本身因素，對上述因素進行總結(jié)分析，結(jié)合工程設(shè)計在路徑選擇、海纜及附件選型、運行維護和保護方式等方面進行可靠性分析，最終詳細闡述了提高海底電纜可靠性的設(shè)計建議。

［1］應(yīng)啟良，徐曉峰，孫建生.海底電力電纜設(shè)計、安裝、修復(fù)和環(huán)境影響［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［2］韓志軍，陳光.海底電纜登陸點及路徑選擇研究［J］.吉林電力，2013，41（2）：7－9.