蔡 勇，朱 陽，蘆 海，梁 健，賀敏恒

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局?？诜志?，海南 ?？?570100）

0 引言

中國是世界第一大能源生產(chǎn)國，國家能源局已于《風(fēng)力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出：到2020 年底，風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到2.1 億kW 以上，其中海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到500 萬kW以上。由此可見，海上風(fēng)電是未來電力發(fā)展的重要趨勢，而海底電纜也成為海上電力運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?。目前，海底電纜輸電工程主要建設(shè)應(yīng)用于各國電力跨海域互聯(lián)、區(qū)域電網(wǎng)跨海峽互聯(lián)、向海洋孤島及海上石油鉆井平臺供電、輸送海上可再生能源發(fā)電并網(wǎng)，對保障區(qū)域性電力供應(yīng)安全性、可靠性、靈活性有著重要意義。

1 海底電纜在跨海域輸電中的重要作用

海底電纜（以下簡稱海纜）是各國跨海域聯(lián)網(wǎng)輸電工程的重要組成部分，在實現(xiàn)電網(wǎng)國際化、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)程中起著重要的作用[1]。近年來，隨著國內(nèi)外輸變電技術(shù)的發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)一體化、能源優(yōu)化配置、環(huán)境影響減少等因素的推進(jìn)下，跨海域輸電技術(shù)、海底電纜制造技術(shù)、海底電纜工程不斷發(fā)展。其中，海底電纜工程的建設(shè)主要受地域建設(shè)條件、海洋工程條件和施工設(shè)備等條件限制，其涉及技術(shù)領(lǐng)域廣泛、投資規(guī)模大、施工技術(shù)復(fù)雜。

海纜敷設(shè)的保護(hù)措施包括海纜近岸段套管、深海沖埋、拋石保護(hù)、定點加固等防護(hù)施工。其中大跨越海域輸電使用500 kV 及以上交直流電力輸送，一般充油式電纜可敷設(shè)在水深500 m 的海域里，所灌注在海纜中心的油為絕緣油，主要起到絕緣及降溫的作用；海纜兩側(cè)的油泵站系統(tǒng)對海纜起到了保障作用，在海纜受到外力破壞導(dǎo)致鎧裝層破損后，可以避免海水進(jìn)入海纜引起的海纜內(nèi)部損壞[2]。

2 國內(nèi)外海底電纜事故案例及故障原因分析

2014 年 1 月 6 日，美國 280 號駁船 （Barge B.No.280）在被拖輪Ellen S.Bouchard 拖帶過程中下錨，不慎將紐約州電力管理局所擁有和運(yùn)營的位于長島海灣的海底電纜割斷。電纜中用作潤滑劑和冷卻劑的絕緣油（一種烴類油）滲漏出來，多達(dá)數(shù)千加侖。

自1993 年開發(fā)以來，我國埕島油田逐漸發(fā)展成年產(chǎn)300 萬t 級的大油田，電網(wǎng)不斷壯大，發(fā)生過多次電網(wǎng)事故，近幾年則以海底電纜事故最頻繁。據(jù)統(tǒng)計，2003 年底以來，海上電網(wǎng)共計19 條海底電纜出現(xiàn)事故。

通過分析近幾年海纜事故存在的一些風(fēng)險，可統(tǒng)計事故原因主要分兩類：①地質(zhì)原因。由于海底洋流、地形等變化，在波浪海流作用下，海底土體發(fā)生破壞，對海底設(shè)施造成間接影響，如傾斜、位移、懸空、沉陷、巖石長時間摩擦等。②機(jī)械原因。機(jī)械原因主要是指海底電纜受強(qiáng)外力拽拉、碰撞等損傷，其中船舶拋錨起錨損傷電纜是指船舶拋錨時掛到海底電纜，起錨時由于操作人員不嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行起錨操作，導(dǎo)致海底電纜損傷[3]。以上所分析的海纜損傷可分為輕度損傷和斷面重度損傷，都可能會造成海纜絕緣油溢出或泄露。高壓海纜埋深水域一般在幾十米至上百米的海域中，絕緣介質(zhì)（油）一旦泄露，在洋流、潮汐及擴(kuò)散形態(tài)的影響下，尋找故障點的難度將會大幅提升。

3 海底電纜溢油排查方法及作業(yè)條件

3.1 海面拉網(wǎng)式專項排查

根據(jù)海纜路由保護(hù)區(qū)經(jīng)緯度坐標(biāo)提示，在滿足海面風(fēng)力小于6 級，能見度、流速、涌浪海況條件符合海水取樣作業(yè)的條件下，可以使用多艘小型船只進(jìn)行海面協(xié)同取水作業(yè)，對路由保護(hù)區(qū)內(nèi)海域海水進(jìn)行網(wǎng)格式分段采樣（圖1），通過檢測分析得知具體坐標(biāo)網(wǎng)格內(nèi)海域是否有絕緣油介質(zhì)漂浮于海面上方，從而確定大致海纜溢油或泄露區(qū)域。發(fā)現(xiàn)絕緣油介質(zhì)元素后，深水區(qū)域內(nèi)可使用水下機(jī)器人進(jìn)行深水域水下拍照排查，淺水區(qū)域內(nèi)可選擇潛水蛙人使用相機(jī)進(jìn)行拍照排查[4]。

圖1 現(xiàn)場施工作業(yè)范圍

3.2 海上取樣船舶及人員配置

海水取樣需大船1 艘，租金約3000 元/d，配置人員 3～5 人；小型船只 7 艘，租金 1000 元/d，配置人員1～2 人。每天船只租賃費(fèi)用約1 萬元，人員、資金成本投入大，費(fèi)用消耗高。

3.3 作業(yè)條件

作業(yè)前，應(yīng)確保人員和船只安全滿足以下條件時方可開展工作：①海面平均風(fēng)力≤4 級（陣風(fēng)＜6級）。②能見度≥1000 m，無大霧及雨水天氣。③海上浪高≤0.6 m。④流速≤2.5 節(jié)。

3.4 存在的問題

（1）海上作業(yè)條件隨季節(jié)、潮汐等變化，滿足作業(yè)條件海況較少。

（2）多艘小型船只進(jìn)行海面協(xié)同取水作業(yè)時，取水過程中存在近距離船只碰撞導(dǎo)致人員落水的風(fēng)險。

（3）使用手機(jī)全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）通過經(jīng)緯度定位開展作業(yè)，存在定位誤差大的情況。

（4）存在人力、物力、財力投入成本大的情況。

（5）小型船只多為柴油驅(qū)動，在行駛過程中會出現(xiàn)船只油品混入海域造成取水人員誤判的問題。

4 無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，其在航拍測繪、警用執(zhí)法、電力巡查、油氣巡檢、施工管理和應(yīng)急處置等多個領(lǐng)域得到迅速拓展應(yīng)用，結(jié)合多旋翼無人機(jī)的自身優(yōu)勢特點，將基于大疆M300 RTK 無人機(jī)研發(fā)的多旋翼無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置（以下簡稱無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置）用于海纜溢油排查。

4.1 無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置組成

無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置由大疆M300 RTK無人機(jī)及快拆定位取水裝置（圖2）兩個部分組成，基于大疆M300 RTK 無人機(jī)優(yōu)異的通信鏈路，可達(dá)到15 km 視頻回傳及控制距離。快拆定位取水裝置采用了鋁合金加工與尼龍纖維結(jié)構(gòu)搭配，滿足了高強(qiáng)度、輕量化設(shè)計，其散熱性能良好，作業(yè)效率高[5]。同時該裝置設(shè)計采用快拆結(jié)構(gòu)、分體設(shè)計，合理的中心分布減少了取水裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速差異，提高了作業(yè)穩(wěn)定性，該快拆定位取水裝置具體性能參數(shù)如表1 所示。

圖2 快拆定位取水裝置

表1 快拆定位取水裝置具體性能參數(shù)

4.2 快拆定位取水裝置功能

（1）無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置基于大疆M300 RTK 無人機(jī)平臺開發(fā)，直接通過大疆遙控器的Pilot 軟件操作控制，避免了第三方控制器遙控及圖傳信號差異的問題。

（2）控制器通過大疆的 SkyPort 接口接入M300 RTK 無人機(jī)，可以提供取水器控制和視頻畫面實時回傳遙控器顯示，控制器上面瞄準(zhǔn)鏡的使用既可以為取水位置提供依據(jù)，又可以免除大疆的前置云臺相機(jī)，增加飛機(jī)的有效載重量，有效取水高度為10～15 m。

（3）自帶1080p 相機(jī)，免除前置云臺相機(jī)，增加飛機(jī)有效負(fù)載重量，取水容量為700 mL。

（4）多種保護(hù)功能：兩端限位保護(hù)、過載保護(hù)、過熱保護(hù)。

（5）可以精確控制收放速度可調(diào)、下降高度。

（6）可以根據(jù)海域經(jīng)緯度坐標(biāo)制作KML 航線，對指定區(qū)域海域進(jìn)行精準(zhǔn)GPS 位置定點、定深取水。

（7）具備收放線多種模式精準(zhǔn)取水功能：0.5 m放線、1 m 放線、實時控制放線、一鍵收線等。

4.3 無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置與常規(guī)船舶取樣對比

無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置與常規(guī)船舶取樣的作業(yè)方式對比如表2 所示。

表2 作業(yè)方式對比

4.4 無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置在海水取樣作業(yè)中的優(yōu)勢

（1）結(jié)合大疆M300 RTK 多旋翼無人機(jī)強(qiáng)勁動力掛載快拆采樣器實現(xiàn)高精度厘米級精準(zhǔn)定位采樣。

（2）提高采樣效率，避免人員采樣的安全隱患，避免船舶采樣的碰撞風(fēng)險。

（3）機(jī)動能力強(qiáng)，不受地形影響，作業(yè)半徑大，一臺作業(yè)飛機(jī)可滿足30 km 作業(yè)直徑，一塊飛行電池可完成3～4 次采樣任務(wù)，提高作業(yè)效率。

5 結(jié)語

本文對海底電纜在電力跨海域互聯(lián)、區(qū)域電網(wǎng)跨海峽互聯(lián)等工程用途中進(jìn)行闡述，并針對高電壓、長距離、大容量充油式海底電纜在溢油排查中，海上常規(guī)取水作業(yè)的限制條件、人力資金投入及風(fēng)險點進(jìn)行了分析；同時對多旋翼無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置在海上取水作業(yè)中較常規(guī)作業(yè)方式進(jìn)行了對比，獲得了較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果，說明多旋翼無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置在海纜溢油排查作業(yè)中有著較高的準(zhǔn)確性及便利性，可降低資金投入成本，并且提高了作業(yè)效率，規(guī)避了作業(yè)風(fēng)險。因此多旋翼無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置應(yīng)用于海底電纜溢油排查取樣必將成為重要發(fā)展方向。