海底電纜故障原因分析及建議

崔 勝

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引言

海洋石油平臺的供配電方式有獨立電站的孤島模式、邊際油田無人平臺的光伏發(fā)電模式以及通過海底電纜供電的組網(wǎng)模式等等。目前，國內(nèi)海洋石油井口平臺大多數(shù)都是采用海底電纜進行輸電的供配電模式。而隨著油田的不斷開發(fā)、平臺的增多以及局部電力缺口的出現(xiàn)都促使海洋石油平臺向大組網(wǎng)方向發(fā)展，海底電纜的應用更為廣泛，隨之而來的各類海纜故障也逐漸涌現(xiàn)。

通過對海纜故障的有效分析，可從產(chǎn)品設計、制造、安裝調(diào)試、保護系數(shù)、埋設深度到海纜驗收實驗方案和海纜相關保護設定等各個環(huán)節(jié)提出建議，從而為海底電纜更可靠的長效運行提供基礎。

1 海底電纜故障分析方法

1.1 海底電纜故障線索梳理方案

為全面地梳理故障線索，根據(jù)電力故障常用分析方法之一的因果法劃分為以下幾個部分，并逐一進行分析。

（1）整體故障事件回顧；

（2）海纜的工廠制造；

（3）海纜的安裝調(diào)試；

（4）海纜的運行階段；

（5）故障海纜拆解及實驗室試驗；

（6）電力系統(tǒng)設計。

在得到以上各部分的檢查結論后，可以總結出海底電纜故障的主要原因，然后針對故障產(chǎn)生的具體原因探討預防和處理該類故障的推薦做法。

1.2 海底電纜整體故障事件回顧

此階段主要是調(diào)取海纜故障前后所有的相關信息進行分析，包括：調(diào)用海纜相關斷路器綜合保護系統(tǒng)的故障錄波信息；PMS電站管理系統(tǒng)相關故障歷史記錄信息；各項故障時間順序記錄，確定故障時間點；采用低壓脈沖法確認的故障點位置；水下機器人實地錄像信息；打撈海纜查看實際損傷情況等。同時調(diào)用船舶AIS系統(tǒng)確定故障區(qū)域附近船只記錄，確認可能的肇事船只。

通過以上信息的回顧分析，可大致確認海纜故障的主要原因，是否為外力損壞，相關保護動作是否正常等。

1.3 海底電纜的工廠制造

此階段主要是調(diào)查海纜制造廠家的相關設計文件、工廠試驗報告、型式試驗報告等相關文件是否滿足相關標準（如IEC 60502、IEC 60840等）的要求。

通過此階段的文件分析，可確認海纜制造廠家所生產(chǎn)的產(chǎn)品及相關試驗是否合格合規(guī)，排除因海纜自身問題造成的故障隱患。

1.4 海底電纜的安裝調(diào)試

此階段主要是對海纜現(xiàn)場安裝后進行的耐壓試驗報告的有效性進行檢查。

對于耐壓試驗，IEC 60502-2推薦兩種方式進行試驗：施加15 min的4倍額定電壓的直流耐壓試驗以及15 min的1.7U0交流耐壓試驗。對于交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜，并不推薦使用直流耐壓試驗，因為直流耐壓試驗會破壞XLPE電纜系統(tǒng)，同時直流耐壓試驗對于XLPE是無效的。由于很多缺陷伴隨著局部放電現(xiàn)象，因此測試時會在絕緣薄弱處開始累積“電樹”并且在一定的時間內(nèi)最終發(fā)生擊穿現(xiàn)象。當使用交流電壓試驗時，絕緣缺陷容易造成很多局部放電，進而導致在試驗結束時發(fā)生擊穿。但是如果施加的電壓是直流的，那么可能沒有或者幾乎沒有局部放電現(xiàn)象產(chǎn)生，在試驗時間以內(nèi)，很多薄弱點就不會被擊穿。

但是，由于交流耐壓試驗所需實驗設備較大，在海洋石油平臺有限的空間內(nèi)難以布置，因此可以考慮IEC 60502-2所描述的另一種交流試驗，采用施加工頻額定電壓并持續(xù)24 h的試驗方案。

1.5 海底電纜的運行階段

此階段主要是檢查海纜正常運行時是否出現(xiàn)連續(xù)過負荷運轉(zhuǎn)進而導致海纜絕緣老化的現(xiàn)象，通過調(diào)取平臺或PMS電站管理系統(tǒng)中的負荷記錄，可以直觀地看出是否存在該類問題。

1.6 故障海纜拆解及實驗室試驗

此階段主要是針對打撈上來的故障海纜段，對此段海纜進行分解，進行脈沖故障定位，查看物理損傷點，通過損傷外觀可確定絕緣破壞點，判斷是否為機械外力損傷。

實驗室試驗階段包含以下內(nèi)容：老化前的絕緣應力試驗以及拉伸試驗、熱延伸試驗、DSC（差示掃描量熱）試驗、水樹試驗等，其中的DSC試驗是通過采用一種比較新穎、有效的熱分析技術，用以比較試驗中測試樣品和參考樣品的熱流率（mJ/s）隨溫度變化的曲線。海纜所使用的化學材料如XLPE交聯(lián)聚乙烯材料與金屬材料相比具有比較寬的熔點，該特性使得分析以及獲取這些化學材料的溫度變化歷史情況成為可能，進而可以判斷海底電纜是否經(jīng)歷了長期的過負荷運行。

1.7 故障海纜電力系統(tǒng)設計

此階段對海纜所有相關設計文件，包括設計規(guī)格書、數(shù)據(jù)表、計算書、圖紙、完工資料、錄波記錄等進行集中檢查，對可能影響系統(tǒng)穩(wěn)定性或與海纜事故相關的文件內(nèi)容進行分析。

1.8 故障分析總結

通過以上各個部分的線索整理和分析，可以一覽海纜從設計到制造再到安裝投運全過程中的所有故障隱患點，最終通過各個階段問題匯總對比獲得一個完整的海底電纜故障分析結論，進而針對故障的原因進行總結建議，可為后期電纜穩(wěn)定運行起到指導作用。

2 海底電纜故障實例分析

2.1 海底電纜故障情況概述

海上某油田群組網(wǎng)海纜發(fā)生故障，平臺組網(wǎng)結構如圖1所示。

圖1 油田群平臺組網(wǎng)結構圖

在圖1中，兩中心平臺間30 km長的1號海底電纜發(fā)出差動及零序故障報警，并跳掉35 kV高壓斷路器VCB1及VCB2，兩中心平臺解列運行，而圖1中的另外一根2號海底電纜隨后也發(fā)生了差動及零序故障報警，并跳掉35 kV高壓斷路器VCB3和VCB4，使其所供電的井口平臺失電。

2.2 海底電纜故障實例分析

按照上述故障分析方法，筆者對本次海底電纜故障進行了全面分析，過程如下：

（1）整體故障事件回顧：通過調(diào)取事件記錄和故障錄波并查詢當時的現(xiàn)場測試報告，確認當時30 km長的1號海底電纜B相對地絕緣為0，通過低壓脈沖法測量的結果是故障點位于圖1中的1號海底電纜15.7 km處，查閱水下機器人及聲吶探測記錄，在故障點處有錨纜拖痕，同時查詢AIS記錄，當時有船舶在故障時間段及故障地點附近停留，初步判定船舶拖錨劃傷電纜為海纜故障原因之一，但是另外一根無故障的2號海底電纜，1號海纜短路故障對于2號海纜的差動保護是屬于保護區(qū)外故障，不應出現(xiàn)保護跳閘現(xiàn)象，此時發(fā)出報警和跳閘信號的現(xiàn)象是有疑問的。

（2）海纜工廠制造階段：通過對相關試驗報告進行檢查，發(fā)現(xiàn)廠家沒有按照IEC 60840進行的抽樣試驗報告，同時也沒有發(fā)現(xiàn)廠家按照IEC 60840進行的局部放電試驗的報告。

（3）海底電纜的安裝調(diào)試階段：對此階段已完成的絕緣電阻試驗和耐壓試驗報告進行檢查，發(fā)現(xiàn)直流耐壓試驗沒有按照IEC 60502-2進行，IEC 60502-2要求的是施加15 min的4倍額定電壓的直流耐壓試驗，而現(xiàn)場使用了1.5倍額定電壓的直流耐壓試驗，但是由于直流耐壓試驗會破壞XLPE電纜系統(tǒng)，且現(xiàn)場無足夠空間來進行15 min的1.7U0交流耐壓試驗，因此建議海洋石油平臺海纜在此階段的試驗使用IEC 60502-2所描述的施加工頻額定電壓并持續(xù)24 h的試驗方案。

（4）海纜的運行階段：通過檢查平臺負荷記錄，發(fā)生故障時此海纜傳輸功率一直很小，不存在長期過負荷運行造成絕緣老化的情況，因此排除此故障原因的可能性。

（5）故障海纜拆解及實驗室試驗：通過對打撈上來的故障段海纜進行拆解分析，海纜故障處有明顯的機械外力損傷，在實驗室DSC試驗下，結果顯示，沒有線索表明電纜曾經(jīng)在比較高的溫度下運行（比如過高的負載），再次排除過負載造成絕緣老化的可能。

（6）電力系統(tǒng)設計文件檢查分析：通過對各類海纜相關設計文件的檢查，發(fā)現(xiàn)設計文件未針對海纜埋設深度做明確要求，實際海纜埋設深度為1.5 m左右，而根據(jù)事故發(fā)生時停留在現(xiàn)場的船舶估算，拋錨深度可能在2.7 m左右，因此海纜埋設深度不足。同時，對于非故障海纜的差動保護響應區(qū)外短路并動作的原因，查明是因為2號海底電纜兩側斷路器所配備的差動電流互感器（CT）變比不同，但是繼電保護整定時未根據(jù)此處變比的不同來進行有針對性的保護定值設定，導致不平衡電流測量值被放大，進而發(fā)生誤動作。

（7）結論：通過對以上幾個階段的內(nèi)容分析，得出本次海纜故障的主要原因是因外力損傷所致，而通過對電纜損傷處外觀的形狀對比，結論也指向了船舶船錨，同時實驗室結果也證明了海纜無過載運行絕緣老化現(xiàn)象。對于另外一根無故障的2號海底電纜跳閘問題，原因在于海纜兩側所配備的差動CT變比不同，而繼電保護整定設計時未做針對性設計而造成的。

2.3 相關建議

（1）廠家應按照IEC相關標準進行試驗，對于安裝后的海纜耐壓試驗，受海洋平臺空間制約，建議使用IEC 60502-2所描述的施加工頻額定電壓并持續(xù)24 h的試驗方案。

（2）海纜敷設深度應進行獨立計算，保證埋設深度以應對此類船舶拖錨造成的損害。

（3）未來進行海纜的差動保護設定時，協(xié)調(diào)好不同配電盤廠家，使得同一海纜兩端的差動CT變比相同，降低后續(xù)設計失誤的可能性。

3 結語

海底電纜在海洋平臺供配電系統(tǒng)中占有非常重要的地位，是各平臺電力輸送的紐帶，因此，做好海底電纜的保護工作是安全生產(chǎn)的重要保證，通過對海底電纜故障進行分析，可為進一步做好未來海底電纜的保護工作打下堅實的基礎。