不同交流海底電纜系統標準中試驗方法的差異分析

肖敬成

(上海國纜檢測股份有限公司,上海 200444)

0 引 言

隨著全世界對清潔能源需求的增加,依托于擠包絕緣高壓交流海底電纜的海上風力發電工程在世界范圍內快速發展。我國海上風電資源豐富,相比于陸上風電資源,到達沿海等高能源需求地區的距離短、成本低,適合大規模開發。海底電纜系統也隨著海上風電的大力建設而快速發展。海底電纜的快速發展帶動了技術的進步,相應的技術文件和標準也在不斷更新和完善。目前,國內外對交流海底電纜的生產制造與考核主要依據國際電工委員會(IEC)發布的IEC 標準、國際大網會議(CIGRE)發布的CIGRE TB 技術手冊和中國國家標準[1]。

隨著試驗標準的增加和修訂,形成了較完整的規范體系,包括CIGRE 規范和國家標準。國際電工委員會在2019 年也發布了唯一一個與海底電纜相關的IEC 標準。目前,主要應用的交流海底電纜國內外標準和技術文件由于適用的電壓等級、使用環境、技術側重等情況不同,在機械試驗、透水試驗等海底電纜特殊試驗的方法和技術要求上存在一定的差異。本工作對海底電纜系統機械試驗、三芯海底電纜電氣試驗和透水試驗等海底電纜系統重點試驗項目在不同標準中規定的差異進行了討論。

1 國內外海底電纜標準及技術規范

與陸地電纜相比,由于海底電纜在敷設或打撈過程中經受機械力,且在海水中運行,所以在不同的海底電纜標準或技術文件中,除電氣試驗與相應電壓等級陸地電纜標準中規定的方法基本一致外,對機械試驗方法、透水試驗方法也進行了相關規定。目前,國內外常用的海底電纜標準及技術規范見表1。

表1 常用海底電纜標準及技術規范

2 機械試驗標規的差異分析

2.1 卷繞試驗

海底電纜制造收貯和轉運的過程中,在儲纜池或敷設船沒有主動收放線的情況下,海底電纜將經受扭轉,繼而在海底電纜中產生機械應力,因此有必要用卷繞試驗來檢驗海底電纜是否受損。卷繞試驗相關的標準有JB/T 11167—2011、CIGRE TB 490(2012)、CIGRE TB 623(2015)、GB/T 32346.1—2015、GB/T 41629.1—2022、IEC 63026:2019。其中,卷繞試驗均要求卷繞次數等于電纜在制造、儲存、運輸和敷設過程中預期進行卷繞作業的次數;卷繞高度不超過任何卷繞操作的高度;接頭間及接頭和電纜末端的距離至少為兩整圈電纜。

不同標準在卷繞圈數、工廠接頭數量和最小卷繞直徑上存在差異。不同標準對卷繞圈數及工廠接頭數量的規定見表2。

表2 不同標準對卷繞圈數及工廠接頭數量的規定

最小卷繞直徑的規定直接影響卷繞試驗中電纜的排列方式。根據IEC 63026:2019 規定,應記錄工廠接頭所在位置的最小直徑,確保工廠接頭的位置在制造商規定的最小直徑上[3],電纜可以由內向外平鋪排列。其他標準中,電纜和工廠接頭需要滿足制造商規定的最小直徑[4-8],電纜須由下至上進行排列。

IEC 63026:2019 和CIGRE TB 623(2015)對三芯海底電纜中接頭數量和距離做了更詳細的描述。三芯海底電纜分相接頭的數量取決于電纜的結構。接頭處鎧裝層外徑增加的部分被認為是“機械特殊的部件”,若兩個“機械特殊的部件”之間距離至少為一個外鎧裝節距,則認為兩個“機械特殊的部件”之間不會相互影響,被視為機械獨立,反之為非機械獨立,接頭位置示意圖見圖1。

圖1 三芯海底電纜接頭位置示意圖

機械獨立時,接頭的數量和距離可以參照單芯電纜,在接頭端和測試電纜長度的最近端之間保持至少兩整圈線圈的距離;非機械獨立時,三芯海底電纜分相接頭的數量應與交貨電纜中的接頭數量一致[3,6],若電纜中接頭間距離小于1 個外鎧裝節距,那么被測海底電纜中應至少包括三相接頭,且每一相接頭間的距離應與交貨電纜中“機械相關”的每相接頭的距離保持一致。

2.2 張力彎曲試驗

對于海底電纜張力彎曲的試驗方法和規定,幾個標準中均沒有很大差異,但是關于張力彎曲力的計算方法在CIGRE TB 623 (2015)中進行了修訂。在CIGRE TB 623 (2015)發布之前,各標準中張力彎曲力計算方法均采用Electra No.171 中的方法,對0～500 m 敷設水深海底電纜的試驗張力計算公式為[9]

式中:T為試驗張力,N;W為1 m 電纜水中重量(電纜自重減去排開的同體積水重),N·m-1;d為最大敷設水深,m;H為安裝期間最大預期水底接觸點對電纜的張力,N。

d取最小規定值200 m 時,H的計算公式為

CIGRE TB 623 (2015)中敷設水深為0～500 m時的張力計算與Electra No.171 中的相比,主要變化如下。

1)公式(1)中系數取值1.3,考慮到敷設和修復引起的額外張力及敷設和修復情況下的動態力而附加的力。CIGRE TB 623 (2015)中依然采用這個系數,在有效波高(Hs)不大于2 m 時適用,但當Hs大于2 m 時,張力彎曲力需選擇敷設水深大于500 m時的公式進行計算[6]。

2)安裝期間,最大預期底部張力H是水平方向上的力[6],與敷設水深無關,在CIGRE TB 623 (2015)中規定H不應小于40 N,意味著海底電纜在著陸點的最小彎曲半徑為40 m,如果半徑大于40 m,則應選擇更大的張力。

3)CIGRE TB 623 (2015)刪除了Electra No.171 中建議的海底電纜直接從電纜溝槽被拉起時的額外張力5～20 kN,認為這種做法并不常見,且對這個力值不是非常確定[6]。

CIGRE TB 623 (2015) 中對敷設水深大于500 m 時靜態張力的計算與Electra No.171 中保持一致,僅對動態張力的部分進行了修訂,動態張力的計算由慣性力DI和拖拽力DD共同組成,這兩個參數均與實際敷設時的條件有關。

3 三芯海底電纜試驗芯數標準規范的差異

在不同標準中,對三芯海底電纜在型式試驗或預鑒定試驗中電氣試驗試驗芯數的規定見表3。

表3 不同標準規范對三芯海底電纜試驗芯數的規定

目前,在型式試驗中,電壓等級66 kV 及以上的三芯海底電纜在電氣試驗時通常在其中一芯上進行,預鑒定試驗也是在其中一芯上進行。參照IEC 63026:2019 執行的型式試驗均在三芯上進行。三芯海底電纜針對一芯進行試驗和在三芯上均進行試驗的主要區別為對導體加熱時鋼絲鎧裝上是否產生渦流。使用三相交流電源對三芯導體加熱,三相電流之間的相角為120°,在鎧裝鋼絲上不會產生渦流損耗,鋼絲鎧裝不會發熱,和三芯海底電纜在實際運行時保持一致。

4 海底電纜透水試驗方法標準規范的差異

海底電纜透水試驗方法主要包括導體的縱向透水,金屬套下的縱向透水和接頭的徑向透水,不同標準和技術文件中的透水規定見表4。表4 中預處理的導體透水樣品取自經機械試驗的樣品,金屬套下的透水樣品不必經機械試驗,試驗前須受3 次熱循環;試驗用水為自來水或鹽水;d為申明最大敷設水深,m;d1為申明導體最大透水距離,m;d2為申明金屬屏蔽最大透水距離,m。

表4 不同標準規范對海底電纜透水試驗試驗條件的差異

不同標準和技術規范除在表4 中對透水試驗條件規定的差異外,還有以下幾點重要的差異。

1)IEC 63026:2019 中規定,導體透水的樣品,其規定導體的一端在試驗設備中,另一端應該暴露在試驗設備外。其他標準規定,試驗樣品的一端應該密封,另一端去除導體外的包覆層露出導體,樣品兩端均安裝在試驗設備內部,試驗樣品安裝方式見圖2[3,5]。

圖2 試驗樣品安裝方式

2)IEC 63026:2019 中規定,在透水試驗后對接頭的導體和水之間施加25 kV 的直流電壓[3],以驗證是否有水分侵入。

3)GB/T 41629.1—2015 中規定了金屬套與鎧裝短接點透水試驗。電纜采用絕緣護套時,為解決電纜金屬套上感應電壓,對電纜的金屬套和鎧裝之間進行短接,檢驗在最大水深時護套和金屬套內有無水分侵入。電纜試樣(含短接點)應經受機械試驗,對于不大于500 m 深度的情況,施加(d+50)m 的水壓;深度大于500 m 時,施加(d+100)m 的水壓。透水試驗持續48 h,當到達試驗時間后,將試樣從水中取出,要求試樣的短接點連續可靠、無斷點,護套和金屬套內無水分侵入跡象[8]。

5 結束語

隨著海洋輸電工程的不斷發展,與之相關的海底電纜標準也在不斷更新完善。本工作結合實際工程,根據重點項目中試驗方法的差異變化給出標準試驗方法制/修訂方向的建議。

1)推薦卷繞試驗中海底電纜(含工廠接頭)的排列方式為由內向外排列,且應保證工廠接頭能夠在制造商申明的最小卷繞直徑的位置,從而確保能夠對海底電纜的機械性能和后續電氣性能進行有效考核。

2)三芯海底電纜在經歷卷繞試驗時,如果三相上的工廠接頭的距離大于1 個鎧裝節距,那么其中的至少兩相上應分別有1 個工廠接頭來證明兩相上的工廠接頭的距離大于1 個鎧裝節距。但是,如果工廠接頭不參與后續電氣試驗,則可以做成與工廠接頭形狀類似的模擬接頭。

3)關于三芯海底電纜在電氣試驗時芯數的規定,推薦試驗中采用三相電流源對磁性鎧裝三芯海底電纜導體加熱,既可以減少鋼絲鎧裝的發熱,也符合三芯海底電纜運行時的狀態。對于電氣試驗,如果進行試驗的三芯海底電纜系統的每一相包含的附件設計都相同,則可以在其中有代表性的一相上進行電氣試驗,若試驗通過,則可以證明與這項試驗中相同設計的附件具有相同的性能。

4)實際透水試驗結果表明,圖2(a)和圖2(b)的兩種導體安裝方式對試驗結果無根本性影響。兩種導體透水試驗方案的區別在于前者可以保證不會因水從導體端頭密封的地方進入而導致試驗失敗,但這種方式很難滿足設備與電纜接口處的密封要求。因此,推薦采用圖2(b)的方式進行導體的透水試驗,這種方式能夠滿足更大敷設水深時相應的試驗壓力。