海底電纜外破隱患辨識及防護方法研究

韓 磊，沈清野，丁同臻，蔣永梅

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000)

0 引言

海底電纜是采用絕緣材料包裹，敷設在海底，主要用于電力或信號傳輸?shù)碾娎|，通常可將其劃分為海底電力電纜和海底通信電纜兩種[1]。海底電纜長期受到海水沖刷，容易出現(xiàn)埋深變淺、遭受破壞的情況，當海底電纜的外絕緣材料破損時，海底電纜內(nèi)設置的絕緣油會出現(xiàn)泄漏[2]，不僅污染海水，還影響區(qū)域的用電安全[3]，同時對社會以及居民生活造成嚴重的不便。

隨著海上風電資源開發(fā)量的不斷提升，海底電纜的應用更加廣泛。海上風電場將海上風機產(chǎn)生的電能通過海底電纜傳送至內(nèi)陸[4]。由于所處環(huán)境極為特殊，海底電纜容易出現(xiàn)外破情況，而陸地上常用的電纜防護措施因條件限制無法保證海底電纜的安全[5]。相比于土壤，海水的電阻率較低，海底電纜接地極在海水中與電纜在陸地上的分布存在明顯差異。一旦出現(xiàn)海底電纜外破，海水將與電纜中的金屬構件直接接觸，導致金屬構件腐蝕，造成停電或通信異常。海底電纜防護是電力領域急需解決的問題。

目前，眾多學者針對海底電纜的外破狀態(tài)進行研究。文獻[6]利用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對海底電纜的狀態(tài)進行評估，用于確定海底電纜是否處于完好狀態(tài)；文獻[7]通過設計監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測海底電纜的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)海底電纜的外破故障。上述研究主要通過狀態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)海底電纜外破故障，但對造成海底電纜外破的隱患及防護方法研究不多，因此，從自然原因、人為原因等方向，分析梳理造成海底電纜外破的原因，并提出針對性的防護方法，為海底電纜的安全運行提供依據(jù)。

1 造成海底電纜外破的原因分析

造成海底電纜外破的原因包括自然因素、人為因素及海底電纜內(nèi)部因素等。自然因素主要指海水以及海底生物長期侵蝕海底電纜，海浪、海底地質(zhì)等原因容易造成海底電纜磨損以及拉斷，從而出現(xiàn)海底電纜外破故障。人為因素主要指人類從事漁業(yè)活動以及海上作業(yè)船只運行，容易出現(xiàn)拖拽和磨損海底電纜的情況，造成海底電纜出現(xiàn)外破故障。

1.1 自然因素

自然因素是對海底電纜影響最小，造成海底電纜外破風險可能性最低的因素。海底土壤長期受到海浪作用容易出現(xiàn)塌陷情況，嚴重的可能造成海底土壤滑移，當敷設海底電纜的表層土為粉砂土質(zhì)時，受到海浪影響，土壤容易出現(xiàn)液化，降低了土壤的抗剪強度，導致海床下降，造成海底電纜懸空以及裸露，容易發(fā)生海底電纜外破故障；海底電纜長時間受到持續(xù)性海浪作用，海床結構發(fā)生明顯變化，容易加深局部海底電纜的埋深，造成海底電纜懸空及裸露，易出現(xiàn)外破故障。

1.2 人為因素

據(jù)統(tǒng)計，人為因素是造成海底電纜外破故障的主要原因。漁業(yè)活動的捕撈漁具主要有張網(wǎng)類和拖網(wǎng)類兩種，采用拖網(wǎng)作業(yè)時，網(wǎng)的位置較淺，容易破壞裸露以及埋深較淺的海底電纜，而張網(wǎng)類的漁業(yè)作業(yè)方式，入海深度較深，對沉入海底的海底電纜影響極大。相比于漁業(yè)撈捕作業(yè)，船錨對海底電纜的影響更加明顯，船只拖網(wǎng)的船錨重量較重，船錨入海深度為100 cm 左右，則埋深較淺的海底電纜容易受到船錨影響；張網(wǎng)類船只的船錨重量較大，當出現(xiàn)大潮時極易出現(xiàn)走錨情況，影響海底敷設的海底電纜；航運船舶的船錨具有較大的重量，航運船舶若在航行過程中隨意拋錨，船錨與海底電纜接觸，導致海底電纜受到較大作用力，造成海底電纜的表面結構遭到破壞，若船只發(fā)生移動，則出現(xiàn)拖拽海底電纜的情況，嚴重時甚至出現(xiàn)海底電纜斷裂的后果。

1.3 海底電纜內(nèi)部因素

海底電纜敷設時，設計不合理或電纜材料存在問題將加大海底電纜外破故障出現(xiàn)的概率。伴隨海上風電的發(fā)展，海底電纜制造工藝和材料技術不斷進步，有效降低了海底電纜因內(nèi)部因素遭受外破故障的風險。

2 海底電纜外破防范措施

海底電纜與架空電纜線路搶修存在一定差異，海底電纜受到海流、風力、水深等眾多因素影響，搶修難度劇增。當海底電纜出現(xiàn)外破故障時，搶修工時較長且需要耗費大量人力物力，造成嚴重的經(jīng)濟損失。為了避免海底電纜出現(xiàn)外破故障，保障海底電纜的安全，為海上風電場的正常供電提供基礎，電力企業(yè)應該采取措施做好海底電纜防護工作。

2.1 海底電纜外破的技術防護

2.1.1 完善新建工程的設計施工

針對新建工程的海底電纜線路，應該提高其設計標準，加大地勘密度，避開不良地質(zhì)海域。通過充分論證不同海域過往船舶的錨重，結合“BPI指數(shù)(海底電纜防護指數(shù))”開展差異化深埋設計。海底電纜的設計施工應積極借鑒國內(nèi)外海纜、管道敷設經(jīng)驗。下面以某聯(lián)網(wǎng)工程為例，闡述防護措施，該工程采用海底電纜堆石壩防護方式進行防護，如圖1 所示。

圖1 海底電纜堆石壩防護方式

由圖1 可知，該工程采用底寬5 m、頂寬1 m、壩高1.5 m 的梯形堆石壩掩埋海底電纜的防護方式，實現(xiàn)防護海底電纜的目的。

2.1.2 采用“分段防護”原則

從海底電纜的重要性和歷史故障區(qū)段等方面開展綜合評定，梳理海底電纜I/II/III 分級明細，以此為依據(jù)編排海底電纜外破隱患的治理計劃。針對海底電纜區(qū)段，開展海底電纜路由掃測，精細掌握海底電纜通道內(nèi)底質(zhì)、埋深、水深等信息，對各區(qū)段制定針對性防護措施，通過基巖開槽+保護管+混凝土聯(lián)鎖塊+四面六邊防沖刷等措施的綜合應用，結合“綜合防護”原則，助力海底電纜外破隱患的治理。

2.1.3 加裝Ω 形蓋板

為了防止海底電纜本體因直拋段保護管脫開導致海底電纜與礁石直接接觸和摩擦，對潮間帶和淺灘區(qū)敷設的海底電纜加裝Ω 蓋板。Ω 蓋板采用CF 40 Ω 型高強度鋼纖維混凝土，每塊Ω 蓋板長2.1 m、重3.3 t。Ω 形蓋板的實施，能夠防止海底電纜本體與礁石之間發(fā)生摩擦破損，有效提高海底電纜防護的效率，保證海底電纜線路安全、平穩(wěn)運行，從而提高供電的可靠性。

2.1.4 “攔截鎖鏈”應用

海底電纜外破的高風險區(qū)段可通過加裝“攔截鎖鏈”進行防護。“攔截鎖鏈”是在海底電纜兩側(cè)均勻布設鋼管混凝土樁，樁與樁之間由錨鏈連接。船舶在海底電纜附近海域錨泊時，船舶在慣性及外力作用下會拖著船錨繼續(xù)移動一段距離，此時船錨將先與錨鏈接觸，錨鏈將船錨的錨抓力傳遞至鋼管樁，由鋼管樁抵抗船錨運動過程中產(chǎn)生的錨抓力，從而讓船錨在鉤掛海底電纜前停止運動，實現(xiàn)對海底電纜的防護。

2.1.5 優(yōu)化完善海底電纜監(jiān)控資源

海纜一體化綜合監(jiān)控微應用(簡稱微應用)的投用可實現(xiàn)全域海底電纜全天候全時段的監(jiān)控。大潮汛最低潮，船舶極易擱淺，通過微應用可及時了解船舶信息，提前預警；依據(jù)“重點問題重點處理”的隱患治理原則設置虛擬的預警和報警“電子圍欄”并將其融入微應用，針對船載的船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)進行短報文廣播和推送，通過水上電子屏障實時獲取船舶航行特征與運動態(tài)勢。當船舶進入“電子圍欄”內(nèi)，即可對船舶控制臺發(fā)出電子信息和聲光報警，警告船舶危險行為，保障海底電纜的安全，實現(xiàn)從“被動提醒”轉(zhuǎn)向“主動預警”。

電力企業(yè)可以接入海洋與漁業(yè)局的漁業(yè)北斗系統(tǒng)，通過政企聯(lián)動完善海底電纜的監(jiān)控資源。借助于北斗定位的船舶管控系統(tǒng)，實現(xiàn)整個區(qū)域漁船的全面監(jiān)控，涵蓋了漁船的靜態(tài)信息(包括船長、船寬、吃水深度等）、聯(lián)系方式、漁船作業(yè)方式等，增加了海底電纜外破預警和處置的成功率。

2.2 海底電纜外破的人力防護

2.2.1 重視初始建設

海上風電場初始建設時，應仔細分析海底電纜的敷設路徑，盡量避免漁業(yè)捕撈以及其他的特殊作業(yè)區(qū)域，防止海底電纜受到錨害以及其他破壞。

2.2.2 加強破壞行為的懲罰力度

政府部門應依據(jù)法律對破壞海底電纜的行為進行懲罰和追責，并通過講座等方式大力開展電力設施保護的宣傳工作，以規(guī)范海底電纜所在海域的海上作業(yè)行為。對于海上違規(guī)作業(yè)情況，需及時整治，防止對海底電纜等電力設施造成破壞。

2.2.3 加強巡視維護工作

電力企業(yè)需要針對海底電纜所在區(qū)域設置特殊的巡視方式，并與區(qū)域管理人員及時溝通，加強海底電纜通道的保護工作。企業(yè)內(nèi)部可建立運行維護責任制，設置巡視員定期巡視海底電纜運行狀況。在顯眼位置設置安全警示標志，通過將懸浮標識球設置在海底電纜經(jīng)過的航道附近，對過往船只起到警示作用；在容易出現(xiàn)海底電纜外破的位置，設置監(jiān)控裝置和航標，降低船只拋錨造成海底電纜外破的風險。對于海底電纜運行維護人員，應提升其業(yè)務水平，加強其海底電纜保護的意識，為海底電纜的可靠運行提供安全的環(huán)境。

2.2.4 加深敷設深度

海底電纜的敷設深度對海底電纜的安全性存在明顯的影響。據(jù)海底電纜外破故障的統(tǒng)計，水深55 m 內(nèi)的淺水區(qū)是海底電纜外破故障的高發(fā)區(qū)，而造成海底電纜外破故障的主要原因是錨害。因此，當海底電纜設置深度足夠深時，可有效防范漁船或其他船舶對其的影響。

3 海底電纜外破隱患治理成效

選取某設置海底電纜的電力企業(yè)作為研究對象，該電力企業(yè)正持續(xù)推進海底電纜通道可視化工程。目前，已完成23 處AIS 基站、21 處雷達、50處雙光譜視頻的建設，實現(xiàn)海底電纜通道船舶AIS信號覆蓋率95 %、雷達監(jiān)測覆蓋率80 %、視頻監(jiān)控覆蓋率48 %，逐步實現(xiàn)海纜通道狀態(tài)的全面感知、全景實時監(jiān)控、主動可靠預警，相關治理成效如下。

3.1 處置成功率提升

該電力企業(yè)在2018 年開展海底電纜外破防護實施后，通過對2017—2021 年錨泊報警處置大數(shù)據(jù)的整理，得出表1 的統(tǒng)計結果。

表1 2017 ～2021 年錨泊報警處置情況

由表1 可以看出，經(jīng)過海底電纜外破防控的整治，該電力企業(yè)取得了明顯效果，處置成功率逐年提升。錨泊處置成功率的提升，意味著海纜錨損事故率的降低，按照每年避免5 起錨損故障、單根海纜搶修直接成本約300 萬計算，每年預計可避免企業(yè)經(jīng)濟損失約1 500 萬元；同時，處置成功率的提升也提高了輸電安全性，避免海底電纜外破故障造成的停電，供電更加安全可靠，有效提升了企業(yè)的社會效益。

3.2 應急處置能力提升

當面臨臺風等惡劣天氣時，電力企業(yè)可通過特殊惡劣天氣下的海底電纜防外破應急處置管控，在臺風影響前加強附近過往船舶的靠前指揮，積極引導船舶有序拋錨，強化“落指”管控；臺在風影響期間落實海纜2 km 內(nèi)高風險錨泊船只的驅(qū)離和監(jiān)控；在海上風潮嚴重影響時段，動態(tài)點驗海底電纜移錨警戒線邊沿的泊船，實時掌握船舶動態(tài)；臺風過境后，根據(jù)海事、漁業(yè)解禁時間，倒推船舶集中出航的高峰點，做好提前預控，重點盯防。

電力企業(yè)依據(jù)初步的氣象、通航、錨泊大數(shù)據(jù)分析，初步形成海底電纜防外破“二十四節(jié)氣”管控表，并在惡劣天氣與休漁季漁船集中回港期間應用；基于氣象、潮汐預測和錨泊大數(shù)據(jù)，提前預判船舶錨泊高風險區(qū)域和時段，高質(zhì)量處置移錨事件和提前驅(qū)離錨泊船只。

4 結束語

為消除海底電纜外破隱患，企業(yè)應全面考慮海底電纜設計、施工、運行及維護的全過程，從海底電纜人工防護與技術防護兩方面出發(fā)，消除或降低海底電纜由于內(nèi)部因素、人為因素和自然因素造成的海底電纜外破的風險。通過增厚海底電纜保護層、埋設保護等方式，充分發(fā)揮實時監(jiān)測、政企聯(lián)動等手段，保護海底電纜安全。基于多種防護方式的綜合應用，有效提升海底電纜的防外破能力，保障海海上電力輸送的安全性。