海底電纜故障定位技術(shù)研究

浙江啟明海洋電力工程有限公司 沈春雨

近年來，伴隨新能源海上風(fēng)電場(chǎng)的快速崛起，海纜使用量呈指數(shù)倍上漲，但相應(yīng)故障也愈發(fā)頻繁。海纜不同于肉眼直觀的架空線路，較難立即準(zhǔn)確定位故障距離，這就對(duì)海島電網(wǎng)和海上風(fēng)電的建設(shè)及運(yùn)維工作提出了新的挑戰(zhàn)。因此，如何快速準(zhǔn)確定位海纜故障，提高海纜供電的連續(xù)性，保證電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，是現(xiàn)階段甚至未來亟須解決的問題。

1 故障海纜類型的研判

1.1 海纜故障產(chǎn)生原因

錨損和巖石磨損。隨著漁業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，海上運(yùn)輸來往船只大幅度增加，但部分船只不按規(guī)定拋錨，外加登陸點(diǎn)巖石與海纜長(zhǎng)期不規(guī)則磨損，均是造成海纜故障的主要原因；自損。海纜在加工制作過程中，因工藝缺陷或中間接頭制作缺陷，導(dǎo)致在運(yùn)行幾年甚至幾個(gè)月后便被擊穿；導(dǎo)體發(fā)熱。海纜在滿負(fù)荷或超負(fù)荷運(yùn)行過程中，導(dǎo)體發(fā)熱，達(dá)到一定溫度時(shí)，在其最薄弱處（中間接頭或終端）發(fā)生擊穿。

1.2 海纜故障分類

海纜故障一般分為直接接地故障、斷線故障、閃絡(luò)性故障三類，其中直接接地故障和斷線故障占海纜故障的比例較高。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，故障分析如下：直接接地故障。根據(jù)接地電阻阻值高低可分為低阻故障和高阻故障，一般表現(xiàn)為一相或多相接地故障；海纜斷線故障。海纜單芯或多芯被錨或其他形式的外力拉斷，形成完全（海纜完全斷線）或不完全斷線（線芯斷線但保護(hù)鋼絲未斷）；閃絡(luò)性故障。主要發(fā)生在海纜中間接頭或者終端處，海纜結(jié)構(gòu)不同于陸纜，出廠規(guī)格為整條，不存在中間接頭，且在幾十年海纜故障研判過程中幾乎未出現(xiàn)閃絡(luò)性故障，故在此文中不再展開說明。測(cè)量絕緣電阻時(shí)，根據(jù)海纜的電壓等級(jí)應(yīng)選擇不同的兆歐表，如10kV海纜應(yīng)首選2500V 兆歐表測(cè)量，而確定故障海纜電阻數(shù)值時(shí)應(yīng)通過萬(wàn)用表測(cè)量。

2 海纜故障預(yù)定位

海纜故障預(yù)定位，俗稱故障粗測(cè)，即確定故障點(diǎn)到被測(cè)端的大概距離。故障預(yù)定位可大致分為低壓脈沖反射法、電橋法、多次脈沖法三類，而根據(jù)海纜特性和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，適用方法目前集中在前兩種，即低壓脈沖反射法和電橋法。若遇高阻故障，則須先降阻（燒穿），使其變成低阻故障，再通過低壓脈沖反射法或電橋法進(jìn)行預(yù)定位。

2.1 電橋法

電橋法是最早應(yīng)用于電纜測(cè)試領(lǐng)域的方法。在低壓脈沖迅速發(fā)展的時(shí)代，電橋法在測(cè)尋多芯海纜單相接地，仍有使用方便、測(cè)試誤差小（誤差一般在0.5%～0.8%，主要誤差因素為操作誤差）的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。但電橋法也有一個(gè)明顯缺點(diǎn)，即對(duì)原始資料依賴度高，如海纜原始長(zhǎng)度、另設(shè)參考相位等，故在測(cè)試過程中有一定的局限性。另外，海纜有其固有的特性：一是交流海纜線路普遍較長(zhǎng)，長(zhǎng)度一般為10～30km，直流海纜最長(zhǎng)可達(dá)60km 及以上，導(dǎo)致兩端短接條件有限；二是110kV 及以上海纜多為單相，長(zhǎng)度多不相同，電橋法測(cè)試容易產(chǎn)生誤差；三是隨著海纜GIS 終端的普及，終端全密封且充滿SF6，拆分和短接終端的程序較為煩瑣。綜上，導(dǎo)致電橋法逐漸被低壓脈沖反射法所代替。

2.2 低壓脈沖反射法

該方法適用于測(cè)試海纜低電阻（絕緣電阻小于100Ω）的接地故障、斷線故障探尋，隨著探測(cè)儀器的不斷更新?lián)Q代，現(xiàn)場(chǎng)部分海纜故障的電阻達(dá)1000Ω 時(shí)，使用該方法多數(shù)情況下也能顯示故障波形。低壓脈沖反射儀預(yù)定位基本處理方法主要有以下兩種：一是通過降頻、加寬測(cè)試脈沖寬度、提高測(cè)試脈沖幅值來實(shí)現(xiàn)探測(cè)；二是利用寬頻線性阻抗分析法來進(jìn)行探尋。兩種方式原理都為脈沖沿導(dǎo)體傳播，遇到阻抗不匹配點(diǎn)（如中間接頭、短路點(diǎn)、斷路點(diǎn)和終端頭等），就會(huì)引起脈沖信號(hào)的反射表現(xiàn)。本文以某巴低壓脈沖反射儀（起始波為正向波）進(jìn)行說明。

2.2.1 接地故障

就接地故障而言，判斷短路波緊跟其后的波形是否為反射波或終端波形尤為重要，其會(huì)直接影響海纜是否拉斷的判斷。

2.2.2 斷線故障

未來怎樣通過合理的布局產(chǎn)品庫(kù)存，采用不押款、零庫(kù)存且相對(duì)較低的價(jià)格銷售，減少農(nóng)民投入，這不是農(nóng)資行業(yè)一直要實(shí)現(xiàn)的事情嗎？這些年，農(nóng)資產(chǎn)品隨著政策，市場(chǎng)的變化，探索者各式各樣的銷售方式，賒銷是分銷商最頭疼的事情。

因故障海纜長(zhǎng)時(shí)間浸泡于海水中，根據(jù)多年波形判斷的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，海纜產(chǎn)生短路波形且無全長(zhǎng)，基本可以判別故障原因?yàn)榫€芯斷裂，但無法確定外層保護(hù)鋼絲是否全斷。維修多次的老舊海纜會(huì)增加海纜故障判斷的難度，因其存在多個(gè)中間接頭，且不同截面積的海纜相互連接的情況時(shí)常發(fā)生，導(dǎo)致海纜的線性阻抗發(fā)生變化，這就需要故障研判人員常年積累現(xiàn)場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的匯總分析，由此進(jìn)行判斷。

使用低壓脈沖法探尋大長(zhǎng)度海纜故障的預(yù)定位，其誤差主要來源于是否選擇了準(zhǔn)確的波速和合適的量程。現(xiàn)階段使用的主流波速為常規(guī)交聯(lián)聚乙烯材質(zhì)的電纜，但由于各個(gè)廠商使用原材料不同，加上工藝改進(jìn)，生產(chǎn)的海纜波速也不盡相同，往往實(shí)際波速比參考波速要大。

2.3 海纜定距實(shí)例

2.3.1 案例描述

2018年，110kV 舟山岱山至上海沈家灣輸變電工程海底電力電纜線路發(fā)生故障，導(dǎo)致整條輸電線路停運(yùn)。在對(duì)三相110kV 海纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)B 相達(dá)不到試驗(yàn)電壓，最終擊穿。

2.3.2 過程分析

接到故障探尋聯(lián)系單后，單位立即組織專業(yè)人員前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障探尋。人員分兩組，分別安排在海纜線路岱山、沈家灣兩端進(jìn)行測(cè)試，但效果均不明顯。由于該海纜線路長(zhǎng)度為38km，致高壓降阻儀的降阻效果也欠佳，最終電阻維持在2kΩ 左右。經(jīng)研討，最終打開沈家灣側(cè)的GIS 終端，先用低壓脈沖反射儀測(cè)得三相海纜的長(zhǎng)度，調(diào)出出廠試驗(yàn)報(bào)告中的電阻度數(shù)；再用電橋法進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)三條電纜換算后的長(zhǎng)度和電阻之比，定位出故障位置在離岱山側(cè)終端300m 處；開挖后發(fā)現(xiàn)的故障準(zhǔn)確距離為離岱山側(cè)終端296m 處。在海纜線路總長(zhǎng)38km 的基礎(chǔ)條件下，誤差僅4m，不僅為搶修贏得了寶貴時(shí)間，更大大縮短了電力復(fù)送電的周期，搶修工作圓滿完成。

2.3.3 結(jié)論建議

3 海纜故障定點(diǎn)定位

海纜故障定點(diǎn)定位（也稱海纜故障精確定位），是海纜故障定位工作的最后一步，也是最重要的一步。海上氣候環(huán)境對(duì)海纜故障定點(diǎn)定位影響較大，搶修工作少則幾天多則幾個(gè)月，涉及直接費(fèi)用幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)不等，間接經(jīng)濟(jì)損失更是巨大，故如何突破精確定位技術(shù)瓶頸至關(guān)重要。現(xiàn)階段適用于海纜精確定位的主流方法有聲測(cè)法和改進(jìn)型電磁感應(yīng)法。

3.1 聲測(cè)法

該方法的原理是利用高壓直流電源向干式電容充電，隨后球間隙擊穿，電能隨即傳至海纜線芯，到達(dá)故障點(diǎn)時(shí)在外鎧處放電。在預(yù)定位確定的范圍內(nèi)（海纜一般為200m）進(jìn)行聽聲，以此來確定最終的故障點(diǎn)位置。聲測(cè)法普遍應(yīng)用于陸纜檢測(cè)，在海纜精確定位中也廣泛推廣應(yīng)用，但隨著海纜深埋技術(shù)的突破，該方法在現(xiàn)代海纜搶修中的不足也已慢慢體現(xiàn)。現(xiàn)階段，高電壓等級(jí)、長(zhǎng)距離、風(fēng)機(jī)間等海纜基本以深埋為主，埋設(shè)約為海床下3～4m，加上海水深度（一般為30m）。船只打撈上述工藝敷設(shè)的海纜難度較大，陸地上使用的探測(cè)設(shè)備在水深超過50m 的情況下就無能為力，聲測(cè)法也無法常態(tài)應(yīng)用。

3.2 改進(jìn)型電磁感應(yīng)法

經(jīng)過大量工程搶修實(shí)踐和改進(jìn)，改進(jìn)型電磁感應(yīng)法已成功應(yīng)用于現(xiàn)代深埋海纜的搶修中。改進(jìn)型電磁感應(yīng)探測(cè)的基本原理是在海纜終端發(fā)射一種25Hz/50Hz/133Hz 的交變電流（主要頻率為133Hz），導(dǎo)體通過交變電流，使其周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)，并向空中傳播。海纜發(fā)生故障后，其芯線（或金屬護(hù)層）與大地（海水）構(gòu)成回路，當(dāng)在海纜與大地之間送入一定功率的交流信號(hào)時(shí)，便在電纜周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)，并通過海水（衰減）向海面?zhèn)鞑ィ笸ㄟ^專門的信號(hào)接收器接收信號(hào)，根據(jù)信號(hào)顯示的強(qiáng)弱程度，便可判斷出電纜的位置。經(jīng)過故障點(diǎn)則信號(hào)不能通過，接收機(jī)也就收不到信號(hào)，以此便可確定故障點(diǎn)的位置，如圖1所示。

圖1 改進(jìn)型電磁感應(yīng)法示意圖

該方法主要步驟如下：判斷海纜走向。到達(dá)的作業(yè)海區(qū)與已知電纜敷設(shè)點(diǎn)相距不遠(yuǎn)時(shí)，使用探棒平行海平面360°旋轉(zhuǎn)，便可判斷海纜走向。在探棒平行海平面360°旋轉(zhuǎn)過程中，接收機(jī)收到信號(hào)會(huì)有兩次強(qiáng)弱變化，信號(hào)最強(qiáng)時(shí)探棒的走向和信號(hào)最弱時(shí)探棒的走向是相互垂直的。其中，信號(hào)最強(qiáng)時(shí)探棒的走向與海纜走向垂直，信號(hào)最弱時(shí)探棒的走向與海纜走向平行。

海纜故障測(cè)試一般方法。在采到第一個(gè)海纜位置點(diǎn)后，工作船沿海纜向斷頭方向以“S”形航線前進(jìn)，邊采點(diǎn)邊靠近斷頭。開始階段“S”跨度較大，當(dāng)此方向的“S”形航線沒有采到海纜位置時(shí)，即表示工作船已超過斷頭，應(yīng)調(diào)轉(zhuǎn)船頭，沿反方向繼續(xù)以小跨度“S”形航線采取海纜位置。為提高精度，應(yīng)在斷頭附近多次檢測(cè)。通過對(duì)故障海纜兩端放信號(hào)探測(cè)路由的結(jié)果分析，即可判斷故障區(qū)域。

此新式定點(diǎn)方法具有設(shè)備輕、故障定點(diǎn)準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，可用于海纜路徑核查，也可用于海纜開路、短路故障定點(diǎn)定位。同時(shí)，其克服了深埋海纜和海底水深等難點(diǎn)，可完成一般聲測(cè)法和感應(yīng)法所不能完成的探測(cè)任務(wù)。海纜探測(cè)系統(tǒng)由發(fā)信機(jī)、接收轉(zhuǎn)換信號(hào)器、探棒組成。然而，此方式定點(diǎn)在實(shí)際探尋測(cè)試時(shí)的缺陷也較突出，即效率較低，船只需要不斷來回在海纜路由上接收電磁波，且對(duì)海況的要求較高，在風(fēng)浪稍強(qiáng)的海況下無法正常運(yùn)作，不能保障海纜故障定點(diǎn)工作的時(shí)效性。

3.3 改進(jìn)型電磁法實(shí)例

3.3.1 案例描述

2021年，110kV 南岑1926線輸變電工程發(fā)生海纜故障跳閘，在完成故障點(diǎn)預(yù)定位后，進(jìn)行定點(diǎn)定位（精確定位）。

3.3.2 過程分析

故障海纜采用深埋技術(shù)，無法用傳統(tǒng)聲測(cè)法，筆者果斷采用改進(jìn)型電磁感應(yīng)法。經(jīng)過前期測(cè)試改進(jìn)頻率，改良探棒有效長(zhǎng)度，分析各種信號(hào)波形，最終在這次搶修中運(yùn)用這種新型方法，獲得海纜故障點(diǎn)的精確位置。作業(yè)時(shí)，先向海纜終端發(fā)射頻率為133Hz 的脈沖信號(hào)，同步將探棒固定于無人機(jī)上，接收采集信號(hào)強(qiáng)弱反應(yīng)轉(zhuǎn)換，利用GPS 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)位置定位，從而精確定點(diǎn)，隨后潛水員在此海域進(jìn)行探摸，最終找到故障點(diǎn)（誤差即為GPS 誤差）。至此，完成了一般聲測(cè)法和感應(yīng)法所不能完成的探測(cè)任務(wù)，也提高了搶修作業(yè)效率。

4 故障定位步驟探討

海纜故障定位不同于陸纜，具有路由復(fù)雜、埋設(shè)更深等特點(diǎn)，定位難度大，選擇一套科學(xué)合適的探尋定位方式步驟尤為重要，海纜故障定位“五步法”，是筆者基于多年海纜故障定位理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的提煉總結(jié)，具有一定參考借鑒和推廣應(yīng)用意義。海纜故障定位步驟正確與否，直接決定了海纜故障點(diǎn)探尋的速度與準(zhǔn)確性，影響海底電力電纜線路恢復(fù)供電的周期。“五步法”具體步驟如下。

一是進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，確認(rèn)故障線路名稱，核對(duì)無誤后方可進(jìn)行作業(yè)。二是初步判斷故障性質(zhì)。三是選擇定位方法并進(jìn)行預(yù)定位。對(duì)于低阻故障，使用低壓脈沖法進(jìn)行預(yù)定位；對(duì)于高阻故障，配合使用高壓降阻儀降阻后進(jìn)行低壓脈沖預(yù)定位，在條件允許的情況下也可使用電橋法進(jìn)行預(yù)定位。四是故障定點(diǎn)定位（精確定位）。對(duì)于未深埋海纜，可先用特制檢修錨找到故障區(qū)域內(nèi)的海纜，繼而使用傳統(tǒng)聲測(cè)法；對(duì)于深埋海纜，若用特制檢修錨未找到海纜，則使用改進(jìn)版電磁感應(yīng)法。五是定位完成，故障排除后拆除試驗(yàn)線，清理試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，恢復(fù)試驗(yàn)前狀態(tài)。