渤海地區海上石油平臺海底電纜檢測技術應用現狀綜述

蘇保中 胡 喆 陳玉光 朱振民 陳雨強

（中海油能源發展裝備技術有限公司）

0 引言

目前渤海區域海上石油平臺海底電纜數量為150條左右，隨著海上石油平臺的建設，海纜數量還在不斷增加。據作者調研，目前渤海地區海上石油平臺最早投運的海纜1992年12月，設計使用年限為20年，目前已運行33年；運行超過25年的海纜有7條，運行超過15年的海纜有62條。但對于海上平臺海底電纜的檢測試驗目前屬于缺失狀態，對于海纜的在線監測從2015年開始開展，目前已有約20條海纜在進行在線監測；在2022年以前受海上石油平臺空間制約，僅對2km以內海纜進行串聯諧振交流耐壓試驗，其余海纜均為絕緣測試配合24小時空載運行，缺少有效檢測試驗手段。

1 耐壓測試技術方法

1.1 直流耐壓技術

對于海纜的耐壓試驗，渤海地區海上石油平臺海底電纜絕緣材料全部為XLPE，由于XLPE海纜絕緣電阻值較高，且在交直流條件下的電壓分布差別較大。直流耐壓試驗后，在XLPE海底電纜中特別是海纜絕緣缺陷處會殘留大量空間電荷，當海纜投運后，殘留的空間電荷常造成海纜的絕緣擊穿。據大量研究及標準表明，直流電壓不適合對XLPE海纜進行耐壓試驗。在實際應用中，目前海上石油平臺已不推薦對海底電纜進行直流耐壓試驗。

1.2 交流耐壓技術

針對海底電纜常用的交流耐壓手段包括串聯諧振耐壓試驗、超低頻（0.1Hz）耐壓試驗等。

對于超低頻（0.1Hz）耐壓的電壓頻率與工頻電壓頻率差距較大，不能有效體現在工頻條件下電纜絕緣的缺陷狀況，且試驗時間較長，是否對電纜絕緣存在破壞進而引發電纜絕緣新的缺陷仍未有定論，因此海上平臺目前也不推薦使用超低頻耐壓技術對海纜進行耐壓試驗。

對于串聯諧振耐壓試驗，是目前海上平臺主要使用的海纜耐壓技術手段之一，傳統的串聯諧振耐壓對電纜絕緣狀態的判斷僅僅是合格與不合格，同時對于一些較為輕微的缺陷，傳統耐壓試驗會使絕緣發生惡化，且對局部缺陷不能定位。此外對于中長海纜的串聯諧振耐壓試驗，所需功率大，動輒上百千瓦，設備體積龐大，重量達噸級以上，對試驗空間要求高，無法在僅有狹小空間的海上平臺上進行耐壓試驗。同時串聯諧振耐壓試驗中產生的諧振波會嚴重影響平臺電網的穩定運行。目前受限于海上空間，只有2km以內的海纜使用串聯諧振耐壓進行檢測試驗。

1.3 振蕩波耐壓技術

針對上述耐壓試驗方法的缺點，同時基于華北電力大學團隊、山東大學團隊等國內高校的研究論證認為振蕩波耐壓可以等效于工頻耐壓，目前海上石油平臺已嘗試利用振蕩波技術對海纜進行耐壓試驗。

此外振蕩波檢測方法對海底電纜絕緣局放的激發能力也與交流耐壓相當，通過大量實驗數據表明，采用振蕩波耐壓試驗與局放檢測相結合的方式，是發現高壓海底電纜絕緣缺陷的有效技術手段。

目前振蕩波耐壓試驗結合局放檢測已在海上石油平臺海底電纜檢測項目中多次應用并取得良好效果，最長檢測海纜長度為30km。以往針對2km以上海纜的大修或新投運前的交接試驗缺少有效檢測試驗手段，僅進行絕緣測試并配合24小時空載測試，并不能有效發現隱患。依據現場應用經驗，采用振蕩波耐壓及局放檢測方式，針對一條海纜檢測時間約為2小時，與以往24小時空載測試相比，檢測時間減少22小時，大大提高了海上平臺生產效率［5］。

圖1 現場進行振蕩波耐壓試驗

渤海某平臺海纜利用振蕩波技術對海纜進行耐壓試驗同時進行介質損耗檢測結果如下：

表1 渤海某平臺海纜振蕩波耐壓試驗數據

通過數據的分析，該電纜在排除背景干擾信號后，未發現成簇狀局放信號點：

A相電纜無局放；耐壓有效值電壓41.6kV，加壓50次，耐壓試驗通過。

B相電纜無局放；耐壓有效值電壓41.6kV，加壓50次，耐壓試驗通過。

C相電纜無局放；耐壓有效值電壓41.6kV，加壓50次，耐壓試驗通過。

根據《DL/T1576-2016》標準規定，該電纜終端未超出標準范圍。

2 其他測試方法

隨著海纜檢測技術的發展，海上石油平臺也在嘗試引進新技術，對海纜的本體絕緣性能進行檢測，尤其是在多年來海纜缺少有效檢測試驗手段的背景下，對即將超期服役的海纜進行本體絕緣檢測的意義重大。

2.1 PDC測試

目前在已在海上石油平臺嘗試應用四川大學周凱教授團隊開發的極化去極化電流（Polаrizаtion аnd dерolаrizаtion currеnt，PDC）海纜檢測試驗技術。PDC測試的基本流程為，電纜纜芯施加直流電壓，記錄流過電纜絕緣的微弱電流，并在電流穩定后撤去電壓，獲得極化與去極化兩個階段的完整電流曲線，并基于該電流、電纜長度、截面、絕緣材料共同評估電纜絕緣狀態。整個測試過程需要電纜兩端中的非測試端懸空，且纜芯為高壓，另一端測試時應注意試驗安全。

所用到的設備為電纜極化去極化電流測試儀，該設備能夠提供0-5kV的直流電壓，并且外置1個高壓電流表，該電流表能夠記錄рA~mA級電流。設備自身需現場220V供電，極化和去極化測試時間為180s、300s，極化電壓為2kV、3kV。PDC測試的電路圖如圖2所示。

圖2 極化-去極化電流測試系統

圖3 PDC高壓端現場測試圖

渤海某平臺海纜（振蕩波耐壓檢測海纜一致）應用PDC檢測技術結果：A相、B相、C相極化3kV電壓等級下的直流電導率、0.1Hz頻率下的去極化介質損耗因數和不對稱系數的計算結果如表2所示。

表2 測試結果

根據測試結果可知，電纜在極化電壓分別為2kV、3kV下測得的直流電導率均在10-17~10-15量級，去極化介損（%）均小于0.015，不對稱系數在1附近。檢測結果與振蕩波測試結果中介質損耗結果相互印證，能夠有效檢測海底電纜絕緣本體狀態。

2.2 FDR測試技術

FDR測試的基本流程為，電纜纜芯施加微弱的調制信號，上限頻率根據電纜長度設置。由于電纜末端開路，使得信號發生反射，此時記錄反射信號與入射信號的電壓之比，即反射系數，通過一定算法換算，得到對應電纜全長的阻抗譜圖，并可以從中分析得到局部阻抗發生的變化的部分及對應的電纜長度，整個測試過程需要電纜測試端兩端懸空。

所用到的設備為電纜寬頻阻抗譜定位儀，該設備能夠輸出相對應要求的調制信號，電壓小于10V，該設備具備可充電電池，必要情況下需要現場220V供電。單根單相電纜單次測試時間約為30s~60s。

根據現場情況和安排，測試信號頻率安排如表3所示。

表3 測試參數設置

通過反射系數譜缺陷定位曲線可獲得如下缺陷特征量如表4所示。

表4 缺陷特征量

反射系數譜缺陷定位曲線是通過處理電纜的反射系數數據進行分析得到，其異常峰值位置代表了缺陷或者接頭位置。一般來說，完好電纜的缺陷定位曲線僅在接頭位置和首末端處出現峰值。

渤海地區某海底復合電纜反射系數譜、時域恢復波形果如圖4、圖5所示

圖4 渤海地區某海底復合電纜反射系數譜

圖5 渤海地區某海底復合電纜時域恢復波形

圖6 FDR現場測試圖

圖7 FDR現場測試圖

圖8 海纜箱現場圖

分析海底電纜三相的缺陷測試結果，波速設定為172m/μs。通過電纜測試數據，可以發現海底電纜波形除了首端和末端均未發現明顯峰值，不存在明顯的阻抗不匹配點。

海纜的FDR測試結果，波速設定為172m/μs。通過電纜測試數據，可以發現海底電纜波形除了首端和末端均未發現明顯峰值，不存在明顯的阻抗不匹配點。

3 結束語

隨著海上石油平臺岸電入海計劃的推進以及未來海上石油平臺建設計劃，海纜數量還會不斷增加，未來需要增加針對海纜停電檢修期間的檢測手段，同時配合海底電纜在線監測技術共同保障海底電纜穩定運行。