500kV海南联网工程海底电缆风险分析及修复方法

【摘要】海南联网工程是中国第一个500kV超高压、长距离、较大容量的跨海联网工程，也是继加拿大本土与温哥华岛交流跨海联网工程之后、世界上第二个同类工程。文章研究了500kV海底电缆在运营过程中所承受的各种损伤风险以及相应的修复方法，并且详细叙述通过OTDR对海底电缆故障定位的方法。

【关键词】500kV海底电缆;损伤风险;OTDR

引言

海底电缆路由北起广东省徐闻县的南岭村，自北向南穿越琼州海峡西段的北部堆积区、北部侵蚀-堆积区、中央深槽、南部隆起带和南部近岸侵蚀-堆积区共5个地貌单元，到达海南省澄迈县林诗村，路由最大水深97米，正因为海底电缆所处琼州海峡，每年过往轮船11万艘，外轮2000余艘，两岸近海捕捞、养殖活动频繁，船舶抛锚和渔业活动严重威胁海底电缆安全。因此保卫海底电缆的安全稳定运行是在南方电网公司工作的重中之重。该文针对海南联网工程海底电缆的运维现状，进行全面细致的风险分析及修复方法的介绍。

1.损伤

1.1 受损原因

在海底电缆的150年历史中，海底通信电缆和电力电缆的故障主要都是由渔具和锚的伤害而造成的。图1显示的是造成大西洋中的通信电缆损伤的原因，如捕鱼作业、锚损伤、自由悬挂、鱼类咬伤、地震或泥沙运动等等。除了图中给出的原因之外，也报道过一些其他原因，其中包括在菲律宾和其他地方炸鱼所造成的电缆损伤。下面，我将对一些海底电缆受损的危害进行讨论。

图1 大西洋中的通讯电缆的损伤原因

海底电缆故障的维修费用昂贵，而且往往需要相当长的时间，因为修理船只并不总是随叫随到的，而且天气条件可能会阻碍修复电缆数周甚至数月。但由于通讯业的发展，世界各国安装了大量的海底通信电缆。而海底电力电缆往往具有较大的直径以及更高的强度。自2009年6月30日海南联网工程海底电缆带点投运至今，通过南方电网超高压输电公司广州局海口分局运行与监视班统计得出以下图表。

表1 2009-2013年在海南联网工程海底电缆保护区发生的船舶抛锚、异常中渔船与货船的数据

类别 抛锚事件（艘/次） 异常事件（艘/次） 小计（艘/次） 百分比

渔船 45 127 172 47.25%

货船 30 97 127 34.89%

油船 3 9 12 3.30%

拖船 1 5 6 1.65%

工程船 1 2 3 0.83%

沙船 1 0 1 0.27%

护航船 0 1 1 0.27%

海警船 1 0 1 0.27%

未知类别 10 31 41 11.27%

总计 92 272 364 100%

由以上图表可以看出，无论是抛锚还是船速异常，居首位的都是渔船，其次是货船，这两个原因占据所有事件的82.14%，所以海缆受外力破坏的主要风险就是渔船捕鱼和货船抛锚。因此保护海缆免受外力破坏的主要对象就是附近渔村的渔船和过往琼州海峡的货船。

图2 2009-2013年在海南联网工程海底电缆保护区发生的船舶抛锚、异常中渔船与货船的百分比

1.2 渔具造成的损伤

网板拖网捕鱼的速度一般为2-4节，网板是一块大而平的铁板，为了保持渔网向下，网板需要在海床下面滑过，从而陷入到海床松软的淤泥中达30-40cm深。网板的重量可达3.5吨，一些拖网渔船同时拖两张或三张渔网。当拖网渔船的速度为2.9节，电缆被它1900kg重的网板水平撞击时，受到估计为11吨的外力冲击。另一种为定置刺网捕鱼用桩或锚将网具敷设在鱼类通道上，待鱼类刺挂于网具或缠络在网衣上而被捕获。该网由锚或重物固定在海底。这些锚可以陷入沙质海底1.5-2.7米深。渔网会被放置到潮流很强的地方，以捕获较大的鱼群。如果锚钩住海底电缆，强潮流会是海底电缆遭受到相当大的外力。海南联网工程的海底电缆横跨的琼州海峡西部，而海峡西部的徐闻渔场和东部的琼山、铺前港渔场，盛产马鲛鱼、黄花鱼、鲨鱼等几十种鱼类，琼州海峡是当今年世界上最大的黄花鱼场。因此这里捕鱼船数量众多，捕鱼作业频繁，并且大多数渔民选择定置刺网捕鱼，这对海缆的安全构成了极大的威胁。

1.3 船锚造成的损伤

如图1所示，锚造成的损伤在海底电缆所有原因中排位第二。船舶突遇紧急情况下的抛锚，如电力的中断、发动机故障等，像这种抛锚案例在海南联网工程的海底电缆保护区内也屡见不鲜。第二种船舶突然抛锚的情况则是遇到台风、风暴等海上恶劣环境的时候，由于海缆北侧登陆段位于广东的南岭，由这里的地形是一个天然的避风场所，因此船舶为躲避台风就会在此附近抛锚。

对埋入的海底电缆的破坏能力随着锚的重量增加而增大的原因如下：当锚直接撞击海缆时，由于惯性，较重的锚具有更大的破坏力，加之锚会随着船舶运动而被拖动数百米。这极容易将海底电缆拉扯断裂。因此在对海缆路由日常监视工作中锚重较大的船舶会被我们认真关注，直至其驶出海缆保护区。下面的公式即为锚重与船舶自重的关系公式。

（1）

式中，x是船舶自重（t）;y是锚的重量（kg）

利用这种关系，可以根据电缆路由上船的尺寸分布来确定锚的尺寸分布，合理的计算出它的风险值。

1.4 悬空造成损伤

许多损伤是由于电缆安装后，随着地形地貌的变化而形成的海缆悬空引起的。有时岩石区和大面积海底岩石裸露是无法避开的。即使采用最适当的安装和保护方法，电缆也可能在无法通过海底障碍物时，形成自由悬挂。这种情形结合水流条件，很容易因为漩涡而引发振动，这种现象称作涡致振动（VIV），这种振动会使电缆与接触点产生很强的摩擦。南方电网公司2013年海底电缆综合检测中并未发现海缆有悬空现象，不过随着海底地貌地形的不断变化，定期对海底电缆进行全方位的检测也是必不可少的。

1.5 自发性损伤

电器绝缘系统的寿命是有限的。很多老化现象都会影响绝缘，其中温度和电场强度时主要原因。对充油电缆，从岸上的供油站压力下降可容易地检测出较大的漏油;而那些小的泄露会持续发生几个星期之后才有可能发现漏油。水进入到绝缘中以后会使绝缘性能恶化，并最终导致绝缘击穿。海底电缆损伤的风险还有很多，但由于发生的概率较低，我并没有全部介绍和分析。如海缆遭受自然灾害破坏;船舶搁浅导致海缆受损等等。

2.修复

海底电缆的修复是海底电缆工程中最有需求的任务之一。不仅要找到故障，常常是潜水员无法达到的水中的深度确定故障，而且被损坏的电缆也必须能接近以方便修复。通常，损坏的电缆必须被安全地带到水面上来。一旦损坏的电缆放到修理船以后，电缆必须切短以连接未受损的新电缆，在绕纵轴转动和绕船梁转动的船舶甲板上进行接头作业。当很重的电缆从船上挂下时，设备会受到很大的张力。不利的条件将迫使一些维修工作紧急终止。

2.1 备用电缆

在大多数情况下，电缆在海底按直线放置，在端部被吊起之前必须被切断。为了修理，必须在两个修复好的电缆末端之间连接一根备用电缆。备用电缆的长度至少要超过水深的两倍，外加的长度用来满足电缆的悬链线长度，加上电缆在船上起吊架所需的长度，加上制作接头时切除的长度，再加上安全裕度。在连接之前，要检查被损坏电缆的末端是否有更多的损伤和是否有水进入，可能还要切短电缆。如果因为任何一个理由而重做接头，就需要更大长度的备用电缆。

2.2 修复作业

到目前为止世界各国也没有海底电力电缆的标准修复作业程序。这种情况造成少数电缆一而再地出现相似的故障。然而，有一个通用的工作顺序可以作为一个具体的修复项目的作业基础。通用的修复程序如下：（1）除去电缆发生故障的部位;（2）捞起电缆的一端，将它与船上的备用电缆相连接;（3）敷设备用电缆，向电缆另一端所处位置进发;（4）把电缆的另一端捞起，把它接到备用电缆上;（5）把所有接好的电缆放回海底。

一旦电缆发生故障，就需要展开很多的工作：（1）故障定位。电缆故障的定位会对所需的修复范围有很大的影响。艰苦的定位工作可以以充分的精度从岸边开始，以计划后继的修复工作。处于泼溅区、浅水海域或深水海域的故障，需要不同的维修设备。精细定位需要使用搜寻船。（2）确定修理船的合同。（3）修复作业的计划。修复方法取决于水深、天气和水流的情况、电缆尺寸、接头设计等等。该计划会确定必要的设备和船只改装。（4）修理船和修理设备动员。修理船经常需要改造，以增加外加的电缆操作设备、滑道、滚轮导轨等。（5）挖起电缆的故障部位。（6）装载备用电缆和置备接头工具箱。（7）接头工作人员上船。

3.故障定位

海底电缆有许多故障定位的方法可供选用，大多数情况下，电缆故障是因为电压击穿而引起的。这表明电缆绝缘发生了击穿，导致电缆无法运行。损伤范围从高阻故障到低阻绝缘损伤，甚至可能是电缆的完全破裂。

3.1 时域反射（TDR）

时域反射是通过一个电脉冲发送到故障电缆的导体来实现。最容易检测的故障是一根完全破裂的电缆。脉冲沿着导体传输，直到到达电缆破裂的地方为止。在这里，脉冲的大部分能量都消耗在水中，但有一个小部分以相反极性反射回来。反射在脉冲传播回到岸上的电缆终端处，由仪器记录下脉冲。脉冲的传输速度v可以由下式计算而出：

（2）

式中的符号采用标准的表达符。对于粘性浸渍纸绝缘电缆来说，，，由此计算出的传输速度v为，这是光速的一半。它与电缆尺寸无关。

3.2 精细定位法

时域反射所测量的故障点往往距离真正的故障点要有几千米的误差，而精细定位法可以对海缆进行精确的故障定位。现代的精细定位法，信号电流从岸边被送到故障电缆相的导体中。在电缆的故障处，信号电流通过绝缘损失而流失，造成了故障点两侧产生了磁场差异。搜索船上的探测线圈记录着信号电流发出的磁场特性，通过故障点时，探测线圈记录到的信号强度显著改变。对于船上的探测线圈来说，只要是直的非埋设的电缆，精度大约可达到水深的两倍。精细定位法的信号一定是由陆上信号发生器提供的。由一台脉冲发生器发送高压脉冲到故障电缆中可达到非常好的结果。

3.3 光时域反射测量技术（OTDR）

与时域反射类似，光时域反射测量时基于光纤中的脉冲传播来实现的。海南联网的海底电缆每相外部并行捆绑一条光缆，每条光缆含12芯光纤，主要用于南方电网联网系统数据传输、泵站监控、海缆温度监测等通信。当故障时刻使用光时域反射仪测量光缆故障位置。OTDR的基本原理是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，当光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息。OTDR测试是通过发射光脉冲到光纤内，然后在OTDR端口接收返回的信息来进行。当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质，连接器，接合点，弯曲或其它类似的事件而产生散射，反射。其中一部分的散射和反射就会返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。从发射信号到返回信号所用的时间，再确定光在玻璃物质中的速度，就可以计算出距离。以下的公式就说明了OTDR是如何测量距离的。

d=（V×t）/2                     （3）

V=c/n                      （4）

在这个公式里，V是脉冲在光纤中的传播速度，t是信号发射后到接收到信号（双程）的总时间（两值相乘除以2后就是单程的距离），c是光在真空中传播的速度，即c=300000km/s，n是玻璃纤维的折射率。光时域反射测量方法只能探测光纤中的光程。要将其转化成电力电缆长度的估值，有必要考虑到：光纤在光缆内的余长;考虑节距后，光纤在电力电缆中的余长。光缆制造商应该规定光纤电缆中的余长，范围在0.05%-1%之内。然后光纤以一定的节距与电力电缆相复合，该节距决定光纤长度与电力电缆长度的关系。通常情况下，光缆比电力电缆长2%-8%。

4.结束语

500kV海南联网工程，结束了海南电网“孤岛”运行的历史，显著提高了海南电网运行的安全稳定性，它具有划时代的伟大意义。正因如此，守卫海底电缆的安全稳定运行时我们每个人应尽的责任。本文详细分析了海底电缆所面临的各种风险，并以统计数据来分析得出海缆运维的衷心。通过详细介绍修复海缆的方法，让读者更进一步的了解海底电缆一旦损伤后果的严重性。最后又详细介绍了海缆修复工作的重点——故障定位，详细讲述了各种故障定位的方法及原理。

参考文献

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