蘇保中 胡 喆 陳玉光 朱振民 陳雨強(qiáng)

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司）

0 引言

目前渤海區(qū)域海上石油平臺海底電纜數(shù)量為150條左右，隨著海上石油平臺的建設(shè)，海纜數(shù)量還在不斷增加。據(jù)作者調(diào)研，目前渤海地區(qū)海上石油平臺最早投運(yùn)的海纜1992年12月，設(shè)計(jì)使用年限為20年，目前已運(yùn)行33年；運(yùn)行超過25年的海纜有7條，運(yùn)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(yàn)?zāi)壳皩儆谌笔顟B(tài)，對于海纜的在線監(jiān)測從2015年開始開展，目前已有約20條海纜在進(jìn)行在線監(jiān)測；在2022年以前受海上石油平臺空間制約，僅對2km以內(nèi)海纜進(jìn)行串聯(lián)諧振交流耐壓試驗(yàn)，其余海纜均為絕緣測試配合24小時空載運(yùn)行，缺少有效檢測試驗(yàn)手段。

1 耐壓測試技術(shù)方法

1.1 直流耐壓技術(shù)

對于海纜的耐壓試驗(yàn)，渤海地區(qū)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(yàn)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(dāng)海纜投運(yùn)后，殘留的空間電荷常造成海纜的絕緣擊穿。據(jù)大量研究及標(biāo)準(zhǔn)表明，直流電壓不適合對XLPE海纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，目前海上石油平臺已不推薦對海底電纜進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)。

1.2 交流耐壓技術(shù)

針對海底電纜常用的交流耐壓手段包括串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)、超低頻（0.1Hz）耐壓試驗(yàn)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(xiàn)在工頻條件下電纜絕緣的缺陷狀況，且試驗(yàn)時間較長，是否對電纜絕緣存在破壞進(jìn)而引發(fā)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(shù)對海纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

對于串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)，是目前海上平臺主要使用的海纜耐壓技術(shù)手段之一，傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振耐壓對電纜絕緣狀態(tài)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(tǒng)耐壓試驗(yàn)會使絕緣發(fā)生惡化，且對局部缺陷不能定位。此外對于中長海纜的串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)，所需功率大，動輒上百千瓦，設(shè)備體積龐大，重量達(dá)噸級以上，對試驗(yàn)空間要求高，無法在僅有狹小空間的海上平臺上進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。同時串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)中產(chǎn)生的諧振波會嚴(yán)重影響平臺電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前受限于海上空間，只有2km以內(nèi)的海纜使用串聯(lián)諧振耐壓進(jìn)行檢測試驗(yàn)。

1.3 振蕩波耐壓技術(shù)

針對上述耐壓試驗(yàn)方法的缺點(diǎn)，同時基于華北電力大學(xué)團(tuán)隊(duì)、山東大學(xué)團(tuán)隊(duì)等國內(nèi)高校的研究論證認(rèn)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?yán)谜袷幉夹g(shù)對海纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

此外振蕩波檢測方法對海底電纜絕緣局放的激發(fā)能力也與交流耐壓相當(dāng)，通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用振蕩波耐壓試驗(yàn)與局放檢測相結(jié)合的方式，是發(fā)現(xiàn)高壓海底電纜絕緣缺陷的有效技術(shù)手段。

目前振蕩波耐壓試驗(yàn)結(jié)合局放檢測已在海上石油平臺海底電纜檢測項(xiàng)目中多次應(yīng)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(yùn)前的交接試驗(yàn)缺少有效檢測試驗(yàn)手段，僅進(jìn)行絕緣測試并配合24小時空載測試，并不能有效發(fā)現(xiàn)隱患。依據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，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(chǎn)效率［5］。

圖1 現(xiàn)場進(jìn)行振蕩波耐壓試驗(yàn)

渤海某平臺海纜利用振蕩波技術(shù)對海纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)同時進(jìn)行介質(zhì)損耗檢測結(jié)果如下：

表1 渤海某平臺海纜振蕩波耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)的分析，該電纜在排除背景干擾信號后，未發(fā)現(xiàn)成簇狀局放信號點(diǎn)：

A相電纜無局放；耐壓有效值電壓41.6kV，加壓50次，耐壓試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)通過。

根據(jù)《DL/T1576-2016》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該電纜終端未超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。

2 其他測試方法

隨著海纜檢測技術(shù)的發(fā)展，海上石油平臺也在嘗試引進(jìn)新技術(shù)，對海纜的本體絕緣性能進(jìn)行檢測，尤其是在多年來海纜缺少有效檢測試驗(yàn)手段的背景下，對即將超期服役的海纜進(jìn)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(yīng)用四川大學(xué)周凱教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的極化去極化電流（Polаrizаtion аnd dерolаrizаtion currеnt，PDC）海纜檢測試驗(yàn)技術(shù)。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(wěn)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(tài)。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(yīng)注意試驗(yàn)安全。

所用到的設(shè)備為電纜極化去極化電流測試儀，該設(shè)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(shè)備自身需現(xiàn)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(tǒng)

圖3 PDC高壓端現(xiàn)場測試圖

渤海某平臺海纜（振蕩波耐壓檢測海纜一致）應(yīng)用PDC檢測技術(shù)結(jié)果：A相、B相、C相極化3kV電壓等級下的直流電導(dǎo)率、0.1Hz頻率下的去極化介質(zhì)損耗因數(shù)和不對稱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果

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

2.2 FDR測試技術(shù)

FDR測試的基本流程為，電纜纜芯施加微弱的調(diào)制信號，上限頻率根據(jù)電纜長度設(shè)置。由于電纜末端開路，使得信號發(fā)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(shù)，通過一定算法換算，得到對應(yīng)電纜全長的阻抗譜圖，并可以從中分析得到局部阻抗發(fā)生的變化的部分及對應(yīng)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(shè)備為電纜寬頻阻抗譜定位儀，該設(shè)備能夠輸出相對應(yīng)要求的調(diào)制信號，電壓小于10V，該設(shè)備具備可充電電池，必要情況下需要現(xiàn)場220V供電。單根單相電纜單次測試時間約為30s~60s。

根據(jù)現(xiàn)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(shù)設(shè)置

通過反射系數(shù)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(shù)譜缺陷定位曲線是通過處理電纜的反射系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàn)峰值。

渤海地區(qū)某海底復(fù)合電纜反射系數(shù)譜、時域恢復(fù)波形果如圖4、圖5所示

圖4 渤海地區(qū)某海底復(fù)合電纜反射系數(shù)譜

圖5 渤海地區(qū)某海底復(fù)合電纜時域恢復(fù)波形

圖6 FDR現(xiàn)場測試圖

圖7 FDR現(xiàn)場測試圖

圖8 海纜箱現(xiàn)場圖

分析海底電纜三相的缺陷測試結(jié)果，波速設(shè)定為172m/μs。通過電纜測試數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)海底電纜波形除了首端和末端均未發(fā)現(xiàn)明顯峰值，不存在明顯的阻抗不匹配點(diǎn)。

海纜的FDR測試結(jié)果，波速設(shè)定為172m/μs。通過電纜測試數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)海底電纜波形除了首端和末端均未發(fā)現(xiàn)明顯峰值，不存在明顯的阻抗不匹配點(diǎn)。

3 結(jié)束語

隨著海上石油平臺岸電入海計(jì)劃的推進(jìn)以及未來海上石油平臺建設(shè)計(jì)劃，海纜數(shù)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(jiān)測技術(shù)共同保障海底電纜穩(wěn)定運(yùn)行。