XLPE絕緣海底電纜的應用及試驗監測技術研究

高鑫

摘 要：本文主要闡述了XLPE絕緣海底電纜的結構和主要特點，同時對海底電纜的在線監測技術和試驗技術進行了簡要說明。

關鍵詞：XLPE絕緣海底電纜；分布式光纖檢測技術；局放檢測

中圖分類號：TM247 文獻標志碼：A

1 XPLE海纜結構和特點

1.1 單芯和三芯XLPE海纜

如圖1和圖2所示，XLPE絕緣海底電纜可分為單芯和三芯兩種。

如圖1所示，單芯XLPE 海底電纜基本結構由內到外是線芯、內屏蔽層、絕緣層、外屏蔽層、綜合防水層、金屬屏蔽層及外護層。單芯XLPE直流海底電纜因為只有一根線芯，制作成本低，單位重量和產品外徑相對三芯海纜都很小。且在長距離的運輸中一般輸送容量比較大且運行電壓很高，單芯導體海底電纜的機械抗拉能力和線芯面積都可滿足要求。所以，大多數的海纜都會采用單芯XLPE絕緣電纜。

1.2 XPLE海纜絕緣試驗

如圖2所示，相比單芯XLPE海底電纜，三芯XLPE海底電纜最難的工藝在于大長度的高壓電力線芯成纜的絞合過程。對于相同的單位導體截面時，且在大容量長距離的海底電纜工程中，三芯XLPE海底電纜在運行過程中損耗更小，更是節省了生產、敷設及運維成本。

1.3 直流和交流XLPE海纜

XLPE絕緣海底電纜同時也分為直流和交流兩種。區別于交流XLPE海底電纜最大的一點是，直流海底電纜一般采用單芯電力線芯，即單芯XLPE海底電纜。直流XLPE海底電纜的優點主要表現在：（1）采用高壓直流輸電方式，不存在無功補償問題。同時磁滯損耗、渦流損耗及環流損耗等問題，傳輸距離更長，載流量更大；（2）可靈活調節線路的功率和電流，以滿足在不同或相同頻率下交流系統間的非同步聯網；（3）有效減少海纜工程的工程量和施工空間，是交流XLPE海底電纜施工量的2/3，而海纜路由占用海床的空間也只有其的1/2。

相對于交流XLPE海底電纜，直流海底電纜在絕緣層尺寸和材料特性上更加復雜。其采用的直流輸電方式亦存在固有的弊端：（1）不斷在絕緣層累積的空間負荷會產生電場畸變，而導致絕緣層的絕緣性能下降。同時，由于絕緣層溫度分布特性和絕緣線芯結構的影響，絕緣層電場呈電阻性分布。所以，需結合絕緣層的熱場和電場的耦合問題來考慮直流海底電纜結構設計；（2）直流系統單極運行時產生的電腐蝕對海底設備傷害比較大；（3）交流輸電方式在諧波控制方面更具有優勢；（4）直流輸電必須采用環流設備，投資成本和換流損耗成本都比較高。

直流和交流XLPE海底電纜從投資成本、運維成本及損耗成本相比較，在海底電纜工程輸電距離較短時，直流系統的換流設備成本和換流成本遠大于交流海底電纜的損耗成本。這時采用交流輸電方式更具有經濟性。而輸電距離超過臨界值（約為57 km）后，輸電線路越長，直流海底電纜的成本和線路損耗低的優勢就更加明顯。所以，直流輸電方式更加適用于長距離的海底電纜工程。

2 XLPE絕緣海纜故障及監測技術

2.1 XLPE絕緣海底電纜故障原因

隨著海洋各類開發活動的增加，海底電纜的安全性日趨重要。造成海底電纜故障的主要原因表現為：（1）漁船拋錨引發的海底電纜機械損傷；（2）電纜和電纜護管之間、海底電纜交叉點之間等的摩擦會損害絕緣層和電纜護層，從而破壞海纜的絕緣性能；（3）地殼變動或潮汐等自然環境的不可抗拒的運動可形成強拉力使海底電纜擺動和位移而造成損傷；（4）海水腐蝕、海洋微生物附著海纜表面腐蝕等也容易造成海底電纜的阻水性能變差和絕緣老化。

2.2 XLPE絕緣海底電纜在線監測技術

針對XLPE海底電纜發生故障時的溫度變化和應變變化主要采用海底電纜復合光纖作為分布式傳感器元件來進行監控和測量。分布式光纖檢測技術實現了對海底電纜實時的全線路在線監測，且耐腐性能良好、抗干擾性強、精度高，能及時發現海底電纜的故障。目前主要有兩種分布式光纖傳感技術，但兩者都有明顯的優缺點。具體表現在于：一是基于拉曼散射的光纖傳感技術，主要是應用了基于拉曼散射的光時域反射儀通過獲取海底電纜上的溫度分布信息來實現沿著光纖的全分布式溫度測量，以達到監測海底電纜的實時運行狀況；光時域反射儀有著高精度的溫度分辨率，但卻無法測量光纖的應變變化，即無法監測海纜的機械損傷情況。這是它很大的一個弊端；二是基于布里淵散射的光纖傳感技術，通過測量沿光纖長度方向的布里淵散射光的頻移和強度來同時獲取海底電纜的應變變化和溫度變化。但不可避免地采納測量量布里淵散射光的頻移和強度會受到應變和溫度的交叉影響，而影響測量精度。

2.3 XLPE絕緣海底電纜絕緣試驗技術

對海底電纜進行工頻耐壓試驗和局部放電檢測手段是檢測海底電纜絕緣性能最直觀最有效的試驗方法。工頻耐壓試驗的方法主要有變頻諧振法、阻尼振蕩波法、超低頻電壓法3種，其中變頻諧振法是最常用的方法，相比其他兩種方法，其具有較高的便捷性和安全性。而局部發電檢測是利用傳感單元將海底電纜絕緣劣化而引起的局放信號耦合到觀測系統中。海底電纜局部放電檢測方法有很多種，目前XLPE絕緣海底電纜主要用脈沖電流法、超高頻法及高頻電流法這3種局部放電檢測方法?；趩我坏木植糠烹姍z測方法有一定的局限性，現場一般都會聯合應用多種局部放電檢測方法，以相互彌補不足，提高檢測的精度，以實現對海底電纜的缺陷診斷和故障定位。

結語

XLPE絕緣海底電纜隨著海洋開發活動日益增加而越來越廣泛應用，但其絕緣結構設計、制作工藝、試驗技術及在線監測技術還有待提高和研究，以確保其更加安全更加穩定的運行。

參考文獻

[1] GB 50217—2007，電力工程電纜設計規范[S].

[2] GB 50168—2006，電纜線路施工及驗收規范[S].