海上風電66kV海纜現場試驗技術綜述

中國大唐集團科學技術研究院有限公司火力發電技術研究院 楊玉新 大唐汕頭新能源有限公司 劉玉成 劉永生 孫 奇

內蒙古電力(集團)有限責任公司包頭供電局 游曉科

隨著我國經濟的發展和新能源政策的推進，海上風電得到了快速發展。海底電纜是海上風電工程重要的電氣設備之一，風力發電機之間互聯，電能的匯集及外送都需不同電壓等級的海纜完成。目前我國35kV交流匯集仍是海上風電場集電系統的通用集電方案，而66kV集電系統已在歐洲海上風電領域占據市場主流地位。隨著對海上風場單位成本降低的追求和技術的發展，海上風機單機容量越來越大，這對集電海纜的載流量提出了更高的要求。66kV海纜在使用電纜根數少、電纜投資及相應工程費用低等方面都具有很大優勢[1-2]。

1 66kV海纜應用情況及生產技術水平

國內主要海纜公司正在積極開展66kV海纜的開發、制造及試驗工作。66kV海纜一般采用三芯結構(圖1)，其優勢在于海纜在運行過程中損耗小并節省了生產、敷設及運維成本。交聯聚乙烯三芯海底電纜的基本結構主要包括導體、主絕緣層、金屬套、內護套、鎧裝、外被層、復合光纖等。海纜的導體由銅或鋁制成，內含阻水帶或膠。選用銅可實現較小的導體截面，進而減少外層材料(如鉛、鋼絲等)。絕緣材料包括交聯聚乙烯、紙絕緣、乙丙橡膠等材質。如今多數制造商采用三層共擠和干式交聯管制造交聯聚乙烯電纜，使交聯聚乙烯絕緣的質量和擊穿電壓有了顯著改善。

圖1 海底光纖復合電纜截面結構示意圖

金屬套采用鋁或鉛合金等材質，以實現金屬屏蔽和阻水等功能。內護套的作用是保護金屬屏蔽免受腐蝕和磨損，多采用高密度聚乙烯和低密度聚乙烯護套。鎧裝常用鍍鋅圓(扁)鋼/銅絲，提供機械保護和張力的穩定性。外被層用以保護海纜鎧裝在裝船、敷設和埋設過程中的防腐性能，多采用聚丙烯材質，起到耐磨作用。復合光纜是風電場通訊的載體，可實現對海纜溫度、震動等信息的在線監測。

2 安裝后電氣試驗

對國內外相關海纜試驗標準進行對比分析，發現各標準對海纜安裝后的交接試驗的要求不盡相同，其中不同標準中相關試驗項目對交流電壓試驗方法的規定如下：

中華人民共和國工業和信息化部JBT 11167.1-2011/交流電壓試驗項目：2U0持續1h（20～300Hz）/1U0持續24h/制造商與用戶協商；中國質量監督檢查總局、中國標準化管理委員會GBT 32346.1-2015/交流電壓試驗、TDR：4U0持續1h（10～300Hz）/1U0持續24h/制造商與用戶協商（適用于220kV電纜）；國際電工委員會IEC60840-2011/外護套直流耐壓試驗、交流電壓試驗：2U0持續1h（20～300Hz）/1U0持續24h/制造商與用戶協商；國家電線電纜質量監督檢驗中心TICW10.1-2019/交流電壓試驗、TDR：2U0持續1h（20～300Hz）/1U0持續24h/制造商與用戶協商；挪威石油公司DNV-PR-J301-2014/OTDR、TDR、護套直流耐壓試驗、交流電壓試驗、局部放電試驗：陣列電纜推薦采用低頻耐壓，出口電纜推薦串聯諧振耐壓或1U0持續24h試驗。以上標準中U0為電纜設計用的導體對地間的額定電壓有效值，當導體間額定電壓有效值為66kV時U0一般取36kV，TDR為時域反射測量，OTDR為光時域反射測量。

可看出，各標準均要求進行交流電壓試驗，且針對66kV海纜試驗方法基本為施加2U0電壓持續1h，電壓頻率要求20～300Hz，或者施加1U0電壓持續24h；或制造商與用戶協商具體施加電壓及持續時間。為考核護套絕緣性能及本體絕緣是否存在潛伏的缺陷，國外標準還推薦進行護套直流耐壓試驗、局部放電試驗。交接試驗時進行TDR、OTDR試驗主要是獲得電纜或光纖行波傳輸特性。脈沖傳輸取決于電纜的電阻、電容和電感，交接試驗獲得其傳輸特性可用于海纜后期運行狀態下的故障定位。

2.1 交流電壓試驗

變頻串聯諧振法：380V交流電源接入變頻電源，變頻電源通過交流-直流-交流的變換可實現對輸出電壓頻率和幅值得控制，變壓器將輸出的電壓幅值升高。被試電纜等效為電容，在其回路串聯電抗，通過調節電源頻率，可使試驗回路中的感抗和容抗形成串聯諧振。變頻串聯諧振情況下，電源輸出電壓僅為被試品電壓的1/Q，其中Q為品質因數，有效的降低了試驗電源的容量。

超低頻電壓法：試驗裝置一般采用220V、50Hz作為電源，輸出電壓的幅值通過調壓器進行調節，該輸出電壓經過高壓變壓器升壓后通過全波整流器來整流。最后整流器的輸出通過一個極性開關每隔半個周期顛倒電壓極性，最終輸出一個高壓超低頻正弦波。超低頻電壓試驗裝置輸出電壓頻率一般為0.1Hz，試驗設備的容量理論上可降到采用工頻（50Hz）所需容量的1/500，所以可很大程度上減小試驗設備的重量及體積。超低頻耐壓經常同時結合耐壓過程中的介損、局放測量對電纜進行綜合評估[3-4]。

阻尼振蕩波法。通過給被試電纜施加衰減振蕩的電壓波來檢驗電纜絕緣性能。該振蕩波的產生原理為電感與電容的串聯諧振。首先通過直流源預充電，將被試電纜所施加的電壓充電至預設電壓，然后閉合IGBT高壓開關形成振蕩回路，最終在被試電纜上產生近似于工頻（20～500Hz）的衰減振蕩交流電壓。阻尼振蕩波試驗設備體積較小、攜帶方便，便于現場使用。同時由于振蕩波衰減較快所以加壓時間短，對電纜的損傷較小，但難以滿足長電纜耐壓需求。海纜安裝后的交流電壓試驗須重視不同試驗方法與工頻耐壓的等效性、安全性與便攜性。以上三種檢測方式變頻串聯諧振法的等效性最好，超低頻耐壓法的等效性最差。鑒于66kV海纜電壓等級較低，其成套串聯諧振耐壓設備體積對便攜性的影響還可以承受，所以宜采用工頻等效性較高的串聯諧振法進行交流電壓試驗[5]。在難以開展串聯諧振試驗的特殊情況下可采用24h試運行試驗代替。

2.2 護套直流耐壓試驗

海纜在安裝過程中可能因牽引、捕魚或拋錨不當等原因造成外護套破損。而對護套進行直流耐壓試驗可有效發現護套對地絕緣的缺陷或破損。國內標準沒有要求對海纜進行外護套的直流耐壓試驗，但國際標準一般都要求對敷設后的電纜進行此項試驗。IEC60229規定了海纜外護套直流耐壓試驗方法，將試驗電壓施加在每一個金屬套或金屬屏蔽與地之間并持續一定時間。具體要求為：對外護套施加4kV/mm的直流電場，且外電極與屏蔽層間最大直流電壓不大于10kV，電壓持續時間為1min，如電纜外護套不擊穿則認為外護套絕緣合格。

2.3 局部放電試驗

國內標準未要求對安裝后的海纜進行局部放電試驗，但國際標準（如IEC60885-3）提出了如果條件允許，可在對海纜進行耐壓試驗的同時開展局部放電試驗，也可采用超聲波法、超高頻法、高頻電流法等手段對電纜附件或接地線進行輔助檢測。單一的檢測手段易受外界噪聲信號的干擾，而采用多種檢測手段聯合診斷可使不同的傳感器優勢互補，提高海纜潛伏缺陷的檢出率，是未來的發展趨勢[6]。

綜上，歐洲海上風電66kV海纜制造技術相對成熟，應用較多。國內廠家也已具備66kV海纜生產能力，隨著海上風電將逐漸進入競價時代，通過技術創新降低海纜造價是各廠家努力發展的方向。國內外海纜標準對試驗的要求不盡相同，海纜安裝后的交流電壓試驗是重要的試驗項目，必須重視不同試驗方法與工頻耐壓的等效性，同時兼顧試驗裝置的安全性與便攜性。對海纜進行耐壓的同時進行局放檢測是有效的絕緣檢驗試驗。采用超聲波法、超高頻法、高頻電流法聯合試驗，提高傳感器靈敏度，降低干擾信號影響是海纜現場局部放電測試的發展方向。