水下電纜測試技術及其在某氣田中的應用

龍小品，井元彬，周佳，李世平，郝徑

（1.深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳，518054；2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江，524057）

關鍵字：水下電纜；電測試；絕緣電阻；技術發展；檢測設備；應用

0 引言

在海洋油氣開發，特別是深水油氣開發過程中，主要使用水下生產系統作為開發模式[1]，而電纜作為水下生產系統的重要組成部分，在海洋油氣生產過程中承擔著電力輸送和數據傳輸的任務。為保證電纜功能性的完整，實現實時監測水下生產系統運行情況、維持水下生產系統穩定運行的功能，在水下生產系統運行前和運營過程中都需要對電纜進行預防性檢測。通過相關電測試，可及早發現電纜存在的問題，從而進行更換或維修，以保證水下生產系統正常運行，減少生產事故的發生。

1 電測試的主要內容

1.1 電纜主要故障類型

在水下生產系統中，電纜主要包括臍帶纜中的攜帶電纜和系統末端的電飛線，其主要由導體、絕緣層和保護層三部分組成。

圖1 臍帶纜及電纜

電纜故障是指電纜在運行過程中無法完成其既定的任務，而導致生產系統受損或者無法運行的情況。常見的電纜故障包括斷路故障和短路故障[2]，其中斷路故障是指導體中存在一相或者多相存在不連續情況，導致電力無法輸送至終端；短路故障是電纜的絕緣電阻低于正常值，根據絕緣電阻的衰減情況，短路故障又可以分為低阻故障和高阻故障，其中高阻故障是指導體與環境之間的絕緣電阻低于設計值但仍高于10Zc（Zc，電纜特性阻抗），低阻故障指導體與環境之間的絕緣電阻小于10Zc。

1.2 主要電測試內容

根據電纜段的故障類型，對于電纜故障檢測，可以通過測量導體電阻（CR）和絕緣電阻（IR）來實現[3]，導體電阻反映電芯的導電性能和兩測量點之間的通斷情況，絕緣電阻則反映電路獨立回路之間的絕緣程度，對于經測量存在問題的電阻，可以通過時域反射法快速定位故障發生點。

(1)導體電阻

導體電阻是評價電纜性能的重要指標，根據GB/T 3048.4-2007規定，不同溫度下電纜的導體電阻可以通過以下公式進行計算：

式中：

RL——t℃時L長電纜的理論導體電阻值，單位為Ω；

R20——20℃時每公里長度的標準導體電阻值，單位為Ω/km；

L——待測電阻的長度，單位為m；

當導體電阻的阻值明顯超過理論值RL時，首先考慮電纜是否出現了通斷故障，當通斷故障排除后，則考慮電纜的質量是否達標。導體電阻的超標將加大線路上功率的消耗，導致其載流量下降，此時，為保證設備的正常運轉，往往需要加大供給側電功率的輸入，導致電纜處于滿負荷甚至超負荷運行，發熱量增大，溫度升高，導致電纜的絕緣層加速老化，短路、漏電等故障發生的可能性大大增加[4]。

(2)絕緣電阻

絕緣電阻是評價電纜絕緣特性的重要指標，它與絕緣層能夠承受電擊穿或熱擊穿的能力，與絕緣材料本身，以及絕緣材料在工作狀態下逐步劣化等均存在著極為密切的關系[5]。根據GB/T 3048.5-2007規定，不同溫度下電纜的絕緣電阻可以通過以下公式進行計算：

式中：

RL，c——t℃時L長電纜的理論絕緣電阻值，單位為MΩ；

R20，c——20℃時每公里長度的標準絕緣電阻值，單位為MΩ·km；

L——待測電阻的長度，單位為km；

K——絕緣電阻的溫度校正系數。

絕緣介質的絕緣性能是確保電纜能在安全指標范圍內正常工作的前提，水下生產系統中的電纜完全浸沒于海水之中，一旦絕緣電阻不達標，電纜極易發生短路故障，導致水下生產系統無法正常運行[6]，輕則產生高昂的維修費用，重則可能導致油井失控，發生泄露現象。

2 水下電測試技術發展狀況

近年來，隨著科學理論的發展和電力設施的不斷增多，相關的水下電纜檢測技術和市場也得到了很大的提升，更精確便捷的電纜檢測技術隨之發展，從最初的折半法，發展到現在最為先進的時域反射法。

2.1 折半法

折半法是最早用于電纜診斷的技術之一，其通過將存在故障的電纜段平均分成兩份，分別測量兩電纜維持電壓的能力，然后對存在故障的電纜段進行平分再測量，如此往復，直至最終獲得故障發生點[7]。折半法理論上是可行的，但對于海底動輒數千米的電纜，其可操作性有待考量。

2.2 電橋法

電橋法[8]的基本原理是將故障電纜作為Wheatstone電橋的一個橋臂，用非故障變電阻電路作為Wheatstone的另一橋臂，通過調節電阻參數，使電橋達到平衡，此時可以得出故障電路的電阻值。由于電纜的電阻值與其長度呈數量關系，利用Wheatstone電橋原理，可以計算出測量點到故障點的距離。

圖2 雙臂電橋

電橋法原理簡單，精度也較高，但其更適用于低阻故障的排除，對于高阻故障，由于阻值過高導致流過電橋的電流很小，往往需要使用更為靈敏的電流檢測裝置或輸入更高的電壓來改善，在極端情況下，甚至需要通過高壓刺激，將電纜的絕緣條件破壞，使電纜的高阻故障轉化為低阻故障。這種方法需要破壞電纜的原本絕緣條件，甚至可能造成電路上相關電器設備高壓過載，對電纜和設備造成二次傷害，因此在使用方面應更為慎重。

2.3 時域反射法

時域反射法[9]又稱行波法，通過在測試端施加驅動電信號，脈沖電信號沿電纜傳播，當碰到故障點時產生一個反射波，從而可以通過計算電信號發出時間及反射波返回時間計算故障發生點距測量點的距離。時域反射法以電信號為驅動，無需輸入高電壓，對電路無損壞威脅，測試簡單，操作方便，且安全可靠。但脈沖法要求電纜放電完全，不能存在干擾電線號的游離電子。

圖3 脈沖法原理

3 電測試技術在某氣田中的應用

3.1 某氣田基本情況簡介

該氣田位于中國瓊東南盆地北部海灣，所在海域水深1220～1560米，為超深水氣田，氣田采用水下生產系統+FPSO+穿梭油輪的生產模式。

圖4 南海某氣田開發方案及待測試設備分布情況

此次測試為該氣田新開發區域相關設備的投產前例行測試，測試主體包括水下生產系統所包含的所有電飛線和臍帶纜。測試內容主要為電飛線和臍帶纜內攜帶電纜的功能完整性。

3.2 測試方案

3.2.1 測試設備

此次電測試采用C-Kore最新一代電纜檢測儀，設備主要由C-Kore主體和激活插銷組成，可用于臍帶纜、電飛線、水下分配單元等涉電硬件的電氣完整性檢測，設備具有如下特點：

(1)根據下水之前的配置情況，可用于導體電阻、絕緣電阻、時域反射等不同內容的測試。

(2)可適應水上、水下和水上水下混合等各種測試場景。

(3)設備工作電壓為3.3V，不存在高壓風險，檢測施工過程更為安全。

(4)設備工作觸發方式豐富，可以在下水前設置測量程序，也可以在水下通過ROV照明或者潛水員接近觸發。

(5)設備內部集成有大容量電池，當不執行測量任務時，設備可自動進入省電待機狀態，可允許長時間部署。

(6)內置大容量存儲裝置，具有存儲上千測試數據的能力，數據可導出為報告和csv表格的形式。

圖5 C-Kore測試單元

Kore檢測設備可適應復雜的海底環境，其主要設計參數如下：

表1 C-Kore檢測設備主要參數

此外，C-Kore具有完善的自檢功能和輸入保護措施。在每個測試程序開始之前，C-Kore都會進行多輸入電路各電路單獨輸入完整性、環境溫度、蓄電池充電水平檢測。此外，裝置還會對測量環境中的電氣噪音進行檢測，如果裝置檢測到噪音，其會自動嘗試通過主動調整測量濾波來消除干擾，并向用戶發出噪音警告。C-Kore具有內置保護裝置，為防止電纜存在放電不充分情況，在測量之前，裝置都會對電荷殘留量情況進行檢測，如果電纜確實帶電，裝置將嘗試通過一個大的內阻對線路安全地進行放電，直至放電完全后再進行測量任務，如果放電程序失敗，則說明線路存在其他輸入，C-Kore將暫時停止本次測量。此外，C-Kore內部也設置了完善的過載保護裝置，當工作中瞬時電壓超過150V時，內部保險裝置將立即啟動，切斷回路，以保護設備免受高壓損傷。

圖6 傳統設備與C-Kore操作方案

3.2.2 測試方案

與傳統的測量手段相比[10]，新一代C-Kore電纜測量儀可通過潛水員或者ROV進行部署，無需下放電纜將工程船與測量設備相連接，這樣可以大大節省設備部署的時間，且設備自帶數據分析功能和高清全彩顯示屏，通過ROV即可在海底邊測量邊讀取結果。

此次測試的主要水下生產系統如下所示，在電纜進行測試之前，需要對待測電纜進行斷電和放電，以確保其在測試開始時呈中性狀態。

圖7 水下生產系統分布

以臍帶纜SPUR A9的測試為例，在進行測試之前，首先斷開UTA(臍帶纜終端)與采油樹A9之間的電飛線EFL3，然后將環形帽插在UTA上兩電飛線接口QA和QB；再將連接UTH（臍帶纜端頭）和管匯（manifold）的電飛線EFL9依次斷開。

圖8 SPUR A9臍帶纜測試方案

首先按將UTH上與EFL9連接的QA斷開，然后ROV將工具箱內的測試單元取出，經機械臂將其插入臍帶纜端頭的QA口，準備對SPUR A9的A線進行電測試。采用ROV照明觸發本次作業，當一切準備就緒后，ROV開啟照明燈，C-Kore開始進行自檢測。在ROV觸發測試前，需要確定設備所處環境是否超出了設備的出廠設置，C-Kore在正式開始測試前首先會進行全面的自檢功能，包括系統溫度、蓄電池電量、以及噪音檢測等，如果上述變量達不到出場設置標準，C-Kore會發出警告，相關警告可以通過其自帶的OLED顯示屏進行讀取。此外，需確保電路是不帶電的，當電路放電不完全或存在帶電情況時，C-Kore首先會通過連接內部大電阻進行溫和放電，如果帶電情況無法改善，C-Kore會終止本次測試。

當自檢和自動校準完成后，設備會顯示“SYS.OK”，此時可開始本次測量，設備可自動完成導體電阻和絕緣電阻的測量，測量結果存儲在內置存儲裝置中，也會顯示在自帶OLED屏中，ROV可直接讀取相關結果。

圖9 ROV讀取絕緣電阻測試結果

待絕緣電阻和導體電阻測完后，ROV取下相關測量設備，介入時域反射測量設備，進行時域反射測試。時域反射測試介紹后，ROV取下相關設備，回接EFL9飛線QA端。取下與UTH連接的EFL9QB飛線，重復上述側坐，完成臍帶纜B線的測試。相關測試完成，ROV取回相關設備，回收至甲板，臍帶纜SPUR A9的電測試結束。根據此流程，相繼完成臍帶纜SPUR A1、IFU-A1～IFU-A2～IFU-A3 的測量。

3.3 測試結果

本次測試合格標準為IR大于500MΩ·km，CR小于1.2Ω/km，根據式1和式2相關計算公式，可以得出本次測量整條電纜的理論接受阻值：

表2 臍帶纜電氣理論接受阻值

SPUR A9 4.8 5.76 104.167 IFU-A1～IFU-A2～IFU-A3～SPUR A1 66.216 79.46 8.917

表3 SPUR A9臍帶纜測試結果

以SPUR A9為例，可以看出導體電阻均在5.1Ω以下，遠小于5.76Ω，說明電纜導電性能良好；在檢測范圍以內，絕緣電阻均在10GΩ以上，遠大于接受標準的104.167MΩ，說明電纜與環境之間絕緣情況很好，該電纜完整性良好，本次檢測通過。其他電纜本次檢測數據亦在接受范圍之內，詳細測量數據見表4和表5。

圖10 SPUR A9臍帶纜Line1-Line2時域反射測試結果

表4 SPUR A1測試結果

表 5 IFU-A1～IFU-A2～IFU-A3 測試結果

Line2 IR - X - - 1.596GΩ CR - X - - -Line3 IR - - X - 1.427GΩ CR - - X 58.37Ω -Line4 IR - - - X 1.380GΩ CR - - - X -Seawater IR - - - - X CR - - - - X

4 結語

水下電纜的完整性是保證水下生產穩定運行的重要前提，本文以水下電纜測試為基礎，介紹了電纜運維過程中的常見故障類型，并對相關故障的關鍵檢測指標及計算方法進行了簡述，針對常見故障類型，對電纜的檢測技術理論進行了綜述。本文以南海某氣田投產前例行電測試為基礎，詳細介紹了最新一代C-Kore電測試設備，并對其測試施工技術方案進行了概述，最后，詳細分析了該次測試的結果，測試結果符合預期，為南海某氣田的順利投產提供了有力保障。本文研究成果可用于電測試技術了解及電測試應用方案的參考。