中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司火力發(fā)電技術(shù)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(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司包頭供電局 游曉科

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和新能源政策的推進(jìn)，海上風(fēng)電得到了快速發(fā)展。海底電纜是海上風(fēng)電工程重要的電氣設(shè)備之一，風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間互聯(lián)，電能的匯集及外送都需不同電壓等級(jí)的海纜完成。目前我國(guó)35kV交流匯集仍是海上風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)的通用集電方案，而66kV集電系統(tǒng)已在歐洲海上風(fēng)電領(lǐng)域占據(jù)市場(chǎng)主流地位。隨著對(duì)海上風(fēng)場(chǎng)單位成本降低的追求和技術(shù)的發(fā)展，海上風(fēng)機(jī)單機(jī)容量越來(lái)越大，這對(duì)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(shù)少、電纜投資及相應(yīng)工程費(fèi)用低等方面都具有很大優(yōu)勢(shì)[1-2]。

1 66kV海纜應(yīng)用情況及生產(chǎn)技術(shù)水平

國(guó)內(nèi)主要海纜公司正在積極開(kāi)展66kV海纜的開(kāi)發(fā)、制造及試驗(yàn)工作。66kV海纜一般采用三芯結(jié)構(gòu)(圖1)，其優(yōu)勢(shì)在于海纜在運(yùn)行過(guò)程中損耗小并節(jié)省了生產(chǎn)、敷設(shè)及運(yùn)維成本。交聯(lián)聚乙烯三芯海底電纜的基本結(jié)構(gòu)主要包括導(dǎo)體、主絕緣層、金屬套、內(nèi)護(hù)套、鎧裝、外被層、復(fù)合光纖等。海纜的導(dǎo)體由銅或鋁制成，內(nèi)含阻水帶或膠。選用銅可實(shí)現(xiàn)較小的導(dǎo)體截面，進(jìn)而減少外層材料(如鉛、鋼絲等)。絕緣材料包括交聯(lián)聚乙烯、紙絕緣、乙丙橡膠等材質(zhì)。如今多數(shù)制造商采用三層共擠和干式交聯(lián)管制造交聯(lián)聚乙烯電纜，使交聯(lián)聚乙烯絕緣的質(zhì)量和擊穿電壓有了顯著改善。

圖1 海底光纖復(fù)合電纜截面結(jié)構(gòu)示意圖

金屬套采用鋁或鉛合金等材質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)金屬屏蔽和阻水等功能。內(nèi)護(hù)套的作用是保護(hù)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(hù)套。鎧裝常用鍍鋅圓(扁)鋼/銅絲，提供機(jī)械保護(hù)和張力的穩(wěn)定性。外被層用以保護(hù)海纜鎧裝在裝船、敷設(shè)和埋設(shè)過(guò)程中的防腐性能，多采用聚丙烯材質(zhì)，起到耐磨作用。復(fù)合光纜是風(fēng)電場(chǎng)通訊的載體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海纜溫度、震動(dòng)等信息的在線監(jiān)測(cè)。

2 安裝后電氣試驗(yàn)

對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)海纜試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海纜安裝后的交接試驗(yàn)的要求不盡相同，其中不同標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)交流電壓試驗(yàn)方法的規(guī)定如下：

中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部JBT 11167.1-2011/交流電壓試驗(yàn)項(xiàng)目：2U0持續(xù)1h（20～300Hz）/1U0持續(xù)24h/制造商與用戶協(xié)商；中國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢查總局、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GBT 32346.1-2015/交流電壓試驗(yàn)、TDR：4U0持續(xù)1h（10～300Hz）/1U0持續(xù)24h/制造商與用戶協(xié)商（適用于220kV電纜）；國(guó)際電工委員會(huì)IEC60840-2011/外護(hù)套直流耐壓試驗(yàn)、交流電壓試驗(yàn)：2U0持續(xù)1h（20～300Hz）/1U0持續(xù)24h/制造商與用戶協(xié)商；國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心TICW10.1-2019/交流電壓試驗(yàn)、TDR：2U0持續(xù)1h（20～300Hz）/1U0持續(xù)24h/制造商與用戶協(xié)商；挪威石油公司DNV-PR-J301-2014/OTDR、TDR、護(hù)套直流耐壓試驗(yàn)、交流電壓試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)：陣列電纜推薦采用低頻耐壓，出口電纜推薦串聯(lián)諧振耐壓或1U0持續(xù)24h試驗(yàn)。以上標(biāo)準(zhǔn)中U0為電纜設(shè)計(jì)用的導(dǎo)體對(duì)地間的額定電壓有效值，當(dāng)導(dǎo)體間額定電壓有效值為66kV時(shí)U0一般取36kV，TDR為時(shí)域反射測(cè)量，OTDR為光時(shí)域反射測(cè)量。

可看出，各標(biāo)準(zhǔn)均要求進(jìn)行交流電壓試驗(yàn)，且針對(duì)66kV海纜試驗(yàn)方法基本為施加2U0電壓持續(xù)1h，電壓頻率要求20～300Hz，或者施加1U0電壓持續(xù)24h；或制造商與用戶協(xié)商具體施加電壓及持續(xù)時(shí)間。為考核護(hù)套絕緣性能及本體絕緣是否存在潛伏的缺陷，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)還推薦進(jìn)行護(hù)套直流耐壓試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)。交接試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行TDR、OTDR試驗(yàn)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(yàn)獲得其傳輸特性可用于海纜后期運(yùn)行狀態(tài)下的故障定位。

2.1 交流電壓試驗(yàn)

變頻串聯(lián)諧振法：380V交流電源接入變頻電源，變頻電源通過(guò)交流-直流-交流的變換可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lián)電抗，通過(guò)調(diào)節(jié)電源頻率，可使試驗(yàn)回路中的感抗和容抗形成串聯(lián)諧振。變頻串聯(lián)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(zhì)因數(shù)，有效的降低了試驗(yàn)電源的容量。

超低頻電壓法：試驗(yàn)裝置一般采用220V、50Hz作為電源，輸出電壓的幅值通過(guò)調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，該輸出電壓經(jīng)過(guò)高壓變壓器升壓后通過(guò)全波整流器來(lái)整流。最后整流器的輸出通過(guò)一個(gè)極性開(kāi)關(guān)每隔半個(gè)周期顛倒電壓極性，最終輸出一個(gè)高壓超低頻正弦波。超低頻電壓試驗(yàn)裝置輸出電壓頻率一般為0.1Hz，試驗(yàn)設(shè)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(yàn)設(shè)備的重量及體積。超低頻耐壓經(jīng)常同時(shí)結(jié)合耐壓過(guò)程中的介損、局放測(cè)量對(duì)電纜進(jìn)行綜合評(píng)估[3-4]。

阻尼振蕩波法。通過(guò)給被試電纜施加衰減振蕩的電壓波來(lái)檢驗(yàn)電纜絕緣性能。該振蕩波的產(chǎn)生原理為電感與電容的串聯(lián)諧振。首先通過(guò)直流源預(yù)充電，將被試電纜所施加的電壓充電至預(yù)設(shè)電壓，然后閉合IGBT高壓開(kāi)關(guān)形成振蕩回路，最終在被試電纜上產(chǎn)生近似于工頻（20～500Hz）的衰減振蕩交流電壓。阻尼振蕩波試驗(yàn)設(shè)備體積較小、攜帶方便，便于現(xiàn)場(chǎng)使用。同時(shí)由于振蕩波衰減較快所以加壓時(shí)間短，對(duì)電纜的損傷較小，但難以滿足長(zhǎng)電纜耐壓需求。海纜安裝后的交流電壓試驗(yàn)須重視不同試驗(yàn)方法與工頻耐壓的等效性、安全性與便攜性。以上三種檢測(cè)方式變頻串聯(lián)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(jí)較低，其成套串聯(lián)諧振耐壓設(shè)備體積對(duì)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(lián)諧振法進(jìn)行交流電壓試驗(yàn)[5]。在難以開(kāi)展串聯(lián)諧振試驗(yàn)的特殊情況下可采用24h試運(yùn)行試驗(yàn)代替。

2.2 護(hù)套直流耐壓試驗(yàn)

海纜在安裝過(guò)程中可能因牽引、捕魚(yú)或拋錨不當(dāng)?shù)仍蛟斐赏庾o(hù)套破損。而對(duì)護(hù)套進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)可有效發(fā)現(xiàn)護(hù)套對(duì)地絕緣的缺陷或破損。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有要求對(duì)海纜進(jìn)行外護(hù)套的直流耐壓試驗(yàn)，但國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一般都要求對(duì)敷設(shè)后的電纜進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)。IEC60229規(guī)定了海纜外護(hù)套直流耐壓試驗(yàn)方法，將試驗(yàn)電壓施加在每一個(gè)金屬套或金屬屏蔽與地之間并持續(xù)一定時(shí)間。具體要求為：對(duì)外護(hù)套施加4kV/mm的直流電場(chǎng)，且外電極與屏蔽層間最大直流電壓不大于10kV，電壓持續(xù)時(shí)間為1min，如電纜外護(hù)套不擊穿則認(rèn)為外護(hù)套絕緣合格。

2.3 局部放電試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)未要求對(duì)安裝后的海纜進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，但國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如IEC60885-3）提出了如果條件允許，可在對(duì)海纜進(jìn)行耐壓試驗(yàn)的同時(shí)開(kāi)展局部放電試驗(yàn)，也可采用超聲波法、超高頻法、高頻電流法等手段對(duì)電纜附件或接地線進(jìn)行輔助檢測(cè)。單一的檢測(cè)手段易受外界噪聲信號(hào)的干擾，而采用多種檢測(cè)手段聯(lián)合診斷可使不同的傳感器優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高海纜潛伏缺陷的檢出率，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[6]。

綜上，歐洲海上風(fēng)電66kV海纜制造技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用較多。國(guó)內(nèi)廠家也已具備66kV海纜生產(chǎn)能力，隨著海上風(fēng)電將逐漸進(jìn)入競(jìng)價(jià)時(shí)代，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新降低海纜造價(jià)是各廠家努力發(fā)展的方向。國(guó)內(nèi)外海纜標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)的要求不盡相同，海纜安裝后的交流電壓試驗(yàn)是重要的試驗(yàn)項(xiàng)目，必須重視不同試驗(yàn)方法與工頻耐壓的等效性，同時(shí)兼顧試驗(yàn)裝置的安全性與便攜性。對(duì)海纜進(jìn)行耐壓的同時(shí)進(jìn)行局放檢測(cè)是有效的絕緣檢驗(yàn)試驗(yàn)。采用超聲波法、超高頻法、高頻電流法聯(lián)合試驗(yàn)，提高傳感器靈敏度，降低干擾信號(hào)影響是海纜現(xiàn)場(chǎng)局部放電測(cè)試的發(fā)展方向。