趙林建，郭磊磊，洪有財(cái)

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，杭州 310023）

0 引言

高壓傳輸電纜作為電力傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，其工程應(yīng)用研究一直是一個(gè)重要的課題[1-2]。電纜中的半導(dǎo)電金屬屏蔽層對(duì)于電纜的安全運(yùn)行起著重要作用，是高壓交直流電纜的重要組成部分，起到消除電纜絕緣與導(dǎo)體/金屬屏蔽界面缺陷、均勻電場(chǎng)的作用[3]。金屬屏蔽層一般通過接地實(shí)現(xiàn)電纜本體的靜電屏蔽，同時(shí)流過電纜接地電流、短路電流等。同時(shí)為了防止高壓導(dǎo)線之間的由于摩擦等原因形成的靜電而產(chǎn)生局部放電作用，往往在導(dǎo)線之間也常常需要填充一些半絕緣層導(dǎo)線，以防止局部放電的發(fā)生。而電纜常見的故障有機(jī)械損傷、絕緣損傷、絕緣受潮、絕緣老化變質(zhì)、過電壓，電纜過熱故障等[4]。其中關(guān)于機(jī)械損傷引起導(dǎo)線絕緣下降，并與屏蔽層之間短路所引發(fā)的故障的分析[5]，以及對(duì)屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗的變化的研究[6]文獻(xiàn)較多。但屏蔽層之間短路后導(dǎo)致屏蔽層帶電，在遠(yuǎn)端屏蔽層不連續(xù)的位置，半絕緣層因一定的導(dǎo)電性且具有一定的阻值，形成電纜二次故障的位置，該位置具有一定的隱蔽性，在工程故障勘驗(yàn)中往往出現(xiàn)盲點(diǎn)，不易被發(fā)現(xiàn)。

海洋拖曳電纜作為一種特種電纜，除了具有陸上高壓電纜的特點(diǎn)外，還需要起到承重、拖曳、信號(hào)監(jiān)測(cè)等作用，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既要滿足通信要求，又要保證電力傳輸供給，同時(shí)還起到類似鋼絲拖曳時(shí)承重作用，因此其設(shè)計(jì)和制造難度較大[7]。其承力結(jié)構(gòu)通常使用在護(hù)套層外進(jìn)行鋼絲鎧裝或者在纜內(nèi)編織芳綸/凱夫拉增加材料，前者鋼絲鎧裝纜多用于拖曳重型設(shè)備，需要較高承力強(qiáng)度或者需要釋放到較大深度[8]，后者微重力纜多用于小型設(shè)備拖曳，類似聲吶線陣或科考測(cè)量設(shè)備[9]。本文中的拖曳設(shè)備為重型勘探設(shè)備，使用的是鋼絲鎧裝拖纜，且由于收放需要，無法在纜上安裝導(dǎo)流裝置。

隨著海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，水下設(shè)備功能越來越多，規(guī)模越來越大，對(duì)海洋拖纜的要求越來越高。其中大承載力、大負(fù)荷的拖纜使用越來越普遍，隨之由拖纜引發(fā)的故障也越來越突出。

1 故障現(xiàn)象及診斷

本文探討的典型鋼絲鎧裝拖纜應(yīng)用于某石油勘測(cè)項(xiàng)目，使用拖纜低速拖曳大型勘探聲源設(shè)備，聲源設(shè)備需要大功率發(fā)射，傳輸高壓電。拖曳設(shè)備通過收放拖纜長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)一定范圍的變深度。該石油勘探設(shè)備質(zhì)量約15 t，鎧裝拖纜最外層為雙層鋼絲承受負(fù)荷，直徑約60 mm，內(nèi)部共40根高壓導(dǎo)線（截面積12 mm2），承擔(dān)最大傳輸電壓3 000 V，允許最大電流20 A。供電方式為周期性脈沖電壓。其中絕緣護(hù)套材質(zhì)為一種熱塑性彈性體，內(nèi)部導(dǎo)線和絕緣護(hù)套、以及導(dǎo)線和導(dǎo)線之間均采用銅屏蔽帶進(jìn)行屏蔽隔離，且導(dǎo)線之間有半絕緣導(dǎo)線來釋放內(nèi)部靜電。拖纜截面如圖1所示。

圖1 拖纜截面示意圖

設(shè)備在某次使用過程中發(fā)現(xiàn)拖纜#5芯線對(duì)地絕緣極低，于是立即關(guān)閉#5芯線對(duì)應(yīng)的某設(shè)備。繼續(xù)使用后，多路芯線對(duì)應(yīng)的設(shè)備報(bào)警，故障擴(kuò)大。于是進(jìn)行故障勘驗(yàn)，故障分別處于5 m和100 m處的位置。其中在距離濕端100 m處發(fā)現(xiàn)拖纜內(nèi)部#5和#17芯線被屏蔽層刺穿，內(nèi)部有少許碳化現(xiàn)象，而在距離濕端5 m處拖頭上端附近，外護(hù)套兩處燒穿點(diǎn)，內(nèi)部一圈芯線嚴(yán)重打火燒焦碳化。

2 故障機(jī)理研究

拖纜使用狀態(tài)如圖2所示，拖曳負(fù)載為石油勘探設(shè)備，限位口在收放過程中打開，為石油勘探設(shè)備出入船體提供通道，并在入水后關(guān)閉，對(duì)拖纜起到低位約束（限位）支撐作用，減小拖纜在轉(zhuǎn)向裝置處的擺蕩，防止跳纜。其中100 m處拖纜故障點(diǎn)位于絞車位置，而5 m故障點(diǎn)位于拖纜與石油勘探設(shè)備的連接位置。

圖2 拖纜使用狀態(tài)示意圖

該拖纜的機(jī)械振動(dòng)可分解為軸向振動(dòng)、橫向振動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。其中軸向振動(dòng)主要由船舶升沉的牽連振動(dòng)引起的；橫向振動(dòng)主要由來流沖擊以及導(dǎo)流效果不良造成的渦激振動(dòng)；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是由于拖曳負(fù)載受海水不平衡作用力所帶來的牽連振動(dòng)[10]。各種不同頻率、不同振幅的外部激勵(lì)共同形成一種極其復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境。無論機(jī)械壓力還是機(jī)械振動(dòng)共同對(duì)拖纜內(nèi)部形成一種隨時(shí)間變化的綜合應(yīng)力，這些綜合應(yīng)力一定程度上影響了拖纜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。以下將分別對(duì)機(jī)械振動(dòng)以及機(jī)械壓力對(duì)拖纜的影響進(jìn)行說明。

對(duì)水下垂直拖曳系統(tǒng)拖頭部位受力分析可知，拖纜受到以下幾種作用力。

（1）水流沖擊作用力。由于勘探設(shè)備相對(duì)流速極重，在低速拖曳時(shí)鋼絲裸纜以接近垂直的姿態(tài)角向前運(yùn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)典型的圓柱繞流現(xiàn)象及卡門渦街。如圖3所示，進(jìn)行簡(jiǎn)單CFD有限元仿真分析[11]，6節(jié)航速拖曳，來流正面沖擊拖纜，拖纜柱體上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動(dòng)壓力。由于拖纜為柔性體，該脈動(dòng)壓力將會(huì)引起拖纜的周期性振動(dòng)，這種規(guī)律性的振動(dòng)反過來又會(huì)改變其尾渦發(fā)生形態(tài)，進(jìn)而引發(fā)渦激振動(dòng)，因此交變的流水作用下拖纜發(fā)生橫向受迫振動(dòng)，如圖4所示。

圖3 單位長(zhǎng)度拖纜水流沖擊載荷

圖4 拖纜受迫振動(dòng)示意圖

（2）平臺(tái)升沉作用力。由于船的升沉作用，拖纜受到豎直向下的拉力，根據(jù)海上測(cè)試數(shù)據(jù)（圖5）可知，該力為周期性變化的拉力，因此該力同樣會(huì)導(dǎo)致拖纜發(fā)生豎直方向的受迫振動(dòng)。

圖5 海上力傳感器某次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

由圖2可知，拖纜連接拖頭，拖頭連接拖體，其中拖纜的剛度較小，而拖頭剛度遠(yuǎn)大于拖纜剛度。根據(jù)振動(dòng)理論，在受迫振動(dòng)情況下，而拖纜上的波形向由中間向兩端傳播過程中，當(dāng)波傳遞至拖頭根部時(shí)，遇到剛性極大的拖頭，波形振幅減小，頻率不變，因此能量在節(jié)點(diǎn)處絕大部分被反射沿原路返回，但仍有一部分容易被吸收[12]。因此拖頭附近的銅帶相對(duì)于中間的銅帶吸收較多的能量，根據(jù)疲勞損傷累積理論可知，當(dāng)能量來不及耗散時(shí)，就會(huì)通過迫使材料晶界間發(fā)生錯(cuò)位來吸收一定的能量，從而導(dǎo)致裂紋萌生。

對(duì)拖纜拖頭進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)所有經(jīng)過一段時(shí)間使用的拖纜拖頭根部屏蔽層均發(fā)生很大程度的破碎，且導(dǎo)致屏蔽層不連續(xù)，而遠(yuǎn)離拖頭部位的拖纜屏蔽層較完整，如圖6～7所示。

圖6 故障纜拖頭部位屏蔽層狀態(tài)

圖7 故障纜其他部位屏蔽層狀態(tài)

3 屏蔽層破碎位置等效電路模型

為了分析拖頭根部銅屏蔽層破碎引發(fā)的拖纜打火故障機(jī)理，該節(jié)將建立銅屏蔽層破碎前后的電路模型，更為直觀地分析銅屏蔽層破碎與否對(duì)電纜溫度分布的影響[13]。

（1）當(dāng)銅屏蔽層保持完整時(shí)，拖纜剖面結(jié)構(gòu)和等效電路圖如圖8所示。拖纜中部屏蔽層刺破故障導(dǎo)線后，導(dǎo)致A端的電流直接經(jīng)過屏蔽層流回大地（該電纜銅屏蔽層電阻率略小于導(dǎo)線，導(dǎo)線電阻率遠(yuǎn)小于半絕緣導(dǎo)線），一般來說屏蔽層刺破位置存在一定的接觸電阻，相對(duì)電纜導(dǎo)線來說該處電阻較大，位置較集中，容易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。因此在3 000 V、50 Hz的交變電壓作用下，該位置極易發(fā)生打火。結(jié)果最大的可能將導(dǎo)致局部嚴(yán)重?fù)舸?/p>

圖8 銅屏蔽層完整時(shí)拖纜內(nèi)部剖面結(jié)構(gòu)及等效電路

（2）當(dāng)銅屏蔽層將導(dǎo)線刺穿時(shí)，如圖9（a）所示，故障導(dǎo)線與大地導(dǎo)通，大地與A端及B端的電勢(shì)的關(guān)系滿足[14]：

式中：uAB為AB兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差；φ地為大地的電勢(shì)；φA為A端電勢(shì)；φB為B端電勢(shì)；u地B為大地和B端之間的電勢(shì)差；uA地為A端與大地之間的電勢(shì)差。

uAB是0～3 000 V的交流電，因此u地B與uA地不能同時(shí)恒為0，且根據(jù)圖9（b）所示的電路關(guān)系，A端及B端必然和大地之間存在一定的交變的電勢(shì)差。當(dāng)拖頭屏蔽層破碎后不連續(xù)時(shí)，電流從該位置的半絕緣層上流過，由于半絕緣層電阻遠(yuǎn)大于接觸電阻和導(dǎo)線電阻，根據(jù)焦耳定律：P=I2R可知，該處相對(duì)發(fā)熱將較為嚴(yán)重[15]。

圖9 銅屏蔽層局部破碎時(shí)拖纜內(nèi)部剖面結(jié)構(gòu)及等效電路

當(dāng)拖頭附近銅屏蔽層完整發(fā)生破碎時(shí)，即屏蔽層處于非連續(xù)的狀態(tài)下，屏蔽刺穿導(dǎo)線，電流先經(jīng)過該位置，然后會(huì)在破碎的屏蔽位置，流經(jīng)半絕緣導(dǎo)線，再流入大地。刺破點(diǎn)的接觸電阻相較于半絕緣導(dǎo)線的電阻小很多，根據(jù)焦耳定律，此時(shí)拖頭附近的屏蔽破碎位置最容易發(fā)生過熱故障，如圖10所示。

圖10 拖纜拖頭附近打火嚴(yán)重故障

綜合上述分析可知：（1）當(dāng)拖頭附近銅屏蔽層完整未發(fā)生破碎時(shí)，即屏蔽層連續(xù)的狀態(tài)下，在屏蔽刺破點(diǎn)極易發(fā)生過熱故障；（2）當(dāng)拖頭附近銅屏蔽層發(fā)生破碎時(shí)，即屏蔽層非連續(xù)的狀態(tài)下，在拖頭附近位置極易發(fā)生過熱故障。但根據(jù)實(shí)際拖頭解剖及理論分析可知該處屏蔽層發(fā)生了破碎，因此情形（2）是極易發(fā)生的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上文的理論共進(jìn)行了兩類試驗(yàn)。

（1）取5 m長(zhǎng)該型號(hào)電纜，一端將銅屏蔽層刺穿導(dǎo)線，并根據(jù)電路等效原理，將原導(dǎo)線用電阻及電容進(jìn)行等效，電纜狀態(tài)如圖11所示。將負(fù)載用等效阻抗的假負(fù)載代替，采用原供電電壓以及供電頻率，在加壓后，銅屏蔽刺破位置發(fā)生過熱冒煙起火現(xiàn)象，其他位置未出現(xiàn)異常。

圖11 打火前電纜狀態(tài)

（2）再次取5 m長(zhǎng)該型號(hào)的電纜，按照（1）中對(duì)電路進(jìn)行搭建，一端將銅屏蔽層刺穿導(dǎo)線，并將中間屏蔽層去除。開啟控制開關(guān)，中間被去除的銅屏蔽層位置很快發(fā)生打火故障，即拖纜中間位置發(fā)生打火，被撕裂的半絕緣層發(fā)生過熱起火，從打火結(jié)果上來看，與拖頭附近故障無差異。如圖12所示。

圖12 故障復(fù)現(xiàn)實(shí)物

5 結(jié)束語

經(jīng)過對(duì)拖纜故障現(xiàn)象、使用歷程、故障機(jī)理等的分析，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該型故障的原因已明確，是拖纜表面破損使屏蔽層短路帶電，進(jìn)而導(dǎo)致不相鄰的遠(yuǎn)端屏蔽層碎片化較嚴(yán)重的地方（拖頭附近）發(fā)熱量急劇增大，致使芯線絕緣層變軟，進(jìn)而導(dǎo)致芯線絕緣層被銅帶扎破，引發(fā)芯線二次打火故障。該故障屬于拖纜屏蔽結(jié)構(gòu)、渦激振動(dòng)、受迫振動(dòng)及纜表皮偶發(fā)破損等多重因素疊加下的結(jié)果。在類似重型拖曳使用工況下，應(yīng)加強(qiáng)導(dǎo)流設(shè)計(jì)和減隔震設(shè)計(jì)，減小渦激振動(dòng)，并在后續(xù)拖纜使用中，加強(qiáng)對(duì)屏蔽層與芯線絕緣檢查，對(duì)屏蔽層帶電情況的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并避免類似故障。