隨著全世界對(duì)清潔能源需求的增加，依托于擠包絕緣高壓交流海底電纜的海上風(fēng)力發(fā)電工程在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展。目前，國內(nèi)外對(duì)交流海底電纜的生產(chǎn)制造與考核主要依據(jù)國際電工委員會(huì)（IEC）發(fā)布的IEC標(biāo)準(zhǔn)、國際大網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）發(fā)布的CIGRE TB技術(shù)手冊和中國國家標(biāo)準(zhǔn)，由于適用的電壓等級(jí)、使用環(huán)境、技術(shù)側(cè)重等情況不同，在機(jī)械試驗(yàn)、透水試驗(yàn)等海底電纜特殊試驗(yàn)的方法和技術(shù)要求上存在一定的差異。
國內(nèi)外海底電纜標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范
與陸地電纜相比，由于海底電纜在敷設(shè)或打撈過程中經(jīng)受機(jī)械力，且在海水中運(yùn)行，所以在不同的海底電纜標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)文件中，除電氣試驗(yàn)與相應(yīng)電壓等級(jí)陸地電纜標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法基本一致外，對(duì)機(jī)械試驗(yàn)方法、透水試驗(yàn)方法也進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。目前，國內(nèi)外常用的海底電纜標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范見表1。
表1 常用海底電纜標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范
卷繞試驗(yàn)
海底電纜制造收貯和轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中，在儲(chǔ)纜池或敷設(shè)船沒有主動(dòng)收放線的情況下，海底電纜將經(jīng)受扭轉(zhuǎn)，繼而在海底電纜中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，因此有必要用卷繞試驗(yàn)來檢驗(yàn)海底電纜是否受損。
卷繞試驗(yàn)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有JB/T 11167—2011、CIGRE TB 490（2012），CIGRE TB 623（2015）、GB/T 32346.1—2015、GB/T 41629.1—2022、IEC 63026：2019。其中，卷繞試驗(yàn)均要求卷繞次數(shù)等于電纜在制造、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和敷設(shè)過程中預(yù)期進(jìn)行卷繞作業(yè)的次數(shù)；卷繞高度不超過任何卷繞操作的高度；接頭間及接頭和電纜末端的距離至少為兩整圈電纜。
不同標(biāo)準(zhǔn)在卷繞圈數(shù)、工廠接頭數(shù)量和最小卷繞直徑上存在差異。不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)卷繞圈數(shù)及工廠接頭數(shù)量的規(guī)定見表2。
表2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)卷繞圈數(shù)及工廠接頭數(shù)量的規(guī)定
最小卷繞直徑的規(guī)定直接影響卷繞試驗(yàn)中電纜的排列方式。根據(jù)IEC 63026：2019規(guī)定，應(yīng)記錄工廠接頭所在位置的最小直徑，確保工廠接頭的位置在制造商規(guī)定的最小直徑上，電纜可以由內(nèi)向外平鋪排列。其他標(biāo)準(zhǔn)中，電纜和工廠接頭需要滿足制造商規(guī)定的最小直徑，電纜須由下至上進(jìn)行排列。
IEC 63026：2019和CIGRE TB 623（2015）對(duì)三芯海底電纜中接頭數(shù)量和距離做了更詳細(xì)的描述。三芯海底電纜分相接頭的數(shù)量取決于電纜的結(jié)構(gòu)。接頭處鎧裝層外徑增加的部分被認(rèn)為是“機(jī)械特殊的部件”，若兩個(gè)“機(jī)械特殊的部件”之間距離至少為一個(gè)外鎧裝節(jié)距，則認(rèn)為兩個(gè)“機(jī)械特殊的部件”之間不會(huì)相互影響，被視為機(jī)械獨(dú)立，反之為非機(jī)械獨(dú)立，接頭位置示意圖見圖1。
圖1 三芯海底電纜接頭位置示意圖
機(jī)械獨(dú)立時(shí)，接頭的數(shù)量和距離可以參照單芯電纜，在接頭端和測試電纜長度的最近端之間保持至少兩整圈線圈的距離；非機(jī)械獨(dú)立時(shí)，三芯海底電纜分相接頭的數(shù)量應(yīng)與交貨電纜中的接頭數(shù)量一致，若電纜中接頭間距離小于1個(gè)外鎧裝節(jié)距，那么被測海底電纜中應(yīng)至少包括三相接頭，且每一相接頭間的距離應(yīng)與交貨電纜中“機(jī)械相關(guān)”的每相接頭的距離保持一致。
張力彎曲試驗(yàn)
對(duì)于海底電纜張力彎曲的試驗(yàn)方法和規(guī)定，幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中均沒有很大差異，但是關(guān)于張力彎曲力的計(jì)算方法在CIGRE TB 623（2015）中進(jìn)行了修訂。在CIGRE TB 623（2015）發(fā)布之前，各標(biāo)準(zhǔn)中張力彎曲力計(jì)算方法均采用Electra No.171中的方法，對(duì)0~500m敷設(shè)水深海底電纜的試驗(yàn)張力計(jì)算公式為
式中：T為試驗(yàn)張力，N；W為1m電纜水中重量（電纜自重減去排開的同體積水重），N·m-1；d為最大敷設(shè)水深，m；H為安裝期間最大預(yù)期水底接觸點(diǎn)對(duì)電纜的張力，N。
d取最小規(guī)定值200m時(shí)，H的計(jì)算公式為
CIGRE TB 623（2015）中敷設(shè)水深為0~500m時(shí)的張力計(jì)算與Electra No.171中的相比，主要變化如下。
1）公式（1）中系數(shù)取值1.3，考慮到敷設(shè)和修復(fù)引起的額外張力及敷設(shè)和修復(fù)情況下的動(dòng)態(tài)力而附加的力。CIGRE TB 623（2015）中依然采用這個(gè)系數(shù)，在有效波高（Hs）不大于2m時(shí)適用，但當(dāng)Hs大于2m時(shí)，張力彎曲力需選擇敷設(shè)水深大于500m時(shí)的公式進(jìn)行計(jì)算。
2）安裝期間，最大預(yù)期底部張力H是水平方向上的力，與敷設(shè)水深無關(guān)，在CIGRE TB 623（2015）中規(guī)定H不應(yīng)小于40N，意味著海底電纜在著陸點(diǎn)的最小彎曲半徑為40m，如果半徑大于40m，則應(yīng)選擇更大的張力。
3）CIGRE TB 623（2015）刪除了Electra No.171中建議的海底電纜直接從電纜溝槽被拉起時(shí)的額外張力5~20kN，認(rèn)為這種做法并不常見，且對(duì)這個(gè)力值不是非常確定。
CIGRE TB 623（2015）中對(duì)敷設(shè)水深大于500m時(shí)靜態(tài)張力的計(jì)算與Electra No.171中保持一致，僅對(duì)動(dòng)態(tài)張力的部分進(jìn)行了修訂，動(dòng)態(tài)張力的計(jì)算由慣性力DI，和拖拽力DD，共同組成，這兩個(gè)參數(shù)均與實(shí)際敷設(shè)時(shí)的條件有關(guān)。
在不同標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)三芯海底電纜在型式試驗(yàn)或預(yù)鑒定試驗(yàn)中電氣試驗(yàn)試驗(yàn)芯數(shù)的規(guī)定見表3。
表3 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)三芯海底電纜試驗(yàn)芯數(shù)的規(guī)定
目前，在型式試驗(yàn)中，電壓等級(jí)66kV及以上的三芯海底電纜在電氣試驗(yàn)時(shí)通常在其中一芯上進(jìn)行，預(yù)鑒定試驗(yàn)也是在其中一芯上進(jìn)行。參照IEC 63026：2019執(zhí)行的型式試驗(yàn)均在三芯上進(jìn)行。三芯海底電纜針對(duì)一芯進(jìn)行試驗(yàn)和在三芯上均進(jìn)行試驗(yàn)的主要區(qū)別為對(duì)導(dǎo)體加熱時(shí)鋼絲鎧裝上是否產(chǎn)生渦流。使用三相交流電源對(duì)三芯導(dǎo)體加熱，三相電流之間的相角為120°，在鎧裝鋼絲上不會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，鋼絲鎧裝不會(huì)發(fā)熱，和三芯海底電纜在實(shí)際運(yùn)行時(shí)保持一致。
海底電纜透水試驗(yàn)方法主要包括導(dǎo)體的縱向透水，金屬套下的縱向透水和接頭的徑向透水，不同標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)文件中的透水規(guī)定見表4。表4中預(yù)處理的導(dǎo)體透水樣品取自經(jīng)機(jī)械試驗(yàn)的樣品，金屬套下的透水樣品不必經(jīng)機(jī)械試驗(yàn)，試驗(yàn)前須受3次熱循環(huán)；試驗(yàn)用水為自來水或鹽水；d為申明最大敷設(shè)水深，m；d1為申明導(dǎo)體最大透水距離，m；d2為申明金屬屏蔽最大透水距離，m。
表4 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)海底電纜透水試驗(yàn)試驗(yàn)條件的差異
不同標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范除在表4中對(duì)透水試驗(yàn)條件規(guī)定的差異外，還有以下幾點(diǎn)重要的差異。
1）IEC 63026：2019中規(guī)定，導(dǎo)體透水的樣品，其規(guī)定導(dǎo)體的一端在試驗(yàn)設(shè)備中，另一端應(yīng)該暴露在試驗(yàn)設(shè)備外。其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)樣品的一端應(yīng)該密封，另一端去除導(dǎo)體外的包覆層露出導(dǎo)體，樣品兩端均安裝在試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部，試驗(yàn)樣品安裝方式見圖2。
圖2 試驗(yàn)樣品安裝方式
2）IEC 63026：2019中規(guī)定，在透水試驗(yàn)后對(duì)接頭的導(dǎo)體和水之間施加25kV的直流電壓，以驗(yàn)證是否有水分侵入。
3）GB/T 41629.1—2015中規(guī)定了金屬套與鎧裝短接點(diǎn)透水試驗(yàn)。電纜采用絕緣護(hù)套時(shí)，為解決電纜金屬套上感應(yīng)電壓，對(duì)電纜的金屬套和鎧裝之間進(jìn)行短接，檢驗(yàn)在最大水深時(shí)護(hù)套和金屬套內(nèi)有無水分侵入。電纜試樣（含短接點(diǎn)）應(yīng)經(jīng)受機(jī)械試驗(yàn)，對(duì)于不大于500m深度的情況，施加（d+50）m的水壓；深度大于500m時(shí)，施加（d+100）m的水壓。透水試驗(yàn)持續(xù)48h，當(dāng)?shù)竭_(dá)試驗(yàn)時(shí)間后，將試樣從水中取出，要求試樣的短接點(diǎn)連續(xù)可靠、無斷點(diǎn)，護(hù)套和金屬套內(nèi)無水分侵入跡象。
隨著海洋輸電工程的不斷發(fā)展，與之相關(guān)的海底電纜標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新完善。本工作結(jié)合實(shí)際工程，根據(jù)重點(diǎn)項(xiàng)目中試驗(yàn)方法的差異變化給出標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法制/修訂方向的建議。
1）推薦卷繞試驗(yàn)中海底電纜（含工廠接頭）的排列方式為由內(nèi)向外排列，且應(yīng)保證工廠接頭能夠在制造商申明的最小卷繞直徑的位置，從而確保能夠?qū)５纂娎|的機(jī)械性能和后續(xù)電氣性能進(jìn)行有效考核。
2）三芯海底電纜在經(jīng)歷卷繞試驗(yàn)時(shí)，如果三相上的工廠接頭的距離大于1個(gè)鎧裝節(jié)距，那么其中的至少兩相上應(yīng)分別有1個(gè)工廠接頭來證明兩相上的工廠接頭的距離大于1個(gè)鎧裝節(jié)距。但是，如果工廠接頭不參與后續(xù)電氣試驗(yàn)，則可以做成與工廠接頭形狀類似的模擬接頭。
3）關(guān)于三芯海底電纜在電氣試驗(yàn)時(shí)芯數(shù)的規(guī)定，推薦試驗(yàn)中采用三相電流源對(duì)磁性鎧裝三芯海底電纜導(dǎo)體加熱，既可以減少鋼絲鎧裝的發(fā)熱，也符合三芯海底電纜運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。對(duì)于電氣試驗(yàn)，如果進(jìn)行試驗(yàn)的三芯海底電纜系統(tǒng)的每一相包含的附件設(shè)計(jì)都相同，則可以在其中有代表性的一相上進(jìn)行電氣試驗(yàn)，若試驗(yàn)通過，則可以證明與這項(xiàng)試驗(yàn)中相同設(shè)計(jì)的附件具有相同的性能。
4）實(shí)際透水試驗(yàn)結(jié)果表明，圖2（a）和圖2（b）的兩種導(dǎo)體安裝方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無根本性影響。兩種導(dǎo)體透水試驗(yàn)方案的區(qū)別在于前者可以保證不會(huì)因水從導(dǎo)體端頭密封的地方進(jìn)入而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，但這種方式很難滿足設(shè)備與電纜接口處的密封要求。因此，推薦采用圖2（b）的方式進(jìn)行導(dǎo)體的透水試驗(yàn)，這種方式能夠滿足更大敷設(shè)水深時(shí)相應(yīng)的試驗(yàn)壓力。
《電線電纜》1958年由國家新聞出版署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，上海市國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)主管，上海電纜研究所有限公司主辦，是電線電纜行業(yè)應(yīng)用類學(xué)術(shù)刊物。主要欄目有綜述、線纜產(chǎn)品、線纜材料、測試技術(shù)、敷設(shè)運(yùn)行、工藝設(shè)備和經(jīng)驗(yàn)交流等，報(bào)道國內(nèi)外電線電纜行業(yè)的新理論、新方法、新技術(shù)、新成果，歡迎來稿！
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