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【技術(shù)】海上風(fēng)電場海纜故障率分析方法及預(yù)防措施

2019-05-30 13:40:17 作者：本網(wǎng)整理來源：海纜分享至：

眾所周知，集電線路海纜和送出海纜是海上風(fēng)電場的重要組成部分，不但承擔(dān)著將電量匯集并輸送至岸上的職責(zé)，更是海上升壓站、海上風(fēng)機(jī)自用電的第一道保障，其可靠性對整個(gè)海上風(fēng)電場安全運(yùn)行的重要性不言而喻。

海纜故障風(fēng)險(xiǎn)是整個(gè)海上風(fēng)電場風(fēng)險(xiǎn)評估中不可回避的問題。雖然，以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得到的結(jié)論是海纜幾乎沒有自發(fā)的電氣故障，但海纜附件故障（例如終端安裝不當(dāng)、接頭未處理好等）或外力因素（錨害、暴力施工等）造成的損傷則是不可忽略的潛在威脅。

在【秒懂系列】海上風(fēng)電集電線拓?fù)浯笕校覀冊o大家介紹了一種“環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)”的集電線路，這種在歐洲不少海上風(fēng)場中應(yīng)用的集電線路型式，就是考慮了足夠的冗余度，以防止海纜故障造成較大的發(fā)電量損失。當(dāng)然，這種集電線路也大大增加了投資成本。

那么，如何權(quán)衡海纜故障損失與投資成本呢？換言之——如何來評估海上風(fēng)電集電線路故障的影響？

如何在發(fā)電量計(jì)算過程中使用可信度高的海纜可利用率呢？

來看一下歐洲同行們是如何做的吧。

海纜故障導(dǎo)致的發(fā)電量損失估算

目前，歐洲海上風(fēng)電集電線路系統(tǒng)電壓等級普遍采用66kV，考慮高壓海纜（≥60kV）故障原因分為內(nèi)部原因和外部原因，對故障導(dǎo)致的發(fā)電量損失可按下述方法進(jìn)行估算：

1）內(nèi)部原因?qū)е鹿收希↖nternal Origin Failures）

在“CigreTB379 - 2009: Update of Service Experience of HV Underground and SubmarineCable Systems”（國際大電網(wǎng)會(huì)議文件）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行估算。

表1 XLPE陸纜故障率

表2 XLPE海纜故障率

由于CigreTB379中未能統(tǒng)計(jì)到交聯(lián)聚乙烯海上交流電纜的故障次數(shù)，故選用陸上交流電纜內(nèi)部原因?qū)е鹿收系慕y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，即回路故障次數(shù)0.03次/（年·100回路km），終端故障次數(shù)0.007次/（年·100個(gè)），中間接頭故障次數(shù)0.005次/（年·100個(gè)）。

因此，單位回路km的海纜故障次數(shù)可由下式計(jì)算（無中間接頭）：

2）外部原因?qū)е鹿收希‥xternal Origin Failures）

外部原因主要包括墜落物、緊急落錨或拖拽、漁業(yè)活動(dòng)三種外部原因，其中：

① 墜落物：當(dāng)在船只和風(fēng)機(jī)或升壓站之間進(jìn)行吊運(yùn)物品過程中，考慮物品意外掉落墜海并損傷海纜。由于缺乏僅針對海上風(fēng)電的事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，故采用“OTO 95 959–An examination of the number and frequency of seriousdropped object and swinging load incidents involving cranes and lifting deviceson offshore installations for the period 1981-1992”歐洲海上油氣工業(yè)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。

表2 海上作業(yè)事故統(tǒng)計(jì)根據(jù)統(tǒng)計(jì)

1981至1992年間，所有海上吊運(yùn)物品的作業(yè)有1777次，其中發(fā)生與物品墜海相關(guān)嚴(yán)重事故次數(shù)為56次，由此計(jì)算其事故率為3.15%。

② 緊急落錨和落錨拖拽：考慮航行在風(fēng)場區(qū)域內(nèi)的船只在緊急情況下落錨或拖拽錨的發(fā)生概率（一般小于10-6），對于限制航行的風(fēng)場區(qū)域內(nèi)幾乎忽略不計(jì)。

③ 漁業(yè)活動(dòng)：考慮拖網(wǎng)捕魚對淺敷海纜的損害，可通過預(yù)測漁具潛入海床的深度（0.1-0.3米），從而加深海纜敷設(shè)深度來避免影響；其他捕魚方式對保護(hù)或埋設(shè)好的電纜影響較小，可不考慮。

3）集電線路海纜故障損失分析

當(dāng)集電線路海纜故障發(fā)生后，海纜維修所帶來的發(fā)電量損失將以可利用率系數(shù)的形式體現(xiàn)在風(fēng)場實(shí)際發(fā)電量計(jì)算中。故對此系數(shù)進(jìn)行的計(jì)算如下：

故障維修時(shí)長估算：

需考慮海纜故障發(fā)生后，從診斷、故障定位、維修到最后復(fù)位的全過程時(shí)間估算。下表以歐洲某海上風(fēng)電場的預(yù)測為例，理想狀況下需要66天。

發(fā)電量損失估算：

考慮故障發(fā)生原因及位置的所有可能場景，計(jì)算發(fā)生導(dǎo)致1臺(tái)至n臺(tái)風(fēng)機(jī)無法發(fā)電的電量損失及其概率。

4）算例（敲黑板）

假設(shè)某海上風(fēng)電場總裝機(jī)容量300MW，年均等效利用小時(shí)數(shù)3300h，配置50臺(tái)6MW風(fēng)機(jī)，集電線路采用35kV普通鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，每4-5臺(tái)風(fēng)機(jī)組成一組風(fēng)機(jī)組串，共12組，海纜總長度為75km。

內(nèi)部原因?qū)е鹿收洗螖?shù)（不考慮設(shè)電纜中間接頭）：

外部原因?qū)е鹿收下蚀螖?shù)：

假設(shè)對海上升壓平臺(tái)的吊運(yùn)物品作業(yè)次數(shù)為6次/年，吊運(yùn)路徑經(jīng)過集電線路海纜上方的概率為1/10。則可計(jì)算得到海上升壓平臺(tái)的吊運(yùn)物品墜海事故發(fā)生并導(dǎo)致海纜的次數(shù)為

對風(fēng)機(jī)相關(guān)的設(shè)備運(yùn)輸作業(yè)，考慮采用專用登陸設(shè)備（walk to work system），則可不考慮因吊運(yùn)而發(fā)生的事故。

故障維修時(shí)長估算：

為保守考慮，取90天維修時(shí)間。

發(fā)電量損失估算：

故障導(dǎo)致1臺(tái)風(fēng)機(jī)停機(jī)90天所損失的發(fā)電量為4882.2MWh，每段海纜內(nèi)部按等概率考慮，不考慮同時(shí)2段以上海纜發(fā)生故障。

綜合以上海纜事故發(fā)生率和每次發(fā)生事故造成的發(fā)電損失，因海纜故障導(dǎo)致的發(fā)電量損失可估算為936.66MWh/年，占風(fēng)場總發(fā)電量的0.095%。

同行經(jīng)驗(yàn)與建議

亨通作為擁有高壓、超高壓電纜、海底電纜、光纖復(fù)合海底電纜、海底光纜等相關(guān)配套產(chǎn)品，同時(shí)提供海洋和江河湖泊等水下觀測網(wǎng)、預(yù)警探測網(wǎng)、通信網(wǎng)、環(huán)境感知網(wǎng)等系統(tǒng)的配套裝備、組網(wǎng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和工程服務(wù)的國內(nèi)知名海洋工程整體解決方案服務(wù)商，對國內(nèi)如何提高海纜可靠性、降低海纜工程風(fēng)險(xiǎn)提出了他們的經(jīng)驗(yàn)和建議：

1）針對內(nèi)部原因故障風(fēng)險(xiǎn)

海底電纜絕緣設(shè)計(jì)時(shí)采用相對保守設(shè)計(jì)原則，采用優(yōu)質(zhì)的絕緣材料，安全的絕緣厚度，降低發(fā)生電氣故障的風(fēng)險(xiǎn)

海纜絕緣材料采用國際知名品牌的超潔凈、無雜質(zhì)的絕緣材料，采用立塔生產(chǎn)設(shè)備三層共擠生產(chǎn)，確保絕緣偏心度，從而控制絕緣電場強(qiáng)度

對絕緣工序生產(chǎn)進(jìn)行精細(xì)化管理與控制，如產(chǎn)前進(jìn)行300多項(xiàng)設(shè)備點(diǎn)檢、原材料與外界雜質(zhì)的完全隔離、工藝點(diǎn)檢與標(biāo)準(zhǔn)化等

大長度連續(xù)生產(chǎn)交貨，減少電纜接頭數(shù)量，以免后期在接頭處發(fā)生故障針對重要線路，配備海纜監(jiān)測系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測海纜的運(yùn)行狀況

海纜及附件敷設(shè)安裝時(shí)，配備專業(yè)的安裝技術(shù)人員，以免安裝不當(dāng)造成后期故障定期檢修維護(hù)

2）針對外部原因故障風(fēng)險(xiǎn)

保證海纜的施工窗口，保證海纜施工過程中盡可能不存在惡劣天氣的影響項(xiàng)

目開工前，對施工工程中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)編制風(fēng)險(xiǎn)評估表，并根據(jù)情況制定應(yīng)急計(jì)劃

施工開工前進(jìn)行充分的準(zhǔn)備，確保船舶設(shè)備、工藝能夠滿足海纜的技術(shù)參數(shù)要求，避免施工過程中對海纜造成損傷；

施工前手續(xù)齊全，漁業(yè)糾紛可控，設(shè)備完好，工藝可靠，技術(shù)人員均為熟練工，預(yù)調(diào)查詳細(xì)精準(zhǔn)、天氣窗口良好等是保證海纜施工質(zhì)量的先決條件

施工前對所有的相關(guān)人員進(jìn)行技術(shù)安全交底，明確每個(gè)崗位人員職責(zé)施

工過程中，海纜容易造成損傷的環(huán)節(jié)是陸地登陸或者平臺(tái)登陸的時(shí)候，海纜登陸陸地施工時(shí)，要進(jìn)行充分考慮海況、天氣、風(fēng)浪流、地質(zhì)以及甚至當(dāng)?shù)貪O民的影響

海纜登陸平臺(tái)，必要時(shí)需要配備潛水員或水下機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控海纜，避免硬拽出現(xiàn)海纜磨損的情況海纜施工過程中，船尾海纜入水口增加人員監(jiān)控，埋設(shè)犁各監(jiān)控傳感器運(yùn)行良好，必要時(shí)可以在埋設(shè)犁和船尾搭載水下攝像，通過觀察保證海纜的狀態(tài)，但水下攝像對海域有比較高的要求，且容易受埋設(shè)犁工作時(shí)產(chǎn)生的泥水影響視線

海纜施工工程中若碰到礁石段敷設(shè)，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行海纜保護(hù)措施；施工過程中除了質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備外，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測光纖來作為保證海纜未受到損傷的體現(xiàn)。

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