无人机精准海水取样装置在海底电缆溢油排查中的研究

蔡 勇，朱 阳，芦 海，梁 健，贺敏恒

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局海口分局，海南 海口 570100）

0 引言

中国是世界第一大能源生产国，国家能源局已于《风力发展“十三五”规划》中明确指出：到2020 年底，风电累计并网装机容量确保达到2.1 亿kW 以上，其中海上风电并网装机容量确保达到500 万kW以上。由此可见，海上风电是未来电力发展的重要趋势，而海底电缆也成为海上电力运输的重要通道。目前，海底电缆输电工程主要建设应用于各国电力跨海域互联、区域电网跨海峡互联、向海洋孤岛及海上石油钻井平台供电、输送海上可再生能源发电并网，对保障区域性电力供应安全性、可靠性、灵活性有着重要意义。

1 海底电缆在跨海域输电中的重要作用

海底电缆（以下简称海缆）是各国跨海域联网输电工程的重要组成部分，在实现电网国际化、区域电网互联进程中起着重要的作用[1]。近年来，随着国内外输变电技术的发展，在经济一体化、能源优化配置、环境影响减少等因素的推进下，跨海域输电技术、海底电缆制造技术、海底电缆工程不断发展。其中，海底电缆工程的建设主要受地域建设条件、海洋工程条件和施工设备等条件限制，其涉及技术领域广泛、投资规模大、施工技术复杂。

海缆敷设的保护措施包括海缆近岸段套管、深海冲埋、抛石保护、定点加固等防护施工。其中大跨越海域输电使用500 kV 及以上交直流电力输送，一般充油式电缆可敷设在水深500 m 的海域里，所灌注在海缆中心的油为绝缘油，主要起到绝缘及降温的作用；海缆两侧的油泵站系统对海缆起到了保障作用，在海缆受到外力破坏导致铠装层破损后，可以避免海水进入海缆引起的海缆内部损坏[2]。

2 国内外海底电缆事故案例及故障原因分析

2014 年 1 月 6 日，美国 280 号驳船 （Barge B.No.280）在被拖轮Ellen S.Bouchard 拖带过程中下锚，不慎将纽约州电力管理局所拥有和运营的位于长岛海湾的海底电缆割断。电缆中用作润滑剂和冷却剂的绝缘油（一种烃类油）渗漏出来，多达数千加仑。

自1993 年开发以来，我国埕岛油田逐渐发展成年产300 万t 级的大油田，电网不断壮大，发生过多次电网事故，近几年则以海底电缆事故最频繁。据统计，2003 年底以来，海上电网共计19 条海底电缆出现事故。

通过分析近几年海缆事故存在的一些风险，可统计事故原因主要分两类：①地质原因。由于海底洋流、地形等变化，在波浪海流作用下，海底土体发生破坏，对海底设施造成间接影响，如倾斜、位移、悬空、沉陷、岩石长时间摩擦等。②机械原因。机械原因主要是指海底电缆受强外力拽拉、碰撞等损伤，其中船舶抛锚起锚损伤电缆是指船舶抛锚时挂到海底电缆，起锚时由于操作人员不严格按规范进行起锚操作，导致海底电缆损伤[3]。以上所分析的海缆损伤可分为轻度损伤和断面重度损伤，都可能会造成海缆绝缘油溢出或泄露。高压海缆埋深水域一般在几十米至上百米的海域中，绝缘介质（油）一旦泄露，在洋流、潮汐及扩散形态的影响下，寻找故障点的难度将会大幅提升。

3 海底电缆溢油排查方法及作业条件

3.1 海面拉网式专项排查

根据海缆路由保护区经纬度坐标提示，在满足海面风力小于6 级，能见度、流速、涌浪海况条件符合海水取样作业的条件下，可以使用多艘小型船只进行海面协同取水作业，对路由保护区内海域海水进行网格式分段采样（图1），通过检测分析得知具体坐标网格内海域是否有绝缘油介质漂浮于海面上方，从而确定大致海缆溢油或泄露区域。发现绝缘油介质元素后，深水区域内可使用水下机器人进行深水域水下拍照排查，浅水区域内可选择潜水蛙人使用相机进行拍照排查[4]。

图1 现场施工作业范围

3.2 海上取样船舶及人员配置

海水取样需大船1 艘，租金约3000 元/d，配置人员 3～5 人；小型船只 7 艘，租金 1000 元/d，配置人员1～2 人。每天船只租赁费用约1 万元，人员、资金成本投入大，费用消耗高。

3.3 作业条件

作业前，应确保人员和船只安全满足以下条件时方可开展工作：①海面平均风力≤4 级（阵风＜6级）。②能见度≥1000 m，无大雾及雨水天气。③海上浪高≤0.6 m。④流速≤2.5 节。

3.4 存在的问题

（1）海上作业条件随季节、潮汐等变化，满足作业条件海况较少。

（2）多艘小型船只进行海面协同取水作业时，取水过程中存在近距离船只碰撞导致人员落水的风险。

（3）使用手机全球定位系统（global positioning system, GPS）通过经纬度定位开展作业，存在定位误差大的情况。

（4）存在人力、物力、财力投入成本大的情况。

（5）小型船只多为柴油驱动，在行驶过程中会出现船只油品混入海域造成取水人员误判的问题。

4 无人机精准定位海水取样装置

近年来，随着无人机技术快速发展，其在航拍测绘、警用执法、电力巡查、油气巡检、施工管理和应急处置等多个领域得到迅速拓展应用，结合多旋翼无人机的自身优势特点，将基于大疆M300 RTK 无人机研发的多旋翼无人机精准定位海水取样装置（以下简称无人机精准定位海水取样装置）用于海缆溢油排查。

4.1 无人机精准定位海水取样装置组成

无人机精准定位海水取样装置由大疆M300 RTK无人机及快拆定位取水装置（图2）两个部分组成，基于大疆M300 RTK 无人机优异的通信链路，可达到15 km 视频回传及控制距离。快拆定位取水装置采用了铝合金加工与尼龙纤维结构搭配，满足了高强度、轻量化设计，其散热性能良好，作业效率高[5]。同时该装置设计采用快拆结构、分体设计，合理的中心分布减少了取水装置电机的转速差异，提高了作业稳定性，该快拆定位取水装置具体性能参数如表1 所示。

图2 快拆定位取水装置

表1 快拆定位取水装置具体性能参数

4.2 快拆定位取水装置功能

（1）无人机精准定位海水取样装置基于大疆M300 RTK 无人机平台开发，直接通过大疆遥控器的Pilot 软件操作控制，避免了第三方控制器遥控及图传信号差异的问题。

（2）控制器通过大疆的 SkyPort 接口接入M300 RTK 无人机，可以提供取水器控制和视频画面实时回传遥控器显示，控制器上面瞄准镜的使用既可以为取水位置提供依据，又可以免除大疆的前置云台相机，增加飞机的有效载重量，有效取水高度为10～15 m。

（3）自带1080p 相机，免除前置云台相机，增加飞机有效负载重量，取水容量为700 mL。

（4）多种保护功能：两端限位保护、过载保护、过热保护。

（5）可以精确控制收放速度可调、下降高度。

（6）可以根据海域经纬度坐标制作KML 航线，对指定区域海域进行精准GPS 位置定点、定深取水。

（7）具备收放线多种模式精准取水功能：0.5 m放线、1 m 放线、实时控制放线、一键收线等。

4.3 无人机精准定位海水取样装置与常规船舶取样对比

无人机精准定位海水取样装置与常规船舶取样的作业方式对比如表2 所示。

表2 作业方式对比

4.4 无人机精准定位海水取样装置在海水取样作业中的优势

（1）结合大疆M300 RTK 多旋翼无人机强劲动力挂载快拆采样器实现高精度厘米级精准定位采样。

（2）提高采样效率，避免人员采样的安全隐患，避免船舶采样的碰撞风险。

（3）机动能力强，不受地形影响，作业半径大，一台作业飞机可满足30 km 作业直径，一块飞行电池可完成3～4 次采样任务，提高作业效率。

5 结语

本文对海底电缆在电力跨海域互联、区域电网跨海峡互联等工程用途中进行阐述，并针对高电压、长距离、大容量充油式海底电缆在溢油排查中，海上常规取水作业的限制条件、人力资金投入及风险点进行了分析；同时对多旋翼无人机精准定位海水取样装置在海上取水作业中较常规作业方式进行了对比，获得了较为准确的数据结果，说明多旋翼无人机精准定位海水取样装置在海缆溢油排查作业中有着较高的准确性及便利性，可降低资金投入成本，并且提高了作业效率，规避了作业风险。因此多旋翼无人机精准定位海水取样装置应用于海底电缆溢油排查取样必将成为重要发展方向。