不同交流海底电缆系统标准中试验方法的差异分析

肖敬成

(上海国缆检测股份有限公司,上海 200444)

0 引 言

随着全世界对清洁能源需求的增加,依托于挤包绝缘高压交流海底电缆的海上风力发电工程在世界范围内快速发展。我国海上风电资源丰富,相比于陆上风电资源,到达沿海等高能源需求地区的距离短、成本低,适合大规模开发。海底电缆系统也随着海上风电的大力建设而快速发展。海底电缆的快速发展带动了技术的进步,相应的技术文件和标准也在不断更新和完善。目前,国内外对交流海底电缆的生产制造与考核主要依据国际电工委员会(IEC)发布的IEC 标准、国际大网会议(CIGRE)发布的CIGRE TB 技术手册和中国国家标准[1]。

随着试验标准的增加和修订,形成了较完整的规范体系,包括CIGRE 规范和国家标准。国际电工委员会在2019 年也发布了唯一一个与海底电缆相关的IEC 标准。目前,主要应用的交流海底电缆国内外标准和技术文件由于适用的电压等级、使用环境、技术侧重等情况不同,在机械试验、透水试验等海底电缆特殊试验的方法和技术要求上存在一定的差异。本工作对海底电缆系统机械试验、三芯海底电缆电气试验和透水试验等海底电缆系统重点试验项目在不同标准中规定的差异进行了讨论。

1 国内外海底电缆标准及技术规范

与陆地电缆相比,由于海底电缆在敷设或打捞过程中经受机械力,且在海水中运行,所以在不同的海底电缆标准或技术文件中,除电气试验与相应电压等级陆地电缆标准中规定的方法基本一致外,对机械试验方法、透水试验方法也进行了相关规定。目前,国内外常用的海底电缆标准及技术规范见表1。

表1 常用海底电缆标准及技术规范

2 机械试验标规的差异分析

2.1 卷绕试验

海底电缆制造收贮和转运的过程中,在储缆池或敷设船没有主动收放线的情况下,海底电缆将经受扭转,继而在海底电缆中产生机械应力,因此有必要用卷绕试验来检验海底电缆是否受损。卷绕试验相关的标准有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,卷绕试验均要求卷绕次数等于电缆在制造、储存、运输和敷设过程中预期进行卷绕作业的次数;卷绕高度不超过任何卷绕操作的高度;接头间及接头和电缆末端的距离至少为两整圈电缆。

不同标准在卷绕圈数、工厂接头数量和最小卷绕直径上存在差异。不同标准对卷绕圈数及工厂接头数量的规定见表2。

表2 不同标准对卷绕圈数及工厂接头数量的规定

最小卷绕直径的规定直接影响卷绕试验中电缆的排列方式。根据IEC 63026:2019 规定,应记录工厂接头所在位置的最小直径,确保工厂接头的位置在制造商规定的最小直径上[3],电缆可以由内向外平铺排列。其他标准中,电缆和工厂接头需要满足制造商规定的最小直径[4-8],电缆须由下至上进行排列。

IEC 63026:2019 和CIGRE TB 623(2015)对三芯海底电缆中接头数量和距离做了更详细的描述。三芯海底电缆分相接头的数量取决于电缆的结构。接头处铠装层外径增加的部分被认为是“机械特殊的部件”,若两个“机械特殊的部件”之间距离至少为一个外铠装节距,则认为两个“机械特殊的部件”之间不会相互影响,被视为机械独立,反之为非机械独立,接头位置示意图见图1。

图1 三芯海底电缆接头位置示意图

机械独立时,接头的数量和距离可以参照单芯电缆,在接头端和测试电缆长度的最近端之间保持至少两整圈线圈的距离;非机械独立时,三芯海底电缆分相接头的数量应与交货电缆中的接头数量一致[3,6],若电缆中接头间距离小于1 个外铠装节距,那么被测海底电缆中应至少包括三相接头,且每一相接头间的距离应与交货电缆中“机械相关”的每相接头的距离保持一致。

2.2 张力弯曲试验

对于海底电缆张力弯曲的试验方法和规定,几个标准中均没有很大差异,但是关于张力弯曲力的计算方法在CIGRE TB 623 (2015)中进行了修订。在CIGRE TB 623 (2015)发布之前,各标准中张力弯曲力计算方法均采用Electra No.171 中的方法,对0～500 m 敷设水深海底电缆的试验张力计算公式为[9]

式中:T为试验张力,N;W为1 m 电缆水中重量(电缆自重减去排开的同体积水重),N·m-1;d为最大敷设水深,m;H为安装期间最大预期水底接触点对电缆的张力,N。

d取最小规定值200 m 时,H的计算公式为

CIGRE TB 623 (2015)中敷设水深为0～500 m时的张力计算与Electra No.171 中的相比,主要变化如下。

1)公式(1)中系数取值1.3,考虑到敷设和修复引起的额外张力及敷设和修复情况下的动态力而附加的力。CIGRE TB 623 (2015)中依然采用这个系数,在有效波高(Hs)不大于2 m 时适用,但当Hs大于2 m 时,张力弯曲力需选择敷设水深大于500 m时的公式进行计算[6]。

2)安装期间,最大预期底部张力H是水平方向上的力[6],与敷设水深无关,在CIGRE TB 623 (2015)中规定H不应小于40 N,意味着海底电缆在着陆点的最小弯曲半径为40 m,如果半径大于40 m,则应选择更大的张力。

3)CIGRE TB 623 (2015)删除了Electra No.171 中建议的海底电缆直接从电缆沟槽被拉起时的额外张力5～20 kN,认为这种做法并不常见,且对这个力值不是非常确定[6]。

CIGRE TB 623 (2015) 中对敷设水深大于500 m 时静态张力的计算与Electra No.171 中保持一致,仅对动态张力的部分进行了修订,动态张力的计算由惯性力DI和拖拽力DD共同组成,这两个参数均与实际敷设时的条件有关。

3 三芯海底电缆试验芯数标准规范的差异

在不同标准中,对三芯海底电缆在型式试验或预鉴定试验中电气试验试验芯数的规定见表3。

表3 不同标准规范对三芯海底电缆试验芯数的规定

目前,在型式试验中,电压等级66 kV 及以上的三芯海底电缆在电气试验时通常在其中一芯上进行,预鉴定试验也是在其中一芯上进行。参照IEC 63026:2019 执行的型式试验均在三芯上进行。三芯海底电缆针对一芯进行试验和在三芯上均进行试验的主要区别为对导体加热时钢丝铠装上是否产生涡流。使用三相交流电源对三芯导体加热,三相电流之间的相角为120°,在铠装钢丝上不会产生涡流损耗,钢丝铠装不会发热,和三芯海底电缆在实际运行时保持一致。

4 海底电缆透水试验方法标准规范的差异

海底电缆透水试验方法主要包括导体的纵向透水,金属套下的纵向透水和接头的径向透水,不同标准和技术文件中的透水规定见表4。表4 中预处理的导体透水样品取自经机械试验的样品,金属套下的透水样品不必经机械试验,试验前须受3 次热循环;试验用水为自来水或盐水;d为申明最大敷设水深,m;d1为申明导体最大透水距离,m;d2为申明金属屏蔽最大透水距离,m。

表4 不同标准规范对海底电缆透水试验试验条件的差异

不同标准和技术规范除在表4 中对透水试验条件规定的差异外,还有以下几点重要的差异。

1)IEC 63026:2019 中规定,导体透水的样品,其规定导体的一端在试验设备中,另一端应该暴露在试验设备外。其他标准规定,试验样品的一端应该密封,另一端去除导体外的包覆层露出导体,样品两端均安装在试验设备内部,试验样品安装方式见图2[3,5]。

图2 试验样品安装方式

2)IEC 63026:2019 中规定,在透水试验后对接头的导体和水之间施加25 kV 的直流电压[3],以验证是否有水分侵入。

3)GB/T 41629.1—2015 中规定了金属套与铠装短接点透水试验。电缆采用绝缘护套时,为解决电缆金属套上感应电压,对电缆的金属套和铠装之间进行短接,检验在最大水深时护套和金属套内有无水分侵入。电缆试样(含短接点)应经受机械试验,对于不大于500 m 深度的情况,施加(d+50)m 的水压;深度大于500 m 时,施加(d+100)m 的水压。透水试验持续48 h,当到达试验时间后,将试样从水中取出,要求试样的短接点连续可靠、无断点,护套和金属套内无水分侵入迹象[8]。

5 结束语

随着海洋输电工程的不断发展,与之相关的海底电缆标准也在不断更新完善。本工作结合实际工程,根据重点项目中试验方法的差异变化给出标准试验方法制/修订方向的建议。

1)推荐卷绕试验中海底电缆(含工厂接头)的排列方式为由内向外排列,且应保证工厂接头能够在制造商申明的最小卷绕直径的位置,从而确保能够对海底电缆的机械性能和后续电气性能进行有效考核。

2)三芯海底电缆在经历卷绕试验时,如果三相上的工厂接头的距离大于1 个铠装节距,那么其中的至少两相上应分别有1 个工厂接头来证明两相上的工厂接头的距离大于1 个铠装节距。但是,如果工厂接头不参与后续电气试验,则可以做成与工厂接头形状类似的模拟接头。

3)关于三芯海底电缆在电气试验时芯数的规定,推荐试验中采用三相电流源对磁性铠装三芯海底电缆导体加热,既可以减少钢丝铠装的发热,也符合三芯海底电缆运行时的状态。对于电气试验,如果进行试验的三芯海底电缆系统的每一相包含的附件设计都相同,则可以在其中有代表性的一相上进行电气试验,若试验通过,则可以证明与这项试验中相同设计的附件具有相同的性能。

4)实际透水试验结果表明,图2(a)和图2(b)的两种导体安装方式对试验结果无根本性影响。两种导体透水试验方案的区别在于前者可以保证不会因水从导体端头密封的地方进入而导致试验失败,但这种方式很难满足设备与电缆接口处的密封要求。因此,推荐采用图2(b)的方式进行导体的透水试验,这种方式能够满足更大敷设水深时相应的试验压力。