海底电缆外破隐患辨识及防护方法研究

韩 磊，沈清野，丁同臻，蒋永梅

(国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，浙江 舟山 316000)

0 引言

海底电缆是采用绝缘材料包裹，敷设在海底，主要用于电力或信号传输的电缆，通常可将其划分为海底电力电缆和海底通信电缆两种[1]。海底电缆长期受到海水冲刷，容易出现埋深变浅、遭受破坏的情况，当海底电缆的外绝缘材料破损时，海底电缆内设置的绝缘油会出现泄漏[2]，不仅污染海水，还影响区域的用电安全[3]，同时对社会以及居民生活造成严重的不便。

随着海上风电资源开发量的不断提升，海底电缆的应用更加广泛。海上风电场将海上风机产生的电能通过海底电缆传送至内陆[4]。由于所处环境极为特殊，海底电缆容易出现外破情况，而陆地上常用的电缆防护措施因条件限制无法保证海底电缆的安全[5]。相比于土壤，海水的电阻率较低，海底电缆接地极在海水中与电缆在陆地上的分布存在明显差异。一旦出现海底电缆外破，海水将与电缆中的金属构件直接接触，导致金属构件腐蚀，造成停电或通信异常。海底电缆防护是电力领域急需解决的问题。

目前，众多学者针对海底电缆的外破状态进行研究。文献[6]利用在线监测数据对海底电缆的状态进行评估，用于确定海底电缆是否处于完好状态；文献[7]通过设计监测系统实时监测海底电缆的运行状态，及时发现海底电缆的外破故障。上述研究主要通过状态监测发现海底电缆外破故障，但对造成海底电缆外破的隐患及防护方法研究不多，因此，从自然原因、人为原因等方向，分析梳理造成海底电缆外破的原因，并提出针对性的防护方法，为海底电缆的安全运行提供依据。

1 造成海底电缆外破的原因分析

造成海底电缆外破的原因包括自然因素、人为因素及海底电缆内部因素等。自然因素主要指海水以及海底生物长期侵蚀海底电缆，海浪、海底地质等原因容易造成海底电缆磨损以及拉断，从而出现海底电缆外破故障。人为因素主要指人类从事渔业活动以及海上作业船只运行，容易出现拖拽和磨损海底电缆的情况，造成海底电缆出现外破故障。

1.1 自然因素

自然因素是对海底电缆影响最小，造成海底电缆外破风险可能性最低的因素。海底土壤长期受到海浪作用容易出现塌陷情况，严重的可能造成海底土壤滑移，当敷设海底电缆的表层土为粉砂土质时，受到海浪影响，土壤容易出现液化，降低了土壤的抗剪强度，导致海床下降，造成海底电缆悬空以及裸露，容易发生海底电缆外破故障；海底电缆长时间受到持续性海浪作用，海床结构发生明显变化，容易加深局部海底电缆的埋深，造成海底电缆悬空及裸露，易出现外破故障。

1.2 人为因素

据统计，人为因素是造成海底电缆外破故障的主要原因。渔业活动的捕捞渔具主要有张网类和拖网类两种，采用拖网作业时，网的位置较浅，容易破坏裸露以及埋深较浅的海底电缆，而张网类的渔业作业方式，入海深度较深，对沉入海底的海底电缆影响极大。相比于渔业捞捕作业，船锚对海底电缆的影响更加明显，船只拖网的船锚重量较重，船锚入海深度为100 cm 左右，则埋深较浅的海底电缆容易受到船锚影响；张网类船只的船锚重量较大，当出现大潮时极易出现走锚情况，影响海底敷设的海底电缆；航运船舶的船锚具有较大的重量，航运船舶若在航行过程中随意抛锚，船锚与海底电缆接触，导致海底电缆受到较大作用力，造成海底电缆的表面结构遭到破坏，若船只发生移动，则出现拖拽海底电缆的情况，严重时甚至出现海底电缆断裂的后果。

1.3 海底电缆内部因素

海底电缆敷设时，设计不合理或电缆材料存在问题将加大海底电缆外破故障出现的概率。伴随海上风电的发展，海底电缆制造工艺和材料技术不断进步，有效降低了海底电缆因内部因素遭受外破故障的风险。

2 海底电缆外破防范措施

海底电缆与架空电缆线路抢修存在一定差异，海底电缆受到海流、风力、水深等众多因素影响，抢修难度剧增。当海底电缆出现外破故障时，抢修工时较长且需要耗费大量人力物力，造成严重的经济损失。为了避免海底电缆出现外破故障，保障海底电缆的安全，为海上风电场的正常供电提供基础，电力企业应该采取措施做好海底电缆防护工作。

2.1 海底电缆外破的技术防护

2.1.1 完善新建工程的设计施工

针对新建工程的海底电缆线路，应该提高其设计标准，加大地勘密度，避开不良地质海域。通过充分论证不同海域过往船舶的锚重，结合“BPI指数(海底电缆防护指数)”开展差异化深埋设计。海底电缆的设计施工应积极借鉴国内外海缆、管道敷设经验。下面以某联网工程为例，阐述防护措施，该工程采用海底电缆堆石坝防护方式进行防护，如图1 所示。

图1 海底电缆堆石坝防护方式

由图1 可知，该工程采用底宽5 m、顶宽1 m、坝高1.5 m 的梯形堆石坝掩埋海底电缆的防护方式，实现防护海底电缆的目的。

2.1.2 采用“分段防护”原则

从海底电缆的重要性和历史故障区段等方面开展综合评定，梳理海底电缆I/II/III 分级明细，以此为依据编排海底电缆外破隐患的治理计划。针对海底电缆区段，开展海底电缆路由扫测，精细掌握海底电缆通道内底质、埋深、水深等信息，对各区段制定针对性防护措施，通过基岩开槽+保护管+混凝土联锁块+四面六边防冲刷等措施的综合应用，结合“综合防护”原则，助力海底电缆外破隐患的治理。

2.1.3 加装Ω 形盖板

为了防止海底电缆本体因直抛段保护管脱开导致海底电缆与礁石直接接触和摩擦，对潮间带和浅滩区敷设的海底电缆加装Ω 盖板。Ω 盖板采用CF 40 Ω 型高强度钢纤维混凝土，每块Ω 盖板长2.1 m、重3.3 t。Ω 形盖板的实施，能够防止海底电缆本体与礁石之间发生摩擦破损，有效提高海底电缆防护的效率，保证海底电缆线路安全、平稳运行，从而提高供电的可靠性。

2.1.4 “拦截锁链”应用

海底电缆外破的高风险区段可通过加装“拦截锁链”进行防护。“拦截锁链”是在海底电缆两侧均匀布设钢管混凝土桩，桩与桩之间由锚链连接。船舶在海底电缆附近海域锚泊时，船舶在惯性及外力作用下会拖着船锚继续移动一段距离，此时船锚将先与锚链接触，锚链将船锚的锚抓力传递至钢管桩，由钢管桩抵抗船锚运动过程中产生的锚抓力，从而让船锚在钩挂海底电缆前停止运动，实现对海底电缆的防护。

2.1.5 优化完善海底电缆监控资源

海缆一体化综合监控微应用(简称微应用)的投用可实现全域海底电缆全天候全时段的监控。大潮汛最低潮，船舶极易搁浅，通过微应用可及时了解船舶信息，提前预警；依据“重点问题重点处理”的隐患治理原则设置虚拟的预警和报警“电子围栏”并将其融入微应用，针对船载的船舶自动识别系统(AIS)进行短报文广播和推送，通过水上电子屏障实时获取船舶航行特征与运动态势。当船舶进入“电子围栏”内，即可对船舶控制台发出电子信息和声光报警，警告船舶危险行为，保障海底电缆的安全，实现从“被动提醒”转向“主动预警”。

电力企业可以接入海洋与渔业局的渔业北斗系统，通过政企联动完善海底电缆的监控资源。借助于北斗定位的船舶管控系统，实现整个区域渔船的全面监控，涵盖了渔船的静态信息(包括船长、船宽、吃水深度等）、联系方式、渔船作业方式等，增加了海底电缆外破预警和处置的成功率。

2.2 海底电缆外破的人力防护

2.2.1 重视初始建设

海上风电场初始建设时，应仔细分析海底电缆的敷设路径，尽量避免渔业捕捞以及其他的特殊作业区域，防止海底电缆受到锚害以及其他破坏。

2.2.2 加强破坏行为的惩罚力度

政府部门应依据法律对破坏海底电缆的行为进行惩罚和追责，并通过讲座等方式大力开展电力设施保护的宣传工作，以规范海底电缆所在海域的海上作业行为。对于海上违规作业情况，需及时整治，防止对海底电缆等电力设施造成破坏。

2.2.3 加强巡视维护工作

电力企业需要针对海底电缆所在区域设置特殊的巡视方式，并与区域管理人员及时沟通，加强海底电缆通道的保护工作。企业内部可建立运行维护责任制，设置巡视员定期巡视海底电缆运行状况。在显眼位置设置安全警示标志，通过将悬浮标识球设置在海底电缆经过的航道附近，对过往船只起到警示作用；在容易出现海底电缆外破的位置，设置监控装置和航标，降低船只抛锚造成海底电缆外破的风险。对于海底电缆运行维护人员，应提升其业务水平，加强其海底电缆保护的意识，为海底电缆的可靠运行提供安全的环境。

2.2.4 加深敷设深度

海底电缆的敷设深度对海底电缆的安全性存在明显的影响。据海底电缆外破故障的统计，水深55 m 内的浅水区是海底电缆外破故障的高发区，而造成海底电缆外破故障的主要原因是锚害。因此，当海底电缆设置深度足够深时，可有效防范渔船或其他船舶对其的影响。

3 海底电缆外破隐患治理成效

选取某设置海底电缆的电力企业作为研究对象，该电力企业正持续推进海底电缆通道可视化工程。目前，已完成23 处AIS 基站、21 处雷达、50处双光谱视频的建设，实现海底电缆通道船舶AIS信号覆盖率95 %、雷达监测覆盖率80 %、视频监控覆盖率48 %，逐步实现海缆通道状态的全面感知、全景实时监控、主动可靠预警，相关治理成效如下。

3.1 处置成功率提升

该电力企业在2018 年开展海底电缆外破防护实施后，通过对2017—2021 年锚泊报警处置大数据的整理，得出表1 的统计结果。

表1 2017 ～2021 年锚泊报警处置情况

由表1 可以看出，经过海底电缆外破防控的整治，该电力企业取得了明显效果，处置成功率逐年提升。锚泊处置成功率的提升，意味着海缆锚损事故率的降低，按照每年避免5 起锚损故障、单根海缆抢修直接成本约300 万计算，每年预计可避免企业经济损失约1 500 万元；同时，处置成功率的提升也提高了输电安全性，避免海底电缆外破故障造成的停电，供电更加安全可靠，有效提升了企业的社会效益。

3.2 应急处置能力提升

当面临台风等恶劣天气时，电力企业可通过特殊恶劣天气下的海底电缆防外破应急处置管控，在台风影响前加强附近过往船舶的靠前指挥，积极引导船舶有序抛锚，强化“落指”管控；台在风影响期间落实海缆2 km 内高风险锚泊船只的驱离和监控；在海上风潮严重影响时段，动态点验海底电缆移锚警戒线边沿的泊船，实时掌握船舶动态；台风过境后，根据海事、渔业解禁时间，倒推船舶集中出航的高峰点，做好提前预控，重点盯防。

电力企业依据初步的气象、通航、锚泊大数据分析，初步形成海底电缆防外破“二十四节气”管控表，并在恶劣天气与休渔季渔船集中回港期间应用；基于气象、潮汐预测和锚泊大数据，提前预判船舶锚泊高风险区域和时段，高质量处置移锚事件和提前驱离锚泊船只。

4 结束语

为消除海底电缆外破隐患，企业应全面考虑海底电缆设计、施工、运行及维护的全过程，从海底电缆人工防护与技术防护两方面出发，消除或降低海底电缆由于内部因素、人为因素和自然因素造成的海底电缆外破的风险。通过增厚海底电缆保护层、埋设保护等方式，充分发挥实时监测、政企联动等手段，保护海底电缆安全。基于多种防护方式的综合应用，有效提升海底电缆的防外破能力，保障海海上电力输送的安全性。