無人機精準海水取樣裝置在海底電纜溢油排查中的研究

蔡 勇，朱 陽，蘆 海，梁 健，賀敏恒

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局?？诜志?，海南 ?？?570100）

0 引言

中國是世界第一大能源生產國，國家能源局已于《風力發展“十三五”規劃》中明確指出：到2020 年底，風電累計并網裝機容量確保達到2.1 億kW 以上，其中海上風電并網裝機容量確保達到500 萬kW以上。由此可見，海上風電是未來電力發展的重要趨勢，而海底電纜也成為海上電力運輸的重要通道。目前，海底電纜輸電工程主要建設應用于各國電力跨海域互聯、區域電網跨海峽互聯、向海洋孤島及海上石油鉆井平臺供電、輸送海上可再生能源發電并網，對保障區域性電力供應安全性、可靠性、靈活性有著重要意義。

1 海底電纜在跨海域輸電中的重要作用

海底電纜（以下簡稱海纜）是各國跨海域聯網輸電工程的重要組成部分，在實現電網國際化、區域電網互聯進程中起著重要的作用[1]。近年來，隨著國內外輸變電技術的發展，在經濟一體化、能源優化配置、環境影響減少等因素的推進下，跨海域輸電技術、海底電纜制造技術、海底電纜工程不斷發展。其中，海底電纜工程的建設主要受地域建設條件、海洋工程條件和施工設備等條件限制，其涉及技術領域廣泛、投資規模大、施工技術復雜。

海纜敷設的保護措施包括海纜近岸段套管、深海沖埋、拋石保護、定點加固等防護施工。其中大跨越海域輸電使用500 kV 及以上交直流電力輸送，一般充油式電纜可敷設在水深500 m 的海域里，所灌注在海纜中心的油為絕緣油，主要起到絕緣及降溫的作用；海纜兩側的油泵站系統對海纜起到了保障作用，在海纜受到外力破壞導致鎧裝層破損后，可以避免海水進入海纜引起的海纜內部損壞[2]。

2 國內外海底電纜事故案例及故障原因分析

2014 年 1 月 6 日，美國 280 號駁船 （Barge B.No.280）在被拖輪Ellen S.Bouchard 拖帶過程中下錨，不慎將紐約州電力管理局所擁有和運營的位于長島海灣的海底電纜割斷。電纜中用作潤滑劑和冷卻劑的絕緣油（一種烴類油）滲漏出來，多達數千加侖。

自1993 年開發以來，我國埕島油田逐漸發展成年產300 萬t 級的大油田，電網不斷壯大，發生過多次電網事故，近幾年則以海底電纜事故最頻繁。據統計，2003 年底以來，海上電網共計19 條海底電纜出現事故。

通過分析近幾年海纜事故存在的一些風險，可統計事故原因主要分兩類：①地質原因。由于海底洋流、地形等變化，在波浪海流作用下，海底土體發生破壞，對海底設施造成間接影響，如傾斜、位移、懸空、沉陷、巖石長時間摩擦等。②機械原因。機械原因主要是指海底電纜受強外力拽拉、碰撞等損傷，其中船舶拋錨起錨損傷電纜是指船舶拋錨時掛到海底電纜，起錨時由于操作人員不嚴格按規范進行起錨操作，導致海底電纜損傷[3]。以上所分析的海纜損傷可分為輕度損傷和斷面重度損傷，都可能會造成海纜絕緣油溢出或泄露。高壓海纜埋深水域一般在幾十米至上百米的海域中，絕緣介質（油）一旦泄露，在洋流、潮汐及擴散形態的影響下，尋找故障點的難度將會大幅提升。

3 海底電纜溢油排查方法及作業條件

3.1 海面拉網式專項排查

根據海纜路由保護區經緯度坐標提示，在滿足海面風力小于6 級，能見度、流速、涌浪海況條件符合海水取樣作業的條件下，可以使用多艘小型船只進行海面協同取水作業，對路由保護區內海域海水進行網格式分段采樣（圖1），通過檢測分析得知具體坐標網格內海域是否有絕緣油介質漂浮于海面上方，從而確定大致海纜溢油或泄露區域。發現絕緣油介質元素后，深水區域內可使用水下機器人進行深水域水下拍照排查，淺水區域內可選擇潛水蛙人使用相機進行拍照排查[4]。

圖1 現場施工作業范圍

3.2 海上取樣船舶及人員配置

海水取樣需大船1 艘，租金約3000 元/d，配置人員 3～5 人；小型船只 7 艘，租金 1000 元/d，配置人員1～2 人。每天船只租賃費用約1 萬元，人員、資金成本投入大，費用消耗高。

3.3 作業條件

作業前，應確保人員和船只安全滿足以下條件時方可開展工作：①海面平均風力≤4 級（陣風＜6級）。②能見度≥1000 m，無大霧及雨水天氣。③海上浪高≤0.6 m。④流速≤2.5 節。

3.4 存在的問題

（1）海上作業條件隨季節、潮汐等變化，滿足作業條件海況較少。

（2）多艘小型船只進行海面協同取水作業時，取水過程中存在近距離船只碰撞導致人員落水的風險。

（3）使用手機全球定位系統（global positioning system, GPS）通過經緯度定位開展作業，存在定位誤差大的情況。

（4）存在人力、物力、財力投入成本大的情況。

（5）小型船只多為柴油驅動，在行駛過程中會出現船只油品混入海域造成取水人員誤判的問題。

4 無人機精準定位海水取樣裝置

近年來，隨著無人機技術快速發展，其在航拍測繪、警用執法、電力巡查、油氣巡檢、施工管理和應急處置等多個領域得到迅速拓展應用，結合多旋翼無人機的自身優勢特點，將基于大疆M300 RTK 無人機研發的多旋翼無人機精準定位海水取樣裝置（以下簡稱無人機精準定位海水取樣裝置）用于海纜溢油排查。

4.1 無人機精準定位海水取樣裝置組成

無人機精準定位海水取樣裝置由大疆M300 RTK無人機及快拆定位取水裝置（圖2）兩個部分組成，基于大疆M300 RTK 無人機優異的通信鏈路，可達到15 km 視頻回傳及控制距離?？觳鸲ㄎ蝗∷b置采用了鋁合金加工與尼龍纖維結構搭配，滿足了高強度、輕量化設計，其散熱性能良好，作業效率高[5]。同時該裝置設計采用快拆結構、分體設計，合理的中心分布減少了取水裝置電機的轉速差異，提高了作業穩定性，該快拆定位取水裝置具體性能參數如表1 所示。

圖2 快拆定位取水裝置

表1 快拆定位取水裝置具體性能參數

4.2 快拆定位取水裝置功能

（1）無人機精準定位海水取樣裝置基于大疆M300 RTK 無人機平臺開發，直接通過大疆遙控器的Pilot 軟件操作控制，避免了第三方控制器遙控及圖傳信號差異的問題。

（2）控制器通過大疆的 SkyPort 接口接入M300 RTK 無人機，可以提供取水器控制和視頻畫面實時回傳遙控器顯示，控制器上面瞄準鏡的使用既可以為取水位置提供依據，又可以免除大疆的前置云臺相機，增加飛機的有效載重量，有效取水高度為10～15 m。

（3）自帶1080p 相機，免除前置云臺相機，增加飛機有效負載重量，取水容量為700 mL。

（4）多種保護功能：兩端限位保護、過載保護、過熱保護。

（5）可以精確控制收放速度可調、下降高度。

（6）可以根據海域經緯度坐標制作KML 航線，對指定區域海域進行精準GPS 位置定點、定深取水。

（7）具備收放線多種模式精準取水功能：0.5 m放線、1 m 放線、實時控制放線、一鍵收線等。

4.3 無人機精準定位海水取樣裝置與常規船舶取樣對比

無人機精準定位海水取樣裝置與常規船舶取樣的作業方式對比如表2 所示。

表2 作業方式對比

4.4 無人機精準定位海水取樣裝置在海水取樣作業中的優勢

（1）結合大疆M300 RTK 多旋翼無人機強勁動力掛載快拆采樣器實現高精度厘米級精準定位采樣。

（2）提高采樣效率，避免人員采樣的安全隱患，避免船舶采樣的碰撞風險。

（3）機動能力強，不受地形影響，作業半徑大，一臺作業飛機可滿足30 km 作業直徑，一塊飛行電池可完成3～4 次采樣任務，提高作業效率。

5 結語

本文對海底電纜在電力跨海域互聯、區域電網跨海峽互聯等工程用途中進行闡述，并針對高電壓、長距離、大容量充油式海底電纜在溢油排查中，海上常規取水作業的限制條件、人力資金投入及風險點進行了分析；同時對多旋翼無人機精準定位海水取樣裝置在海上取水作業中較常規作業方式進行了對比，獲得了較為準確的數據結果，說明多旋翼無人機精準定位海水取樣裝置在海纜溢油排查作業中有著較高的準確性及便利性，可降低資金投入成本，并且提高了作業效率，規避了作業風險。因此多旋翼無人機精準定位海水取樣裝置應用于海底電纜溢油排查取樣必將成為重要發展方向。