海底電纜故障定位技術研究

浙江啟明海洋電力工程有限公司 沈春雨

近年來，伴隨新能源海上風電場的快速崛起，海纜使用量呈指數倍上漲，但相應故障也愈發頻繁。海纜不同于肉眼直觀的架空線路，較難立即準確定位故障距離，這就對海島電網和海上風電的建設及運維工作提出了新的挑戰。因此，如何快速準確定位海纜故障，提高海纜供電的連續性，保證電網穩定可靠運行，是現階段甚至未來亟須解決的問題。

1 故障海纜類型的研判

1.1 海纜故障產生原因

錨損和巖石磨損。隨著漁業生產發展，海上運輸來往船只大幅度增加，但部分船只不按規定拋錨，外加登陸點巖石與海纜長期不規則磨損，均是造成海纜故障的主要原因；自損。海纜在加工制作過程中，因工藝缺陷或中間接頭制作缺陷，導致在運行幾年甚至幾個月后便被擊穿；導體發熱。海纜在滿負荷或超負荷運行過程中，導體發熱，達到一定溫度時，在其最薄弱處（中間接頭或終端）發生擊穿。

1.2 海纜故障分類

海纜故障一般分為直接接地故障、斷線故障、閃絡性故障三類，其中直接接地故障和斷線故障占海纜故障的比例較高。結合現場情況，故障分析如下：直接接地故障。根據接地電阻阻值高低可分為低阻故障和高阻故障，一般表現為一相或多相接地故障；海纜斷線故障。海纜單芯或多芯被錨或其他形式的外力拉斷，形成完全（海纜完全斷線）或不完全斷線（線芯斷線但保護鋼絲未斷）；閃絡性故障。主要發生在海纜中間接頭或者終端處，海纜結構不同于陸纜，出廠規格為整條，不存在中間接頭，且在幾十年海纜故障研判過程中幾乎未出現閃絡性故障，故在此文中不再展開說明。測量絕緣電阻時，根據海纜的電壓等級應選擇不同的兆歐表，如10kV海纜應首選2500V 兆歐表測量，而確定故障海纜電阻數值時應通過萬用表測量。

2 海纜故障預定位

海纜故障預定位，俗稱故障粗測，即確定故障點到被測端的大概距離。故障預定位可大致分為低壓脈沖反射法、電橋法、多次脈沖法三類，而根據海纜特性和現場測試經驗，適用方法目前集中在前兩種，即低壓脈沖反射法和電橋法。若遇高阻故障，則須先降阻（燒穿），使其變成低阻故障，再通過低壓脈沖反射法或電橋法進行預定位。

2.1 電橋法

電橋法是最早應用于電纜測試領域的方法。在低壓脈沖迅速發展的時代，電橋法在測尋多芯海纜單相接地，仍有使用方便、測試誤差?。ㄕ`差一般在0.5%～0.8%，主要誤差因素為操作誤差）的獨特優點。但電橋法也有一個明顯缺點，即對原始資料依賴度高，如海纜原始長度、另設參考相位等，故在測試過程中有一定的局限性。另外，海纜有其固有的特性：一是交流海纜線路普遍較長，長度一般為10～30km，直流海纜最長可達60km 及以上，導致兩端短接條件有限；二是110kV 及以上海纜多為單相，長度多不相同，電橋法測試容易產生誤差；三是隨著海纜GIS 終端的普及，終端全密封且充滿SF6，拆分和短接終端的程序較為煩瑣。綜上，導致電橋法逐漸被低壓脈沖反射法所代替。

2.2 低壓脈沖反射法

該方法適用于測試海纜低電阻（絕緣電阻小于100Ω）的接地故障、斷線故障探尋，隨著探測儀器的不斷更新換代，現場部分海纜故障的電阻達1000Ω 時，使用該方法多數情況下也能顯示故障波形。低壓脈沖反射儀預定位基本處理方法主要有以下兩種：一是通過降頻、加寬測試脈沖寬度、提高測試脈沖幅值來實現探測；二是利用寬頻線性阻抗分析法來進行探尋。兩種方式原理都為脈沖沿導體傳播，遇到阻抗不匹配點（如中間接頭、短路點、斷路點和終端頭等），就會引起脈沖信號的反射表現。本文以某巴低壓脈沖反射儀（起始波為正向波）進行說明。

2.2.1 接地故障

就接地故障而言，判斷短路波緊跟其后的波形是否為反射波或終端波形尤為重要，其會直接影響海纜是否拉斷的判斷。

2.2.2 斷線故障

未來怎樣通過合理的布局產品庫存，采用不押款、零庫存且相對較低的價格銷售，減少農民投入，這不是農資行業一直要實現的事情嗎？這些年，農資產品隨著政策，市場的變化，探索者各式各樣的銷售方式，賒銷是分銷商最頭疼的事情。

因故障海纜長時間浸泡于海水中，根據多年波形判斷的實踐經驗，海纜產生短路波形且無全長，基本可以判別故障原因為線芯斷裂，但無法確定外層保護鋼絲是否全斷。維修多次的老舊海纜會增加海纜故障判斷的難度，因其存在多個中間接頭，且不同截面積的海纜相互連接的情況時常發生，導致海纜的線性阻抗發生變化，這就需要故障研判人員常年積累現場實戰經驗并進行大量數據的匯總分析，由此進行判斷。

使用低壓脈沖法探尋大長度海纜故障的預定位，其誤差主要來源于是否選擇了準確的波速和合適的量程?，F階段使用的主流波速為常規交聯聚乙烯材質的電纜，但由于各個廠商使用原材料不同，加上工藝改進，生產的海纜波速也不盡相同，往往實際波速比參考波速要大。

2.3 海纜定距實例

2.3.1 案例描述

2018年，110kV 舟山岱山至上海沈家灣輸變電工程海底電力電纜線路發生故障，導致整條輸電線路停運。在對三相110kV 海纜進行耐壓試驗時，發現B 相達不到試驗電壓，最終擊穿。

2.3.2 過程分析

接到故障探尋聯系單后，單位立即組織專業人員前往現場進行故障探尋。人員分兩組，分別安排在海纜線路岱山、沈家灣兩端進行測試，但效果均不明顯。由于該海纜線路長度為38km，致高壓降阻儀的降阻效果也欠佳，最終電阻維持在2kΩ 左右。經研討，最終打開沈家灣側的GIS 終端，先用低壓脈沖反射儀測得三相海纜的長度，調出出廠試驗報告中的電阻度數；再用電橋法進行測量，根據三條電纜換算后的長度和電阻之比，定位出故障位置在離岱山側終端300m 處；開挖后發現的故障準確距離為離岱山側終端296m 處。在海纜線路總長38km 的基礎條件下，誤差僅4m，不僅為搶修贏得了寶貴時間，更大大縮短了電力復送電的周期，搶修工作圓滿完成。

2.3.3 結論建議

3 海纜故障定點定位

海纜故障定點定位（也稱海纜故障精確定位），是海纜故障定位工作的最后一步，也是最重要的一步。海上氣候環境對海纜故障定點定位影響較大，搶修工作少則幾天多則幾個月，涉及直接費用幾十萬到幾百萬不等，間接經濟損失更是巨大，故如何突破精確定位技術瓶頸至關重要?，F階段適用于海纜精確定位的主流方法有聲測法和改進型電磁感應法。

3.1 聲測法

該方法的原理是利用高壓直流電源向干式電容充電，隨后球間隙擊穿，電能隨即傳至海纜線芯，到達故障點時在外鎧處放電。在預定位確定的范圍內（海纜一般為200m）進行聽聲，以此來確定最終的故障點位置。聲測法普遍應用于陸纜檢測，在海纜精確定位中也廣泛推廣應用，但隨著海纜深埋技術的突破，該方法在現代海纜搶修中的不足也已慢慢體現?，F階段，高電壓等級、長距離、風機間等海纜基本以深埋為主，埋設約為海床下3～4m，加上海水深度（一般為30m）。船只打撈上述工藝敷設的海纜難度較大，陸地上使用的探測設備在水深超過50m 的情況下就無能為力，聲測法也無法常態應用。

3.2 改進型電磁感應法

經過大量工程搶修實踐和改進，改進型電磁感應法已成功應用于現代深埋海纜的搶修中。改進型電磁感應探測的基本原理是在海纜終端發射一種25Hz/50Hz/133Hz 的交變電流（主要頻率為133Hz），導體通過交變電流，使其周圍產生電磁場，并向空中傳播。海纜發生故障后，其芯線（或金屬護層）與大地（海水）構成回路，當在海纜與大地之間送入一定功率的交流信號時，便在電纜周圍產生電磁場，并通過海水（衰減）向海面傳播，而后通過專門的信號接收器接收信號，根據信號顯示的強弱程度，便可判斷出電纜的位置。經過故障點則信號不能通過，接收機也就收不到信號，以此便可確定故障點的位置，如圖1所示。

圖1 改進型電磁感應法示意圖

該方法主要步驟如下：判斷海纜走向。到達的作業海區與已知電纜敷設點相距不遠時，使用探棒平行海平面360°旋轉，便可判斷海纜走向。在探棒平行海平面360°旋轉過程中，接收機收到信號會有兩次強弱變化，信號最強時探棒的走向和信號最弱時探棒的走向是相互垂直的。其中，信號最強時探棒的走向與海纜走向垂直，信號最弱時探棒的走向與海纜走向平行。

海纜故障測試一般方法。在采到第一個海纜位置點后，工作船沿海纜向斷頭方向以“S”形航線前進，邊采點邊靠近斷頭。開始階段“S”跨度較大，當此方向的“S”形航線沒有采到海纜位置時，即表示工作船已超過斷頭，應調轉船頭，沿反方向繼續以小跨度“S”形航線采取海纜位置。為提高精度，應在斷頭附近多次檢測。通過對故障海纜兩端放信號探測路由的結果分析，即可判斷故障區域。

此新式定點方法具有設備輕、故障定點準等優點，可用于海纜路徑核查，也可用于海纜開路、短路故障定點定位。同時，其克服了深埋海纜和海底水深等難點，可完成一般聲測法和感應法所不能完成的探測任務。海纜探測系統由發信機、接收轉換信號器、探棒組成。然而，此方式定點在實際探尋測試時的缺陷也較突出，即效率較低，船只需要不斷來回在海纜路由上接收電磁波，且對海況的要求較高，在風浪稍強的海況下無法正常運作，不能保障海纜故障定點工作的時效性。

3.3 改進型電磁法實例

3.3.1 案例描述

2021年，110kV 南岑1926線輸變電工程發生海纜故障跳閘，在完成故障點預定位后，進行定點定位（精確定位）。

3.3.2 過程分析

故障海纜采用深埋技術，無法用傳統聲測法，筆者果斷采用改進型電磁感應法。經過前期測試改進頻率，改良探棒有效長度，分析各種信號波形，最終在這次搶修中運用這種新型方法，獲得海纜故障點的精確位置。作業時，先向海纜終端發射頻率為133Hz 的脈沖信號，同步將探棒固定于無人機上，接收采集信號強弱反應轉換，利用GPS 進行現場位置定位，從而精確定點，隨后潛水員在此海域進行探摸，最終找到故障點（誤差即為GPS 誤差）。至此，完成了一般聲測法和感應法所不能完成的探測任務，也提高了搶修作業效率。

4 故障定位步驟探討

海纜故障定位不同于陸纜，具有路由復雜、埋設更深等特點，定位難度大，選擇一套科學合適的探尋定位方式步驟尤為重要，海纜故障定位“五步法”，是筆者基于多年海纜故障定位理論學習和實踐經驗的提煉總結，具有一定參考借鑒和推廣應用意義。海纜故障定位步驟正確與否，直接決定了海纜故障點探尋的速度與準確性，影響海底電力電纜線路恢復供電的周期?！拔宀椒ā本唧w步驟如下。

一是進入作業現場，確認故障線路名稱，核對無誤后方可進行作業。二是初步判斷故障性質。三是選擇定位方法并進行預定位。對于低阻故障，使用低壓脈沖法進行預定位；對于高阻故障，配合使用高壓降阻儀降阻后進行低壓脈沖預定位，在條件允許的情況下也可使用電橋法進行預定位。四是故障定點定位（精確定位）。對于未深埋海纜，可先用特制檢修錨找到故障區域內的海纜，繼而使用傳統聲測法；對于深埋海纜，若用特制檢修錨未找到海纜，則使用改進版電磁感應法。五是定位完成，故障排除后拆除試驗線，清理試驗現場，恢復試驗前狀態。