浅谈海上风电海缆维护策略研究及应用

浅谈海上风电海缆维护策略研究及应用

罗玉涛

（华电重工股份有限公司北京100071）

摘要：近年来，随着能源枯竭以及环境污染日益加重，国家越来越重视可再生能源的开发与利用，在风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能、潮汐能等众多可再生能源中，风能是目前技术最成熟、经济性最高、已开发规模最大的清洁能源。海上风电具有资源丰富、发电利用小时数高、不占用土地、靠近用电负荷中心和适宜大规模开发的优势，正受到越来越多的重视。截止2017年底，国内海上风电累计并网150万千瓦、装机200万千瓦、核准847万千瓦，累计装机排名世界第三，各省市出台的海上风电开发规划达1.33亿千瓦。而海缆是海上风电输出并网的重要设备，一个规模为40万千瓦的海上风电场需要用到约200公里的海缆，海缆一旦出现故障，导致海上风机发出的电无法并网送出，造成极大的损失。本文通过对国内外海缆故障的分析，探索研究海缆的预防性维护、状态监测、故障维护等技术手段的结合策略，以提高海缆运行的可靠性、稳定性，并介绍了相关的配套维护设备。

关键词：海上风电；海缆维护；技术；策略；装备；应用

海上风电作为我国可再生能源的重要组成部分，是推动风电技术进步及产业升级的重要力量，是促进能源结构调整的重要举措。目前，国内海上风电正处于大规模开发期，随着海上风电装机规模的日益剧增，面临的维护难题也越来越多，海上风电场可达性差、维护困难、缺乏专业装备，故障停机导致的发电量损失更高，如2015年02月21日装机容量为40万千瓦的Anholt海上风电场因海缆故障停运长达一个月，损失巨大，通过研究海缆维护的新技术、新手段、新策略的应用，提高海缆运行的稳定性、可靠性，保障海上风电的稳定输出。

一、海上风电故障分析

英国海上风电运营阶段发生保险索赔的主要原因有海缆故障、船只碰撞、电气故障、基础、火灾、雷电、叶片、制造等，因海缆发生的保险索赔次数占比为40%，而因海缆发生的索赔金额占比高达80%∽90%。究其原因，海缆承担海上风电场的电力传输，尤其是主缆，一旦发生故障，整个风电场发的电无法送出，且海缆修复存在海缆故障点定位困难、修复工艺复杂、需要专用船机、海上作业受天气影响大等因素，修复周期较长，因而造成的损失往往是巨大的。

造成海缆故障的原因有很多，主要有捕鱼活动、锚损、泥沙运动、敷设作业、海缆悬空、鱼类咬伤等，其中捕鱼活动和锚损占比达到了70%，一是现代渔业的快速发展，渔船越来愈大，锚也越来越大，二是海缆埋设深度浅，被冲刷悬空，尤其是风机桩基入口处海缆，长期摆动造成海缆损伤。

二、海缆维护整体解决方案

鉴于海缆故障索赔额占海上风电运营阶段保险总索赔额的80%∽90%，对海上风电场的安全稳定运行具有重大影响，有必要建立全方位的维护策略，预防为主，重在提高施工质量，保障海缆的可靠运行，提高风电场的可利用率。

通过研究海缆故障原因得知，捕鱼活动和锚损占比高达70%，按照预防为主、防修结合的策略，从海缆预防性维护、在线状态监测、故障维护三方面着手，提高海缆维护质量和效率，将故障消灭在萌芽状态，保障海缆安全稳定运行。

1、预防性维护

预防为主，重在检测，通过搭载在水下机器人（ROV）上的TSS440或TSS350定期检测海缆埋深，TSS350系统能精确追踪海缆的路由和埋深，了解海缆裸露、悬空状态，对海缆预防性维护具有重要作用。

1）TSS350系统工作原理

TSS350系统是英国TSS公司生产的海缆追踪系统，其通过测量带电电缆产生的交变磁场在空间分布上的几何特征，计算得到海缆的位置和埋深。

由电磁感应定律可知，带有交变电流的电缆必然会在其周围产生相同频率的交变磁场，当交变磁场通过感应线圈时，就会在探测线圈上产生交变的电压。当使用两组线圈进行探测时，两组线圈之间的距离已知，再根据两个线圈计算的夹角，利用几何关系可以计算得到电缆相对于线圈的水平距离和垂直距离，再根据上述距离来计算电缆的路由和埋深，图1显示，VRT即是线圈至目标海缆的距离。

2）TSS350系统作业方式

TSS350系统通过搭载在ROV上进行作业，贴近海底面对海缆进行探测。系统运行时可以选择前向搜索模式和运行模式，首先采用前向搜索模式确定电缆的位置，当确定电缆的位置之后，采用运行模式保持ROV处于电缆的上方进行追踪探测。

2、在线状态监测

故障维修，重点定位，故障发生后，如能快速定位到故障点，可节约维修时间，减少发电量损失，Anholt海上风电场因海缆故障停运一个月，主要就是花了很多时间寻找故障点。

基于光纤布里渊光时域反射仪（BOTDR）研究光纤布里渊散射频移和强度与海缆应变和温度变化的作用规律，获取海缆正常工作状态和故障状态下的应变与温度数据；研究了光纤应变和温度数据与海缆运行状态的关系，为海缆的故障判断提供理论依据，并确定科学的故障判据。采用有限元技术实现海缆应变和温度的建模与分析，建立了海缆和光纤的应变/温度关系，为海缆应变/温度的准确测量、预警和报警阈值的科学设定提供了理论依据。

通过在线监测系统，一旦海缆发生故障，通过收集分析光纤布里渊光时域反射仪（BOTDR）测试数据会有非常明显的变化，系统软件将会发生故障报警，将故障时海缆数据与该通道测试标准曲线相比对，通过查找数据库，立即获得故障点的经纬度和深度信息，从而准确确定故障点位置，为海缆修复和快速打捞提供依据。

3、海缆故障维修

当故障发生后，再寻找海缆维修船不仅历时长，有时候甚至短时间无法找到合适的船，大大延长了维修时间，造成巨大的发电量损失。按照国家2020年海上风电装机规划，海缆总长度将达到近万公里，维修难度可想而知。而且国内海上风电的开发商多是央企，都是国有资产，可联合成立专业化运维平台，配置专业技术人员及海缆维修船。根据全国海上风电开发情况，运维平台在全国设立运维基地，安排专业技术人员及维修船24小时待命，一旦发生故障即可响应。

三、结束语：

一方面通过TSS350或TSS440定期检查，有助于了解海缆裸露、悬空状态，在海缆未发生故障之前，即可组织人员、船机等进场，尽可能减少故障停机损失；一方面通过在线监测系统可直接定位故障点，有助于故障发生后快速找到故障点，减少故障停机带来的损失；一方面建立联合响应机制，共建共享海缆维修资源，不仅可以最大化利用维修船，降低运维成本，又可以大幅提高海缆故障维修效率，减少发电量损失。因此，按照预防为主、防修结合的策略，从海缆预防性维护、在线状态监测、故障维护三方面着手，搭建全方位的海缆运维平台是经济高效的策略，值得大力推广。

参考文献：

[1]海底电缆检测技术方法选择分析[J].岑贞锦，蒋道宇，张维佳，蔡驰.南方能源建设.2017（03）

[2]TSS350系统在海底电缆探测中的应用[J].曾亮，王艳，李明波，姜卫.工程勘察.2012（04）

[3]光纤传感技术在海底电缆监测中的研究及应用[J].吴飞龙，徐杰，郑小莉，杨力帆，李永倩，吕安强.电力信息与通信技术.2016（03）