【技术】海上风电场海缆故障率分析方法及预防措施
2019-05-30 13:40:17
作者：本网整理 来源：海缆
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众所周知，集电线路海缆和送出海缆是海上风电场的重要组成部分，不但承担着将电量汇集并输送至岸上的职责，更是海上升压站、海上风机自用电的第一道保障，其可靠性对整个海上风电场安全运行的重要性不言而喻。
海缆故障风险是整个海上风电场风险评估中不可回避的问题。虽然，以往的运行经验得到的结论是海缆几乎没有自发的电气故障，但海缆附件故障（例如终端安装不当、接头未处理好等）或外力因素（锚害、暴力施工等）造成的损伤则是不可忽略的潜在威胁。
在【秒懂系列】海上风电集电线拓扑大全中，我们曾给大家介绍了一种“环网结构”的集电线路，这种在欧洲不少海上风场中应用的集电线路型式，就是考虑了足够的冗余度，以防止海缆故障造成较大的发电量损失。当然，这种集电线路也大大增加了投资成本。
那么，如何权衡海缆故障损失与投资成本呢？换言之——如何来评估海上风电集电线路故障的影响？
如何在发电量计算过程中使用可信度高的海缆可利用率呢？
来看一下欧洲同行们是如何做的吧。
海缆故障导致的发电量损失估算
目前，欧洲海上风电集电线路系统电压等级普遍采用66kV，考虑高压海缆（≥60kV）故障原因分为内部原因和外部原因，对故障导致的发电量损失可按下述方法进行估算：
1）内部原因导致故障（Internal Origin Failures）
在“CigreTB379 - 2009: Update of Service Experience of HV Underground and SubmarineCable Systems”（国际大电网会议文件）统计数据基础上进行估算。
表1 XLPE陆缆故障率
表2 XLPE海缆故障率
由于CigreTB379中未能统计到交联聚乙烯海上交流电缆的故障次数，故选用陆上交流电缆内部原因导致故障的统计数据，即回路故障次数0.03次/（年·100回路km），终端故障次数0.007次/（年·100个），中间接头故障次数0.005次/（年·100个）。
因此，单位回路km的海缆故障次数可由下式计算（无中间接头）：
2）外部原因导致故障（External Origin Failures）
外部原因主要包括坠落物、紧急落锚或拖拽、渔业活动三种外部原因，其中：
① 坠落物：当在船只和风机或升压站之间进行吊运物品过程中，考虑物品意外掉落坠海并损伤海缆。由于缺乏仅针对海上风电的事故统计数据，故采用“OTO 95 959–An examination of the number and frequency of seriousdropped object and swinging load incidents involving cranes and lifting deviceson offshore installations for the period 1981-1992”欧洲海上油气工业的相关统计进行计算。
表2 海上作业事故统计根据统计
1981至1992年间，所有海上吊运物品的作业有1777次，其中发生与物品坠海相关严重事故次数为56次，由此计算其事故率为3.15%。
② 紧急落锚和落锚拖拽：考虑航行在风场区域内的船只在紧急情况下落锚或拖拽锚的发生概率（一般小于10-6），对于限制航行的风场区域内几乎忽略不计。
③ 渔业活动：考虑拖网捕鱼对浅敷海缆的损害，可通过预测渔具潜入海床的深度（0.1-0.3米），从而加深海缆敷设深度来避免影响；其他捕鱼方式对保护或埋设好的电缆影响较小，可不考虑。
3） 集电线路海缆故障损失分析
当集电线路海缆故障发生后，海缆维修所带来的发电量损失将以可利用率系数的形式体现在风场实际发电量计算中。故对此系数进行的计算如下：
故障维修时长估算：
需考虑海缆故障发生后，从诊断、故障定位、维修到最后复位的全过程时间估算。下表以欧洲某海上风电场的预测为例，理想状况下需要66天。
发电量损失估算：
考虑故障发生原因及位置的所有可能场景，计算发生导致1台至n台风机无法发电的电量损失及其概率。
4）算例（敲黑板）
假设某海上风电场总装机容量300MW，年均等效利用小时数3300h，配置50台6MW风机，集电线路采用35kV普通链式结构，每4-5台风机组成一组风机组串，共12组，海缆总长度为75km。
内部原因导致故障次数（不考虑设电缆中间接头）：
外部原因导致故障率次数：
假设对海上升压平台的吊运物品作业次数为6次/年，吊运路径经过集电线路海缆上方的概率为1/10。则可计算得到海上升压平台的吊运物品坠海事故发生并导致海缆的次数为
对风机相关的设备运输作业，考虑采用专用登陆设备（walk to work system），则可不考虑因吊运而发生的事故。
故障维修时长估算：
为保守考虑，取90天维修时间。
发电量损失估算：
故障导致1台风机停机90天所损失的发电量为4882.2MWh，每段海缆内部按等概率考虑，不考虑同时2段以上海缆发生故障。
综合以上海缆事故发生率和每次发生事故造成的发电损失，因海缆故障导致的发电量损失可估算为936.66MWh/年，占风场总发电量的0.095%。
同行经验与建议
亨通作为拥有高压、超高压电缆、海底电缆、光纤复合海底电缆、海底光缆等相关配套产品，同时提供海洋和江河湖泊等水下观测网、预警探测网、通信网、环境感知网等系统的配套装备、组网设计、系统集成和工程服务的国内知名海洋工程整体解决方案服务商，对国内如何提高海缆可靠性、降低海缆工程风险提出了他们的经验和建议：
1）针对内部原因故障风险
海底电缆绝缘设计时采用相对保守设计原则，采用优质的绝缘材料，安全的绝缘厚度，降低发生电气故障的风险
海缆绝缘材料采用国际知名品牌的超洁净、无杂质的绝缘材料，采用立塔生产设备三层共挤生产，确保绝缘偏心度，从而控制绝缘电场强度
对绝缘工序生产进行精细化管理与控制，如产前进行300多项设备点检、原材料与外界杂质的完全隔离、工艺点检与标准化等
大长度连续生产交货，减少电缆接头数量，以免后期在接头处发生故障针对重要线路，配备海缆监测系统，随时监测海缆的运行状况
海缆及附件敷设安装时，配备专业的安装技术人员，以免安装不当造成后期故障定期检修维护
2）针对外部原因故障风险
保证海缆的施工窗口，保证海缆施工过程中尽可能不存在恶劣天气的影响项
目开工前，对施工工程中可能发生的风险编制风险评估表，并根据情况制定应急计划
施工开工前进行充分的准备，确保船舶设备、工艺能够满足海缆的技术参数要求，避免施工过程中对海缆造成损伤；
施工前手续齐全，渔业纠纷可控，设备完好，工艺可靠，技术人员均为熟练工，预调查详细精准、天气窗口良好等是保证海缆施工质量的先决条件
施工前对所有的相关人员进行技术安全交底，明确每个岗位人员职责施
工过程中，海缆容易造成损伤的环节是陆地登陆或者平台登陆的时候，海缆登陆陆地施工时，要进行充分考虑海况、天气、风浪流、地质以及甚至当地渔民的影响
海缆登陆平台，必要时需要配备潜水员或水下机器人进行监控海缆，避免硬拽出现海缆磨损的情况海缆施工过程中，船尾海缆入水口增加人员监控，埋设犁各监控传感器运行良好，必要时可以在埋设犁和船尾搭载水下摄像，通过观察保证海缆的状态，但水下摄像对海域有比较高的要求，且容易受埋设犁工作时产生的泥水影响视线
海缆施工工程中若碰到礁石段敷设，按照设计要求进行海缆保护措施；施工过程中除了质量监控设备外，可以通过实时监测光纤来作为保证海缆未受到损伤的体现。
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