【技術】海上風電場海纜故障率分析方法及預防措施
2019-05-30 13:40:17
作者：本網整理 來源：海纜
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眾所周知，集電線路海纜和送出海纜是海上風電場的重要組成部分，不但承擔著將電量匯集并輸送至岸上的職責，更是海上升壓站、海上風機自用電的第一道保障，其可靠性對整個海上風電場安全運行的重要性不言而喻。
海纜故障風險是整個海上風電場風險評估中不可回避的問題。雖然，以往的運行經驗得到的結論是海纜幾乎沒有自發的電氣故障，但海纜附件故障（例如終端安裝不當、接頭未處理好等）或外力因素（錨害、暴力施工等）造成的損傷則是不可忽略的潛在威脅。
在【秒懂系列】海上風電集電線拓撲大全中，我們曾給大家介紹了一種“環網結構”的集電線路，這種在歐洲不少海上風場中應用的集電線路型式，就是考慮了足夠的冗余度，以防止海纜故障造成較大的發電量損失。當然，這種集電線路也大大增加了投資成本。
那么，如何權衡海纜故障損失與投資成本呢？換言之——如何來評估海上風電集電線路故障的影響？
如何在發電量計算過程中使用可信度高的海纜可利用率呢？
來看一下歐洲同行們是如何做的吧。
海纜故障導致的發電量損失估算
目前，歐洲海上風電集電線路系統電壓等級普遍采用66kV，考慮高壓海纜（≥60kV）故障原因分為內部原因和外部原因，對故障導致的發電量損失可按下述方法進行估算：
1）內部原因導致故障（Internal Origin Failures）
在“CigreTB379 - 2009: Update of Service Experience of HV Underground and SubmarineCable Systems”（國際大電網會議文件）統計數據基礎上進行估算。
表1 XLPE陸纜故障率
表2 XLPE海纜故障率
由于CigreTB379中未能統計到交聯聚乙烯海上交流電纜的故障次數，故選用陸上交流電纜內部原因導致故障的統計數據，即回路故障次數0.03次/（年·100回路km），終端故障次數0.007次/（年·100個），中間接頭故障次數0.005次/（年·100個）。
因此，單位回路km的海纜故障次數可由下式計算（無中間接頭）：
2）外部原因導致故障（External Origin Failures）
外部原因主要包括墜落物、緊急落錨或拖拽、漁業活動三種外部原因，其中：
① 墜落物：當在船只和風機或升壓站之間進行吊運物品過程中，考慮物品意外掉落墜海并損傷海纜。由于缺乏僅針對海上風電的事故統計數據，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”歐洲海上油氣工業的相關統計進行計算。
表2 海上作業事故統計根據統計
1981至1992年間，所有海上吊運物品的作業有1777次，其中發生與物品墜海相關嚴重事故次數為56次，由此計算其事故率為3.15%。
② 緊急落錨和落錨拖拽：考慮航行在風場區域內的船只在緊急情況下落錨或拖拽錨的發生概率（一般小于10-6），對于限制航行的風場區域內幾乎忽略不計。
③ 漁業活動：考慮拖網捕魚對淺敷海纜的損害，可通過預測漁具潛入海床的深度（0.1-0.3米），從而加深海纜敷設深度來避免影響；其他捕魚方式對保護或埋設好的電纜影響較小，可不考慮。
3） 集電線路海纜故障損失分析
當集電線路海纜故障發生后，海纜維修所帶來的發電量損失將以可利用率系數的形式體現在風場實際發電量計算中。故對此系數進行的計算如下：
故障維修時長估算：
需考慮海纜故障發生后，從診斷、故障定位、維修到最后復位的全過程時間估算。下表以歐洲某海上風電場的預測為例，理想狀況下需要66天。
發電量損失估算：
考慮故障發生原因及位置的所有可能場景，計算發生導致1臺至n臺風機無法發電的電量損失及其概率。
4）算例（敲黑板）
假設某海上風電場總裝機容量300MW，年均等效利用小時數3300h，配置50臺6MW風機，集電線路采用35kV普通鏈式結構，每4-5臺風機組成一組風機組串，共12組，海纜總長度為75km。
內部原因導致故障次數（不考慮設電纜中間接頭）：
外部原因導致故障率次數：
假設對海上升壓平臺的吊運物品作業次數為6次/年，吊運路徑經過集電線路海纜上方的概率為1/10。則可計算得到海上升壓平臺的吊運物品墜海事故發生并導致海纜的次數為
對風機相關的設備運輸作業，考慮采用專用登陸設備（walk to work system），則可不考慮因吊運而發生的事故。
故障維修時長估算：
為保守考慮，取90天維修時間。
發電量損失估算：
故障導致1臺風機停機90天所損失的發電量為4882.2MWh，每段海纜內部按等概率考慮，不考慮同時2段以上海纜發生故障。
綜合以上海纜事故發生率和每次發生事故造成的發電損失，因海纜故障導致的發電量損失可估算為936.66MWh/年，占風場總發電量的0.095%。
同行經驗與建議
亨通作為擁有高壓、超高壓電纜、海底電纜、光纖復合海底電纜、海底光纜等相關配套產品，同時提供海洋和江河湖泊等水下觀測網、預警探測網、通信網、環境感知網等系統的配套裝備、組網設計、系統集成和工程服務的國內知名海洋工程整體解決方案服務商，對國內如何提高海纜可靠性、降低海纜工程風險提出了他們的經驗和建議：
1）針對內部原因故障風險
海底電纜絕緣設計時采用相對保守設計原則，采用優質的絕緣材料，安全的絕緣厚度，降低發生電氣故障的風險
海纜絕緣材料采用國際知名品牌的超潔凈、無雜質的絕緣材料，采用立塔生產設備三層共擠生產，確保絕緣偏心度，從而控制絕緣電場強度
對絕緣工序生產進行精細化管理與控制，如產前進行300多項設備點檢、原材料與外界雜質的完全隔離、工藝點檢與標準化等
大長度連續生產交貨，減少電纜接頭數量，以免后期在接頭處發生故障針對重要線路，配備海纜監測系統，隨時監測海纜的運行狀況
海纜及附件敷設安裝時，配備專業的安裝技術人員，以免安裝不當造成后期故障定期檢修維護
2）針對外部原因故障風險
保證海纜的施工窗口，保證海纜施工過程中盡可能不存在惡劣天氣的影響項
目開工前，對施工工程中可能發生的風險編制風險評估表，并根據情況制定應急計劃
施工開工前進行充分的準備，確保船舶設備、工藝能夠滿足海纜的技術參數要求，避免施工過程中對海纜造成損傷；
施工前手續齊全，漁業糾紛可控，設備完好，工藝可靠，技術人員均為熟練工，預調查詳細精準、天氣窗口良好等是保證海纜施工質量的先決條件
施工前對所有的相關人員進行技術安全交底，明確每個崗位人員職責施
工過程中，海纜容易造成損傷的環節是陸地登陸或者平臺登陸的時候，海纜登陸陸地施工時，要進行充分考慮海況、天氣、風浪流、地質以及甚至當地漁民的影響
海纜登陸平臺，必要時需要配備潛水員或水下機器人進行監控海纜，避免硬拽出現海纜磨損的情況海纜施工過程中，船尾海纜入水口增加人員監控，埋設犁各監控傳感器運行良好，必要時可以在埋設犁和船尾搭載水下攝像，通過觀察保證海纜的狀態，但水下攝像對海域有比較高的要求，且容易受埋設犁工作時產生的泥水影響視線
海纜施工工程中若碰到礁石段敷設，按照設計要求進行海纜保護措施；施工過程中除了質量監控設備外，可以通過實時監測光纖來作為保證海纜未受到損傷的體現。
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