渤海地区海上石油平台海底电缆检测技术应用现状综述

苏保中 胡 喆 陈玉光 朱振民 陈雨强

（中海油能源发展装备技术有限公司）

0 引言

目前渤海区域海上石油平台海底电缆数量为150条左右，随着海上石油平台的建设，海缆数量还在不断增加。据作者调研，目前渤海地区海上石油平台最早投运的海缆1992年12月，设计使用年限为20年，目前已运行33年；运行超过25年的海缆有7条，运行超过15年的海缆有62条。但对于海上平台海底电缆的检测试验目前属于缺失状态，对于海缆的在线监测从2015年开始开展，目前已有约20条海缆在进行在线监测；在2022年以前受海上石油平台空间制约，仅对2km以内海缆进行串联谐振交流耐压试验，其余海缆均为绝缘测试配合24小时空载运行，缺少有效检测试验手段。

1 耐压测试技术方法

1.1 直流耐压技术

对于海缆的耐压试验，渤海地区海上石油平台海底电缆绝缘材料全部为XLPE，由于XLPE海缆绝缘电阻值较高，且在交直流条件下的电压分布差别较大。直流耐压试验后，在XLPE海底电缆中特别是海缆绝缘缺陷处会残留大量空间电荷，当海缆投运后，残留的空间电荷常造成海缆的绝缘击穿。据大量研究及标准表明，直流电压不适合对XLPE海缆进行耐压试验。在实际应用中，目前海上石油平台已不推荐对海底电缆进行直流耐压试验。

1.2 交流耐压技术

针对海底电缆常用的交流耐压手段包括串联谐振耐压试验、超低频（0.1Hz）耐压试验等。

对于超低频（0.1Hz）耐压的电压频率与工频电压频率差距较大，不能有效体现在工频条件下电缆绝缘的缺陷状况，且试验时间较长，是否对电缆绝缘存在破坏进而引发电缆绝缘新的缺陷仍未有定论，因此海上平台目前也不推荐使用超低频耐压技术对海缆进行耐压试验。

对于串联谐振耐压试验，是目前海上平台主要使用的海缆耐压技术手段之一，传统的串联谐振耐压对电缆绝缘状态的判断仅仅是合格与不合格，同时对于一些较为轻微的缺陷，传统耐压试验会使绝缘发生恶化，且对局部缺陷不能定位。此外对于中长海缆的串联谐振耐压试验，所需功率大，动辄上百千瓦，设备体积庞大，重量达吨级以上，对试验空间要求高，无法在仅有狭小空间的海上平台上进行耐压试验。同时串联谐振耐压试验中产生的谐振波会严重影响平台电网的稳定运行。目前受限于海上空间，只有2km以内的海缆使用串联谐振耐压进行检测试验。

1.3 振荡波耐压技术

针对上述耐压试验方法的缺点，同时基于华北电力大学团队、山东大学团队等国内高校的研究论证认为振荡波耐压可以等效于工频耐压，目前海上石油平台已尝试利用振荡波技术对海缆进行耐压试验。

此外振荡波检测方法对海底电缆绝缘局放的激发能力也与交流耐压相当，通过大量实验数据表明，采用振荡波耐压试验与局放检测相结合的方式，是发现高压海底电缆绝缘缺陷的有效技术手段。

目前振荡波耐压试验结合局放检测已在海上石油平台海底电缆检测项目中多次应用并取得良好效果，最长检测海缆长度为30km。以往针对2km以上海缆的大修或新投运前的交接试验缺少有效检测试验手段，仅进行绝缘测试并配合24小时空载测试，并不能有效发现隐患。依据现场应用经验，采用振荡波耐压及局放检测方式，针对一条海缆检测时间约为2小时，与以往24小时空载测试相比，检测时间减少22小时，大大提高了海上平台生产效率［5］。

图1 现场进行振荡波耐压试验

渤海某平台海缆利用振荡波技术对海缆进行耐压试验同时进行介质损耗检测结果如下：

表1 渤海某平台海缆振荡波耐压试验数据

通过数据的分析，该电缆在排除背景干扰信号后，未发现成簇状局放信号点：

A相电缆无局放；耐压有效值电压41.6kV，加压50次，耐压试验通过。

B相电缆无局放；耐压有效值电压41.6kV，加压50次，耐压试验通过。

C相电缆无局放；耐压有效值电压41.6kV，加压50次，耐压试验通过。

根据《DL/T1576-2016》标准规定，该电缆终端未超出标准范围。

2 其他测试方法

随着海缆检测技术的发展，海上石油平台也在尝试引进新技术，对海缆的本体绝缘性能进行检测，尤其是在多年来海缆缺少有效检测试验手段的背景下，对即将超期服役的海缆进行本体绝缘检测的意义重大。

2.1 PDC测试

目前在已在海上石油平台尝试应用四川大学周凯教授团队开发的极化去极化电流（Polаrizаtion аnd dерolаrizаtion currеnt，PDC）海缆检测试验技术。PDC测试的基本流程为，电缆缆芯施加直流电压，记录流过电缆绝缘的微弱电流，并在电流稳定后撤去电压，获得极化与去极化两个阶段的完整电流曲线，并基于该电流、电缆长度、截面、绝缘材料共同评估电缆绝缘状态。整个测试过程需要电缆两端中的非测试端悬空，且缆芯为高压，另一端测试时应注意试验安全。

所用到的设备为电缆极化去极化电流测试仪，该设备能够提供0-5kV的直流电压，并且外置1个高压电流表，该电流表能够记录рA~mA级电流。设备自身需现场220V供电，极化和去极化测试时间为180s、300s，极化电压为2kV、3kV。PDC测试的电路图如图2所示。

图2 极化-去极化电流测试系统

图3 PDC高压端现场测试图

渤海某平台海缆（振荡波耐压检测海缆一致）应用PDC检测技术结果：A相、B相、C相极化3kV电压等级下的直流电导率、0.1Hz频率下的去极化介质损耗因数和不对称系数的计算结果如表2所示。

表2 测试结果

根据测试结果可知，电缆在极化电压分别为2kV、3kV下测得的直流电导率均在10-17~10-15量级，去极化介损（%）均小于0.015，不对称系数在1附近。检测结果与振荡波测试结果中介质损耗结果相互印证，能够有效检测海底电缆绝缘本体状态。

2.2 FDR测试技术

FDR测试的基本流程为，电缆缆芯施加微弱的调制信号，上限频率根据电缆长度设置。由于电缆末端开路，使得信号发生反射，此时记录反射信号与入射信号的电压之比，即反射系数，通过一定算法换算，得到对应电缆全长的阻抗谱图，并可以从中分析得到局部阻抗发生的变化的部分及对应的电缆长度，整个测试过程需要电缆测试端两端悬空。

所用到的设备为电缆宽频阻抗谱定位仪，该设备能够输出相对应要求的调制信号，电压小于10V，该设备具备可充电电池，必要情况下需要现场220V供电。单根单相电缆单次测试时间约为30s~60s。

根据现场情况和安排，测试信号频率安排如表3所示。

表3 测试参数设置

通过反射系数谱缺陷定位曲线可获得如下缺陷特征量如表4所示。

表4 缺陷特征量

反射系数谱缺陷定位曲线是通过处理电缆的反射系数数据进行分析得到，其异常峰值位置代表了缺陷或者接头位置。一般来说，完好电缆的缺陷定位曲线仅在接头位置和首末端处出现峰值。

渤海地区某海底复合电缆反射系数谱、时域恢复波形果如图4、图5所示

图4 渤海地区某海底复合电缆反射系数谱

图5 渤海地区某海底复合电缆时域恢复波形

图6 FDR现场测试图

图7 FDR现场测试图

图8 海缆箱现场图

分析海底电缆三相的缺陷测试结果，波速设定为172m/μs。通过电缆测试数据，可以发现海底电缆波形除了首端和末端均未发现明显峰值，不存在明显的阻抗不匹配点。

海缆的FDR测试结果，波速设定为172m/μs。通过电缆测试数据，可以发现海底电缆波形除了首端和末端均未发现明显峰值，不存在明显的阻抗不匹配点。

3 结束语

随着海上石油平台岸电入海计划的推进以及未来海上石油平台建设计划，海缆数量还会不断增加，未来需要增加针对海缆停电检修期间的检测手段，同时配合海底电缆在线监测技术共同保障海底电缆稳定运行。