近海风电场潮间带风机集电海缆维修施工案例分析

  随着海上风电项目和海岛开发等海洋资源开发规模的逐步扩大，很多类型的海缆大批量投入工程应用。受复杂运行环境的影响，海缆有时会因意外受力而发生故障，造成巨大的社会影响和经济损失。近海风电场潮间带风机集电海缆维修是海缆维修的一种特殊工况，本工作对此特定工况下海缆维修施工的总体方案、故障诊断、打捞测试、登陆风机、接头修复，以及后保护方案等方面做了分析，并提出了针对潮间带海缆的运行维护建议，为今后海缆维修提供可行案例。

  该海上风电项目使用三芯35kV海底光电复合缆作为场内集电电缆，汇集至陆上升压站接入电网。

  本次故障点位于潮间带区域一台风机塔筒底部，经过排查发现，受潮汐、涌浪等不可预判的外力因素影响，使得海水长时间冲刷风机管的周围泥土，因此导致风机管附近出现冲刷塌陷区，并使得海缆埋设路由发生小幅度变化，导致海缆出现悬空现象和拉扯现象，海缆本体受到机械力破坏，局部电气性能受损，最终引发海缆失效故障，该故障概况见图1。

  本工程主体施工拟投入施工船、拖轮、锚艇各一艘，采用施工船作为海缆修复施工平台，作业范围为施工路由中轴线m的区域。总体工作量包括增加备用电缆、制作一套海缆抢修接头、更换一套锚固及一组T型终端，以及制作一个光纤接头。主要维修施工流程示意图见图2。

  由图2可知，①根据定位结果找出故障海缆，将故障海缆打捞至船舶甲板；②截断海缆，分别对A、B端头电缆进行故障测试，结合实际故障点的位置，切除故障海缆，并将A端海缆封头后沉放（靠近地上风机的线路一端为B端）；③施工船就位，由B端开始回收废弃海缆；④增加备用电缆，安装中心夹具、弯曲限制器，通过J管牵引至风机，安装锚固及海缆T型终端，制作光纤接头，将备用电缆沿着风机向故障点方向敷设；⑤打捞海缆A端，与备用电缆C端制作海缆中间接头，中间接头处理完成后，对光纤及电缆进行有关试验；⑥对沉放至海底的接头盒及备用电缆进行冲埋保护，施工完成后进行竣工验收试验。

  海缆的损坏位置在潮差段附近，打捞前，采用水陆两栖挖沟设备清理海床面泥沙，将已敷设的海缆挖出泥面，由潜水员在水下探摸海缆，并用吊带锁固，做好浮漂标记，然后由吊机将海缆提到海床面。海缆打捞出泥面后，由潜水员下水，将破损段海缆固定于专业平衡梁起吊工装上，缓慢起吊，转动浮吊大臂，使海缆放置并固定在施工船甲板上，见图3。

  海缆打捞至施工船作业平台后，检查海缆有没有损坏、导体是否进水，并对内置光纤进行衰减指标测试。找出故障海缆段，然后切割去除故障海缆段，并在海缆端头进行密封处理后，重新将海缆沉放入海。

  海缆靠近风机时，通过调整船位使得海缆在水下成“S”型敷设，从而保障海缆的余量。海缆进入风机前，施工船抛“8”字开锚锚泊固定在平台旁“I”型管侧，由潜水员在水下检查“I”型管入口处回淤的情况，保证“I”型管入口位置留有足够的空间。

  海缆登陆风机时，在“I”型管上口处，安装一门架，并设置导向滑轮，使用牵引网套固定海缆端头，并将海缆牵引至风机平台，直至进入预定位置，牵引结束。由潜水员下水确认海缆是否进入“I”型管预定位置，确认结束后安装平台锚固，海缆登陆风机平台见图4。锚固安装结束后，由潜水员下水，用高压水枪对埋设点处海缆进行冲埋，冲埋深度不小于2m。

  在制作接头前对海缆分别进行绝缘电阻测试和光纤测试，确保两端海缆的性能可靠。海缆维修采用软接头式维修接头做修复，采用与海缆本体相同的材料逐层恢复，核心结构与原电缆的结构一致，具有与原电缆相同的电气性能，运行稳定可靠，软接头的主要结构见图5。

  软接头主要的制作流程包括：①海缆切剥及端头预处理；②电缆缆芯校直及应力锥切削；③屏蔽层、绝缘层、金属护套逐层恢复；④光纤接续；⑤接头盒壳体及保护设施安装。

  软接头制作完成后进行沉放作业。将海缆维修接头盒固定于专业平衡梁起吊工装，两端保护设施用尼龙绳固定，缓慢起吊、旋转至海面。调整船位，缓慢下放海缆接头，直至将海缆接头下放至海床面，在此操作过程中，保证海缆弯曲度不剧烈改变。沉放至海底后，由陆上侧光纤测试人员来测试，测试合格后，由潜水员下水解除吊具并进行冲埋。

  DNVGL-RP-0360规定，在弯曲限制器的保护下，海缆需要以一定的角度进入风机基础。早期风电场采用“I”型管设计，海缆以接近90°的夹角进入“I”型管，且未安装保护设施，海缆存在动态磨损及疲劳风险。海底管道动态疲劳的研究根据结果得出，静态铠装钢丝若一直处在动态疲劳环境中，其寿命将降为原来预期寿命的10%。

  为解决海缆故障隐患，本工作为海缆加装后保护设施，以保障其常规使用的寿命及各种各样的性能的可靠性。后保护设施包括连接器、弯曲限制器和球墨铸铁保护管。海缆后保护设施结构示意图见图6。

  由图6可知，连接器安装在“I”型管喇叭口，恢复对海缆的中心定位作用，避免海缆摆动；弯曲限制器安装于连接器下方，可防止由海缆过度弯曲而造成的局部异常受力；弯曲限制器末端安装球墨铸铁保护管，对海缆起到抗冲击、防止进一步被冲刷的作用。

  针对潮间带海缆，为防止海水冲刷等意外因素诱发海缆故障，应定时进行带电运行维护检测，确保线路运行的稳定性。根据运行维护检测结果，对线路异常状态做评估，若隐患严重则须进行停电维修，验收合格后线路重新投入运营，并重新制定运行维护计划。具体运行维护计划表见表1。

  本工作对潮间带海缆的故障及故障原因进行了分析，论证潮间带海水冲刷是诱发该区域海缆故障的重要影响因素，并提出维修的总体部署、关键施工步骤，以及后保护方案，为后续潮间带海缆维修施工提供了可参考案例。