水下电缆测试技术及其在某气田中的应用

龙小品，井元彬，周佳，李世平，郝径

（1.深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳，518054；2.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江，524057）

关键字：水下电缆；电测试；绝缘电阻；技术发展；检测设备；应用

0 引言

在海洋油气开发，特别是深水油气开发过程中，主要使用水下生产系统作为开发模式[1]，而电缆作为水下生产系统的重要组成部分，在海洋油气生产过程中承担着电力输送和数据传输的任务。为保证电缆功能性的完整，实现实时监测水下生产系统运行情况、维持水下生产系统稳定运行的功能，在水下生产系统运行前和运营过程中都需要对电缆进行预防性检测。通过相关电测试，可及早发现电缆存在的问题，从而进行更换或维修，以保证水下生产系统正常运行，减少生产事故的发生。

1 电测试的主要内容

1.1 电缆主要故障类型

在水下生产系统中，电缆主要包括脐带缆中的携带电缆和系统末端的电飞线，其主要由导体、绝缘层和保护层三部分组成。

图1 脐带缆及电缆

电缆故障是指电缆在运行过程中无法完成其既定的任务，而导致生产系统受损或者无法运行的情况。常见的电缆故障包括断路故障和短路故障[2]，其中断路故障是指导体中存在一相或者多相存在不连续情况，导致电力无法输送至终端；短路故障是电缆的绝缘电阻低于正常值，根据绝缘电阻的衰减情况，短路故障又可以分为低阻故障和高阻故障，其中高阻故障是指导体与环境之间的绝缘电阻低于设计值但仍高于10Zc（Zc，电缆特性阻抗），低阻故障指导体与环境之间的绝缘电阻小于10Zc。

1.2 主要电测试内容

根据电缆段的故障类型，对于电缆故障检测，可以通过测量导体电阻（CR）和绝缘电阻（IR）来实现[3]，导体电阻反映电芯的导电性能和两测量点之间的通断情况，绝缘电阻则反映电路独立回路之间的绝缘程度，对于经测量存在问题的电阻，可以通过时域反射法快速定位故障发生点。

(1)导体电阻

导体电阻是评价电缆性能的重要指标，根据GB/T 3048.4-2007规定，不同温度下电缆的导体电阻可以通过以下公式进行计算：

式中：

RL——t℃时L长电缆的理论导体电阻值，单位为Ω；

R20——20℃时每公里长度的标准导体电阻值，单位为Ω/km；

L——待测电阻的长度，单位为m；

当导体电阻的阻值明显超过理论值RL时，首先考虑电缆是否出现了通断故障，当通断故障排除后，则考虑电缆的质量是否达标。导体电阻的超标将加大线路上功率的消耗，导致其载流量下降，此时，为保证设备的正常运转，往往需要加大供给侧电功率的输入，导致电缆处于满负荷甚至超负荷运行，发热量增大，温度升高，导致电缆的绝缘层加速老化，短路、漏电等故障发生的可能性大大增加[4]。

(2)绝缘电阻

绝缘电阻是评价电缆绝缘特性的重要指标，它与绝缘层能够承受电击穿或热击穿的能力，与绝缘材料本身，以及绝缘材料在工作状态下逐步劣化等均存在着极为密切的关系[5]。根据GB/T 3048.5-2007规定，不同温度下电缆的绝缘电阻可以通过以下公式进行计算：

式中：

RL，c——t℃时L长电缆的理论绝缘电阻值，单位为MΩ；

R20，c——20℃时每公里长度的标准绝缘电阻值，单位为MΩ·km；

L——待测电阻的长度，单位为km；

K——绝缘电阻的温度校正系数。

绝缘介质的绝缘性能是确保电缆能在安全指标范围内正常工作的前提，水下生产系统中的电缆完全浸没于海水之中，一旦绝缘电阻不达标，电缆极易发生短路故障，导致水下生产系统无法正常运行[6]，轻则产生高昂的维修费用，重则可能导致油井失控，发生泄露现象。

2 水下电测试技术发展状况

近年来，随着科学理论的发展和电力设施的不断增多，相关的水下电缆检测技术和市场也得到了很大的提升，更精确便捷的电缆检测技术随之发展，从最初的折半法，发展到现在最为先进的时域反射法。

2.1 折半法

折半法是最早用于电缆诊断的技术之一，其通过将存在故障的电缆段平均分成两份，分别测量两电缆维持电压的能力，然后对存在故障的电缆段进行平分再测量，如此往复，直至最终获得故障发生点[7]。折半法理论上是可行的，但对于海底动辄数千米的电缆，其可操作性有待考量。

2.2 电桥法

电桥法[8]的基本原理是将故障电缆作为Wheatstone电桥的一个桥臂，用非故障变电阻电路作为Wheatstone的另一桥臂，通过调节电阻参数，使电桥达到平衡，此时可以得出故障电路的电阻值。由于电缆的电阻值与其长度呈数量关系，利用Wheatstone电桥原理，可以计算出测量点到故障点的距离。

图2 双臂电桥

电桥法原理简单，精度也较高，但其更适用于低阻故障的排除，对于高阻故障，由于阻值过高导致流过电桥的电流很小，往往需要使用更为灵敏的电流检测装置或输入更高的电压来改善，在极端情况下，甚至需要通过高压刺激，将电缆的绝缘条件破坏，使电缆的高阻故障转化为低阻故障。这种方法需要破坏电缆的原本绝缘条件，甚至可能造成电路上相关电器设备高压过载，对电缆和设备造成二次伤害，因此在使用方面应更为慎重。

2.3 时域反射法

时域反射法[9]又称行波法，通过在测试端施加驱动电信号，脉冲电信号沿电缆传播，当碰到故障点时产生一个反射波，从而可以通过计算电信号发出时间及反射波返回时间计算故障发生点距测量点的距离。时域反射法以电信号为驱动，无需输入高电压，对电路无损坏威胁，测试简单，操作方便，且安全可靠。但脉冲法要求电缆放电完全，不能存在干扰电线号的游离电子。

图3 脉冲法原理

3 电测试技术在某气田中的应用

3.1 某气田基本情况简介

该气田位于中国琼东南盆地北部海湾，所在海域水深1220～1560米，为超深水气田，气田采用水下生产系统+FPSO+穿梭油轮的生产模式。

图4 南海某气田开发方案及待测试设备分布情况

此次测试为该气田新开发区域相关设备的投产前例行测试，测试主体包括水下生产系统所包含的所有电飞线和脐带缆。测试内容主要为电飞线和脐带缆内携带电缆的功能完整性。

3.2 测试方案

3.2.1 测试设备

此次电测试采用C-Kore最新一代电缆检测仪，设备主要由C-Kore主体和激活插销组成，可用于脐带缆、电飞线、水下分配单元等涉电硬件的电气完整性检测，设备具有如下特点：

(1)根据下水之前的配置情况，可用于导体电阻、绝缘电阻、时域反射等不同内容的测试。

(2)可适应水上、水下和水上水下混合等各种测试场景。

(3)设备工作电压为3.3V，不存在高压风险，检测施工过程更为安全。

(4)设备工作触发方式丰富，可以在下水前设置测量程序，也可以在水下通过ROV照明或者潜水员接近触发。

(5)设备内部集成有大容量电池，当不执行测量任务时，设备可自动进入省电待机状态，可允许长时间部署。

(6)内置大容量存储装置，具有存储上千测试数据的能力，数据可导出为报告和csv表格的形式。

图5 C-Kore测试单元

Kore检测设备可适应复杂的海底环境，其主要设计参数如下：

表1 C-Kore检测设备主要参数

此外，C-Kore具有完善的自检功能和输入保护措施。在每个测试程序开始之前，C-Kore都会进行多输入电路各电路单独输入完整性、环境温度、蓄电池充电水平检测。此外，装置还会对测量环境中的电气噪音进行检测，如果装置检测到噪音，其会自动尝试通过主动调整测量滤波来消除干扰，并向用户发出噪音警告。C-Kore具有内置保护装置，为防止电缆存在放电不充分情况，在测量之前，装置都会对电荷残留量情况进行检测，如果电缆确实带电，装置将尝试通过一个大的内阻对线路安全地进行放电，直至放电完全后再进行测量任务，如果放电程序失败，则说明线路存在其他输入，C-Kore将暂时停止本次测量。此外，C-Kore内部也设置了完善的过载保护装置，当工作中瞬时电压超过150V时，内部保险装置将立即启动，切断回路，以保护设备免受高压损伤。

图6 传统设备与C-Kore操作方案

3.2.2 测试方案

与传统的测量手段相比[10]，新一代C-Kore电缆测量仪可通过潜水员或者ROV进行部署，无需下放电缆将工程船与测量设备相连接，这样可以大大节省设备部署的时间，且设备自带数据分析功能和高清全彩显示屏，通过ROV即可在海底边测量边读取结果。

此次测试的主要水下生产系统如下所示，在电缆进行测试之前，需要对待测电缆进行断电和放电，以确保其在测试开始时呈中性状态。

图7 水下生产系统分布

以脐带缆SPUR A9的测试为例，在进行测试之前，首先断开UTA(脐带缆终端)与采油树A9之间的电飞线EFL3，然后将环形帽插在UTA上两电飞线接口QA和QB；再将连接UTH（脐带缆端头）和管汇（manifold）的电飞线EFL9依次断开。

图8 SPUR A9脐带缆测试方案

首先按将UTH上与EFL9连接的QA断开，然后ROV将工具箱内的测试单元取出，经机械臂将其插入脐带缆端头的QA口，准备对SPUR A9的A线进行电测试。采用ROV照明触发本次作业，当一切准备就绪后，ROV开启照明灯，C-Kore开始进行自检测。在ROV触发测试前，需要确定设备所处环境是否超出了设备的出厂设置，C-Kore在正式开始测试前首先会进行全面的自检功能，包括系统温度、蓄电池电量、以及噪音检测等，如果上述变量达不到出场设置标准，C-Kore会发出警告，相关警告可以通过其自带的OLED显示屏进行读取。此外，需确保电路是不带电的，当电路放电不完全或存在带电情况时，C-Kore首先会通过连接内部大电阻进行温和放电，如果带电情况无法改善，C-Kore会终止本次测试。

当自检和自动校准完成后，设备会显示“SYS.OK”，此时可开始本次测量，设备可自动完成导体电阻和绝缘电阻的测量，测量结果存储在内置存储装置中，也会显示在自带OLED屏中，ROV可直接读取相关结果。

图9 ROV读取绝缘电阻测试结果

待绝缘电阻和导体电阻测完后，ROV取下相关测量设备，介入时域反射测量设备，进行时域反射测试。时域反射测试介绍后，ROV取下相关设备，回接EFL9飞线QA端。取下与UTH连接的EFL9QB飞线，重复上述侧坐，完成脐带缆B线的测试。相关测试完成，ROV取回相关设备，回收至甲板，脐带缆SPUR A9的电测试结束。根据此流程，相继完成脐带缆SPUR A1、IFU-A1～IFU-A2～IFU-A3 的测量。

3.3 测试结果

本次测试合格标准为IR大于500MΩ·km，CR小于1.2Ω/km，根据式1和式2相关计算公式，可以得出本次测量整条电缆的理论接受阻值：

表2 脐带缆电气理论接受阻值

SPUR A9 4.8 5.76 104.167 IFU-A1～IFU-A2～IFU-A3～SPUR A1 66.216 79.46 8.917

表3 SPUR A9脐带缆测试结果

以SPUR A9为例，可以看出导体电阻均在5.1Ω以下，远小于5.76Ω，说明电缆导电性能良好；在检测范围以内，绝缘电阻均在10GΩ以上，远大于接受标准的104.167MΩ，说明电缆与环境之间绝缘情况很好，该电缆完整性良好，本次检测通过。其他电缆本次检测数据亦在接受范围之内，详细测量数据见表4和表5。

图10 SPUR A9脐带缆Line1-Line2时域反射测试结果

表4 SPUR A1测试结果

表 5 IFU-A1～IFU-A2～IFU-A3 测试结果

Line2 IR - X - - 1.596GΩ CR - X - - -Line3 IR - - X - 1.427GΩ CR - - X 58.37Ω -Line4 IR - - - X 1.380GΩ CR - - - X -Seawater IR - - - - X CR - - - - X

4 结语

水下电缆的完整性是保证水下生产稳定运行的重要前提，本文以水下电缆测试为基础，介绍了电缆运维过程中的常见故障类型，并对相关故障的关键检测指标及计算方法进行了简述，针对常见故障类型，对电缆的检测技术理论进行了综述。本文以南海某气田投产前例行电测试为基础，详细介绍了最新一代C-Kore电测试设备，并对其测试施工技术方案进行了概述，最后，详细分析了该次测试的结果，测试结果符合预期，为南海某气田的顺利投产提供了有力保障。本文研究成果可用于电测试技术了解及电测试应用方案的参考。