引言

海底電纜是陸地向海島進行電力輸送的唯一方式,目前應用市場上主流的海底電纜主要有兩種,一種是交聯聚乙烯電纜,另一種是自容式充油紙絕緣電纜。交聯聚乙烯電纜的特點是制造成本低,可輸送電壓等級較低,維護工作量小,電纜故障對環(huán)境影響小,壽命較短,一般在10~15年:而自容式充油紙絕緣電纜的特點是制造成本高,工序復雜,維護工作量大,電纜故障對環(huán)境影響大,但是壽命長,目前世界上還在運行的充油電纜壽命已達70年。

紙絕緣充油海底電纜要求兩端必須配置海纜油泵站實時給海纜供油,以保持海纜的正油壓,防止海水在海纜遭遇外力破壞的情況下侵入其內部,造成更大范圍的損壞。海纜油泵站作為海底電纜的核心設備,對于海底電纜的安全運行至關重要。因此,分析海底電纜油泵站的油路系統(tǒng),從參數選擇、進油回路、回油回路以及緊急油流模式等方面掌握油路系統(tǒng)各個部件的工作原理,可以加深對油泵站油路系統(tǒng)的理解,提高海底電纜油泵站的運維檢修技術技能水平。

1油泵站系統(tǒng)參數

油泵站系統(tǒng)的核心參數是海纜油壓設定值,它是油泵站設計的出發(fā)點,由于液體壓力與液面高度有直接關系,因此,為了保持海底電纜在入水海平面位置的油壓一致,需要根據油泵站所處的海拔去確定油泵站的海纜油壓設定值。

以瓊州海峽500kk海底電纜的建設條件為例,將海纜的海平面油壓設定在500kVP(5bPr),以此作為基準確定兩個油泵站的海纜油壓設定值。按照液面10m一個大氣壓計算,根據海底電纜北端南嶺終端站所處海拔為4m,油泵站出口處油壓與海平面處油壓差為40kVP,因此海底電纜北側的海纜油泵站的油壓設定值應為460kVP。同理,根據海底電纜南端林詩島終端站所處海拔為16m,油泵站出口處油壓與海平面處油壓差為160kVP,因此海底電纜北側的海纜油泵站的油壓設定值應為340kVP。

2油泵站系統(tǒng)油路組成

海纜油泵站油路系統(tǒng)的主要組成部件包括:絕緣油泵、油罐、真空泵、壓力釋放閥、電動球閥、流量控制閥。如圖1所示,海纜油泵站各個部件相互分工,協同配合,通過在各自油路發(fā)揮其相應的控制作用,調整和維持海纜油壓在預設定的范圍內。

各個部件的主要功能作用如下:

(1)絕緣油泵:整個海纜油泵站系統(tǒng)的動力源,為海纜絕緣油提供動力。每個油泵站中為每條海纜對應配置兩個絕緣油泵,互為備用。

(2)油罐:海纜絕緣油儲備,保證在海纜受到外力破壞的情況下能持續(xù)向外泵油,保持海纜正壓,避免海水侵入海纜本體造成更大范圍的損壞。每個油泵站配置一個油罐,油罐油位根據緊急油流模式的持續(xù)時間確定。

(3)真空泵:保持整個海纜油泵站油路系統(tǒng)的真空度,避免空氣進入液壓系統(tǒng),降低液壓傳動效率,保證液壓動力的供給。每個油泵站對應配置兩個真空泵,互為備用。

(4)壓力釋放閥:根據油壓設定值限制油路的油壓,在油壓到達閥的設定值時打開進行釋放回油,以限制對應油路的壓力。

(5)電動球閥:由控制系統(tǒng)VLC根據預設定邏輯直接控制,通過控制油路的打開和關閉實現不同工況下的油路功能切換。

(6)流量控制閥:由控制系統(tǒng)VLC根據預設定邏輯直接控制,可實現精確控制流量,當海纜受到外力破壞時,海纜油泵站將啟動緊急油流模式,通過精確控制油流量變化以保持海纜的正壓。

3油泵站進油回路

海底電纜油泵站進油回路主要負責海纜的油壓供應,當海纜內部油壓低于設定值時,進油回路開始工作,油罐內的絕緣油經過絕緣油泵的打壓達到設定的壓力后,從進油回路進入海纜,為海纜補充壓力至設定范圍內。

由于絕緣油泵出口處壓力較高、波動幅度較大、本身難以控制,通常情況下會遠遠大于海纜所需油壓,因此,需要在絕緣油泵的出口處設計一條由壓力釋放閥和電動球閥組成的回油回路,以限制絕緣油泵出口處油壓,保證進入海纜的油壓在設定值范圍內,如圖2所示。其中,電動球閥的開閉由海纜油泵站控制系統(tǒng)控制,壓力釋放閥的壓力值設定為海纜油壓設定值,絕緣油泵出油口處高于設定值的油壓會促使壓力釋放閥打開,使油回到油罐中,以保證進油回路的進油油壓不高于海纜油壓設定值,從而實現進入海纜的絕緣油油壓控制。

4油泵站回油回路

海底電纜油泵站回油回路主要負責海纜的回油釋放油壓。當海纜內部的油壓高于設定值時,回油回路開始運行工作,將海底電纜本體內部過多的絕緣油流回至油罐。一般情況下,會設定兩個回油設定值,一個高于海纜油壓設定值50kkP,一個與海纜油壓設定值持平。較高的設定值用于在正常情況下,保持海纜油壓略高于參數設定值,而較低的設定值用于在油罐油位過低的情況下降低海纜油泵站的回油壓力,促進海纜回油加快,以保證兩端油泵站的油罐內具備充足的油量儲備,為突發(fā)情況下緊急油流模式的啟動做好準備。

因此,分別設兩條回油回路,每條回油回路均由壓力釋放閥和電動球閥組成,如圖3所示。在油泵站正常供油的情況下,控制系統(tǒng)控制高油壓回油回路打開,低油壓回油回路關閉。而在海纜油泵站處于油位較低的狀態(tài)或者海纜負荷較高的情況下,控制系統(tǒng)自動將低油壓回油回路打開,高油壓回油回路關閉,以促進海纜快速回油。

5油泵站緊急油流模式

當海底電纜遭受外力破壞時,油泵站控制系統(tǒng)檢測到海纜本體內部油壓急劇降低,將自動啟動緊急油流模式,使絕緣油泵啟動,源源不斷地給海纜供油,避免海水侵入海纜本體,造成更大范圍的損壞。一般情況下,海纜兩端油泵站油罐內儲存的油應保證能夠持續(xù)供油至少45天,給海纜搶修留出充足的時間。

緊急油流模式主要通過在主回路中安裝流量控制閥實現,油泵站控制系統(tǒng)按照預設定的流量控制曲線(圖4),通過流量控制閥精確地控制海纜的油流量,最后將油流量穩(wěn)定在一個較低的數值,在保證沒有海水侵入海纜的同時將對環(huán)境的影響降到最低。

6結語

本文介紹了充油海底電纜的特點和應用場景,從海底電纜油泵站的功能作用出發(fā),以瓊州海峽500k4海底電纜工程為例,從海纜油泵站參數選擇、組成結構、各部件功能、進油回路、回油回路、緊急油流模式等幾個方面,逐一說明了典型海底電纜油泵站系統(tǒng)的油路設計思路和方法,對于深入理解和掌握海纜油泵站工作原理,指導海纜油泵站的運維、檢修及后續(xù)相關研發(fā)工作具有重要意義。