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摘要：承力拖曳电力电缆由外层钢丝和内部电缆构成， 外部钢丝承担张力载荷， 内部电缆导线供电并传输信号。在复杂海洋拖曳环境中， 缆中部导线绝缘层被铜屏蔽层刺穿发生短路， 继续使用后，在远处湿端水下拖头部位发生打火故障， 最终该拖缆共形成两处不连续的故障。针对该远端屏蔽层不连续位置打火的特殊故障现象进行深度剖析， 分析认为屏蔽铜带发生破损后屏蔽层带电时屏蔽层下方的半绝缘导线会发生过热， 并设计了模拟试验， 进行故障复现， 结果表明半绝缘层上流过的电流是导致电缆表面温 度升高的主要原因， 拖缆拖头部位的故障与拖缆中部的故障有关。研究结果有助于理解类似型号高压承力拖缆故障的机理， 为工业电缆关于屏蔽层断裂， 半绝缘导线发热引发的二次故障提供了理论依据， 并对重型设备拖曳时拖曳缆工作状态、可能出现的故障， 以及针对性加强设计提供宝贵经验。
关键词：拖曳拖缆； 屏蔽铜带； 远端打火； 故障机理
Diagnosis and Mechanism Study on Ignition Fault of Semi Insulated Conductor of Trailing Cable Shield
Zhao Linjian， Guo Leilei， Hong Youcai
(Hangzhou Institute of Applied Acoustics, Hangzhou 310023, China)
Abstract: The drag power cable is composed of outer steel wire and internal cable, the external steel wire bears the tension load, and the internal cable conductor supplies power and transmits signals. In the complex marine towing environment, the insulation layer of the wire in the middle of the cable was punctured by the copper shielding layer, resulting in a short circuit. After continued use, a spark fault occurred at the remote wet end underwater towing head, and finally the towing cable formed two discontinuous faults. An in-depth analysis of the special fault phenomenon of ignition at the discontinuous position of the far end shielding layer was proposed . The analysis showed that the semi insulated wire under the shielding layer would overheat when the shielding layer was charged after the shielding copper strip was damaged . A simulation test was designed to reproduce the fault. The results show that the current flowing on the semi insulated layer is the main reason for the rise of the cable surface temperature, the failure of the streamer head is related to the failure of the middle of the streamer . The research is helpful to understanding the fault mechanism of similar types of high-voltage load-bearing streamers, and provides a theoretical basis for the secondary fault caused by the rupture of the shielding layer and the heating of the semi insulated conductor of industrial cables . It also provides valuable experience for the working state of towing cable, possible faults and targeted strengthening design when heavy equipment is towed .
Key words: towing streamers; shielding copper tape; remote ignition; failure mechanism
0 引言
高压传输电缆作为电力传输的关键设备， 其工程应用研究一直是一个重要的课题[1-2]。电缆中的半导电金属 屏蔽层对于电缆的安全运行起着重要作用， 是高压交直流电缆的重要组成部分， 起到消除电缆绝缘与导体/金属 屏蔽界面缺陷、均匀电场的作用[3]。金属屏蔽层一般通 过接地实现电缆本体的静电屏蔽， 同时流过电缆接地电流、短路电流等。同时为了防止高压导线之间的由于摩 擦等原因形成的静电而产生局部放电作用， 往往在导线之间也常常需要填充一些半绝缘层导线， 以防止局部放电的发生。而电缆常见的故障有机械损伤、绝缘损伤、 绝缘受潮、绝缘老化变质、过电压， 电缆过热故障等[4]。 其中关于机械损伤引起导线绝缘下降， 并与屏蔽层之间短路所引发的故障的分析[5]， 以及对屏蔽电缆转移阻抗的变化的研究[6] 文献较多。但屏蔽层之间短路后导致屏蔽层带电， 在远端屏蔽层不连续的位置， 半绝缘层因一定的导电性且具有一定的阻值， 形成电缆二次故障的位置， 该位置具有一定的隐蔽性， 在工程故障勘验中往往 出现盲点， 不易被发现。
海洋拖曳电缆作为一种特种电缆， 除了具有陆上高压电缆的特点外， 还需要起到承重、拖曳、信号监测等 作用， 其结构复杂， 既要满足通信要求， 又要保证电力 传输供给， 同时还起到类似钢丝拖曳时承重作用， 因此 其设计和制造难度较大[7]。其承力结构通常使用在护套 层外进行钢丝铠装或者在缆内编织芳纶/凯夫拉增加材 料， 前者钢丝铠装缆多用于拖曳重型设备， 需要较高承 力强度或者需要释放到较大深度[8]， 后者微重力缆多用 于小型设备拖曳， 类似声呐线阵或科考测量设备[9]。本 文中的拖曳设备为重型勘探设备， 使用的是钢丝铠装拖 缆， 且由于收放需要， 无法在缆上安装导流装置。
随着海洋产业的发展， 水下设备功能越来越多， 规模越来越大， 对海洋拖缆的要求越来越高。其中大承载力、大负荷的拖缆使用越来越普遍， 随之由拖缆引发的故障也越来越突出。
1 故障现象及诊断
本文探讨的典型钢丝铠装拖缆应用于某石油勘测项目， 使用拖缆低速拖曳大型勘探声源设备， 声源设备需 要大功率发射， 传输高压电。拖曳设备通过收放拖缆长 度实现一定范围的变深度。该石油勘探设备质量约 15 t， 铠装拖缆最外层为双层钢丝承受负荷， 直径约 60 mm， 内部共 40 根高压导线 (截面积 12 mm2)， 承担最大传输 电压 3 000 V， 允许最大电流 20 A。供电方式为周期性脉冲电压。其中绝缘护套材质为一种热塑性弹性体， 内部 导线和绝缘护套、以及导线和导线之间均采用铜屏蔽带 进行屏蔽隔离， 且导线之间有半绝缘导线来释放内部静电。拖缆截面如图 1 所示。
图 1 拖缆截面示意图 图 2 拖缆使用状态示意图
设备在某次使用过程中发现拖缆#5 芯线对地绝缘极低， 于是立即关闭#5 芯线对应的某设备。继续使用后， 多路芯线对应的设备报警， 故障扩大。于是进行故障勘 验， 故障分别处于 5 m 和 100 m 处的位置。其中在距离湿端100 m 处发现拖缆内部#5 和#17 芯线被屏蔽层刺穿，内部有少许碳化现象， 而在距离湿端 5 m 处拖头上端附近， 外护套两处烧穿点， 内部一圈芯线严重打火烧焦碳化。
2 故障机理研究
拖缆使用状态如图 2 所示， 拖曳负载为石油勘探设备， 限位口在收放过程中打开， 为石油勘探设备出入船体提供通道， 并在入水后关闭， 对拖缆起到低位约束 (限位) 支撑作用， 减小拖缆在转向装置处的摆荡， 防止跳缆。其中 100 m处拖缆故障点位于绞车位置， 而 5 m 故 障点位于拖缆与石油勘探设备的连接位置。
该拖缆的机械振动可分解为轴向振动、横向振动以及扭转振动。其中轴向振动主要由船舶升沉的牵连振动引起的； 横向振动主要由来流冲击以及导流效果不良造成的涡激振动； 扭转振动是由于拖曳负载受海水不平衡作用力所带来的牵连振动[10]。各种不同频率、不同振幅的外部激励共同形成一种极其复杂的振动环境。无论机械压力还是机械振动共同对拖缆内部形成一种随时间变化的综合应力， 这些综合应力一定程度上影响了拖缆的内部结构。以下将分别对机械振动以及机械压力对拖缆 的影响进行说明。
对水下垂直拖曳系统拖头部位受力分析可知， 拖缆受到以下几种作用力。
(1) 水流冲击作用力。由于勘探设备相对流速极 重， 在低速拖曳时钢丝裸缆以接近垂直的姿态角向前运动， 会出现典型的圆柱绕流现象及卡门涡街。如图 3 所 示， 进行简单 CFD 有限元仿真分析[11]， 6 节航速拖曳， 来流正面冲击拖缆， 拖缆柱体上生成顺流向及横流向周 期性变化的脉动压力。由于拖缆为柔性体， 该脉动压力将会引起拖缆的周期性振动， 这种规律性的振动反过来 又会改变其尾涡发生形态， 进而引发涡激振动， 因此交变的流水作用下拖缆发生横向受迫振动， 如图 4 所示。
( a ) 6 节航速拖缆周围流场的压力分布 (b) 6 节航速拖缆周围流场的流速大小分布
( c ) 6 节航速下拖缆单位长度 (d) 6 节航速下拖缆单位长度
正面水流冲击载荷 侧面水流冲击载荷
图 3 单位长度拖缆水流冲击载荷
图 4 拖缆受迫振动示意图
(2) 平台升沉作用力。由于船的升沉作用， 拖缆受到竖直向下的拉力， 根据海上测试数据 (图 5) 可知， 该力为周期性变化的拉力， 因此该力同样会导致拖缆发生竖直方向的受迫振动。
图 5 海上力传感器某次实测数据
由图 2 可知， 拖缆连接拖头，拖头连接拖体， 其中拖缆的刚度较小， 而拖头刚度远大于拖缆刚度。根据振动理论， 在受迫振动情况下， 而拖缆上的波形向由中间向两端传播过程中， 当波传递至拖头根部时， 遇到刚性极大的拖头，波形振幅减小，频率不变，因此能量在节 点处绝大部分被反射沿原路返回，但仍有一部分容易被 吸收[12]。因此拖头附近的铜带相对于中间的铜带吸收较多的能量， 根据疲劳损伤累积理论可知，当能量来不及耗散时，就会通过迫使材料晶界间发生错位来吸收一定的能量， 从而导致裂纹萌生。
对拖缆拖头进行解剖， 发现所有经过一段时间使用的拖缆拖头根部屏蔽层均发生很大程度的破碎， 且导致屏蔽层不连续， 而远离拖头部位的拖缆屏蔽层较完整， 如图 6~7 所示。
图 6 故障缆拖头部位屏蔽层状态
图 7 故障缆其他部位屏蔽层状态
为了分析拖头根部铜屏蔽层破碎引发的拖缆打火故障机理，该节将建立铜屏蔽层破碎前后的电路模型，更为直观地分析铜屏蔽层破碎与否对电缆温度分布的影响[13]。
(1) 当铜屏蔽层保持完整时， 拖缆剖面结构和等效 电路图如图 8 所示。拖缆中部屏蔽层刺破故障导线后， 导致 A 端的电流直接经过屏蔽层流回大地 (该电缆铜屏 蔽层电阻率略小于导线， 导线电阻率远小于半绝缘导 线)， 一般来说屏蔽层刺破位置存在一定的接触电阻， 相对电缆导线来说该处电阻较大，位置较集中，容易产生过 热现象。因此在 3 000 V、50 Hz 的交变电压作用下， 该位 置极易发生打火。结果最大的可能将导致局部严重击穿。
(a) 铜屏蔽层完整时拖缆内部结构剖面
(b) 铜屏蔽层完整时拖缆等效电路
图 8 铜屏蔽层完整时拖缆内部剖面结构及等效电路
(2) 当铜屏蔽层将导线刺穿时， 如图 9 ( a ) 所示， 故障导线与大地导通， 大地与 A 端及 B 端的电势的关系满足[14]：
式中： uAB 为 AB两点之间的电势差； φ 地 为大地的电势； φ A 为 A端电势； φ B 为 B端电势； u地B 为大地和 B 端之间的 电势差； uA地 为 A 端与大地之间的电势差。
uAB 是 0~3 000 V 的交流电， 因此 u地B 与 uA地不能同时恒为 0， 且根据图 9 (b) 所示的电路关系， A 端及 B 端必 然和大地之间存在一定的交变的电势差。当拖头屏蔽层破碎后不连续时， 电流从该位置的半绝缘层上流过， 由于半绝缘层电阻远大于接触电阻和导线电阻， 根据焦耳定律： P = I2 R 可知， 该处相对发热将较为严重[15]。
( a ) 铜屏蔽层局部破碎时拖缆内部结构剖面
(b) 铜屏蔽层局部破碎时拖缆等效电路
图 9 铜屏蔽层局部破碎时拖缆内部剖面结构及等效电路
当拖头附近铜屏蔽层完整发生破碎时， 即屏蔽层处 于非连续的状态下， 屏蔽刺穿导线， 电流先经过该位置， 然后会在破碎的屏蔽位置， 流经半绝缘导线， 再流入大地。刺破点的接触电阻相较于半绝缘导线的电阻小很多， 根据焦耳定律， 此时拖头附近的屏蔽破碎位置最容易发 生过热故障， 如图 10 所示。
图 10 拖缆拖头附近打火严重故障
综合上述分析可知：(1) 当拖头附近铜屏蔽层完整未发生破碎时，即屏蔽层连续的状态下，在屏蔽刺破点极易发生过热故障； (2)当拖头附近铜屏蔽层发生破碎时，即屏蔽层非连续的状态下，在拖头附近位置极易发生过热故障。但根据实际拖头解剖及理论分析可知该处屏蔽层发生了破碎，因此情形(2)是极易发生的。
4 试验验证
为验证上文的理论共进行了两类试验。
(1) 取 5 m 长该型号电缆， 一端将铜屏蔽层刺穿导 线，并根据电路等效原理，将原导线用电阻及电容进行等效， 电缆状态如图 11 所示。将负载用等效阻抗的假负载代替，采用原供电电压以及供电频率，在加压后，铜屏蔽 刺破位置发生过热冒烟起火现象， 其他位置未出现异常。
图 11 打火前电缆状态
图 12 故障复现实物
(2) 再次取 5 m 长该型号的电缆， 按照 (1) 中对电 路进行搭建， 一端将铜屏蔽层刺穿导线， 并将中间屏蔽层去除。开启控制开关， 中间被去除的铜屏蔽层位置很快发生打火故障， 即拖缆中间位置发生打火， 被撕裂的 半绝缘层发生过热起火， 从打火结果上来看， 与拖头附近故障无差异。如图 12 所示。
5 结束语
经过对拖缆故障现象、使用历程、故障机理等的分 析， 并经试验验证， 该型故障的原因已明确， 是拖缆表 面破损使屏蔽层短路带电， 进而导致不相邻的远端屏蔽 层碎片化较严重的地方 (拖头附近) 发热量急剧增大， 致使芯线绝缘层变软， 进而导致芯线绝缘层被铜带扎破， 引发芯线二次打火故障。该故障属于拖缆屏蔽结构、涡激振动、受迫振动及缆表皮偶发破损等多重因素叠加下的结果。在类似重型拖曳使用工况下， 应加强导流设计和减隔震设计， 减小涡激振动， 并在后续拖缆使用中， 加强对屏蔽层与芯线绝缘检查， 对屏蔽层带电情况的监测， 及时发现并避免类似故障。
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