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眾所周知，集電線路海纜和送出海纜是海上風(fēng)電場的重要組成部分，不但承擔(dān)著將電量匯集并輸送至岸上的職責(zé)，更是海上升壓站、海上風(fēng)機自用電的第一道保障，其可靠性對整個海上風(fēng)電場安全運行的重要性不言而喻。
海纜故障風(fēng)險是整個海上風(fēng)電場風(fēng)險評估中不可回避的問題。雖然，以往的運行經(jīng)驗得到的結(jié)論是海纜幾乎沒有自發(fā)的電氣故障，但海纜附件故障（例如終端安裝不當(dāng)、接頭未處理好等）或外力因素（錨害、暴力施工等）造成的損傷則是不可忽略的潛在威脅。
在【秒懂系列】海上風(fēng)電集電線拓撲大全中，我們曾給大家介紹了一種“環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)”的集電線路，這種在歐洲不少海上風(fēng)場中應(yīng)用的集電線路型式，就是考慮了足夠的冗余度，以防止海纜故障造成較大的發(fā)電量損失。當(dāng)然，這種集電線路也大大增加了投資成本。
那么，如何權(quán)衡海纜故障損失與投資成本呢？換言之——
如何來評估海上風(fēng)電集電線路故障的影響？
如何在發(fā)電量計算過程中使用可信度高的海纜可利用率呢？
來看一下歐洲同行們是如何做的吧。
海纜故障導(dǎo)致的發(fā)電量損失估算
目前，歐洲海上風(fēng)電集電線路系統(tǒng)電壓等級普遍采用66kV，考慮高壓海纜（≥60kV）故障原因分為內(nèi)部原因和外部原因，對故障導(dǎo)致的發(fā)電量損失可按下述方法進行估算：
1）內(nèi)部原因?qū)е鹿收希↖nternal Origin Failures）
在“CigreTB379 - 2009: Update of Service Experience of HV Underground and SubmarineCable Systems”（國際大電網(wǎng)會議文件）統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行估算。
由于CigreTB379中未能統(tǒng)計到交聯(lián)聚乙烯海上交流電纜的故障次數(shù)，故選用陸上交流電纜內(nèi)部原因?qū)е鹿收系慕y(tǒng)計數(shù)據(jù)，即回路故障次數(shù)0.03次/(年·100回路km)，終端故障次數(shù)0.007次/(年·100個)，中間接頭故障次數(shù)0.005次/(年·100個)。
因此，單位回路km的海纜故障次數(shù)可由下式計算（無中間接頭）：
2）外部原因?qū)е鹿收希‥xternal Origin Failures）
外部原因主要包括墜落物、緊急落錨或拖拽、漁業(yè)活動三種外部原因，其中：
① 墜落物：當(dāng)在船只和風(fēng)機或升壓站之間進行吊運物品過程中，考慮物品意外掉落墜海并損傷海纜。由于缺乏僅針對海上風(fēng)電的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，故采用“OTO 95 959–An examination of the number and frequency of seriousped object and swinging load incidents involving cranes and lifting deviceson offshore installations for the period 1981-1992”歐洲海上油氣工業(yè)的相關(guān)統(tǒng)計進行計算。
根據(jù)統(tǒng)計1981至1992年間，所有海上吊運物品的作業(yè)有1777次，其中發(fā)生與物品墜海相關(guān)嚴重事故次數(shù)為56次，由此計算其事故率為3.15%。
② 緊急落錨和落錨拖拽：考慮航行在風(fēng)場區(qū)域內(nèi)的船只在緊急情況下落錨或拖拽錨的發(fā)生概率（一般小于10-6），對于限制航行的風(fēng)場區(qū)域內(nèi)幾乎忽略不計。
③ 漁業(yè)活動：考慮拖網(wǎng)捕魚對淺敷海纜的損害，可通過預(yù)測漁具潛入海床的深度（0.1-0.3米），從而加深海纜敷設(shè)深度來避免影響；其他捕魚方式對保護或埋設(shè)好的電纜影響較小，可不考慮。
3) 集電線路海纜故障損失分析
當(dāng)集電線路海纜故障發(fā)生后，海纜維修所帶來的發(fā)電量損失將以可利用率系數(shù)的形式體現(xiàn)在風(fēng)場實際發(fā)電量計算中。故對此系數(shù)進行的計算如下：
故障維修時長估算：
需考慮海纜故障發(fā)生后，從診斷、故障定位、維修到最后復(fù)位的全過程時間估算。下表以歐洲某海上風(fēng)電場的預(yù)測為例，理想狀況下需要66天。
發(fā)電量損失估算：
考慮故障發(fā)生原因及位置的所有可能場景，計算發(fā)生導(dǎo)致1臺至n臺風(fēng)機無法發(fā)電的電量損失及其概率。
4）算例（敲黑板）
假設(shè)某海上風(fēng)電場總裝機容量300MW，年均等效利用小時數(shù)3300h，配置50臺6MW風(fēng)機，集電線路采用35kV普通鏈式結(jié)構(gòu)，每4-5臺風(fēng)機組成一組風(fēng)機組串，共12組，海纜總長度為75km。
內(nèi)部原因?qū)е鹿收洗螖?shù)（不考慮設(shè)電纜中間接頭）：
外部原因?qū)е鹿收下蚀螖?shù)：
假設(shè)對海上升壓平臺的吊運物品作業(yè)次數(shù)為6次/年，吊運路徑經(jīng)過集電線路海纜上方的概率為1/10。則可計算得到海上升壓平臺的吊運物品墜海事故發(fā)生并導(dǎo)致海纜的次數(shù)為
對風(fēng)機相關(guān)的設(shè)備運輸作業(yè)，考慮采用專用登陸設(shè)備（walk to work system），則可不考慮因吊運而發(fā)生的事故。
故障維修時長估算：
為保守考慮，取90天維修時間。
發(fā)電量損失估算：
故障導(dǎo)致1臺風(fēng)機停機90天所損失的發(fā)電量為4882.2MWh，每段海纜內(nèi)部按等概率考慮，不考慮同時2段以上海纜發(fā)生故障。
綜合以上海纜事故發(fā)生率和每次發(fā)生事故造成的發(fā)電損失，因海纜故障導(dǎo)致的發(fā)電量損失可估算為936.66MWh/年，占風(fēng)場總發(fā)電量的0.095%。
海纜故障風(fēng)險是整個海上風(fēng)電場風(fēng)險評估中不可回避的問題。雖然，以往的運行經(jīng)驗得到的結(jié)論是海纜幾乎沒有自發(fā)的電氣故障，但海纜附件故障（例如終端安裝不當(dāng)、接頭未處理好等）或外力因素（錨害、暴力施工等）造成的損傷則是不可忽略的潛在威脅。
在【秒懂系列】海上風(fēng)電集電線拓撲大全中，我們曾給大家介紹了一種“環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)”的集電線路，這種在歐洲不少海上風(fēng)場中應(yīng)用的集電線路型式，就是考慮了足夠的冗余度，以防止海纜故障造成較大的發(fā)電量損失。當(dāng)然，這種集電線路也大大增加了投資成本。
那么，如何權(quán)衡海纜故障損失與投資成本呢？換言之——
如何來評估海上風(fēng)電集電線路故障的影響？
如何在發(fā)電量計算過程中使用可信度高的海纜可利用率呢？
來看一下歐洲同行們是如何做的吧。
海纜故障導(dǎo)致的發(fā)電量損失估算
目前，歐洲海上風(fēng)電集電線路系統(tǒng)電壓等級普遍采用66kV，考慮高壓海纜（≥60kV）故障原因分為內(nèi)部原因和外部原因，對故障導(dǎo)致的發(fā)電量損失可按下述方法進行估算：
1）內(nèi)部原因?qū)е鹿收希↖nternal Origin Failures）
在“CigreTB379 - 2009: Update of Service Experience of HV Underground and SubmarineCable Systems”（國際大電網(wǎng)會議文件）統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行估算。
由于CigreTB379中未能統(tǒng)計到交聯(lián)聚乙烯海上交流電纜的故障次數(shù)，故選用陸上交流電纜內(nèi)部原因?qū)е鹿收系慕y(tǒng)計數(shù)據(jù)，即回路故障次數(shù)0.03次/(年·100回路km)，終端故障次數(shù)0.007次/(年·100個)，中間接頭故障次數(shù)0.005次/(年·100個)。
因此，單位回路km的海纜故障次數(shù)可由下式計算（無中間接頭）：
2）外部原因?qū)е鹿收希‥xternal Origin Failures）
外部原因主要包括墜落物、緊急落錨或拖拽、漁業(yè)活動三種外部原因，其中：
① 墜落物：當(dāng)在船只和風(fēng)機或升壓站之間進行吊運物品過程中，考慮物品意外掉落墜海并損傷海纜。由于缺乏僅針對海上風(fēng)電的事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，故采用“OTO 95 959–An examination of the number and frequency of seriousped object and swinging load incidents involving cranes and lifting deviceson offshore installations for the period 1981-1992”歐洲海上油氣工業(yè)的相關(guān)統(tǒng)計進行計算。
根據(jù)統(tǒng)計1981至1992年間，所有海上吊運物品的作業(yè)有1777次，其中發(fā)生與物品墜海相關(guān)嚴重事故次數(shù)為56次，由此計算其事故率為3.15%。
② 緊急落錨和落錨拖拽：考慮航行在風(fēng)場區(qū)域內(nèi)的船只在緊急情況下落錨或拖拽錨的發(fā)生概率（一般小于10-6），對于限制航行的風(fēng)場區(qū)域內(nèi)幾乎忽略不計。
③ 漁業(yè)活動：考慮拖網(wǎng)捕魚對淺敷海纜的損害，可通過預(yù)測漁具潛入海床的深度（0.1-0.3米），從而加深海纜敷設(shè)深度來避免影響；其他捕魚方式對保護或埋設(shè)好的電纜影響較小，可不考慮。
3) 集電線路海纜故障損失分析
當(dāng)集電線路海纜故障發(fā)生后，海纜維修所帶來的發(fā)電量損失將以可利用率系數(shù)的形式體現(xiàn)在風(fēng)場實際發(fā)電量計算中。故對此系數(shù)進行的計算如下：
故障維修時長估算：
需考慮海纜故障發(fā)生后，從診斷、故障定位、維修到最后復(fù)位的全過程時間估算。下表以歐洲某海上風(fēng)電場的預(yù)測為例，理想狀況下需要66天。
發(fā)電量損失估算：
考慮故障發(fā)生原因及位置的所有可能場景，計算發(fā)生導(dǎo)致1臺至n臺風(fēng)機無法發(fā)電的電量損失及其概率。
4）算例（敲黑板）
假設(shè)某海上風(fēng)電場總裝機容量300MW，年均等效利用小時數(shù)3300h，配置50臺6MW風(fēng)機，集電線路采用35kV普通鏈式結(jié)構(gòu)，每4-5臺風(fēng)機組成一組風(fēng)機組串，共12組，海纜總長度為75km。
內(nèi)部原因?qū)е鹿收洗螖?shù)（不考慮設(shè)電纜中間接頭）：
外部原因?qū)е鹿收下蚀螖?shù)：
假設(shè)對海上升壓平臺的吊運物品作業(yè)次數(shù)為6次/年，吊運路徑經(jīng)過集電線路海纜上方的概率為1/10。則可計算得到海上升壓平臺的吊運物品墜海事故發(fā)生并導(dǎo)致海纜的次數(shù)為
對風(fēng)機相關(guān)的設(shè)備運輸作業(yè)，考慮采用專用登陸設(shè)備（walk to work system），則可不考慮因吊運而發(fā)生的事故。
故障維修時長估算：
為保守考慮，取90天維修時間。
發(fā)電量損失估算：
故障導(dǎo)致1臺風(fēng)機停機90天所損失的發(fā)電量為4882.2MWh，每段海纜內(nèi)部按等概率考慮，不考慮同時2段以上海纜發(fā)生故障。
綜合以上海纜事故發(fā)生率和每次發(fā)生事故造成的發(fā)電損失，因海纜故障導(dǎo)致的發(fā)電量損失可估算為936.66MWh/年，占風(fēng)場總發(fā)電量的0.095%。
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