無人機(jī)精準(zhǔn)海水取樣裝置在海底電纜溢油排查中的研究

蔡 勇，朱 陽，蘆 海，梁 健，賀敏恒

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局?？诜志?，海南 海口 570100）

0 引言

中國是世界第一大能源生產(chǎn)國，國家能源局已于《風(fēng)力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出：到2020 年底，風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到2.1 億kW 以上，其中海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到500 萬kW以上。由此可見，海上風(fēng)電是未來電力發(fā)展的重要趨勢，而海底電纜也成為海上電力運輸?shù)闹匾ǖ?。目前，海底電纜輸電工程主要建設(shè)應(yīng)用于各國電力跨海域互聯(lián)、區(qū)域電網(wǎng)跨海峽互聯(lián)、向海洋孤島及海上石油鉆井平臺供電、輸送海上可再生能源發(fā)電并網(wǎng)，對保障區(qū)域性電力供應(yīng)安全性、可靠性、靈活性有著重要意義。

1 海底電纜在跨海域輸電中的重要作用

海底電纜（以下簡稱海纜）是各國跨海域聯(lián)網(wǎng)輸電工程的重要組成部分，在實現(xiàn)電網(wǎng)國際化、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)程中起著重要的作用[1]。近年來，隨著國內(nèi)外輸變電技術(shù)的發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)一體化、能源優(yōu)化配置、環(huán)境影響減少等因素的推進(jìn)下，跨海域輸電技術(shù)、海底電纜制造技術(shù)、海底電纜工程不斷發(fā)展。其中，海底電纜工程的建設(shè)主要受地域建設(shè)條件、海洋工程條件和施工設(shè)備等條件限制，其涉及技術(shù)領(lǐng)域廣泛、投資規(guī)模大、施工技術(shù)復(fù)雜。

海纜敷設(shè)的保護(hù)措施包括海纜近岸段套管、深海沖埋、拋石保護(hù)、定點加固等防護(hù)施工。其中大跨越海域輸電使用500 kV 及以上交直流電力輸送，一般充油式電纜可敷設(shè)在水深500 m 的海域里，所灌注在海纜中心的油為絕緣油，主要起到絕緣及降溫的作用；海纜兩側(cè)的油泵站系統(tǒng)對海纜起到了保障作用，在海纜受到外力破壞導(dǎo)致鎧裝層破損后，可以避免海水進(jìn)入海纜引起的海纜內(nèi)部損壞[2]。

2 國內(nèi)外海底電纜事故案例及故障原因分析

2014 年 1 月 6 日，美國 280 號駁船 （Barge B.No.280）在被拖輪Ellen S.Bouchard 拖帶過程中下錨，不慎將紐約州電力管理局所擁有和運營的位于長島海灣的海底電纜割斷。電纜中用作潤滑劑和冷卻劑的絕緣油（一種烴類油）滲漏出來，多達(dá)數(shù)千加侖。

自1993 年開發(fā)以來，我國埕島油田逐漸發(fā)展成年產(chǎn)300 萬t 級的大油田，電網(wǎng)不斷壯大，發(fā)生過多次電網(wǎng)事故，近幾年則以海底電纜事故最頻繁。據(jù)統(tǒng)計，2003 年底以來，海上電網(wǎng)共計19 條海底電纜出現(xiàn)事故。

通過分析近幾年海纜事故存在的一些風(fēng)險，可統(tǒng)計事故原因主要分兩類：①地質(zhì)原因。由于海底洋流、地形等變化，在波浪海流作用下，海底土體發(fā)生破壞，對海底設(shè)施造成間接影響，如傾斜、位移、懸空、沉陷、巖石長時間摩擦等。②機(jī)械原因。機(jī)械原因主要是指海底電纜受強(qiáng)外力拽拉、碰撞等損傷，其中船舶拋錨起錨損傷電纜是指船舶拋錨時掛到海底電纜，起錨時由于操作人員不嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行起錨操作，導(dǎo)致海底電纜損傷[3]。以上所分析的海纜損傷可分為輕度損傷和斷面重度損傷，都可能會造成海纜絕緣油溢出或泄露。高壓海纜埋深水域一般在幾十米至上百米的海域中，絕緣介質(zhì)（油）一旦泄露，在洋流、潮汐及擴(kuò)散形態(tài)的影響下，尋找故障點的難度將會大幅提升。

3 海底電纜溢油排查方法及作業(yè)條件

3.1 海面拉網(wǎng)式專項排查

根據(jù)海纜路由保護(hù)區(qū)經(jīng)緯度坐標(biāo)提示，在滿足海面風(fēng)力小于6 級，能見度、流速、涌浪海況條件符合海水取樣作業(yè)的條件下，可以使用多艘小型船只進(jìn)行海面協(xié)同取水作業(yè)，對路由保護(hù)區(qū)內(nèi)海域海水進(jìn)行網(wǎng)格式分段采樣（圖1），通過檢測分析得知具體坐標(biāo)網(wǎng)格內(nèi)海域是否有絕緣油介質(zhì)漂浮于海面上方，從而確定大致海纜溢油或泄露區(qū)域。發(fā)現(xiàn)絕緣油介質(zhì)元素后，深水區(qū)域內(nèi)可使用水下機(jī)器人進(jìn)行深水域水下拍照排查，淺水區(qū)域內(nèi)可選擇潛水蛙人使用相機(jī)進(jìn)行拍照排查[4]。

圖1 現(xiàn)場施工作業(yè)范圍

3.2 海上取樣船舶及人員配置

海水取樣需大船1 艘，租金約3000 元/d，配置人員 3～5 人；小型船只 7 艘，租金 1000 元/d，配置人員1～2 人。每天船只租賃費用約1 萬元，人員、資金成本投入大，費用消耗高。

3.3 作業(yè)條件

作業(yè)前，應(yīng)確保人員和船只安全滿足以下條件時方可開展工作：①海面平均風(fēng)力≤4 級（陣風(fēng)＜6級）。②能見度≥1000 m，無大霧及雨水天氣。③海上浪高≤0.6 m。④流速≤2.5 節(jié)。

3.4 存在的問題

（1）海上作業(yè)條件隨季節(jié)、潮汐等變化，滿足作業(yè)條件海況較少。

（2）多艘小型船只進(jìn)行海面協(xié)同取水作業(yè)時，取水過程中存在近距離船只碰撞導(dǎo)致人員落水的風(fēng)險。

（3）使用手機(jī)全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）通過經(jīng)緯度定位開展作業(yè)，存在定位誤差大的情況。

（4）存在人力、物力、財力投入成本大的情況。

（5）小型船只多為柴油驅(qū)動，在行駛過程中會出現(xiàn)船只油品混入海域造成取水人員誤判的問題。

4 無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，其在航拍測繪、警用執(zhí)法、電力巡查、油氣巡檢、施工管理和應(yīng)急處置等多個領(lǐng)域得到迅速拓展應(yīng)用，結(jié)合多旋翼無人機(jī)的自身優(yōu)勢特點，將基于大疆M300 RTK 無人機(jī)研發(fā)的多旋翼無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置（以下簡稱無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置）用于海纜溢油排查。

4.1 無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置組成

無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置由大疆M300 RTK無人機(jī)及快拆定位取水裝置（圖2）兩個部分組成，基于大疆M300 RTK 無人機(jī)優(yōu)異的通信鏈路，可達(dá)到15 km 視頻回傳及控制距離。快拆定位取水裝置采用了鋁合金加工與尼龍纖維結(jié)構(gòu)搭配，滿足了高強(qiáng)度、輕量化設(shè)計，其散熱性能良好，作業(yè)效率高[5]。同時該裝置設(shè)計采用快拆結(jié)構(gòu)、分體設(shè)計，合理的中心分布減少了取水裝置電機(jī)的轉(zhuǎn)速差異，提高了作業(yè)穩(wěn)定性，該快拆定位取水裝置具體性能參數(shù)如表1 所示。

圖2 快拆定位取水裝置

表1 快拆定位取水裝置具體性能參數(shù)

4.2 快拆定位取水裝置功能

（1）無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置基于大疆M300 RTK 無人機(jī)平臺開發(fā)，直接通過大疆遙控器的Pilot 軟件操作控制，避免了第三方控制器遙控及圖傳信號差異的問題。

（2）控制器通過大疆的 SkyPort 接口接入M300 RTK 無人機(jī)，可以提供取水器控制和視頻畫面實時回傳遙控器顯示，控制器上面瞄準(zhǔn)鏡的使用既可以為取水位置提供依據(jù)，又可以免除大疆的前置云臺相機(jī)，增加飛機(jī)的有效載重量，有效取水高度為10～15 m。

（3）自帶1080p 相機(jī)，免除前置云臺相機(jī)，增加飛機(jī)有效負(fù)載重量，取水容量為700 mL。

（4）多種保護(hù)功能：兩端限位保護(hù)、過載保護(hù)、過熱保護(hù)。

（5）可以精確控制收放速度可調(diào)、下降高度。

（6）可以根據(jù)海域經(jīng)緯度坐標(biāo)制作KML 航線，對指定區(qū)域海域進(jìn)行精準(zhǔn)GPS 位置定點、定深取水。

（7）具備收放線多種模式精準(zhǔn)取水功能：0.5 m放線、1 m 放線、實時控制放線、一鍵收線等。

4.3 無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置與常規(guī)船舶取樣對比

無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置與常規(guī)船舶取樣的作業(yè)方式對比如表2 所示。

表2 作業(yè)方式對比

4.4 無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置在海水取樣作業(yè)中的優(yōu)勢

（1）結(jié)合大疆M300 RTK 多旋翼無人機(jī)強(qiáng)勁動力掛載快拆采樣器實現(xiàn)高精度厘米級精準(zhǔn)定位采樣。

（2）提高采樣效率，避免人員采樣的安全隱患，避免船舶采樣的碰撞風(fēng)險。

（3）機(jī)動能力強(qiáng)，不受地形影響，作業(yè)半徑大，一臺作業(yè)飛機(jī)可滿足30 km 作業(yè)直徑，一塊飛行電池可完成3～4 次采樣任務(wù)，提高作業(yè)效率。

5 結(jié)語

本文對海底電纜在電力跨海域互聯(lián)、區(qū)域電網(wǎng)跨海峽互聯(lián)等工程用途中進(jìn)行闡述，并針對高電壓、長距離、大容量充油式海底電纜在溢油排查中，海上常規(guī)取水作業(yè)的限制條件、人力資金投入及風(fēng)險點進(jìn)行了分析；同時對多旋翼無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置在海上取水作業(yè)中較常規(guī)作業(yè)方式進(jìn)行了對比，獲得了較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果，說明多旋翼無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置在海纜溢油排查作業(yè)中有著較高的準(zhǔn)確性及便利性，可降低資金投入成本，并且提高了作業(yè)效率，規(guī)避了作業(yè)風(fēng)險。因此多旋翼無人機(jī)精準(zhǔn)定位海水取樣裝置應(yīng)用于海底電纜溢油排查取樣必將成為重要發(fā)展方向。