海底電纜系統工程設計與實施

張 偉

(南方海上風電聯合開發有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引言

目前大多數海島仍依賴柴油發電機組供電，但隨著油價上漲和燃料運輸成本的增加，海島發電成本也隨之上升；并且海島與大陸電網沒有直接聯網，電網安全可靠性基礎脆弱，已經嚴重阻礙了海島居民的生產生活，并給海島經濟和旅游產業發展造成了重大困擾。為解決海島供電問題，海島聯網工程應運而生，通過構建智能微電網，充分結合海島的能源資源特點，緩解海島電力供應不足的現狀。以桂山海上風電場為基礎，在桂山島、東澳島與大萬山島三個海島之間建設海島聯網試驗示范工程(海島微電網)，采用智能微電網系統集成技術，實現微電網多種運行方式切換，不僅實現了向大電網提供調峰調頻、應急電源等輔助服務，還確保海島電力供應的連續性和可靠性。

海底電纜是實現海島微電網以及與大陸電網互聯的重要設備，由于海上運輸、自然條件變化和捕魚活動增加等因素，海底電纜的安全性一直面臨著挑戰，為保護海洋資源和海底電纜系統的穩定性和可靠性，合適的著陸點和海纜路徑的選擇至關重要，而選擇最佳的海纜路徑需要考慮多種因素，其中包括海纜長度、天氣和環境因素、路徑的可行性與建設成本以及地理結構的評估等。經過科學合理的選擇與調整優化后，海底電纜路徑不僅可以提高海底電纜系統的性能，還能降低對海洋生態環境破壞的影響。

1 項目概況

目前桂山島等海島已完成微電網構建，電源方面形成了以“風、光、柴、蓄”多種能源模式互補的獨立電力系統；電網架構方面形成島內10 kV 主干網架，滿足“N-1”的供電安全原則。

2 路徑選擇分析

海底電纜的布線方案主要考慮水文氣象條件、海底地形地貌、電纜長度、敷設成本、征海補償以及對周邊環境影響等因素，同時需避開海港、火山巖帶、陡峭的山坡、懸崖等危險區域，并避免在海谷、漁業作業區以及其他海底電纜或管道上進行交叉鋪設。此外，海底電纜與其他設施的距離，應嚴格遵守國家有關規定，設計路徑的地質應平坦且穩定，從而確保海底電纜的長期安全運行。

與傳統的架空線路相比，海底電纜價格昂貴，在路徑設計時應充分考慮長度因素，避免在施工過程中出現失誤，同時還需保證電纜一次性生產完成，中間沒有接頭。在設計電纜長度時，需要重點考慮以下幾個因素：一是敷設充裕度，一般按照路由長度的1 %考慮；二是航行偏差，按照路由長度的0.5 %考慮；三是海深影響，按照海深的50 %考慮。綜合這些因素的影響，方可設計出精準、合理的海底電纜長度方案，確保施工過程順利進行的同時也避免不必要的浪費和損失[1]。

3 海底電纜電壓等級及聯網方式

為了實現桂山海上風電場升壓站與桂山島、東澳島和大萬山島的聯網，考慮海洋環境因素和各島負荷容量需求，方案設計如下。

1) 220 kV 吉大站至桂山海上風電場升壓站雙回110 kV 三芯海纜(3×500 mm2)，長度約為21 km。

2) 海上風電場升壓站35 kV 單回三芯海纜(3×240 mm2)至桂山島，長度約12 km；35 kV單回三芯海纜(3×300 mm2)至東澳島，長度約13 km；東澳島35 kV 單回三芯海纜(3×70 mm2)至大萬山島，長度約10 km。

按照上述方案形成220 kV 吉大站至桂山海上風電場升壓站雙回，桂山海上風電場升壓站至桂山島一回、至東澳島一回，東澳島至大萬山島一回聯網線路。

通過接入風電場升壓站兩段35 kV 母線(采用單母線分段接線)，兩臺容量為110 MVA 的三相有載調壓型雙繞組變壓器進行升壓經海纜輸送至陸上220 kV 吉大站接入珠海電網，并采用雙回110 kV海底電纜線路接入220 kV 吉大站110 kV 側，單回輸送容量需滿足102 MVA，升壓站兩套110 kV GIS 均采用線變組接線。

4 海底電纜選型

據估算，桂山島、東澳島、大萬山島遠期負荷將分別達到13.9 MW、16.4 MW、6.0 MW。海島聯網輸送容量按滿足遠期各海島供電考慮，即輸送容量滿足島內電源不出力時海島最大負荷。根據聯網所需輸送容量和傳輸距離，聯網電壓等級較為合適的有35 kV、20 kV、10 kV 三種，對聯網電壓等級的選擇具體分析如下。

4.1 輸送負荷距離分析

對于中、短距離輸電線路而言，傳輸能力主要受到允許的電壓損失(一般限制在10 %以內)、功率和能量損耗的影響，與系統穩定關系不大。

4.2 輸電經濟性分析

各電壓等級海纜輸送能力見表1。

表1 不同海纜導線截面極限輸送能力 單位：MVA

以桂山島、東澳島、大萬山島分島聯網方式進行分析，至桂山島需輸送14.8 MVA (功率因數均按0.95 考慮)，至東澳島需輸送17.2 MVA，至大萬山島需輸送6.3 MVA。結合不同電壓等級海纜輸送容量，各電壓等級聯網建設規模及造價匡算見表2。

表2 各電壓等級聯網線路造價匡算

由表2 可知，不同電壓等級海纜相同導線截面電纜結構基本相同，單位造價差別較小。但是從輸送容量上看，電壓等級較高的海纜具有較大優勢，因此傳輸功率相同時可選擇較小截面的海纜。綜合造價比較分析，在相同聯網方案下，35 kV 電壓等級聯網可選擇較小的導線截面或較少的回路數，經濟性最優。

綜上所述，對于超過10 km 的中距離輸電，較高的電壓等級可以減小網損和壓降，提高線路的輸送容量。根據經濟匡算，35 kV 電壓等級在輸電經濟性上最優，因此聯網電壓等級選擇35 kV 較為合適。若風電場集電線選擇35 kV 電壓等級，聯網線路可直接接入風電場升壓站低壓側母線，若風電場集電線路選擇其他電壓等級，聯網線路可通過變壓后接入風電場升壓站低壓側母線。各海島預留了35 kV 變電站的建設用電，并設計如下方案。

1) 將各海島孤立電網升級到35 kV，并將其接入海上風電場升壓站低壓側，孤立電網通過風電場的外送線路和主系統聯網，進一步增強能源的使用效率。

2) 針對各海島的具體情況可分別將島嶼接入，或將近海的多個海島串聯接入，考慮到海島負荷特性及季節性比較明顯，全年最高負荷利用約在2 000 h，利用小時數較低。聯網前海島智能微電網建設使島內具備一定規模的電源，保障島內供電；聯網后計劃島內柴油機轉為備用，依靠可再生能源與外網輸電為海島供電。

3) 考慮海島負荷規模較小，海島聯網輸送容量按滿足遠期海島供電需求設計，島內電源作為重要負荷備用，當發生聯網線路故障時，可各自轉為獨立微電網運行，從而保障供電的可靠性，因此各海島按一回聯網線路考慮。

4.3 導線截面選擇

根據海纜廠家提供技術參數，35 kV 海底電纜導線截面選擇如下。

1) 桂山島聯網采用單回三芯海纜，導線截面3×240 mm2。

2) 東澳島聯網若采用分島聯網方式采用單回三芯海纜，導線截面3×240 mm2；若東澳島、大萬山島經一點接入聯網則采用單回三芯海纜，導線截面3×300 mm2。

3) 大萬山島若采用分島聯網方式，考慮到聯網距離較遠(23 km)，選擇導線截面3×95 mm2；若東澳島、大萬山島經一點接入聯網則選擇導線截面3×70 mm2。

4.4 海底電纜結構和選型

該工程110 kV 海底電纜采用ZS-YJQF41+OFC-64/110/3×500 三芯銅導體交聯聚乙烯絕緣復合光纖海底電力電纜，配套32 芯光纖；35 kV 聯島海纜采用HYJQF41-F-26/35-3×70/150/300/400 三芯交聯聚乙烯絕緣光纖復合海底電纜，配套24 芯光纖。在實際應用中，由于海島聯網工程對輸電電壓、負荷要求不高，選用光電復合海底電纜既輸送了電能，又滿足傳送電網調度自動化信號的通信需求。

5 海底電纜的敷設與保護

5.1 海底電纜敷設

海底電纜敷設方案選擇邊敷邊埋方式。該方式適合路徑較短、通航船舶較少、海況較好且海底地質條件較易實現電纜保護的情況。為了方便施工，海底電纜的敷設將從珠海陸地一側敷至海島側。由于季節影響，海底電纜的敷設應選擇無臺風活動的春季進行，這個季節水流速度不超過0.5 m/s，風速不超過10 m/s，天氣窗口條件相對穩定。

為高效安全地完成電纜運輸及敷設工作，采用海底電纜敷設船和敷設犁進行施工。敷設犁長約9 m，寬約4.2 m，重量18 t，水頭壓力1.6 MPa，能夠滿足海底電纜約3 m 的埋深要求。海底電纜敷設船配備四向側推系統，可精確定位，加上水下無人遙控潛水器(ROV)的精密配合，可有效控制海纜入水角與張力，保證海纜按設計坐標敷設，同時避開局部地形地質不良區。在敷設兩端近岸段，采用浮運法敷設，即在距離岸邊合適位置，釋放一定長度的海底電纜，然后使用浮枕將海底電纜浮在水面上，再由拖輪船牽引電纜頭至岸邊進行岸上段的牽引和安裝[2]。

5.2 海底電纜保護

由于珠海附近海面存在復雜的海洋開發和船舶通行情況，海底小沙坡以及大型船只緊急拋錨等危險因素也隨之而來，這些都對海纜的安全造成威脅，因此在海纜防護設計的過程中，必須考慮防范錨害、拖網等外力的沖擊破壞，并預防海流導致的海底電纜機械性損傷等。穩固海底電纜的防護措施必不可少，具體措施如下。

1) 施工前，應測量交越海底電纜的實際位置，獲取準確坐標，以提供安全可靠的交越基礎，并確保管線的正確埋設深度和走向；同時在原有管道和新敷設的電纜之間設置預制混凝土墊塊，保護原有管道，并隔離新敷設的電纜。為了確保施工安全，在交越點前后50 m 的站點應設立浮標，明確定位交越點的位置。采用跨越式交越法，先將埋深作業在交越前100 m 處停止，并起出埋設機，然后以拋放方式跨越交越點。在潛水員確認水下安全情況后，方可繼續后續的敷設和埋設作業。

2) 錨害是危害海底電纜的最大因素。為了防止錨害，在海纜的近海岸登陸段淺水區域，設置海底電纜防護區并在周圍設置禁錨標志，以提醒他人不得在該區域內作業；在海纜的登陸段，采用球墨鑄鐵套管進行保護，將海纜鋪設在預制混凝土槽內，再回填細沙，蓋上蓋板，保證埋設深度不低于1 m。對于海域其他區段則采用水下電纜埋設機器人進行沖埋保護。水下埋地機器人長為5.5 m、寬為4.1 m，重約23 t，在機器人前端配備有兩臺水壓泵，可提供0.5～1.5 MPa 的壓力，并配備兩把水刀，沖埋深度達到2 m；機器人后部再配置兩臺200 kW 小型水壓泵，用于維護溝壁穩定性和后續的施工工作。此外，機器人還配置聲吶和視頻監控系統，方便水下定位電纜。

6 海底電纜的監測

1) 海底電纜綜合監測系統[3]。通過抽取海底電纜復合光纖作為分布式監測的傳感元件，構建海底電纜綜合監測系統，實現對運行狀態實時在線監測。該方案利用光纖拉曼散射、布里淵散射和瑞利散射等原理，對溫度、應變和振動特性進行敏感反應分析，實現對海底電纜運行溫度、應變狀態和振動事件的分布式綜合監測。同時，在110 kV 吉桂甲線、110 kV 吉桂乙線、35 kV 海桂線、35 kV 海東線、35 kV 海大線五回線路安裝海纜綜合監測系統、海纜綜合監控平臺軟件及服務器等設備，并設置在220 kV 吉大站集控中心內，實現對海底電纜運行狀態的實時監測。因此，通過海底電纜綜合監測，不僅降低了電纜故障和停電事故的發生率，且保證了海底電纜的安全穩定運行。

2) 海纜溫度應力監測。由于海底環境極為惡劣，電纜容易出現破損、絕緣劣化等問題，這些問題往往會導致故障點出現，并在嚴重情況下造成電氣故障，尤其在海纜被船錨拖拉時，會發生相關應力的變化。通過對海底電纜進行應變和溫度的分布式測量，可節約大量維護和運行成本，減少海纜故障停電帶來的損失。

3) 海纜擾動監測。采用光纖傳感技術結合海底電纜的復合光纖作為分布式傳感元件，實現海底電纜擾動監測，光纖傳感技術對海底電纜的擾動具有很高的測量靈敏度，是監測海底電纜船舶肇事的有效技術手段。

4) AIS 船舶識別預警。當海面有對海底電纜運行造成威脅的可疑船舶進入海底電纜警戒區時，AIS 系統就會立即監測并聯動聲光實施高音廣播勸離驅逐。

7 結束語

海島聯網工程示范項目的投入使用，為海底電纜線路的設計、施工積累了一定的經驗，在聯網技術、電纜技術不斷發展的趨勢下，新的技術和產品不斷應用，對于提升海底電纜的安全穩定性以及設計施工的便利性具有更好的促進作用。