海上風電場35 kV海底電纜敷設施工技術

焦永飛，孟 金，潘良偉，張 強，庫 猛

(1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122； 3. 浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

我國海岸線綿長，海域面積廣闊，海上可利用的風能資源非常豐富[1]。隨著海上風力發電技術的日益成熟，海上風電開發方興未艾，預計2030年中國風電累計裝機容量達到8.24億kW左右[2]。海上風電場建設逐漸向遠海域發展，風電場中各個風力發電機組所發的電力，需要經過35 kV海纜統一匯集到海上升壓站平臺，將電壓提升至220 kV后，再送往陸上集控中心，并入當地電網[3-4]。因此，海底電纜是海上風電場建設的關鍵組成部分，是電能輸送的重要通道，研究海底電纜敷設施工技術具有重要的工程意義[4-6]。

海底電纜的敷設方式有拋放和深埋2種，拋放指海纜受自重沉入海底，該方法工藝簡便，但是在海水深度較淺的海域，海纜很容易受到人類活動的影響而發生損毀[7]。海纜深埋方法是通過埋設設備將海纜埋置于海床土體內，這樣可避免海底電纜受到外部環境的影響，有效保護海纜[8-9]。目前，對于海水深度較淺的區域一般采用埋設的方式敷設電纜，深水海域可采用拋放方式。

為解決海纜埋設施工敷設過程中面臨的海纜扭曲打彎及轉彎過急損壞海纜等問題，本文以大連市某海上風電場Ⅳ1項目為研究背景，開展海上風電場35 kV海底電纜敷設施工技術研究，研究海纜從海上升壓站至海上風電機平臺的埋設敷設關鍵施工技術、工藝特點以及工序流程，相關技術可為海底電纜敷設施工提供參考。

1 海纜敷設設備

大連市某海上風電Ⅳ1場址中心離岸距約35.2 km，水深約26～34 m，場區面積約為55.8 km2，風電機組的裝機規模約為350 MW。海纜敷設工作范圍是風電場全部35 kV海纜的施工，35 kV海纜總長112 km，主要工作包括：海纜廠家接纜、海纜運輸、現場敷設施工、登陸風機及海上升壓站、錨固施工、海纜耐壓試驗、配合廠家完成施工過程及竣工時光纖測試工作。場區離岸距離較近，采用埋設方式對海纜進行敷設，以保證海纜的穩定性和安全性。海上風電場布置與位置示意圖，如圖1所示。

圖1 風場場址位置示意圖

海纜敷設工程中關鍵的設備為海纜施工船舶以及海底埋設犁。海纜施工船舶發揮著海纜的運輸，儲纜池、過纜橋架等設備的裝載以及布纜的作用。埋設犁通過受到海纜施工船舶的牽引，開挖海床土體，并將電纜放置于海底溝槽內。

1.1 海纜施工船舶

風電場區的海纜敷設船舶以京潤206號工程船為主，如圖2所示。京潤206船長69 m，船寬19.51 m，型深4.27 m，載重量約3 000 t，可裝載較大數量、不同規格的海纜，減少往返調遣的時間，確保施工進度。京潤206適用于75～500 mm直徑的電纜鋪設，用于鋪設35 kV的海底電纜較為合適。鋪纜船配備潛水探查、攝像設備，可每10 m進行準確打點定位，誤差控制在1 m以內，鋪設精度可控制在5 m以內。

船舶牽引電纜敷設時，當船速過快或速度不均時，容易造成整根電纜的張力都集中在牽引頭上，尤其在電纜長、路徑轉彎多、環境復雜時電纜越拉越重，易出現端頭破損，沿線電纜外皮掛裂等損傷。而京潤206號保證船舶能夠在勻速、低速工況下安全施工，能夠滿足35 kV海纜的敷設要求。

圖2 京潤206鋪纜船圖

1.2 埋設犁

電纜敷設采用的埋設犁如圖3所示，埋設犁鋪纜速度0.5～10 m/s，破土強度可達到130 kPa以上，作業水深可達50 m，最大埋設深度4.5 m，適用于75～500 mm直徑的海纜。埋設犁裝有聲吶、牽引力傳感器、犁刀傾角儀器、整體傾角儀、導纜籠等電子和機械輔助，通過這些設備可以實時監測埋設犁姿態、牽引力、電纜埋深等。

圖3 埋設犁現場示意圖

2 海底電纜敷設施工關鍵技術

海纜敷設主要包含前期準備工作、海纜路由正常敷設以及海纜終端登陸施工三個主要步驟。施工工序流程圖如圖4所示。

2.1 海纜敷設前期準備工作

海纜敷設施工前期準備主要包括：施工路由控制點復核、清障掃海以及現場海試。施工路由控制點復核要求對工程中所有的控制點進行復測核對。清障掃海時，以設計路由為掃海中線，掃海重點是海纜路由兩

圖4 施工工序流程圖

側10 m范圍。路由區域掃海采用專用掃海錨，在海纜施工路由上反復拖帶，以清除海底障礙物，掃海現場圖，如圖5所示。此外，在京潤206鋪纜船裝纜后，對鋪纜工作相關的施工設備進行試驗，確保設備正常運行。

圖5 掃海現場圖

2.2 海纜路由正常敷設

海纜起始端甩纜或導管架抽拉結束以后，根據現場地質情況投放埋設犁開始埋設作業，電纜埋深按3.0 m控制。敷設時施工船依靠水力埋設機的開溝犁挖溝后敷設，敷設過程通過船上監測儀器全程監控，控制鋪埋速度，監測電纜張力和埋設深度。

2.2.1 埋設犁投放

海纜放入埋設犁內后，采用吊車將埋設犁緩緩吊入水中，擱置在海床面上，如圖6所示。電纜敷設過程中，需按照相應流程進行作業：起吊埋設犁，將海纜置于埋設犁內部，隨后將埋設犁放入水中，置于埋設犁的電纜的入水角度控制在45°～60°，以保證電纜彎曲半徑符合要求。開啟水泵，移動船舶同時放出電纜，將埋設犁緩緩放置到海床上，并啟動埋深監測系統，開始牽引敷埋作業。

圖6 埋設示意圖

在埋設犁牽引過程中，需要注意隨著水深的不斷加深，根據埋設犁的姿態及傾角參數情況及時增加釋放埋設犁牽引纜的長度，確保埋設犁姿態平穩，不“抬頭”。

2.2.2 埋深調節與控制

海纜埋設施工，采用非自航船絞纜，方便保持勻速前進，也可以使船舶的穩定性增加，避免變速引起海纜張力增大或者由于海纜敷設余量過多而打扭。此外，海纜通過導纜籠導入水下埋設犁腹部，水下海纜受到導纜籠的保護，可保障海纜的安全。

埋設犁的埋設速度由船舶敷纜速度來決定，敷埋速度一般控制在2～4 m/min。海纜在敷設過程中，可以通過對牽引速度、水泵壓力、牽引力以及埋設犁姿態的調整，來控制海纜的埋設深度。本工程“瑞安330”采用水下泵，壓力均可達2 MPa以上，確保電纜的埋設深度能達到設計要求。

2.2.3 路由轉彎位置處理

在電纜鋪設時，鋪纜船轉彎過急會減小電纜的彎曲半徑，纜線變形扭曲嚴重，引起材料損傷。路由轉彎處敷設電纜時，鋪纜船各錨翻錨時的錨點需要提前設定。施工船舶需要通過定位錨調整船位，沿著與拐彎點相切的圓弧切線，走多段直線進行海纜的敷設，保證海纜符合彎曲半徑的要求。此外，為了進一步降低纜線在轉彎區域敷設的損傷風險，施工船進入轉彎區域時降低船速，并在埋設犁到達轉向點前10 m左右施工船開始轉向，每次2°～3°，逐步到達新的路由。

2.3 海纜終端登陸

海底電纜登陸風機平臺時，需要穿過樁身下方的開孔，如圖7所示。“京潤206”鋪設至風機，測量船舶與平臺的距離、水深和平臺高度以及電纜余量，計算出所需長度，確定切割位置。

登陸風機所需的海纜長度以及安裝彎曲限制器的海纜長度計算后，通過布纜機，將海纜放入水中，綁扎輪胎，保證海纜漂浮于海面之上，使用錨艇輔助，使其形成“Ω”型，防止海纜扭曲變形，若海纜規格較小，相

圖7 海底電纜登錄風機平臺

對重量較輕，也可以采用在甲板上盤大“8”字的方式放出余纜。計算好電纜登陸風機平臺需要的長度之后，通過使用電砂輪將海纜切斷，并做好海底電纜頭的絕緣和水密保護，綁扎好海底電纜端頭，隨后將電纜拉入電纜保護系統，直到可見電纜端頭，如圖8所示。

圖8 電纜拉入保護系統示意圖

電纜端頭與牽引頭尾端連接，電纜向后拉，直到牽引頭安全的固定在電纜保護系統前部，隨后將牽引頭和電纜保護系統以弱連接的方式進行連接，如圖9所示。

圖9 牽引頭與電纜保護系統連接示意圖

啟動絞磨機拖拉海底電纜保護系統登上風機，拖拉過程中需控制拉力，使海底電纜形成懸鏈，并保持電纜不觸碰海床，繼續拉入直到電纜保護系統完全進入并固定在風機基礎底部的開孔內。放松電纜，使電纜保護系統完全無張力的放置在海床上。繼續向上拉，直到牽引頭到達風機基礎的頂部，通過錨固連接電纜，并將牽引頭拆下返回敷纜船。

3 結 語

以大連市海域某海上風電場電纜敷設施工為例，對海底纜線敷設工藝及關鍵技術進行研究，主要工藝如下。

1)海纜埋設施工，采用非自航船絞纜，保持勻速前進，可以使船舶的穩定性增加，避免變速引起海纜張力增大或者由于海纜敷設余量過多而打扭。海纜入水的角度需要在45°～60°范圍內，以此保證埋設犁入水時海纜的彎曲半徑滿足要求。

2)在路由轉彎位置敷設電纜時，首先計算與轉向點相切的大圓弧路徑，隨后通過定位錨使鋪纜船調整位置，保證海纜埋設時的彎曲半徑符合要求，避免海纜埋設過拐點時轉彎過急損壞海纜。

3)海底電纜在風機平臺登陸時，需根據船舶與平臺的距離、水深和平臺高度以及電纜余量計算出所需電纜長度，確定切割位置。隨后將海纜以“Ω”型布置在海面，防止海纜扭曲打彎。