海上风电知识 | 海底电缆的敷设与安装

导读
近年来，伴随着风电技术的日趋成熟，海上风电行业得到迅猛发展，据统计我国2019年新增装机1.98GW，再次成为海上风电新增装机最多的国家。同时，为了增强离岸岛屿的供电可靠性，我国兴建了多项海底电缆输电工程。在这些跨海输电工程中，海底电缆作为连接两端变电站或换流站的重要设备，在其生产中发挥着重要的作用。海底电缆敷设质量的好坏对整个供电系统的寿命和效益产生重要影响。随着海上风电项目离岸距离越来越远，一些质量大、长度长的海缆被运用到输电工程中，这对海底电缆的敷设提出了更高的要求。

为探讨海底电缆敷设的安全性，减少电缆敷设过程风险，本文简要介绍了海底电缆敷设的基本方法、电缆敷设涉及的主要设备，并分析总结了海底电缆敷设的关键技术。
图1 海底电缆敷设船

海底电缆敷设

海上风电场的海底电缆为解决海底高压、防腐蚀以及绝缘等问题，采用包括加强层 、防蛀层 、绝缘层等多层结构，直径大、强度高。例如，典型的单芯牛皮纸绝缘海缆，直径约140毫米，每米重量约48千克；海上升压站与陆上集控中心之间多采用的光电复合缆，直径约250毫米，每米重量约110千克。

海缆规格有单芯和三芯之分，为减少路由占地和施工成本，目前，海上风电场项目使用最多的是三芯交联聚乙烯绝缘光电复合海缆。

海缆敷设需要的船机设备主要有敷缆船、拖轮、锚艇、水陆两栖挖掘机、布缆机、绞磨机、发电机、定向钻机等。

海缆敷设属于一个相对特殊的施工项目 , 目前我国缺乏相应的设计规范、 施工规范和质量验收规范。典型敷设流程如下:

（1）接缆。

按地点可分为码头接缆和船上过缆，按方式可分为散装过缆和整体吊装过缆。我国通常采用海底电缆敷设船接缆，地点一般为生产厂家的码头。

（2) 试航。 

施工船舶到达施工现场后，首先进行试航作业, 熟悉海况及施工航线，以确保施工安全及施工质量，此工序为非必须完成的工序。

（3）扫海。 

主要排除施工路由轴线上影响施工顺利进行的旧有废弃缆线、插网、渔网等小型障碍物，常采用锚艇尾系扫海工具，沿设计电缆路由往返扫海。

（4）敷设主牵引钢缆。

海底电缆敷设船一般为无动力船型，需要拖轮拖带，常采用设置主牵引钢缆引导敷设船的施工方法。

图2 敷设主牵引钢缆  

（5）登陆准备。 

登陆前在两登陆点的路由轴线上挖设绞磨机地垅，在登陆的滩涂上按设计轴线敷设电缆登陆的牵引钢丝，并在电缆登陆路由沿途设置滚轮，以保护电缆免受磨损和减小电缆登陆时的摩擦力。

（6）始端登陆。 

海底电缆始端登陆前，在高潮位时将施工船锚泊就位于登陆点附近，以减小登陆距离，并利用差分全球定位系统(difference global positioning system , DGPS) 的测量系统定位于路由轴线上，在始端登陆点处设置绞磨机。登陆时，电缆头从船头通过入水槽入海，利用预先设置在始端登陆点处的绞磨机牵引电缆浮运登陆。

（7）敷埋段施工。 

海底电缆敷埋段施工主要步骤是埋深施工船锚泊就位→缆盘内电缆提升→电缆放入甲板入水槽→电缆放入埋设机腹部→投放埋设机至海床面→牵引施工船敷埋电缆，我国海底电缆施工船的敷设速度通常不超过10m/min。

图3 敷埋段施工

电缆敷设时需要通过控制敷设船的航行速度、电缆释放速度来控制电缆的入水角度以及敷设张力，避免由于弯曲半径过小或张力过大而损伤电缆。

其中：

浅滩段敷设时，电缆敷设船停在距离海岸4.5千米的地方，通过岸上的牵引，将放置在浮包上的电缆牵引上岸，电缆上岸后拆除浮包引机，使电缆下沉至海底。

深海段敷设时，电缆敷设船释放出电缆，使用水下监视器控制敷设船的前进速度，方向和敷设电缆的速度，以绕开凹凸不平的地方和岩石避免损伤电缆。

图4 浅海区域电缆铺设

（8）终端登陆。 

海底电缆终端登陆前，利用布缆机将电缆通过入水槽送入水中，在电缆入水段每隔几米垫以充气内胎助浮。电缆不断送出后在水面上逐渐形成一个不断扩大的“ Ω ”形状，工作艇监视和控制海面上电缆弯曲情况，防止电缆扭弯, 准确测量电缆登陆距离后, 将电缆截断、封头。待电缆头牵引出施工船后, 在电缆头上设置活络转头,并与设置在终端登陆点处的绞磨机牵引钢丝连接，启动绞磨机牵引电缆，待电缆牵引施工完成后，沿电缆沟槽逐个拆除浮运电缆的轮胎，将电缆沉放至海床上，然后牵引就位。

海底电缆敷设方法分类

海底电缆敷设方法主要分开挖法、刀犁式埋设犁施工法和冲埋式埋设犁施工法三种。

1开挖法

开挖法采用挖泥船进行挖泥，挖泥的深度由埋设深度所决定。开挖结束后，直接将海底电缆敷设下去，利用潮流将泥土回填。此种施工方法要达到一定的深度开挖的宽度和深度就需要按一定的比例放坡，否则就会发生塌方的现象。如海缆的埋深为3m、放坡比例为1:3(深度与宽度之比)时，开挖的宽度就要达到9m。

此方法因利用潮汐自然回填需要较长的一段时间才能将沟槽全部覆盖严密，而这段时间沟槽里的土质非常稀松且沟槽的宽度很宽对海缆并无保护作用，船舶遇到恶劣气候或紧急情况在海缆路由上抛锚则很容易损坏海缆。

图5 沟槽深度与宽度示意图

图6 海缆遭遇锚链危害示意

2刀犁式埋设施工法

刀犁式埋设犁施工时，海缆施工船在布缆的同时，依靠其强大的牵引力拖曳埋设犁，使安装在埋设犁尾部的刀犁在海床上掘削出一条沟槽，然后将海缆埋入其中。其埋设深度由犁刀所决定，并可以通过控制系统调节埋设深度。在埋设犁的主体上，配备有调节犁的深度和宽度用的液压装置，监视埋设犁姿态、障碍物和海缆导入等状况的各种传感器及摄像机，还有向摄像机和埋设犁主体各组成部分发送控制信号，以及收集各种数据用的机上信号处理装置。在埋设时，由设于海缆施工船上的监控室通过控制设备与供电电缆对埋设犁进行控制和供给电源。

此方法需要有较大牵引力的大型海缆施工船，在除了岩石以外的其他海底底质都可以进行海缆埋设。通常情况下较易在泥质地施工，而砂质地施工的强度相对较高。

图7 刀犁式埋设犁

3冲埋式埋设犁施工法

冲埋式埋设犁施工法：进行海缆埋设作业时，依靠装设在埋设犁掘削部的喷嘴喷射出高压水流使海底泥沙流动形成沟槽，再将海缆埋于沟底。埋设犁上装有埋深指示、姿态、张力及压力等传感器，将数据传送到指挥中心，以控制施工质量。施工的船速通常由埋设深度来决定，如果控制中心的计算机得到埋深达到要求的信息，将指挥船舶移动，否则继续冲埋直至符合要求。此方法的埋设速度与海底土质、埋设深度有关，一般为1m/min～10m/min左右，冲埋宽度为0.2m～0.4m。

此方法的主要特点是：可在布缆的同时埋设海缆，也可埋设已铺设在海底的海缆；对海缆施工船的吨位大小和牵引力没有高要求，只需提供喷水所需动力；拖行张力比刀犁式埋设犁小，埋设深度大，最大埋深可以达到10m左右，如果冲埋设备结合空气提升装置和机械切削装置，将进一步提高埋设的深度。由于施工船吃水浅，工作水深可以是1.5m～150m的任何水深。

图8 冲埋式埋设犁

伴随着回声探测与潜水器技术的发展，敷设后的海底电缆通过回声探测技术还原海床的三维图像，检查海底电缆的敷设情况，若发现裸露在外的电缆，出动控制潜水器，深入海底捡起光缆，埋入泥土下面，增加冲埋式埋设犁施工法的准确性，冲埋式埋设犁施工法得到更加广泛的应用。

图9 控制潜水器

海底电缆敷设关键技术

1海底电缆转盘水平退扭技术

针对高电压、大直径的海底光电复合缆的特点，设计了一种先进的施工技术，即采用由液压驱动的水平转盘进行海缆的盘放，现场施工时，通过海缆牵引机将电缆从电缆转盘中送出，电缆转盘的转速、海缆牵引机的速度和海缆施工船的前进速度基本保持同步，将海缆匀速敷设到海底。

目前海底电缆领域常规的退扭方式是采用退扭架进行过缆和退扭，大直径海底电缆对退扭架高度要求很高，考虑到施工船的设计及通航高度限制，在施工船上安装退扭架会比较困难，必须要采用其他方式对电缆进行退扭。

采用转盘式水平退扭，可以解决上述问题，并保证施工期间海底电缆能理想退扭。具体为：在施工船上安装一个液压转盘、过缆桥，液压转盘可以正反方向旋转，过缆桥进口及出口可以左右上下调整。施工期间，采用液压转盘对海底电缆进行退扭，海底电缆通过转盘退扭完成后再通过过缆桥进入水下机械设备进行施工。可有效减少海缆的受力，降低海缆受外力损坏的风险。

2张力控制技术

海缆相对于敷设船强大的钢结构而言是十分脆弱的，在敷设过程中，除了自重和受到海水的浮力以外，还要受到波、浪和流的作用。因此，海缆在敷设过程中对张力的控制是非常严格的，一旦张力超过电缆的允许值，则电缆将受到损坏，而如果张力太小，又会导致海底的余缆过多，容易产生打扭，影响电缆的使用寿命，严重的会导致电缆的损坏。

海缆在敷设过程中最危险的就是出船区域和着地区域。由于出船区域露出水面，可以通过设计安装入水槽来确保满足海缆的最小弯曲半径。而对于海底着地区域的海缆，无法直接控制其最小弯曲半径和张力，一般采用经验参数法进行评估计算。经验参数法的主要思路是控制入水海缆在海底着地处的张力和最小弯曲半径，通过设定海缆在海底着地处的张力，反推出敷缆船上海缆的控制张力，进而保证海缆在敷设过程中的安全。

3海底电缆敷设保护技术

海底地形复杂多样，岩石和凹凸不平处会使海底电缆磨损或受力不均，造成损伤。海底电缆在海底需采取保护措施，在沙地及淤泥区，使用CAPJET高压冲水，冲出约2米深的沟槽，电缆埋入其 中，使用旁边的沙土将其覆盖，达到保护目的。在珊瑚礁及黏土区则使用切割机切割约0.6米深的沟槽，之后把海底电缆埋入沟槽，再在海底电缆上覆盖水泥盖板等硬质物体，进而实现对海底电缆敷设的保护。

结语

海底电缆作为联系陆上集控中心和海上升压站的通道线路，被称为风电项目的主动脉，是海上设施的重要组成部分。海底电缆同时在岛屿互联、海上油气平台、海上风电等领域得到广泛应用。海底电缆敷设主要有开挖法、刀犁式埋设犁施工法和冲埋式埋设犁施工法三种，其中开挖法利用潮汐自然回填，沟槽全部覆盖严密需要较长时间，海缆遭遇锚链破坏风险较大；刀犁式埋设犁施工法通常情况下在较易在泥质地施工，对地质强度要求相对较高；冲埋式埋设犁施工法因其适用范围广，工作效率高等优点被广泛使用。伴随着回声探测与控制潜水器技术的发展，海底电缆敷设的安全性得到很大程度提升，降低了敷设风险发生概率，减轻了维护成本。 CWEA

来源：千尧科技 参考信息
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