长乐外海海上风电场C区项目海底电缆保护方案研究_赵路.pdf

照明电气 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明186长乐外海海上风电场 C 区项目海底电缆保护方案研究赵 路福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350000摘要：海底电缆作为解决海上风电场及岛屿远距离输电问题的首选，是海上电力主通道，而海底电缆的敷设及保护对海上风电场项目全寿命周期的运行稳定具有决定性的作用。文章依托长乐外海海上风电场 C 区项目，在分析海底地质情况及目前国内施工条件的前提上，介绍了国内外海底电缆针对不同地质情况的敷设和保护方案，最后阐述了工程最终采取的海底电缆保护方案。关键词：海底电缆；电缆敷设；电缆保护；海上风电场分类号：TM6140引言长乐外海海上风电场 C 区位于福州市长乐区，风电场送出容量为 600 MW，采用双回路 220 kV 海底电缆送出，风电场 220 kV 升压站距离陆上集控中心约40 km，所经区域跨越已建 TES-1 海底光缆，登陆点位于泄洪渠内，海底地质情况复杂。由于工程 220 kV海底电缆为长乐 C 区风电场唯一送出通道，需采取合理的敷设及保护措施，以确保 220 kV 海底电缆的安全运行。1海底电缆敷设的基本流程为保证工期，海底电缆拟采用先敷设后埋设保护的作业方式，电缆敷设基本流程如下：（1）电缆敷设前，先清扫电缆路由，把路由区域海床的沉船、渔网等障碍物清理干净；（2）对陆上登陆点部分的穿坝不锈钢套管进行开挖、修建；（3）电缆敷设船在距岸边一定距离处开始展放电缆，电缆通过陆上卷扬机牵引到陆上，电缆上均匀捆绑浮子，使得电缆漂浮在海面上1；（4）电缆敷设船沿电缆路由边航行边敷设；（5）电缆敷设到另一侧岸边后，把剩余的电缆释放到海面（均匀捆绑浮子），然后利用陆上卷扬机把电缆牵引上岸；（6）电缆敷设到海床后，通过电缆冲埋机直接操作或在海底电缆跟踪系统的导引下，沿海底电缆行走并同时冲挖沟槽，将电缆埋设在沟槽内，电缆路由约 90%区域采用电缆冲埋机进行电缆埋设；（7）对于海床为岩石的区域，采用石笼盖板、抛石、或者切割岩石等方法进行电缆保护，电缆保护施工时，采用水下遥控运载器进行监控，观测保护层的覆盖状况，并通过声纳检测电缆埋深；（8）电缆敷设及保护施工完毕后，检测船沿电缆，详细记录电缆位置坐标和埋深；（9）对于不满足敷设和保护要求的部分应采取后续保护措施。2国内外工程经验根据海底电缆路由方案和相应的自然条件，对国内外类似工程进行了调研工作，主要包括加拿大温哥华 500 kV 交流海底电缆工程、日本 Kii 海峡 500 kV直流海底电缆工程、西班牙摩洛哥跨越直布罗陀海峡 400 kV 海底电缆工程等2。2.1 加拿大温哥华 500 kV 交流海底电缆工程加拿大的本土温哥华岛输电系统是建设二回平行的输电线路，每回额定输送容量为 1 200 MW，每回线路长度为 148 km，其中架空线路长 109 km，海底电缆长 39 km。海底电缆被 Texada 岛分为两个部分，一部分海底电缆长 9 km，另一部分海底电缆长 30 km。该工程最大海深接近 400 m，仅对最低潮水位时海深小于 20 m 的海底电缆进行了埋设。海床为硬土地质时埋深为 1.5 m，海床为砂土地质时埋深为 2m，其他部分在海中直铺。运行以来未发生过海底电缆损坏事故。2.2 日本 Kii 海峡 500 kV 直流海底电缆工程日本 Kii 海峡 500 kV 直流海底电缆工程长 49 km，最大海深为 75 m。电缆保护采用全程掩埋敷设的方式。关于海底电缆的埋深，日本进行了详细的试验。每天通过 Kii 海峡的海船有 600 艘，最大的货船为 270 000 t，全年都有拖网渔船作业，其中最大的锚重为 16 t。为了确定抛锚和拖锚的特性，进行了现场试验和模拟试作者简介：赵路，男，本科，工程师，研究方向为线路电气方向。文章编号：2096-9317（2023）01-0186-03光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明电气187验。现场试验在沿海底电缆路径的 3 个典型区域进行，2 个在硬土上，1 个在软土上。抛锚贯穿海床深度为1.6 m，同时还考虑了拖锚的贯入深度，经模拟试验确定拖锚的贯入深度为 2.5 m（考虑了锚的长度）。因此，为防止锚害，海底电缆应埋入海床 4.1 m（1.6 m+2.5 m）以下。海底电缆深埋虽能很好地保护海底电缆，但施工和维修的费用很高。经综合比较，最终确定海底电缆埋深为 2 3 m（硬土为 2 m）。2000 年投运以来未发生海底电缆损坏事故。2.3 西班牙摩洛哥跨越直布罗陀海峡 400 kV 海底电缆工程西班牙摩洛哥跨越直布罗陀海峡 400 kV 海底电缆工程长 26 km，最大海深为 615 m，采用浅海分段掩埋敷设的保护方式，掩埋深度为 1 3 m。在西班牙侧海岸（总保护长度为 3.5 km），海深 10 m 时，埋深为 3 m 并采用铁护套保护；海深为 10 26 m 时，埋深为 2 m；海深为 26 80 m 时，埋深为 1 m。在摩洛哥侧海岸（总保护长度 1.5 km），海深 5 m 时，采用预埋钢管，深 1 m（长 100 m）；海深为 5 12 m 时，开挖电缆沟，深 1 m，并加铁护套（长 400 m）；海深至30 m 时，海底电缆直铺在海床上，在海底电缆上加盖水泥沙袋和碎石保护。其他部分均直铺在海床上，运行以来未发生过海底电缆损坏事故。3海底电缆保护方式海底电缆保护包括海底电缆自身的保护和埋设在海床中防止锚害等事故的保护。海底电缆自身的保护是在海底电缆制造时采取的保护措施，在海底电缆的外层有防腐层、防蛀层及铠装，可以防止海水侵蚀、海上微生物蛀蚀及一定强度外力的破坏3。为防止锚害等事故，在铺设海底电缆时将海底电缆埋设在海床中或覆盖保护件（抛石、盖板、套管等），以确保海床电缆的安全运行。对于海底电缆埋设的长度和深度，应综合考虑海底电缆铺设区域的风险程度、海底地质情况、海深、施工能力、造价等各方面的因素。根据施工方法的不同，国内外常用的海底电缆保护方案有水力冲埋、切割海床直埋和抛石、盖板、套管等多种保护方式。从保护效果来讲，将电缆直埋入海床是最好的保护方式。但对于坚硬的海床，电缆直埋的实施难度很大。总结国内外相关工程经验和各种保护方式的特点可知，冲埋保护适用于海床较软、容易冲埋的区域；切割海床直埋保护一般用于近岸较易施工的浅水区域，多采用预挖沟再敷设的施工方案，近几年开发出了大型的深海切割海床和凿岩设备，能够实现深海区域坚硬海床的电缆直埋，但对于已敷设于海床上的电缆，切割直埋施工存在较大的损伤电缆的风险，因此采用此方案只能先切割后埋设；抛石保护施工工艺成熟，但大型落管抛石船一般不能进入浅水区域施工，且浅水区域的抛石堤坝受海浪影响较大，存在堤坝稳定性问题，抛石保护施工一般用于深水区域；盖板保护可用于深海区的电缆保护，但由于施工工艺复杂，深海区盖板敷设工期长、费用高，一般用于近岸侧的浅海区域；对于已敷设电缆的套管保护基本靠潜水员下水施工，受潜水员下潜深度限制，套管保护只能应用于浅水区域4。采取保护措施能在海床上固定电缆，避免电缆裸露于海床而存在的磨损、振动等长期运行损坏风险，而且提高了电缆遭受抛锚、拖锚、拖网、沉船等事故损害时的保护水平。以上电缆保护方式中，冲埋保护为最佳方案，对冲埋不了的部分区段，可采用其他保护方式。经过对国内外多条海底电缆线路的调研，还有与各海洋工程施工企业的广泛交流，对于不适合冲埋敷设的区域，目前有抛石保护、切割海床直埋保护、石笼或盖板保护三种保护方案。4海底电缆埋深的风险评估海底电缆埋深估算很重要，可以提供判断埋设可行性的有效依据，但更应该关注海底电缆的安全性、寿命及经济有效性，这显然受其所处自然与社会环境的影响。理论上，海底电缆埋设得越深越安全。19 世纪 80 年代初，海底电缆埋设保护刚刚开始盛行，通常选择埋深 0.6 m 作为海底电缆埋设的标准，而没有考虑海床沉积物的性质和各种可能的环境灾害。近几年来，埋设标准已被提高到 1.0 1.5 m，在渔业繁忙区域为 3.0 m，在航运繁忙区域甚至达 5.0 10.0 m。但埋深要求越高，海上施工作业和设备的资本投入越大，海底电缆整个生命周期内的维护与修理成本都会成倍增长。过分的保护只会导致成本的浪费，而且为今后的维护修理增加难度。通常要结合路由和各类环境风险进行综合评估，以确定比较合理的海底电缆埋深，既能保证系统达到一定的安全级别，又具备一定的经济性。风险评估近年来在海洋工程领域得到发展，已得到推广并值得借鉴的方法是在 2001 年发布的保护海底 照明电气 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明188管线的风险矩阵模型。在进行风险评估之前，需要定义相关的安全目标和接受标准。对于海底电缆，采用的任何保护方法都应当以避免受到潜在环境灾害损坏风险作为目标，或将该风险合理降至尽可能低的水平。风险评估流程如图 1 所示。安全目标定义接受标准识别环境灾害风险评估降低风险措施工程计划或设计接受保护接受风险是否图 1风险评估流程风险评估包括对环境风险发生频次的估计和对可能后果的评价。通常对发生频次由低到高按 1（低）至 5（高）打分，同样，对可能后果由 1（低，不严重）至 5（高，后果严重）赋值，可以形成风险矩阵，根据临界水平区域区分风险是否可以接受。对于可接受风险，可进行成本收益分析，看进一步采取措施降低风险是否有利。对于不可接受风险，将不得不增加投入以降低风险。降低风险需要通过减少风险发生频次、降低风险可能后果或二者并举来实现，典型的措施如下：设立禁锚区（减少发生频次）；路由改道（减少发生频次）；增加埋深（减少发生频次）；增加铠装保护（降低可能后果）；抛石或套管保护（降低可能后果）。应有专业的安全评估机构对海底电缆施工保护进行准确评估，以确定风险评估等级，为工程建设提供有力依据5。5海底电缆埋设指标海底电缆的主要威胁来自人为的渔业和抛锚行为。通过实践人们认识到，尽管硬海床底质对埋设机械造成困难，但渔业设施和船锚同样难以切入；反之，尽管在软质海床上能取得较大埋深，但渔业设施和船锚也更容易到达这一深度。相同埋深下，更硬的海床底质能对海底电缆提供更好的保护。为了便于工程人员判别与利用，有必要引入埋设保护指数（Burial Protection Index,BPI）这一指标。该指标旨在提供一个框架，表现在不同的海洋环境条件下，以现有的经济技术条件，如何选择不同的埋设保护级别。BPI 考虑了随着土壤类型的不同，埋设具有的不同保护等级，如在坚硬沉积物下埋设 0.5 m 所提供的保护要比在柔软或者可移动物质中埋设 1.5 m 的保护效果好。目前，BPI 指标正在逐渐被人们接受，因为据此进行海底电缆埋设要比依靠埋深这一单一指标更经济合理。通常认为海底土壤硬度大的地方比土壤硬度小的地方能够更好地保护海底电缆，需要依据不同的海底土壤情况制定不同的埋深，不同指数的说明如下：BPI=1，适用于正常的捕鱼船只出现的海域，在该海域船只抛锚的可能很小；BPI=2，适用于锚重大约在 2 t左右的船只出现的海域，这种埋深可以防止正常捕鱼船只对电缆的破坏，但是不能防止大型船只（如大型油轮、大型集装箱船只）对电缆可能的破坏；BPI=3，适用于除了最大的船只外所有船只出现区域的海域电缆的保护。6海底电缆敷设及保护方案综合工程的地理位置、地质条件、经济性、施工可行性，结合电力工程电缆设计标准（GB 502172018）的要求，最终采取的海底电缆敷设及保护方案如下：（1）普通海床段采取冲埋保护，冲埋深度为 3 m；（2）航道段采取冲埋保护，冲埋深度为 4 m；（3）潮间带登陆段采取海底电缆保护管结合水泥沙袋保护，埋深为 1.5 m；（4）光缆交越段采取混凝土连排结合海底电缆保护管保护。7结束语文章结合已有工程案例，结合工程实际情况，总结得到长乐外海海上风电场 C 区项目海底电缆的敷设及保护方案。文章的研究可以为相关工程提供参考，维护电力系统的稳定运行，促进电力行业的可持续发展。参考文献1 王美琦,朱克强,赵望奇,等.海底电缆铺设回泥面的水动力分析J.船舶工程,2017,39(11):99-105.2 汪雅薇.深水海缆铺设作业条件分析和CALM系统的动力响应分析研究D.天津:天津大学,2019.3 刘志伟,肖波,杜永兵,等.海底电缆铺设作业的数值仿真及工程应用J.海洋工程装备与技术,2019,6(3):579-583.4 闫宏生,刘昊天,汪雅薇,等.海底电缆铺设的安装条件和敏感性J.船舶工程,2019,41(8):126-133.5 欧东海.大规模海上风电柔性直流输电研究J.光源与照明,2022(9):220-222.