高压输电线路跨海通道建设方案比选研究

林国新

( 国网福建省电力有限公司，福建 福州 350003 )

高压输电线路跨海通道建设方案比选研究

林国新

( 国网福建省电力有限公司，福建 福州 350003 )

随着经济的发展和岛屿资源的不断开发，需新建大量跨越海峡的高压电力通道，将岛屿电网与大陆电网相连。高压电力跨海通道可选的敷设方式众多，且多具有工程投资大、建设周期长、防灾要求高等特点。为能直观对比几种高压输电线路跨海电力通道的技术经济性文章基于已建的厦门、平潭、莆田等众多电力进岛通道工程的建设经验，分析研究架空线路、海底电缆、桥上电缆和海底隧道内电缆方案在海域及环境影响、抗灾能力、建设周期、工程投资、运营检修等方面的差异性，通过定性或定量的对比，得出在不考虑海域使用前提下优选架空方案，而在考虑海域使用或景观影响，其具备条件时，应优选桥上电缆方案，其次是海底隧道内电缆方案的技术原则，研究结论为类似工程的决策和建设提供依据。

高压输电线路；跨海通道；建设周期；运营检修

中国是一个幅员辽阔、海岸线漫长、海岛众多的国家[1]，其中有人岛屿超过400个[2]，随着经济的发展和沿海岛屿资源的不断开发，众多岛上用电负荷剧增，为了满足用电负荷和供电稳定的要求，需要新建大量的高电压、大容量、长距离的跨海电力通道，以将岛屿电网与大陆电网相连[3]。跨海通道多具有投资大、建设周期长、制约因素众多等特点[4-5]，尤其是电力通道与海洋及周边环境的相互影响，更是逐步成为了制约通道建设方式选择的决定因素。

长期以来，采用架空线路大跨越都是跨海电力通道的优选方案，国内外已经建设了大量的架空跨海电力通道[5-8]，以220千伏舟山-大陆联网工程等为例，跨海塔高达到了370 m，单基塔的重量甚至高达5 999 t，大跨越耐张段长超过了6 215 m，最大档距则达到了为2 756 m，创造了多项亚洲乃至全球记录[9]。但是架空送电线路不仅影响海域使用，而且检修难度大、防灾能力也较弱，为此，大型岛屿的供电联网工程逐步采用了在海床上直埋电缆、跨海大桥上随桥敷设电缆和海底专用隧道内敷设电缆等电缆方案[10-13]]。这些采用电缆将岛屿与大陆电网相连的技术方案为跨海电力通道建设提供了新的思路，但对于这几种电缆方案之间，包括电缆与架空之间的技术经济及环境效益对比的研究较少，工程技术人员在制定前期方案时，往往也无法基于工程实际经验进行对比，为高压电力电缆跨海的技术方案应用产生了一定的限制。

文章在介绍常见跨海电力通道施工工艺的基础上，结合不同技术方案的优缺点，基于国内已建和在建的众多跨海电力通道工程建设经验，对比研究架空线路、海底电缆、桥上电缆和海底隧道电缆在对海域及周边环境影响、防灾减灾能力、建设工期、工程投资、运营检修等主要技术措施，通过定性或定量对比，综合比选不同跨海通道建设方案，为类似工程的决策和建设提供依据。

1 高压输电线路跨海通道方式

1.1 架空线路

架空跨海线路是最为传统也是最为重要的电力过海通道建设方式，相比于电缆工程具有施工效率高、输送容量大、工程投资相对较低等特点，若能结合周边环境条件进行塔型的景观设计，亦可建设成为区域的标杆性建(构)筑物。自上个世纪90年代以来，国内已经建成了以福建莆田LNG电厂一期送出线路工程(图1(a))为代表的大量的跨海架空大跨越工程，尤其是2010年建成投产的220kV舟山～大陆联网工程(图1(b))，更是创造了诸多的亚洲乃至全球的新纪录。

架空跨海线路工程建设的主要工作包括了搭建近海施工栈道(若杆塔位于岛礁，则可采用船舶运输)、跨海高塔的基础施工、铁塔组立、导线架设等阶段[14]，与常规架空线路的主要差异在于施工栈桥、海上基础施工及海上杆塔组立等工序，如果能够将高塔立在已有的岛礁上，则可以大大减小施工难度，同时也能够大幅度减小工程造价。跨海架空线路的主要特点在于：

(1)环境条件较为恶劣，主要表现为设计风速大、腐蚀性环境等级高等特点；

(2)所在海域通常都有通航要求，档距、弧垂的要求较高，常需要采用数百米高的高跨塔；

(3)施工条件较为恶劣，受天气影响明显；

(4)巡线检修难度大，灾后抢修十分困难。

图1 架空送电线路跨海

1.2 海底电缆

传统意义上的海底电缆，就是指采用海缆埋设机在特定路线上开槽并埋设电力电缆的过程，埋设方法包括了疏浚设备开挖、犁式埋设犁、水喷式埋设犁、机械式埋设犁、ROV式埋设犁等五种，目前海底电缆工程普遍采用水力喷射式埋设犁。海底电缆起源于跨海的通讯电缆工程，目前适用于电力工程的电缆包括了浸渍纸包电缆、自容式充油电缆、挤压式绝缘电缆(交联聚乙烯、乙丙橡胶绝缘)、“油压”管电缆、充气式(压力辅助)电缆，不同类型的电缆都与有一定的适用条件，需根据特定的工程限定条件进行专门的选型研究。

海缆施工主要分为几个阶段：试航、扫海、预挖沟施工、敷设主要牵引钢缆、登陆准备、始端登陆施工、电缆敷设施工及终端登陆施工。海缆需要考虑专项的保护方案，一般情况下海底电缆的埋深都由通航要求和渔具、锚具要求决定，通常不小于2.0 m。

海底电缆工程被世界各国公认为复杂困难的大型工程，从环境探测、海洋物理调查，以及电缆的设计、制造和安装，都应用复杂技术，因而海底电缆的制造厂家在世界上为数不多，主要有挪威、丹麦、日本、加拿大、美、英、法、意等国，这些国家除制造外还提供敷设技术，我国也具备了制造并敷设220 kV及以下高压电力电缆的能力。国内已建成了以厦门电力进岛第一通道扩建工程(220 kV)、500千伏海南联网工程、浙江舟山500千伏联网输变电工程等工程为代表的长距离、大截面的海底电缆工程。

在海床上敷设高压电力电缆，其主要工程特点为：

(1)铺设不需要挖坑道或用支架支撑，因而土建投资少，建设速度快；

(2)除了登陆地段以外，电缆大多在一定深度的海底，不受风浪等自然环境条件的干扰，所以较陆地电缆和架空线路而言，电缆安全稳定，抗干扰能力强，保密性能好；

(3)海缆易受渔具、锚具等外力损坏，需要在路由两侧一定范围内设置禁锚区，一旦遭受破坏，修复较为困难。

图2 海底电缆线路敷设过程

1.3 桥上电缆

高压桥上电缆，顾名思义，就是借助大型的铁路、公路桥梁进行超高压电缆敷设的工程。桥上电缆与所借助的桥型和桥梁结构关系密切，目前主要都是借助公路桥或者公铁两用桥的公路部分。桥梁的主要承力结构可大体分为预应力混凝土箱梁和钢结构桁架梁两大类；根据电缆布设于箱梁的内侧、外侧有可以分为箱梁内敷设和箱梁外侧敷设两种形式。目前美国、日本、委内瑞拉等国都建设了高压电缆随桥敷设的工程，我国则先后建成了广东佛山海门大桥220 kV电缆、上海长江桥隧工程桥上220 kV电缆、上海东海大桥桥上110 kV电缆和福建平潭跨海大桥桥上220 kV电缆。

桥上电缆工程，除了常规的电缆设计以外，还必须考虑桥上敷设环境对电缆选型、通道防灾等方面的影响，尤其是要考虑桥梁与电缆及其通道之间的相互影响。当电缆通过桥梁伸缩缝位置时需根据伸缩量的大小合理设置辅助伸缩装置；要考虑桥梁振动对电缆选型等方面的影响；同时还需要结合桥型，对桥上敷设环境下电缆的敷设技术、消防技术都进行特殊设计。

图3 跨海大桥桥上电缆线路[16]

在跨海桥梁上敷设电力电缆，主要工程特点为：

(1)借助桥梁敷设电缆，不需要考虑海域通航、禁锚区设置影响，不影响海域的使用，尤其是在需要进行海域开发建设的大型岛屿，更是极大地提高了环境效益；

(2)需要在桥梁、电力通道规划及设计阶段就开始考虑二者之间的相互影响，协调二者在建设阶段及运营阶段的兼容问题，实施过程的协调难度大；

(3)电缆运行阶段不受恶劣天气的影响，尤其是敷设在箱梁外侧，通风条件好，电缆散热条件好；

(4)能够在桥梁上形成独立的电力电缆通道，人员通行便利，检修方便；

(5)需要考虑桥梁振动(如：风振、桥面行车振动、地震引起的桥梁水平和竖向振动等)、热胀冷缩对电缆选型的影响，电缆及其附件的要求较高；

(6)电力通道的运营养护需与桥梁的运营养护相协调。

1.4 海底隧道内电缆

在海底隧道内敷设高压电力电缆简称海底隧道电缆。目前国内外都建设了一些列的海底电缆隧道，如上海长江桥隧220kV电缆工程、220kV华能汕头电厂～月浦变线路工程、厦门电力进岛第四通道工程(220kV)等工程。

图4 矿山法海底隧道及通道内的电缆线路

海底隧道内敷设电力电缆与陆地隧道内敷设电力电缆的技术条件大体类似，但一般情况下，海底隧道多具有纵向距离长、出入口受限、接地系统设置难度大等问题，同时电缆的敷设技术、消防和通风技术也都需要进行专项设计。

在海底隧道内敷设电力电缆，主要工程特点为：

(1)海底隧道内敷设电缆的安全性高，不仅不受恶劣天气的影响，而且更可以远离海域使用的不利因素影响，无需考虑禁锚区等电力设施保护范围的设置；

(2)电缆敷设、运营检修都在独立的空间内，敷设、检修或抢修的效率高，操作便利；

(3)由于海底隧道内的出入口数量有限，不仅电缆敷设方案受限，而且通风及消防的问题也较为突出，尤其是单独新建的长距离、单舱隧道，逃生难度大；

(4)海底下建设的隧道围岩外侧水头较高，隧道防水施工难度大，一旦出现渗漏，治理难度大；

(5)若借助交通隧道或其服务隧道敷设电力电缆，则电缆敷设施工或运营阶段的检修需要考虑二者的相互影响。

2 跨海电力通道建设方案比选

跨海电力通道的方案选择主要要考虑通道建设对海域及环境的影响、工程防灾能力、建设周期、工程投资、运营检修等方面。

2.1 对海域及周边环境影响

一般需要采用高压输电线路进行供电联网的工程，都是已经或正在进行开发的海岛，该类型的海岛对于海域的使用要求和景观要求都较高，跨海输电线路对海域及景观的影响通常是方案选择时最为重要的影响因素。对于四种不同的跨海电力通道方案在施工、运营阶段与海域使用之间的相互影响对比见表1。

表1 跨海电力通道建设及检修阶段对海域使用的影响

2.2 输电线路抗灾对比分析

输电线路防灾是工程技术方案制定及设计时重点考虑因素之一，四种不同跨海通道的主要灾害类型及其防灾减灾技术措施水平对比主要如下：

(1)架空跨海方案的主要灾害有强台风、地震等自然灾害，也有船舶撞击等海域使用范围的人为灾害，同时还可能存在空中飞鸟、无人机等飞行物的灾害，灾害类别较多，但防灾技术也较为成熟。

(2)海缆跨海方案的主要灾害就在于地震灾害、海域内船舶锚具击穿等灾害，在世界范围内已发生多例类似事故，防灾减灾技术措施有限，且抢修难度大。

(3)桥上电缆的灾害类型可简单分为大桥结构灾害和电缆本身的灾害，大桥结构灾害主要也为强台风、地震等自然灾害；电缆本身的灾害主要为火灾和振动灾害。

(4)海底隧道方案的主要灾害也为地震灾害、长距离隧道内的火灾等。

2.3 建设周期对比

建设周期的影响因素众多，难以一概而论，本节结合几个已建工程，对不同跨海通道的建设周期进行直观对比：

(1)架空跨海工程的建设内容包含了施工栈道建设、海上基础施工、铁塔组立、金具安装及导线架设等4个阶段，一般需要1年～3年；以国内最具代表性的220 kV舟山～大陆联网工程为例，从开工建设到竣工投产的建设周期为34个月[16]。

(2)海底电缆的敷设施工主要由海缆敷设船完成，根据海域宽度的不同，海底电缆工程一般情况下以数月为周期；以厦门电力进岛第一通道扩建工程为例，海底电缆的敷设周期为2个月[17]。

(3)桥上电缆工程主要为桥梁主体建设阶段和电缆设施建设阶段，其中主要控制工期在于桥梁主体工程的建设，其建设周期多以年计；而电缆通道及其设施的敷设周期则较为易控，10 km以内的跨海工程，一般在3个月～6个月范围；以上海洋山深水港110 kV线路工程为例，11 km陆地电缆加上27 km的跨海桥上电缆，敷设整体周期仅为355天[18]。

(4)海底隧道电缆工程主要由隧道主体建设阶段和电缆敷设阶段，其中跨海隧道的建设是工期的主要部分，以厦门电力进岛第四通道工程为例，8.795 km的跨海隧道采用矿山法施工，施工总工期长达50个月(含两个双向六车道的主行车隧道和一个服务隧道)[19]；220 kV华能电厂～月浦变线路采用2.9 m内径的盾构法施工，跨海段长2.0 km，施工周期共15个月[20]；而在海底隧道内的电缆敷设及其附属设施的安装都不超过3个月。

2.4 工程投资分析

工程投资决定着整个跨海工程技术方案的可行性，其组成复杂，影响因素众多，同样的工程建设在不同的年份所需要的工程投资也会有较大差异，由于基于某个特定工程开展不同跨海技术方案对比的难度较大，而且方案比较阶段与实际建设投资还是有所区别，故本节以实际建成的几个建设年份和建设规模都较为接近的跨海输电线路工程的预算为依据，对比分析相关跨海工程的主要技术指标及投资情况。

需要说明的是：

(1)架空方案为500 kV的线路，若是220 kV则其投资额会相应缩减；

(2)海缆方案为单回路；

(3)桥上电缆中，电缆过桥增加的荷载导致桥梁投资增加，也应是通道建设成本之一，但其构成复杂，分摊费用的计算难有固定模式；

(4)对比表中的隧道方案为利用交通隧道的敷设方案(含通道建设分摊费用)，若单独修建跨海海底隧道，视隧道工法和开挖断面的不同，投资造价在2 500万/km～5 000万/km之间。

从不同工程概算造价对比可知，仅从投资角度考虑，跨海电力通道最经济的仍是采用架空线路跨海，海缆方案投资最高，桥上电缆和海底隧道电缆方案分别为第二和第三。

表2 跨海电力通道造价对比分析

2.5 运营检修

与陆地输电线路工程的不同，跨海线路工程的检修一直也是个难点问题，尤其是架空线路工程和海底电缆工程，线路运行易受各类灾害的影响，停电带来对岛屿电网的冲击和抢修方案是工程建设不得不考虑的影响因素之一。

相比较而言，采用桥上电缆和海底隧道电缆敷设，由于其通道空间与陆地电缆隧道工程类似，检修或抢修人员及设备进出便利、有经验的技术人员较多，抢修效率高，某种程度上有利于电网稳定。

2.6 综合对比分析

在定量或定性对比四种不同跨海通道建设方案在对海域及周边环境的影响、灾害类型及减灾措施、建设周期、工程投资、运营检修等主要影响因素的基础上，定性对几种跨海技术方案进行综合对比，对比内容及结果见表3。需要说明的是表3中的数据基于3.4节中已建工程实际数据，对于不同的输送容量要求的工程，建设周期和工程投资可能有所出入。

表3 不同跨海方案的技术经济对比(3km海域，2回220kV超高压电缆)

通过对四种高压跨海电力通道的定性及定量对比，可以得出以下几个结论：

(1)架空跨海通道方案的整体投资小、含土建部分后的工程建设周期较短，具有明显的技术经济优势，但其对海域使用影响及其对周边环境的影响都较大，而且杆塔结构抗风、抗震要求较高，即抵御自然灾害的能力较弱，发生故障后抢修难度大；

(2)采用在海床上直埋海底电缆方案的建设周期最短，对周边环境的影响和防灾能力都较架空线路方案要好，但其单公里的投资额是四个方案中最大的；

(3)桥上电缆和海底隧道电缆类似，即都具有对海域和周边环境影响小、检修便利等特点，同时如果不考虑桥梁或隧道的建设周期(即借助已有或在建的市政隧道或桥梁工程)，则其工期短；桥上电缆及海底隧道电缆的本体投资较海床直埋海缆小，但考虑到桥梁或隧道的因敷设电缆后增加的投资部分，三者之间的差距较小，在某些特定条件下，采用桥上电缆或海底隧道电缆的投资额也可能超过海底电缆。

4 结 论

基于现有的跨海电力通道建设技术水平，结合已建实际工程，对比分析架空线路、海底电缆、桥上电缆和海底隧道电缆等四种主要技术方案的在海域影响、工程防灾、建设周期、工程投资、运营检修等方面的差异性，得到以下结论：

(1)在四种跨海通道建设方式上，采用架空线路跨海方案的投资最小、整体的建设周期较短，但其对海域及周边环境的影响较大，而且自身抗风、抗震要求较高，发生故障后检修难度大，但从工程建设和投资投资角度，在不考虑对海域影响的前提下，架空方案仍应是跨海电力通道的首选；

(2)桥上方案和海底隧道方案的建设周期、投资都与所借助的桥梁或隧道工程建设及投资息息相关，具体工程建设时，应充分论证桥隧本体对电力通道工程的影响，若具备条件，从海域使用及电力设施运行检修角度考虑，则随桥或随隧道敷设高压电力电缆是跨海电力通道的首选方案。

(3)海底电缆建设周期短，但所敷设海域需设定一定的禁锚区，同时运营检修的难度稍大，但其路由选择影响因素较少，可以做到跨海乃至整个进岛线路路径长度最短，进而使得工程整体投资最少；同时通过提高电缆本身的防灾能力，亦可提高线路的安全性；根据现有工程经验，当跨海通道长度越长，其经济性越好，是高压电力跨海通道建设必不可少的比选方案。

(4)电力工程跨海通道建设方式较多，但技术方案不可能一应而全，具体工程还需结合工程建设环境、地质条件、岛屿与大陆两侧基础设施建设等方面综合比选分析而定。

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Study and Comparison on Construction Plan of The Cross-sea HV Transmission Line to Connect The Isolated Islands and The Mainland

Lin Guoxin

(State Grid Fujian Electric Power Co.,Ltd.,Fuzhou Fujian 350003)

The electricity load in the islands are increased with the economic or the resources development in the coastal islands,and some new cross-sea HV electrical channels has to be built to connect the isolated islands power grid to the mainland power grid.Construction of the cross-sea HV electrical channel has many characteristics,such as large investment,long construction period,high demand for disaster prevention and mitigation,and so on.Base on the construction experience on the various kinds of the cross-sea HV electrical channels in Xiamen,Pingtan or Putian,this paper compares the over head line,the submarine cable,the bridge cable and the sub-sea tunnel cable on the key factors,such as the effect to the environment,the anti disaster capability,construction period,project investment,operation and maintenance,and then a qualitative or a quantitative comparison is made between the different cross-sea channel construction methods,to provide a basic for the same condition engineering.

HV electrical transmission line;Anti disease ability;Construction period;Operation maintains

2017-04-25

国家电网公司依托工程基建新技术研究应用项目(20150033；20160041)

林国新(1971-)，男，高级工程师，主要研究方向：电网工程.

1005-2992(2017)04-0086-08

TU-9；TU72

A

电子邮箱： lin_guoxin3181@sina.cn(林国新)