海底电缆系统工程设计与实施

张 伟

(南方海上风电联合开发有限公司，广东 珠海 519000)

0 引言

目前大多数海岛仍依赖柴油发电机组供电，但随着油价上涨和燃料运输成本的增加，海岛发电成本也随之上升；并且海岛与大陆电网没有直接联网，电网安全可靠性基础脆弱，已经严重阻碍了海岛居民的生产生活，并给海岛经济和旅游产业发展造成了重大困扰。为解决海岛供电问题，海岛联网工程应运而生，通过构建智能微电网，充分结合海岛的能源资源特点，缓解海岛电力供应不足的现状。以桂山海上风电场为基础，在桂山岛、东澳岛与大万山岛三个海岛之间建设海岛联网试验示范工程(海岛微电网)，采用智能微电网系统集成技术，实现微电网多种运行方式切换，不仅实现了向大电网提供调峰调频、应急电源等辅助服务，还确保海岛电力供应的连续性和可靠性。

海底电缆是实现海岛微电网以及与大陆电网互联的重要设备，由于海上运输、自然条件变化和捕鱼活动增加等因素，海底电缆的安全性一直面临着挑战，为保护海洋资源和海底电缆系统的稳定性和可靠性，合适的着陆点和海缆路径的选择至关重要，而选择最佳的海缆路径需要考虑多种因素，其中包括海缆长度、天气和环境因素、路径的可行性与建设成本以及地理结构的评估等。经过科学合理的选择与调整优化后，海底电缆路径不仅可以提高海底电缆系统的性能，还能降低对海洋生态环境破坏的影响。

1 项目概况

目前桂山岛等海岛已完成微电网构建，电源方面形成了以“风、光、柴、蓄”多种能源模式互补的独立电力系统；电网架构方面形成岛内10 kV 主干网架，满足“N-1”的供电安全原则。

2 路径选择分析

海底电缆的布线方案主要考虑水文气象条件、海底地形地貌、电缆长度、敷设成本、征海补偿以及对周边环境影响等因素，同时需避开海港、火山岩带、陡峭的山坡、悬崖等危险区域，并避免在海谷、渔业作业区以及其他海底电缆或管道上进行交叉铺设。此外，海底电缆与其他设施的距离，应严格遵守国家有关规定，设计路径的地质应平坦且稳定，从而确保海底电缆的长期安全运行。

与传统的架空线路相比，海底电缆价格昂贵，在路径设计时应充分考虑长度因素，避免在施工过程中出现失误，同时还需保证电缆一次性生产完成，中间没有接头。在设计电缆长度时，需要重点考虑以下几个因素：一是敷设充裕度，一般按照路由长度的1 %考虑；二是航行偏差，按照路由长度的0.5 %考虑；三是海深影响，按照海深的50 %考虑。综合这些因素的影响，方可设计出精准、合理的海底电缆长度方案，确保施工过程顺利进行的同时也避免不必要的浪费和损失[1]。

3 海底电缆电压等级及联网方式

为了实现桂山海上风电场升压站与桂山岛、东澳岛和大万山岛的联网，考虑海洋环境因素和各岛负荷容量需求，方案设计如下。

1) 220 kV 吉大站至桂山海上风电场升压站双回110 kV 三芯海缆(3×500 mm2)，长度约为21 km。

2) 海上风电场升压站35 kV 单回三芯海缆(3×240 mm2)至桂山岛，长度约12 km；35 kV单回三芯海缆(3×300 mm2)至东澳岛，长度约13 km；东澳岛35 kV 单回三芯海缆(3×70 mm2)至大万山岛，长度约10 km。

按照上述方案形成220 kV 吉大站至桂山海上风电场升压站双回，桂山海上风电场升压站至桂山岛一回、至东澳岛一回，东澳岛至大万山岛一回联网线路。

通过接入风电场升压站两段35 kV 母线(采用单母线分段接线)，两台容量为110 MVA 的三相有载调压型双绕组变压器进行升压经海缆输送至陆上220 kV 吉大站接入珠海电网，并采用双回110 kV海底电缆线路接入220 kV 吉大站110 kV 侧，单回输送容量需满足102 MVA，升压站两套110 kV GIS 均采用线变组接线。

4 海底电缆选型

据估算，桂山岛、东澳岛、大万山岛远期负荷将分别达到13.9 MW、16.4 MW、6.0 MW。海岛联网输送容量按满足远期各海岛供电考虑，即输送容量满足岛内电源不出力时海岛最大负荷。根据联网所需输送容量和传输距离，联网电压等级较为合适的有35 kV、20 kV、10 kV 三种，对联网电压等级的选择具体分析如下。

4.1 输送负荷距离分析

对于中、短距离输电线路而言，传输能力主要受到允许的电压损失(一般限制在10 %以内)、功率和能量损耗的影响，与系统稳定关系不大。

4.2 输电经济性分析

各电压等级海缆输送能力见表1。

表1 不同海缆导线截面极限输送能力 单位：MVA

以桂山岛、东澳岛、大万山岛分岛联网方式进行分析，至桂山岛需输送14.8 MVA (功率因数均按0.95 考虑)，至东澳岛需输送17.2 MVA，至大万山岛需输送6.3 MVA。结合不同电压等级海缆输送容量，各电压等级联网建设规模及造价匡算见表2。

表2 各电压等级联网线路造价匡算

由表2 可知，不同电压等级海缆相同导线截面电缆结构基本相同，单位造价差别较小。但是从输送容量上看，电压等级较高的海缆具有较大优势，因此传输功率相同时可选择较小截面的海缆。综合造价比较分析，在相同联网方案下，35 kV 电压等级联网可选择较小的导线截面或较少的回路数，经济性最优。

综上所述，对于超过10 km 的中距离输电，较高的电压等级可以减小网损和压降，提高线路的输送容量。根据经济匡算，35 kV 电压等级在输电经济性上最优，因此联网电压等级选择35 kV 较为合适。若风电场集电线选择35 kV 电压等级，联网线路可直接接入风电场升压站低压侧母线，若风电场集电线路选择其他电压等级，联网线路可通过变压后接入风电场升压站低压侧母线。各海岛预留了35 kV 变电站的建设用电，并设计如下方案。

1) 将各海岛孤立电网升级到35 kV，并将其接入海上风电场升压站低压侧，孤立电网通过风电场的外送线路和主系统联网，进一步增强能源的使用效率。

2) 针对各海岛的具体情况可分别将岛屿接入，或将近海的多个海岛串联接入，考虑到海岛负荷特性及季节性比较明显，全年最高负荷利用约在2 000 h，利用小时数较低。联网前海岛智能微电网建设使岛内具备一定规模的电源，保障岛内供电；联网后计划岛内柴油机转为备用，依靠可再生能源与外网输电为海岛供电。

3) 考虑海岛负荷规模较小，海岛联网输送容量按满足远期海岛供电需求设计，岛内电源作为重要负荷备用，当发生联网线路故障时，可各自转为独立微电网运行，从而保障供电的可靠性，因此各海岛按一回联网线路考虑。

4.3 导线截面选择

根据海缆厂家提供技术参数，35 kV 海底电缆导线截面选择如下。

1) 桂山岛联网采用单回三芯海缆，导线截面3×240 mm2。

2) 东澳岛联网若采用分岛联网方式采用单回三芯海缆，导线截面3×240 mm2；若东澳岛、大万山岛经一点接入联网则采用单回三芯海缆，导线截面3×300 mm2。

3) 大万山岛若采用分岛联网方式，考虑到联网距离较远(23 km)，选择导线截面3×95 mm2；若东澳岛、大万山岛经一点接入联网则选择导线截面3×70 mm2。

4.4 海底电缆结构和选型

该工程110 kV 海底电缆采用ZS-YJQF41+OFC-64/110/3×500 三芯铜导体交联聚乙烯绝缘复合光纤海底电力电缆，配套32 芯光纤；35 kV 联岛海缆采用HYJQF41-F-26/35-3×70/150/300/400 三芯交联聚乙烯绝缘光纤复合海底电缆，配套24 芯光纤。在实际应用中，由于海岛联网工程对输电电压、负荷要求不高，选用光电复合海底电缆既输送了电能，又满足传送电网调度自动化信号的通信需求。

5 海底电缆的敷设与保护

5.1 海底电缆敷设

海底电缆敷设方案选择边敷边埋方式。该方式适合路径较短、通航船舶较少、海况较好且海底地质条件较易实现电缆保护的情况。为了方便施工，海底电缆的敷设将从珠海陆地一侧敷至海岛侧。由于季节影响，海底电缆的敷设应选择无台风活动的春季进行，这个季节水流速度不超过0.5 m/s，风速不超过10 m/s，天气窗口条件相对稳定。

为高效安全地完成电缆运输及敷设工作，采用海底电缆敷设船和敷设犁进行施工。敷设犁长约9 m，宽约4.2 m，重量18 t，水头压力1.6 MPa，能够满足海底电缆约3 m 的埋深要求。海底电缆敷设船配备四向侧推系统，可精确定位，加上水下无人遥控潜水器(ROV)的精密配合，可有效控制海缆入水角与张力，保证海缆按设计坐标敷设，同时避开局部地形地质不良区。在敷设两端近岸段，采用浮运法敷设，即在距离岸边合适位置，释放一定长度的海底电缆，然后使用浮枕将海底电缆浮在水面上，再由拖轮船牵引电缆头至岸边进行岸上段的牵引和安装[2]。

5.2 海底电缆保护

由于珠海附近海面存在复杂的海洋开发和船舶通行情况，海底小沙坡以及大型船只紧急抛锚等危险因素也随之而来，这些都对海缆的安全造成威胁，因此在海缆防护设计的过程中，必须考虑防范锚害、拖网等外力的冲击破坏，并预防海流导致的海底电缆机械性损伤等。稳固海底电缆的防护措施必不可少，具体措施如下。

1) 施工前，应测量交越海底电缆的实际位置，获取准确坐标，以提供安全可靠的交越基础，并确保管线的正确埋设深度和走向；同时在原有管道和新敷设的电缆之间设置预制混凝土垫块，保护原有管道，并隔离新敷设的电缆。为了确保施工安全，在交越点前后50 m 的站点应设立浮标，明确定位交越点的位置。采用跨越式交越法，先将埋深作业在交越前100 m 处停止，并起出埋设机，然后以抛放方式跨越交越点。在潜水员确认水下安全情况后，方可继续后续的敷设和埋设作业。

2) 锚害是危害海底电缆的最大因素。为了防止锚害，在海缆的近海岸登陆段浅水区域，设置海底电缆防护区并在周围设置禁锚标志，以提醒他人不得在该区域内作业；在海缆的登陆段，采用球墨铸铁套管进行保护，将海缆铺设在预制混凝土槽内，再回填细沙，盖上盖板，保证埋设深度不低于1 m。对于海域其他区段则采用水下电缆埋设机器人进行冲埋保护。水下埋地机器人长为5.5 m、宽为4.1 m，重约23 t，在机器人前端配备有两台水压泵，可提供0.5～1.5 MPa 的压力，并配备两把水刀，冲埋深度达到2 m；机器人后部再配置两台200 kW 小型水压泵，用于维护沟壁稳定性和后续的施工工作。此外，机器人还配置声呐和视频监控系统，方便水下定位电缆。

6 海底电缆的监测

1) 海底电缆综合监测系统[3]。通过抽取海底电缆复合光纤作为分布式监测的传感元件，构建海底电缆综合监测系统，实现对运行状态实时在线监测。该方案利用光纤拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射等原理，对温度、应变和振动特性进行敏感反应分析，实现对海底电缆运行温度、应变状态和振动事件的分布式综合监测。同时，在110 kV 吉桂甲线、110 kV 吉桂乙线、35 kV 海桂线、35 kV 海东线、35 kV 海大线五回线路安装海缆综合监测系统、海缆综合监控平台软件及服务器等设备，并设置在220 kV 吉大站集控中心内，实现对海底电缆运行状态的实时监测。因此，通过海底电缆综合监测，不仅降低了电缆故障和停电事故的发生率，且保证了海底电缆的安全稳定运行。

2) 海缆温度应力监测。由于海底环境极为恶劣，电缆容易出现破损、绝缘劣化等问题，这些问题往往会导致故障点出现，并在严重情况下造成电气故障，尤其在海缆被船锚拖拉时，会发生相关应力的变化。通过对海底电缆进行应变和温度的分布式测量，可节约大量维护和运行成本，减少海缆故障停电带来的损失。

3) 海缆扰动监测。采用光纤传感技术结合海底电缆的复合光纤作为分布式传感元件，实现海底电缆扰动监测，光纤传感技术对海底电缆的扰动具有很高的测量灵敏度，是监测海底电缆船舶肇事的有效技术手段。

4) AIS 船舶识别预警。当海面有对海底电缆运行造成威胁的可疑船舶进入海底电缆警戒区时，AIS 系统就会立即监测并联动声光实施高音广播劝离驱逐。

7 结束语

海岛联网工程示范项目的投入使用，为海底电缆线路的设计、施工积累了一定的经验，在联网技术、电缆技术不断发展的趋势下，新的技术和产品不断应用，对于提升海底电缆的安全稳定性以及设计施工的便利性具有更好的促进作用。