输电线路海底电缆敷设方式探讨

2022-03-07杨巡莺林径

能源与环境 2022年1期

杨巡莺林径

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司福建福州 350003）

0 引言

随着国家加快海上能源体系建设，近海岛屿的开发、海上风电场陆续投产建成，输电线路海底电缆作为跨海送电的主要技术手段将海上风电资源源源不断的传输到陆地。我国从20 世纪60 年代就开始了海底电缆的敷设施工，电压等级集中在35 kV，高电压、大容量的海底电缆屈指可数，主要集中在福建及广东地区。随着海洋风资源的持续开发，多个千万千瓦海上风电基地的规划及建设，输电线路海缆将会大量应用。本文基于厦门电力过岛第一通道扩建工程对海底电缆敷设方式进行探讨，为今后国内类似工程的建设提供参考。

1 输电线路海底电缆敷设方式

根据不同的海域情况、施工工期及海缆型式等因素，海缆敷设方式可大致分为三类：直接抛放、先敷后埋和边敷边埋。直接抛放主要是依靠海缆的自身重量快速沉入大海底部，施工便捷，但是容易被船锚破坏，安全性差，一般推荐在深水区域采用。先敷后埋和边敷边埋都是深埋的方式，依靠机械设备将海缆埋设在海底，可以有效地避免外力的破坏［1］。边敷边埋综合了直接抛放和先敷后埋的敷设特点，在海缆施工船上将海缆装入埋设机，一起放至海床上，开启埋设机，埋设机随施工船前进的同时，冲开海床面，将海缆置入沟槽中［1］。依托厦门电力进岛第一通道扩建工程（以下简称本工程）敷设方式，综合考虑施工工期、地形地貌以及气候环境等影响因素，采用慢速绞锚牵引式边敷边埋工艺，施工船采用六锚定位，海缆转盘退扭，HL9 型高压射水埋设机边敷边埋是最经济和安全的，下文将注重对边敷边埋敷设方式进行探讨。

2 工程应用

2.1 工程概况

本工程为220 kV 单回路线路，送电方式为架空、海缆、陆缆三种混合方式，起自厦门集美英春220 kV 变电所，终止于厦门岛内围里220 kV 变电所，线路全长20.51 km，其中海缆段，起自集美电缆终端站，终止于厦门岛内新环岛路电缆终端站，该段线路长度3.620 km［1］。

2.2 敷设步骤

本工程海缆敷设步骤为：①接收、运输海缆；②路由扫海调查、清理；③登陆点调查；④始端登陆；⑤路由海缆敷设；⑥终端登陆；⑦海缆保护、冲埋；⑧登陆点两端海缆接头、配件安装及其他土建工程等。其中路由海缆敷设是最重要的步骤，主要的操作流程为：①施工船就位；②缆盘内海缆旋转退扭；③海缆放入甲板入水槽；④海缆系上浮胎；⑤始瑞登陆；⑥海缆放入埋设机腹部，投放埋设机至海床面；⑦牵引施工船敷埋海缆；⑧提起放埋设机；⑨海缆从埋设机腹部导出；⑩海缆系上浮胎；1○终端登陆。下文将介绍边敷边埋过程中使用的主要机械设备、敷设过程控制等内容。

2.3 敷设设备

本工程海缆敷埋施工船为无动力平底方驳3 000 t，该船船身总长约为60 m，船身总宽约为22 m［3］。海缆敷埋船为本身无动力推动的船舶，主要依靠船上38 t 卷扬机工作，卷扬机收绞牵引钢缆控制施工船行进方向，牵引钢缆则是需要提前敷设在海缆路由线上；施工船牵引海面下的埋设机进行海缆敷设，施工船上的主要设备包括布缆机、起重扒杆、埋设机等［3］。本工程所使用的布缆机为履带式海缆输送设备，设计最大牵引力7 t，在保证不超过电缆最大允许侧压力及径向拉力的前提下，根据需要可进行调节牵引力，如图1 所示；起重扒杆额定起重60 t，最大吊距11 m，扒杆上安装若干个滑车组，用于埋设机的投放与回收，如图2 所示；牵引式HL9 型高压水力射水埋设机由2 台安装在甲板的机动水泵经高压皮笼对埋设机进行供水冲泥，机动水泵型号：TSW150×9，功率200 kW，转速1 500 r/min，流量150 m3/h，扬程270 m，主机纵向与侧向迎水面小于6 m2、跨幅大于5 m、重心低于0.8 m，自然摆放在水底，在6-7 节水流中能保持良好姿态，作业时抗流性能好，埋设深度可在0 m～3.5 m 之间变化，施工船上38 t 牵引卷扬机的绞缆线速度决定了海缆敷埋速度，同时由卷扬机上的变频器来调控海缆敷埋的速度，海缆敷埋速度控制在0 m/min～8 m/min的速度范围内变化，如图3 所示；过缆桥形似回转的起重机，拔杆部分是根据适应被敷海缆最大直径来确定容许曲率半径，形似“S”型的导缆架。过缆桥由导缆架和回转机架组成，是电缆从转盘到布缆机之间的导向机构，它有两个作用：一是过程中使海缆始终保持容许的弯曲半径输送；二是通过导缆架的回转摆动和变幅来调节海缆在输送过程中所受的张力，如图4 所示［2］。

图1 布缆机

图2 起重扒杆

图3 HL9 型高压水力射水埋设机

图4 海缆施工转盘与过缆桥

2.4 敷设过程控制

海缆敷埋过程中需对所处海域进行封航，不能因外部因素造成施工中断。海缆敷埋施工时，埋设机需要进行实时调节和控制，通过调节牵引的速率、水泵的压力、牵引力的大小以及埋设机状态等方式来控制海缆敷设的深度，如图5 所示。本工程依靠卷扬机的绞缆线速度决定，并由卷扬机上的变频器来调控，敷埋速度控制在1 m/min～8 m/min。

图5 海缆敷设示意图

埋设机上安装各种传感器，通过传感器可测知埋设机左右摆动、前后倾斜情况，犁刀的操作深度及水平转向情况，可以进行实时调控［4］。根据设计的要求，海缆在敷埋过程中张力需控制在一定的范围内，允许张力可通过布缆机控制［4］。

海缆敷设时，船只在海上时间长，施工船容易受到风浪、潮汐的影响，导致偏离设计方案，因此需要随时对敷设路径进行纠偏处理。本工程海里电缆敷设采用慢速绞锚敷埋的方法，在施工船前设置钢缆绳牵引，后侧的埋设机（自重约40 t）相当于稳船锚，施工船采用六锚定位，通过锚钢丝绳调整船位航向，通过锚艇翻锚来解决海缆偏移问题［1-2］。

由于施工船建基3001 本身无动力推动，依靠牵引钢缆沿设计路径方向施工。本次敷设由于工程线路中间有几处转向点，主牵引钢缆敷设可采用如下施工方法：根据设计提供的坐标，根据DGPS 复核定位始端登陆点的路由轴线，施工船在路由轴线附近就位，在海缆设计路由上依靠锚艇抛设牵引锚，将主牵引钢缆与牵引锚连接，牵引钢缆直至钢缆与施工船上38 t卷扬机连接［5］。施工过程中，依靠锚艇水下敷设主牵引锚，在靠近终端登陆点附近设置地锚，将主牵引钢缆与地锚连接牢固［5］。本次敷设的主牵引钢缆单根长度最长为4 km，敷设过程中依靠DGPS 来定位，在转向点位置，通过锚艇抛设转向锚并与主牵引钢缆相连，确保施工船沿设计路由进行施工［5］。抛牵引锚时采用DGPS 定位系统，精度控制在（±5 m）范围内。

深水区施工，要依靠海底的埋设机进行。首先要将埋设机投入到海床上，可以将海缆装入埋设机后再投放至海床，也可以将埋设机及海缆分别投放至海床后再把海缆装入埋设机。

根据厦门海缆项目实际情况，落潮时集美侧露出滩地，清淤后登陆端沟槽水深也较浅，船舶甚至可能搁浅在路由上，甲板到海床面的高差较小，约为4.5 m～7.0 m。鉴于高差较小，投放埋设机时，先在甲板上将海缆装进施工机械腹部，再进行埋设机投放，进而牵引施工船敷埋海缆。将海缆放入水槽，在埋设机腹部装入海缆，关上门板，采用扒杆吊机将埋设机缓缓吊入水中，搁放在海床上。