【圖文】海底電纜基礎介紹、敷設與安裝系列文章!

海底電纜敷設

海上風電場的海底電纜為解決海底高壓、防腐蝕以及絕緣等問題，採用包括加強層 、防蛀層 、絕緣層等多層結構，直徑大、強度高。例如，典型的單芯牛皮紙絕緣海纜，直徑約140毫米，每米重量約48千克；海上升壓站與陸上集控中心之間多採用的光電複合纜，直徑約250毫米，每米重量約110千克。

海纜規格有單芯和三芯之分，為減少路由佔地和施工成本，目前，海上風電場項目使用最多的是三芯交聯聚乙烯絕緣光電複合海纜。

海纜敷設需要的船機設備主要有敷纜船、拖輪、錨艇、水陸兩棲挖掘機、布纜機、絞磨機、發電機、定向鑽機等。

海纜敷設屬於一個相對特殊的施工項目 , 目前我國缺乏相應的設計規範、 施工規範和質量驗收規範。典型敷設流程如下:

（1）接纜。

按地點可分為碼頭接纜和船上過纜，按方式可分為散裝過纜和整體吊裝過纜。我國通常採用海底電纜敷設船接纜，地點一般為生產廠家的碼頭。

（2) 試航。 

施工船舶到達施工現場後，首先進行試航作業, 熟悉海況及施工航線，以確保施工安全及施工質量，此工序為非必須完成的工序。

（3）掃海。 

主要排除施工路由軸線上影響施工順利進行的舊有廢棄纜線、插網、漁網等小型障礙物，常採用錨艇尾系掃海工具，沿設計電纜路由往返掃海。

（4）敷設主牽引鋼纜。

海底電纜敷設船一般為無動力船型，需要拖輪拖帶，常採用設置主牽引鋼纜引導敷設船的施工方法。

圖2 敷設主牽引鋼纜  

（5）登陸準備。 

登陸前在兩登陸點的路由軸線上挖設絞磨機地壠，在登陸的灘涂上按設計軸線敷設電纜登陸的牽引鋼絲，並在電纜登陸路由沿途設置滾輪，以保護電纜免受磨損和減小電纜登陸時的摩擦力。

（6）始端登陸。 

海底電纜始端登陸前，在高潮位時將施工船錨泊就位於登陸點附近，以減小登陸距離，並利用差分全球定位系統(difference global positioning system , DGPS) 的測量系統定位於路由軸線上，在始端登陸點處設置絞磨機。登陸時，電纜頭從船頭通過入水槽入海，利用預先設置在始端登陸點處的絞磨機牽引電纜浮運登陸。

（7）敷埋段施工。 

海底電纜敷埋段施工主要步驟是埋深施工船錨泊就位→纜盤內電纜提升→電纜放入甲板入水槽→電纜放入埋設機腹部→投放埋設機至海床面→牽引施工船敷埋電纜，我國海底電纜施工船的敷設速度通常不超過10m/min。

圖3 敷埋段施工

電纜敷設時需要通過控制敷設船的航行速度、電纜釋放速度來控制電纜的入水角度以及敷設張力，避免由於彎曲半徑過小或張力過大而損傷電纜。

其中：

淺灘段敷設時，電纜敷設船停在距離海岸4.5千米的地方，通過岸上的牽引，將放置在浮包上的電纜牽引上岸，電纜上岸後拆除浮包引機，使電纜下沉至海底。

深海段敷設時，電纜敷設船釋放出電纜，使用水下監視器控制敷設船的前進速度，方向和敷設電纜的速度，以繞開凹凸不平的地方和巖石避免損傷電纜。

圖4 淺海區域電纜鋪設

（8）終端登陸。 

海底電纜終端登陸前，利用布纜機將電纜通過入水槽送入水中，在電纜入水段每隔幾米墊以充氣內胎助浮。電纜不斷送出後在水面上逐漸形成一個不斷擴大的「 Ω 」形狀，工作艇監視和控制海面上電纜彎曲情況，防止電纜扭彎, 準確測量電纜登陸距離後, 將電纜截斷、封頭。待電纜頭牽引出施工船後, 在電纜頭上設置活絡轉頭,並與設置在終端登陸點處的絞磨機牽引鋼絲連接，啟動絞磨機牽引電纜，待電纜牽引施工完成後，沿電纜溝槽逐個拆除浮運電纜的輪胎，將電纜沉放至海床上，然後牽引就位。

海底電纜敷設方法分類

海底電纜敷設方法主要分開挖法、刀犁式埋設犁施工法和衝埋式埋設犁施工法三種。

開挖法採用挖泥船進行挖泥，挖泥的深度由埋設深度所決定。開挖結束後，直接將海底電纜敷設下去，利用潮流將泥土回填。此種施工方法要達到一定的深度開挖的寬度和深度就需要按一定的比例放坡，否則就會發生塌方的現象。如海纜的埋深為3m、放坡比例為1:3(深度與寬度之比)時，開挖的寬度就要達到9m。

   

此方法因利用潮汐自然回填需要較長的一段時間才能將溝槽全部覆蓋嚴密，而這段時間溝槽裡的土質非常稀鬆且溝槽的寬度很寬對海纜並無保護作用，船舶遇到惡劣氣候或緊急情況在海纜路由上拋錨則很容易損壞海纜。

圖5 溝槽深度與寬度示意圖

圖6 海纜遭遇錨鏈危害示意

刀犁式埋設犁施工時，海纜施工船在布纜的同時，依靠其強大的牽引力拖曳埋設犁，使安裝在埋設犁尾部的刀犁在海床上掘削出一條溝槽，然後將海纜埋入其中。其埋設深度由犁刀所決定，並可以通過控制系統調節埋設深度。在埋設犁的主體上，配備有調節犁的深度和寬度用的液壓裝置，監視埋設犁姿態、障礙物和海纜導入等狀況的各種傳感器及攝像機，還有向攝像機和埋設犁主體各組成部分發送控制信號，以及收集各種數據用的機上信號處理裝置。在埋設時，由設於海纜施工船上的監控室通過控制設備與供電電纜對埋設犁進行控制和供給電源。

   

此方法需要有較大牽引力的大型海纜施工船，在除了巖石以外的其他海底底質都可以進行海纜埋設。通常情況下較易在泥質地施工，而砂質地施工的強度相對較高。

   

圖7 刀犁式埋設犁

衝埋式埋設犁施工法：進行海纜埋設作業時，依靠裝設在埋設犁掘削部的噴嘴噴射出高壓水流使海底泥沙流動形成溝槽，再將海纜埋於溝底。埋設犁上裝有埋深指示、姿態、張力及壓力等傳感器，將數據傳送到指揮中心，以控制施工質量。施工的船速通常由埋設深度來決定，如果控制中心的計算機得到埋深達到要求的信息，將指揮船舶移動，否則繼續衝埋直至符合要求。此方法的埋設速度與海底土質、埋設深度有關，一般為1m/min～10m/min左右，衝埋寬度為0.2m～0.4m。

   

此方法的主要特點是：可在布纜的同時埋設海纜，也可埋設已鋪設在海底的海纜；對海纜施工船的噸位大小和牽引力沒有高要求，只需提供噴水所需動力；拖行張力比刀犁式埋設犁小，埋設深度大，最大埋深可以達到10m左右，如果衝埋設備結合空氣提升裝置和機械切削裝置，將進一步提高埋設的深度。由於施工船吃水淺，工作水深可以是1.5m～150m的任何水深。

   

圖8 衝埋式埋設犁

伴隨著回聲探測與潛水器技術的發展，敷設後的海底電纜通過回聲探測技術還原海床的三維圖像，檢查海底電纜的敷設情況，若發現裸露在外的電纜，出動控制潛水器，深入海底撿起光纜，埋入泥土下面，增加衝埋式埋設犁施工法的準確性，衝埋式埋設犁施工法得到更加廣泛的應用。

   

圖9 控制潛水器

海底電纜敷設關鍵技術

針對高電壓、大直徑的海底光電複合纜的特點，設計了一種先進的施工技術，即採用由液壓驅動的水平轉盤進行海纜的盤放，現場施工時，通過海纜牽引機將電纜從電纜轉盤中送出，電纜轉盤的轉速、海纜牽引機的速度和海纜施工船的前進速度基本保持同步，將海纜勻速敷設到海底。

目前海底電纜領域常規的退扭方式是採用退扭架進行過纜和退扭，大直徑海底電纜對退扭架高度要求很高，考慮到施工船的設計及通航高度限制，在施工船上安裝退扭架會比較困難，必須要採用其他方式對電纜進行退扭。

採用轉盤式水平退扭，可以解決上述問題，並保證施工期間海底電纜能理想退扭。具體為：在施工船上安裝一個液壓轉盤、過纜橋，液壓轉盤可以正反方向旋轉，過纜橋進口及出口可以左右上下調整。施工期間，採用液壓轉盤對海底電纜進行退扭，海底電纜通過轉盤退扭完成後再通過過纜橋進入水下機械設備進行施工。可有效減少海纜的受力，降低海纜受外力損壞的風險。

海纜相對於敷設船強大的鋼結構而言是十分脆弱的，在敷設過程中，除了自重和受到海水的浮力以外，還要受到波、浪和流的作用。因此，海纜在敷設過程中對張力的控制是非常嚴格的，一旦張力超過電纜的允許值，則電纜將受到損壞，而如果張力太小，又會導致海底的餘纜過多，容易產生打扭，影響電纜的使用壽命，嚴重的會導致電纜的損壞。

海纜在敷設過程中最危險的就是出船區域和著地區域。由於出船區域露出水面，可以通過設計安裝入水槽來確保滿足海纜的最小彎曲半徑。而對於海底著地區域的海纜，無法直接控制其最小彎曲半徑和張力，一般採用經驗參數法進行評估計算。經驗參數法的主要思路是控制入水海纜在海底著地處的張力和最小彎曲半徑，通過設定海纜在海底著地處的張力，反推出敷纜船上海纜的控制張力，進而保證海纜在敷設過程中的安全。

海底地形複雜多樣，巖石和凹凸不平處會使海底電纜磨損或受力不均，造成損傷。海底電纜在海底需採取保護措施，在沙地及淤泥區，使用CAPJET高壓衝水，衝出約2米深的溝槽，電纜埋入其 中，使用旁邊的沙土將其覆蓋，達到保護目的。在珊瑚礁及黏土區則使用切割機切割約0.6米深的溝槽，之後把海底電纜埋入溝槽，再在海底電纜上覆蓋水泥蓋板等硬質物體，進而實現對海底電纜敷設的保護。

結語

海底電纜作為聯繫陸上集控中心和海上升壓站的通道線路，被稱為風電項目的主動脈，是海上設施的重要組成部分。海底電纜同時在島嶼互聯、海上油氣平臺、海上風電等領域得到廣泛應用。海底電纜敷設主要有開挖法、刀犁式埋設犁施工法和衝埋式埋設犁施工法三種，其中開挖法利用潮汐自然回填，溝槽全部覆蓋嚴密需要較長時間，海纜遭遇錨鏈破壞風險較大；刀犁式埋設犁施工法通常情況下在較易在泥質地施工，對地質強度要求相對較高；衝埋式埋設犁施工法因其適用範圍廣，工作效率高等優點被廣泛使用。伴隨著回聲探測與控制潛水器技術的發展，海底電纜敷設的安全性得到很大程度提升，降低了敷設風險發生概率，減輕了維護成本。