海底電纜基礎介紹

概述

海底電纜（submarine cable）是用絕緣材料包裹的電纜，鋪設在海底，用於電信傳輸。海底電纜分海底通信電纜和海底電力電纜，前者主要用於電話、網絡等通信業，後者主要用於水下傳輸大功率電能。與陸用電纜相比，海底電纜在應用場合和鋪設方式方面存在不同，但發揮的作用基本相同。

1850年，世界第一條海底電纜鋪設成功，連接了法國加萊和英國多弗。至此，越來越多的海纜增強了國與國之間的聯繫，甚至很大程度上促進了全球一體化進程的發展。同時，海纜也實現了能源傳輸形式的創新。隨著海底電纜技術的發展，如今海底電纜被廣泛運用於洲際通訊、島嶼互聯、海上油氣平臺、海上風電等領域。

能源需求是人類社會永恆不變的需求。我國擁有1.8萬餘千米長的海岸線，沿海分布6000多個島嶼，沿海地區又是我國經濟發達區域，沿海島嶼發展急需用電。由於建設電站成本高、周期長，再加上燃料供應不便且有汙染等因素，中小型海島的供電與通信都需要通過海底電纜來解決。近年來，隨著跨海輸電、通訊，海上油氣田等海洋項目的發展，尤其是海上風電等海洋新能源的快速增長，作為能源傳輸的關鍵通道，海纜被提出越來越高的要求。一方面，海洋中新敷設的海底電纜數量日益增加，另一方面，海底電纜的設計、製造、施工技術要求也不斷提高，尤其是將環保提到了前所未有的高度。 

   

圖1 世界海底電纜地圖（2019）

海底電纜種類

海纜的種類可以從以下三個方面來劃分：

　　1、導電芯數量。主要分為三芯海纜和單芯海纜，中低壓線路使用三芯海纜居多，高壓線路使用單芯海纜居多。

　　2、傳輸功能。傳統海纜只有單純的電能傳輸功能，新型海纜屬於光電複合纜，有效地實現了電能和信號在同一根纜線上傳送。

　　3、負荷類型。分為直流海纜和交流海纜，直流海纜特點是損耗小，易於實現長距離輸電，但直流海纜的應用經驗並不豐富，直流換流站等配套建設費用高昂，交流海纜損耗大，但運維技術成熟，配套建設費用小，因此海纜線路設計者們通常要進行技術和經濟上的權衡，實現效益最大化。

圖2 海底電纜電壓、兆瓦數和距離的關係

（Garrad Hassan）

圖3 三芯海底電纜截面圖

圖4 單芯海底電纜截面圖

海底電纜結構

海底電纜發展至今，結構設計上做出多種探索和嘗試，主要包括以下幾種型式：

1、浸漬紙包電纜。適用於不大於45kV交流電及不大於400kV直流電的線路。目前只限安裝於水深500m以內的水域。

2、充油電纜。利用補充浸漬劑的方法消除電纜中的氣隙。當電纜溫度升高時，浸漬劑膨脹，電纜內部壓力增加，浸漬劑流入供油箱；電纜冷卻時浸漬劑收縮，電纜內部壓力降低，供油箱內浸漬劑又流入電纜，防止了氣隙的產生，故可以用於110千伏及以上線路。敷設於水深可達500m。

3、充氣式（壓力輔助）電纜。使用浸漬紙包的充氣式電纜比充油式電纜更適合於較長的海底電纜網，但由於須在深水下使用高氣壓操作，故此增加了設計電纜及其配件的困難，一般限於水深為300m以內。

4、「油壓」管電纜。只適用於數公裡長的電纜系統，因為要把極長的電纜拉進管道內，受到很大的機械性限制。

5、擠壓式絕緣（交聯聚乙烯絕緣、乙丙橡膠絕緣）電纜。適用於高達200kV交流電壓。乙丙橡膠較聚乙烯更能防止樹枝現象及局部洩電，使海底電纜更有效地發揮功能。

浸漬紙包絕緣和充油式電纜受水深與敷設落差限制，現已基本淘汰。油壓管電纜受機械性限制也已淘汰。目前擠壓式絕緣電纜使用最為廣泛。

圖5 浸漬紙包電纜示意圖

圖6 充油電纜示意圖

圖7 充氣式電纜示意圖

圖8 交聯聚乙烯絕緣海底電纜示意圖

經過多年的總結和沉澱，目前海底電纜典型結構如下：

正是以上獨特的機械和電氣設計，海纜才可以「安心」地躺在海底工作。

海底電纜在海上風電的應用

海上風電場作為一個離岸的發電廠，需要源源不斷地把發出的電力輸送到岸上併入電網，同時需要分秒不停地與陸上集控中心進行信息交互。因此，海上風電的電力和通訊傳輸都是依靠海底電纜實現的。

海上風電場的海底電纜的一端連接風電機組，另一端連接陸地升壓站或集控中心，中間可能還要連接海上升壓站或換流站。目前，我國海上風電場升高電壓通常採用二級升壓方案，即風電機組輸出電壓經箱變升壓至35kV後，分別通過35kV海底電纜匯流至110kV或220kV升壓站，最終通過110kV或220kV線路接入電網。因此，海上風電常用的海底電纜主要是35kV、110kV和220kV三種。

圖9 海底電纜連接示意圖

海底電纜並不像纜繩和繩索一樣可以隨意彎曲，電纜最小彎曲半徑一般為電纜直徑的6倍，而海底電纜的直徑一般都在200mm以上，因此海底電纜的彎曲半徑需要1.2m以上。過度的彎曲會造成電纜的破壞，因此在與結構連接時需要對電纜做好保護工作。海底電纜在風電基礎附近一般會安裝一段彎曲限制器，然後通過J型管進入風電基礎。

圖10 彎曲限制器

圖11 海底電纜 J型管  

海底電纜登陸端連接陸地升壓站或集控中心。在登陸點通常會將電纜放置在石砌電纜溝或混凝土槽內，再回填泥沙，蓋上蓋板。

圖12 海底電纜登陸端施工

海底電纜在中間段一般埋在海底，除非無人類活動或有良好的海洋環境。海上風電位於近岸淺海區域，人類活動頻繁，海底環境複雜。淺海區域海底衝刷嚴重，海底電纜裸露在海床上可能會引起海床衝刷掏蝕，出現海纜部分懸空而產生電纜過度彎曲損壞的風險；此外近海區域船舶的拖網、拋錨操作頻繁，裸露的海底電纜風險較高，因此海上風電中間段均採用埋設的方法，將電纜埋在海底下2m左右。

隨著海上風電往深遠海發展，到達水深較深區域，如海底水流基本靜止，且無人類活動，海底電纜可以不埋設。

圖13 海底電纜埋設示意圖

圖14 海底電纜水下勘察

隨著海上風電往深遠海發展，漂浮式海上風電正在逐步實現，如歐洲已建成的Hywind和Windfloat等（見前期漂浮式風電系列文章，Hywind漂浮式風電技術簡析、WindFloat漂浮式風電技術簡析等）。與固定式風電基礎不同，漂浮式海上風電基礎會在風、潮汐、波浪、海流等環境條件下運動，因此漂浮式海上風電的電纜連接需要採用動態電纜的連接方法。

漂浮式海上風電動態纜面臨大截面、高電壓、周期性負荷、絕緣老化、複雜環境載荷等耦合性問題，是目前海上風電的主要研究方向之一。 

圖15 海上風電場動態電纜示意圖

圖16 連接漂浮式風電的海底電纜

結語

雖然海底電纜歷史較長，發展相對成熟，但是其應用在海上風電的時間並不長，如本文所述，目前還面臨著許多具體問題。千堯科技專注於海上風電領域的各項問題，後續為讀者帶來一系列海底電纜的相關介紹、技術進展和分析。