張 偉

(南方海上風(fēng)電聯(lián)合開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引言

目前大多數(shù)海島仍依賴柴油發(fā)電機(jī)組供電，但隨著油價(jià)上漲和燃料運(yùn)輸成本的增加，海島發(fā)電成本也隨之上升；并且海島與大陸電網(wǎng)沒有直接聯(lián)網(wǎng)，電網(wǎng)安全可靠性基礎(chǔ)脆弱，已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了海島居民的生產(chǎn)生活，并給海島經(jīng)濟(jì)和旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展造成了重大困擾。為解決海島供電問題，海島聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)運(yùn)而生，通過構(gòu)建智能微電網(wǎng)，充分結(jié)合海島的能源資源特點(diǎn)，緩解海島電力供應(yīng)不足的現(xiàn)狀。以桂山海上風(fēng)電場為基礎(chǔ)，在桂山島、東澳島與大萬山島三個(gè)海島之間建設(shè)海島聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)示范工程(海島微電網(wǎng))，采用智能微電網(wǎng)系統(tǒng)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)多種運(yùn)行方式切換，不僅實(shí)現(xiàn)了向大電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻、應(yīng)急電源等輔助服務(wù)，還確保海島電力供應(yīng)的連續(xù)性和可靠性。

海底電纜是實(shí)現(xiàn)海島微電網(wǎng)以及與大陸電網(wǎng)互聯(lián)的重要設(shè)備，由于海上運(yùn)輸、自然條件變化和捕魚活動(dòng)增加等因素，海底電纜的安全性一直面臨著挑戰(zhàn)，為保護(hù)海洋資源和海底電纜系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，合適的著陸點(diǎn)和海纜路徑的選擇至關(guān)重要，而選擇最佳的海纜路徑需要考慮多種因素，其中包括海纜長度、天氣和環(huán)境因素、路徑的可行性與建設(shè)成本以及地理結(jié)構(gòu)的評估等。經(jīng)過科學(xué)合理的選擇與調(diào)整優(yōu)化后，海底電纜路徑不僅可以提高海底電纜系統(tǒng)的性能，還能降低對海洋生態(tài)環(huán)境破壞的影響。

1 項(xiàng)目概況

目前桂山島等海島已完成微電網(wǎng)構(gòu)建，電源方面形成了以“風(fēng)、光、柴、蓄”多種能源模式互補(bǔ)的獨(dú)立電力系統(tǒng)；電網(wǎng)架構(gòu)方面形成島內(nèi)10 kV 主干網(wǎng)架，滿足“N-1”的供電安全原則。

2 路徑選擇分析

海底電纜的布線方案主要考慮水文氣象條件、海底地形地貌、電纜長度、敷設(shè)成本、征海補(bǔ)償以及對周邊環(huán)境影響等因素，同時(shí)需避開海港、火山巖帶、陡峭的山坡、懸崖等危險(xiǎn)區(qū)域，并避免在海谷、漁業(yè)作業(yè)區(qū)以及其他海底電纜或管道上進(jìn)行交叉鋪設(shè)。此外，海底電纜與其他設(shè)施的距離，應(yīng)嚴(yán)格遵守國家有關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)路徑的地質(zhì)應(yīng)平坦且穩(wěn)定，從而確保海底電纜的長期安全運(yùn)行。

與傳統(tǒng)的架空線路相比，海底電纜價(jià)格昂貴，在路徑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮長度因素，避免在施工過程中出現(xiàn)失誤，同時(shí)還需保證電纜一次性生產(chǎn)完成，中間沒有接頭。在設(shè)計(jì)電纜長度時(shí)，需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)因素：一是敷設(shè)充裕度，一般按照路由長度的1 %考慮；二是航行偏差，按照路由長度的0.5 %考慮；三是海深影響，按照海深的50 %考慮。綜合這些因素的影響，方可設(shè)計(jì)出精準(zhǔn)、合理的海底電纜長度方案，確保施工過程順利進(jìn)行的同時(shí)也避免不必要的浪費(fèi)和損失[1]。

3 海底電纜電壓等級及聯(lián)網(wǎng)方式

為了實(shí)現(xiàn)桂山海上風(fēng)電場升壓站與桂山島、東澳島和大萬山島的聯(lián)網(wǎng)，考慮海洋環(huán)境因素和各島負(fù)荷容量需求，方案設(shè)計(jì)如下。

1) 220 kV 吉大站至桂山海上風(fēng)電場升壓站雙回110 kV 三芯海纜(3×500 mm2)，長度約為21 km。

2) 海上風(fēng)電場升壓站35 kV 單回三芯海纜(3×240 mm2)至桂山島，長度約12 km；35 kV單回三芯海纜(3×300 mm2)至東澳島，長度約13 km；東澳島35 kV 單回三芯海纜(3×70 mm2)至大萬山島，長度約10 km。

按照上述方案形成220 kV 吉大站至桂山海上風(fēng)電場升壓站雙回，桂山海上風(fēng)電場升壓站至桂山島一回、至東澳島一回，東澳島至大萬山島一回聯(lián)網(wǎng)線路。

通過接入風(fēng)電場升壓站兩段35 kV 母線(采用單母線分段接線)，兩臺(tái)容量為110 MVA 的三相有載調(diào)壓型雙繞組變壓器進(jìn)行升壓經(jīng)海纜輸送至陸上220 kV 吉大站接入珠海電網(wǎng)，并采用雙回110 kV海底電纜線路接入220 kV 吉大站110 kV 側(cè)，單回輸送容量需滿足102 MVA，升壓站兩套110 kV GIS 均采用線變組接線。

4 海底電纜選型

據(jù)估算，桂山島、東澳島、大萬山島遠(yuǎn)期負(fù)荷將分別達(dá)到13.9 MW、16.4 MW、6.0 MW。海島聯(lián)網(wǎng)輸送容量按滿足遠(yuǎn)期各海島供電考慮，即輸送容量滿足島內(nèi)電源不出力時(shí)海島最大負(fù)荷。根據(jù)聯(lián)網(wǎng)所需輸送容量和傳輸距離，聯(lián)網(wǎng)電壓等級較為合適的有35 kV、20 kV、10 kV 三種，對聯(lián)網(wǎng)電壓等級的選擇具體分析如下。

4.1 輸送負(fù)荷距離分析

對于中、短距離輸電線路而言，傳輸能力主要受到允許的電壓損失(一般限制在10 %以內(nèi))、功率和能量損耗的影響，與系統(tǒng)穩(wěn)定關(guān)系不大。

4.2 輸電經(jīng)濟(jì)性分析

各電壓等級海纜輸送能力見表1。

表1 不同海纜導(dǎo)線截面極限輸送能力 單位：MVA

以桂山島、東澳島、大萬山島分島聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)行分析，至桂山島需輸送14.8 MVA (功率因數(shù)均按0.95 考慮)，至東澳島需輸送17.2 MVA，至大萬山島需輸送6.3 MVA。結(jié)合不同電壓等級海纜輸送容量，各電壓等級聯(lián)網(wǎng)建設(shè)規(guī)模及造價(jià)匡算見表2。

表2 各電壓等級聯(lián)網(wǎng)線路造價(jià)匡算

由表2 可知，不同電壓等級海纜相同導(dǎo)線截面電纜結(jié)構(gòu)基本相同，單位造價(jià)差別較小。但是從輸送容量上看，電壓等級較高的海纜具有較大優(yōu)勢，因此傳輸功率相同時(shí)可選擇較小截面的海纜。綜合造價(jià)比較分析，在相同聯(lián)網(wǎng)方案下，35 kV 電壓等級聯(lián)網(wǎng)可選擇較小的導(dǎo)線截面或較少的回路數(shù)，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

綜上所述，對于超過10 km 的中距離輸電，較高的電壓等級可以減小網(wǎng)損和壓降，提高線路的輸送容量。根據(jù)經(jīng)濟(jì)匡算，35 kV 電壓等級在輸電經(jīng)濟(jì)性上最優(yōu)，因此聯(lián)網(wǎng)電壓等級選擇35 kV 較為合適。若風(fēng)電場集電線選擇35 kV 電壓等級，聯(lián)網(wǎng)線路可直接接入風(fēng)電場升壓站低壓側(cè)母線，若風(fēng)電場集電線路選擇其他電壓等級，聯(lián)網(wǎng)線路可通過變壓后接入風(fēng)電場升壓站低壓側(cè)母線。各海島預(yù)留了35 kV 變電站的建設(shè)用電，并設(shè)計(jì)如下方案。

1) 將各海島孤立電網(wǎng)升級到35 kV，并將其接入海上風(fēng)電場升壓站低壓側(cè)，孤立電網(wǎng)通過風(fēng)電場的外送線路和主系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)一步增強(qiáng)能源的使用效率。

2) 針對各海島的具體情況可分別將島嶼接入，或?qū)⒔５亩鄠€(gè)海島串聯(lián)接入，考慮到海島負(fù)荷特性及季節(jié)性比較明顯，全年最高負(fù)荷利用約在2 000 h，利用小時(shí)數(shù)較低。聯(lián)網(wǎng)前海島智能微電網(wǎng)建設(shè)使島內(nèi)具備一定規(guī)模的電源，保障島內(nèi)供電；聯(lián)網(wǎng)后計(jì)劃島內(nèi)柴油機(jī)轉(zhuǎn)為備用，依靠可再生能源與外網(wǎng)輸電為海島供電。

3) 考慮海島負(fù)荷規(guī)模較小，海島聯(lián)網(wǎng)輸送容量按滿足遠(yuǎn)期海島供電需求設(shè)計(jì)，島內(nèi)電源作為重要負(fù)荷備用，當(dāng)發(fā)生聯(lián)網(wǎng)線路故障時(shí)，可各自轉(zhuǎn)為獨(dú)立微電網(wǎng)運(yùn)行，從而保障供電的可靠性，因此各海島按一回聯(lián)網(wǎng)線路考慮。

4.3 導(dǎo)線截面選擇

根據(jù)海纜廠家提供技術(shù)參數(shù)，35 kV 海底電纜導(dǎo)線截面選擇如下。

1) 桂山島聯(lián)網(wǎng)采用單回三芯海纜，導(dǎo)線截面3×240 mm2。

2) 東澳島聯(lián)網(wǎng)若采用分島聯(lián)網(wǎng)方式采用單回三芯海纜，導(dǎo)線截面3×240 mm2；若東澳島、大萬山島經(jīng)一點(diǎn)接入聯(lián)網(wǎng)則采用單回三芯海纜，導(dǎo)線截面3×300 mm2。

3) 大萬山島若采用分島聯(lián)網(wǎng)方式，考慮到聯(lián)網(wǎng)距離較遠(yuǎn)(23 km)，選擇導(dǎo)線截面3×95 mm2；若東澳島、大萬山島經(jīng)一點(diǎn)接入聯(lián)網(wǎng)則選擇導(dǎo)線截面3×70 mm2。

4.4 海底電纜結(jié)構(gòu)和選型

該工程110 kV 海底電纜采用ZS-YJQF41+OFC-64/110/3×500 三芯銅導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯絕緣復(fù)合光纖海底電力電纜，配套32 芯光纖；35 kV 聯(lián)島海纜采用HYJQF41-F-26/35-3×70/150/300/400 三芯交聯(lián)聚乙烯絕緣光纖復(fù)合海底電纜，配套24 芯光纖。在實(shí)際應(yīng)用中，由于海島聯(lián)網(wǎng)工程對輸電電壓、負(fù)荷要求不高，選用光電復(fù)合海底電纜既輸送了電能，又滿足傳送電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化信號的通信需求。

5 海底電纜的敷設(shè)與保護(hù)

5.1 海底電纜敷設(shè)

海底電纜敷設(shè)方案選擇邊敷邊埋方式。該方式適合路徑較短、通航船舶較少、海況較好且海底地質(zhì)條件較易實(shí)現(xiàn)電纜保護(hù)的情況。為了方便施工，海底電纜的敷設(shè)將從珠海陸地一側(cè)敷至海島側(cè)。由于季節(jié)影響，海底電纜的敷設(shè)應(yīng)選擇無臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的春季進(jìn)行，這個(gè)季節(jié)水流速度不超過0.5 m/s，風(fēng)速不超過10 m/s，天氣窗口條件相對穩(wěn)定。

為高效安全地完成電纜運(yùn)輸及敷設(shè)工作，采用海底電纜敷設(shè)船和敷設(shè)犁進(jìn)行施工。敷設(shè)犁長約9 m，寬約4.2 m，重量18 t，水頭壓力1.6 MPa，能夠滿足海底電纜約3 m 的埋深要求。海底電纜敷設(shè)船配備四向側(cè)推系統(tǒng)，可精確定位，加上水下無人遙控潛水器(ROV)的精密配合，可有效控制海纜入水角與張力，保證海纜按設(shè)計(jì)坐標(biāo)敷設(shè)，同時(shí)避開局部地形地質(zhì)不良區(qū)。在敷設(shè)兩端近岸段，采用浮運(yùn)法敷設(shè)，即在距離岸邊合適位置，釋放一定長度的海底電纜，然后使用浮枕將海底電纜浮在水面上，再由拖輪船牽引電纜頭至岸邊進(jìn)行岸上段的牽引和安裝[2]。

5.2 海底電纜保護(hù)

由于珠海附近海面存在復(fù)雜的海洋開發(fā)和船舶通行情況，海底小沙坡以及大型船只緊急拋錨等危險(xiǎn)因素也隨之而來，這些都對海纜的安全造成威脅，因此在海纜防護(hù)設(shè)計(jì)的過程中，必須考慮防范錨害、拖網(wǎng)等外力的沖擊破壞，并預(yù)防海流導(dǎo)致的海底電纜機(jī)械性損傷等。穩(wěn)固海底電纜的防護(hù)措施必不可少，具體措施如下。

1) 施工前，應(yīng)測量交越海底電纜的實(shí)際位置，獲取準(zhǔn)確坐標(biāo)，以提供安全可靠的交越基礎(chǔ)，并確保管線的正確埋設(shè)深度和走向；同時(shí)在原有管道和新敷設(shè)的電纜之間設(shè)置預(yù)制混凝土墊塊，保護(hù)原有管道，并隔離新敷設(shè)的電纜。為了確保施工安全，在交越點(diǎn)前后50 m 的站點(diǎn)應(yīng)設(shè)立浮標(biāo)，明確定位交越點(diǎn)的位置。采用跨越式交越法，先將埋深作業(yè)在交越前100 m 處停止，并起出埋設(shè)機(jī)，然后以拋放方式跨越交越點(diǎn)。在潛水員確認(rèn)水下安全情況后，方可繼續(xù)后續(xù)的敷設(shè)和埋設(shè)作業(yè)。

2) 錨害是危害海底電纜的最大因素。為了防止錨害，在海纜的近海岸登陸段淺水區(qū)域，設(shè)置海底電纜防護(hù)區(qū)并在周圍設(shè)置禁錨標(biāo)志，以提醒他人不得在該區(qū)域內(nèi)作業(yè)；在海纜的登陸段，采用球墨鑄鐵套管進(jìn)行保護(hù)，將海纜鋪設(shè)在預(yù)制混凝土槽內(nèi)，再回填細(xì)沙，蓋上蓋板，保證埋設(shè)深度不低于1 m。對于海域其他區(qū)段則采用水下電纜埋設(shè)機(jī)器人進(jìn)行沖埋保護(hù)。水下埋地機(jī)器人長為5.5 m、寬為4.1 m，重約23 t，在機(jī)器人前端配備有兩臺(tái)水壓泵，可提供0.5～1.5 MPa 的壓力，并配備兩把水刀，沖埋深度達(dá)到2 m；機(jī)器人后部再配置兩臺(tái)200 kW 小型水壓泵，用于維護(hù)溝壁穩(wěn)定性和后續(xù)的施工工作。此外，機(jī)器人還配置聲吶和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，方便水下定位電纜。

6 海底電纜的監(jiān)測

1) 海底電纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)[3]。通過抽取海底電纜復(fù)合光纖作為分布式監(jiān)測的傳感元件，構(gòu)建海底電纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。該方案利用光纖拉曼散射、布里淵散射和瑞利散射等原理，對溫度、應(yīng)變和振動(dòng)特性進(jìn)行敏感反應(yīng)分析，實(shí)現(xiàn)對海底電纜運(yùn)行溫度、應(yīng)變狀態(tài)和振動(dòng)事件的分布式綜合監(jiān)測。同時(shí)，在110 kV 吉桂甲線、110 kV 吉桂乙線、35 kV 海桂線、35 kV 海東線、35 kV 海大線五回線路安裝海纜綜合監(jiān)測系統(tǒng)、海纜綜合監(jiān)控平臺(tái)軟件及服務(wù)器等設(shè)備，并設(shè)置在220 kV 吉大站集控中心內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對海底電纜運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。因此，通過海底電纜綜合監(jiān)測，不僅降低了電纜故障和停電事故的發(fā)生率，且保證了海底電纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2) 海纜溫度應(yīng)力監(jiān)測。由于海底環(huán)境極為惡劣，電纜容易出現(xiàn)破損、絕緣劣化等問題，這些問題往往會(huì)導(dǎo)致故障點(diǎn)出現(xiàn)，并在嚴(yán)重情況下造成電氣故障，尤其在海纜被船錨拖拉時(shí)，會(huì)發(fā)生相關(guān)應(yīng)力的變化。通過對海底電纜進(jìn)行應(yīng)變和溫度的分布式測量，可節(jié)約大量維護(hù)和運(yùn)行成本，減少海纜故障停電帶來的損失。

3) 海纜擾動(dòng)監(jiān)測。采用光纖傳感技術(shù)結(jié)合海底電纜的復(fù)合光纖作為分布式傳感元件，實(shí)現(xiàn)海底電纜擾動(dòng)監(jiān)測，光纖傳感技術(shù)對海底電纜的擾動(dòng)具有很高的測量靈敏度，是監(jiān)測海底電纜船舶肇事的有效技術(shù)手段。

4) AIS 船舶識別預(yù)警。當(dāng)海面有對海底電纜運(yùn)行造成威脅的可疑船舶進(jìn)入海底電纜警戒區(qū)時(shí)，AIS 系統(tǒng)就會(huì)立即監(jiān)測并聯(lián)動(dòng)聲光實(shí)施高音廣播勸離驅(qū)逐。

7 結(jié)束語

海島聯(lián)網(wǎng)工程示范項(xiàng)目的投入使用，為海底電纜線路的設(shè)計(jì)、施工積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，在聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電纜技術(shù)不斷發(fā)展的趨勢下，新的技術(shù)和產(chǎn)品不斷應(yīng)用，對于提升海底電纜的安全穩(wěn)定性以及設(shè)計(jì)施工的便利性具有更好的促進(jìn)作用。