近年來，國內海上（shàng）風（fēng）電產業快速發展，海上（shàng）風電進入建設高峰期，以廣東（dōng）省為（wéi）例，到2030年，建成投產海上風電裝機容量將達到3000萬kW。海底電纜是海上風電場傳輸電能（néng）的重要組成（chéng）部（bù）分，它的安全運行關係到海上風電電力係統，對海（hǎi）上風電產業的（de）發展起著至關重要的作用。冀大（dà）雄等從宏觀層麵的檢測手段和（hé）微觀層麵（miàn）的檢測技（jì）術2個角度，對國內外海底電纜檢測方法的發展現狀進行（háng）歸（guī）納和分析，梳理了目前海底（dǐ）電纜檢（jiǎn）測方法（fǎ）存在的問（wèn）題，指出了未來發展趨勢。當前，海底電纜的檢測和監測工作多集中於敷設施工投產（chǎn）後的運行階（jiē）段，但作為海上風電建設關鍵（jiàn）環節的海底電（diàn）纜敷設施工，目（mù）前國內缺乏相（xiàng）應（yīng）的質量檢測和驗收規範。本文主要研究在海底電（diàn）纜施工過程中（zhōng），綜合采用側掃聲呐、多波束測深儀、淺地層剖麵儀等聲學檢測手段對敷設質量進行施工後（hòu）埋深（shēn）及路徑檢測，在投運前及時消除存在的缺陷和隱患，降低後期運維成本，為海上風電場安全（quán）運營提供保障。
一、檢測技術方法
海底電纜路徑及埋深檢測，主要采用3種技術手（shǒu）段（duàn）：多波束（shù）係統掃測、側掃聲呐掃測、淺地層剖麵探測，3種檢測方法各有優缺點（diǎn），相互間能很好地起到彌（mí）補、佐證（zhèng）作用，為分析敷設後的（de）海底電纜（lǎn）埋深及路徑時提供了充分數據依據，避免了（le）分析片麵而產（chǎn）生錯誤的結論。3種檢測方法的（de）優（yōu）缺點對（duì）比見表1所列。
表1 各（gè）種檢測方法優（yōu）缺點
根據各種技術的優缺點，綜（zōng）合采用以上（shàng）手段，可以有效地檢測整條海底電纜的敷設質（zhì）量。有衝埋痕跡、裸露、懸空的海底電纜路由，可用多波束儀（yí）準確定位海（hǎi）底電纜路徑；對於裸露（lù）、懸空的海底電（diàn）纜，可用側掃聲呐確定位置及懸空高度；對於有泥沙覆蓋的海底電纜，淺地層剖麵可以探測到覆蓋層厚度，多波束係（xì）統可以（yǐ）掃測敷設過程中的電纜溝深度，兩者相加即（jí）為最終的電纜理論（lùn）埋深。3種技術手段相（xiàng）輔相成，在海（hǎi）底（dǐ）電纜敷設檢測過程中綜合獲取數（shù）據，確保（bǎo）全（quán）麵、合理分析海（hǎi）底電纜敷設施（shī）工（gōng）質量。
⒈多波束係統
多波束係統包括3個子係（xì）統：①多波束聲學子係統，包括多波（bō）束發射、接收換能器陣、多波束信號控製處理電子櫃；②波束（shù）空間位置傳感器子（zǐ）係統，包括電羅經、運（yùn）動傳感器、衛（wèi）星定位係統、表麵聲速計、SVP聲速剖麵儀（yí）。③數（shù）據采（cǎi）集、處理子係統，包（bāo）括多波束實時采集、後處（chù）理計算機（jī）及相關軟件和數（shù）據顯示、輸（shū）出、儲存設備。係統組成如圖1所示。
圖1 多（duō）波束係統組（zǔ）成
多波束探頭的發射單元每秒可以發射將近20～50次脈衝（chōng），每次生（shēng）成512個波（bō）束，一秒內（nèi）可獲得25600個水深點，點間距接近0.01m，生成高精度的水下三維地（dì）形圖能很好地分析（xī）海底（dǐ）電纜裸露（lù）、敷設痕跡等信（xìn）息。如圖2所示為多波束係統掃測的電纜溝深度及裸露的海底電纜（lǎn）。
圖2 多波束係統掃測的電纜（lǎn）溝及裸露的海底電纜
⒉側掃聲呐
側（cè）掃聲呐是利用回聲探測原（yuán）理探測海底地貌和水下物體的設備。側掃聲呐換能（néng）器陣在走航時向兩側下方發射扇形波束的聲脈衝，並接收（shōu）海底（dǐ）表（biǎo）麵或水下物體對入（rù）射聲（shēng）波的反向散射信號來探測海底地貌和水（shuǐ）下物體。側（cè）掃聲呐工作原（yuán）理如圖3所示。
圖3 側掃（sǎo）聲呐作業示意圖
側掃聲呐在海底電纜敷設（shè）檢測中可根據（jù）聲像清晰地辨識裸露及懸空（kōng）的（de）海底（dǐ）電（diàn）纜。在側掃聲呐圖像中，裸露海底的海底（dǐ）電纜比較容易探測和識別（bié）。對於平坦海底麵上的海（hǎi）底電纜，依據聲呐記錄上的海底電纜聲影區（qū）與海底電纜影像尺寸和懸（xuán）空段（duàn）產（chǎn）生的遮擋陰（yīn）影（yǐng），能夠計算出管道的裸（luǒ）露（lù）或懸（xuán）跨高度。當海底電（diàn）纜平鋪於海底麵時，突出的海底電纜由（yóu）於較強的散（sàn）射在聲呐（nà）圖像上呈明顯的亮條狀，由（yóu）於電纜的遮擋，電（diàn）纜後（hòu）方在聲圖上形成陰影區。對於懸空海底電纜，其下方的海底麵也（yě）能夠對聲呐（nà）信號進行散射，但由於（yú）其反射信號晚於海底電纜反射信號到達聲呐接收（shōu）端，形成的聲（shēng）像位於海底（dǐ）電纜（lǎn）亮條的（de）後方，這樣海底（dǐ）電纜遮擋形成的聲影區與電纜聲像會間隔一定（dìng）距離。裸露（lù）及懸空海底電纜側（cè）掃影像如圖4所示。
圖4 測掃聲呐掃測的裸露及懸空海底（dǐ）電纜
⒊淺地層剖麵儀
淺地層剖麵探測是一種基於水聲學（xué）原理的連續走航式探測海底淺部地層結構（gòu）和構造的地球物理方法。它利用聲波在海水和海底沉（chén）積物中（zhōng）的傳播和反射特性及規律對海底沉積物結構和構造進行連續探測，從而獲得較為直觀的海底淺部地層結構剖麵（miàn）。淺地層剖麵儀工作原理如圖5所（suǒ）示（shì）。
圖5 淺地層（céng）剖麵儀工作原理
淺地層剖麵（miàn）儀辨識並（bìng）確定海底電纜埋深的方法是：當海（hǎi）底電纜敷設於海底泥麵以下時，由於其結（jié）構和周圍介質的性質相差很大，探測時淺剖儀在海底電纜上方正交經過，海底電纜在斷麵圖上表現（xiàn）為單獨的拋（pāo）物線形狀（zhuàng）。當沿海底電纜路由（yóu）方向（xiàng）迂回測量後，在斷麵圖（tú）上（shàng）找到每（měi）個拋物線頂點並連（lián）線，生成（chéng）的折線即為敷設的海底電纜路由。根據淺地（dì）層剖麵斷麵圖，量取拋物線頂點與海床麵的高（gāo）差值（zhí），此高差值與多波束係統測量所得（dé）電纜溝（gōu）深度之和即為海底（dǐ）電纜的相對埋深。如圖6所示為（wéi）淺地層剖麵儀探測所得（dé）的2種（zhǒng）形態的海底電纜。
圖6 淺地層剖（pōu）麵法探測的裸（luǒ）露海底（dǐ）電（diàn）纜（lǎn）及有埋深的海底（dǐ）電（diàn）纜
二、工程應用實例
粵東某海上風電輸出海底電（diàn）纜（lǎn）采用2回3×1000+2×48C芯光電複合220kV電纜，直徑（jìng）為（wéi）262.9mm，由海上（shàng）升壓站輸送（sòng）到陸上集控中心（xīn），設計路（lù）由長度為31.5km。海底電纜路由敷設區域海底地形較（jiào）平緩，大部分區域水深介於4～18m。
海底電纜敷設作業采取敷埋同步方式，通過操作控製敷設犁具犁把的深度，使（shǐ）犁具頭（tóu）部嵌入泥土中，用高壓水槍對海底周圍的泥沙進（jìn）行（háng）衝刷形成海底電纜溝槽，電纜通過犁槽輸送到電纜溝槽中，船舶沿設（shè）計路徑緩慢移動航行，完成海（hǎi）底電纜的（de）敷設工（gōng）作。為檢測海（hǎi）底電纜敷設施工質量，采用包括多波束係統掃測法、側掃聲納掃測法、淺地層剖麵探測法，對（duì）敷設的海（hǎi）底電（diàn）纜進行埋深及路由（yóu）檢測。投入設備及精度指標見表2所列（liè）。
表（biǎo）2 使用的主要設備及（jí）精度指標（biāo）
測線布（bù）設：多波束及側掃（sǎo）聲呐掃測測線沿海底電纜路由布設，在（zài）路由左右兩（liǎng）側10m、25m布設平行測線；淺地（dì）層剖麵儀探測測線垂直設計的海底電纜路由布（bù）設，路由往兩側各延伸50m，按25m的間隔布設平行測線。
⒈海底電纜路徑的確定
采用多波束係統確定海底電纜路徑。3種檢測方式中，定位精度最高（gāo）的為多波束係統，采用PPK後處（chù）理差分模式解算定位，平麵精度可達8mm，多波束點雲數據十分（fèn）密集，生成的0.01m×0.01m格網（wǎng）三維模型，可以很好地分辨出海底電纜的敷設（shè）痕跡。根（gēn）據檢測數據（jù）分析，海底電纜敷設痕跡隻要有1cm以上的高度差異，
且為連續狀態，多（duō）波束係統即可高效準確地判斷海底（dǐ）電纜敷設痕跡。本項目檢（jiǎn）測工作是在海底（dǐ）電纜敷設後馬上開展，大部分（fèn）海纜敷設過程中衝刷（shuā）的痕跡還未回填，在工程實踐中對海底電（diàn）纜（lǎn）路徑實現了高速有效的判讀識別和定位。多波束所（suǒ）掃側（cè）出的海底電纜敷設電纜溝如圖7所（suǒ）示（shì）。
圖7 多波束係統掃測的海底電纜溝痕跡
⒉海底電纜埋深的探測
海底電纜敷設後，在埋深上主要表現出4種狀態；①有覆蓋物掩埋；②電（diàn）纜溝未回填造成的（de）裸露（lù）；③一部分高於海床麵，一部分位於電纜溝（gōu）內；④裸露於海床麵（miàn）上。針對上述4種海（hǎi）底電纜形態敷設（shè）後的海底電纜埋深值，采用3種探測（cè）技術方法綜合分析。
⑴對於（yú）有（yǒu）覆蓋物掩埋的海底電（diàn）纜，采用淺地層剖麵（miàn）法分析海底電纜覆蓋物的厚度，獲（huò）得埋（mái）深數據，然後采用（yòng）多波束掃測數據分析電（diàn）纜敷設痕跡（jì）的深度，2種技（jì）術方法確（què）定的（de）數（shù）據相加，即為最終（zhōng）的海底電纜埋深。
⑵裸露但有衝刷深（shēn）度的海底電纜，裸露於衝犁電纜溝槽（cáo）中或海床（chuáng）麵的海（hǎi）底電纜，采用（yòng）多（duō）波束係統可以精確量算出（chū）電纜最終（zhōng）理論埋深數據。如圖（tú）8所示為4種敷設狀態的海底電纜。
圖8 4種形態的海底電纜
⒊懸空海底電（diàn）纜的確定
裸露且與（yǔ）海底麵不接觸的電纜定義為（wéi）懸空（kōng）海底電纜，這種（zhǒng）狀態的（de）海底電纜采用側掃聲呐法、多（duō）波（bō）束係統相互判斷（duàn）和分析。根據側（cè）掃聲呐法成像原理可知，海底電纜（lǎn）懸空於海底麵，側掃聲呐法掃測的懸空海底電纜會在（zài）聲波到達地物的另一麵產生陰影，通過量算陰影的長度（dù），可以計算分析出海底電纜相（xiàng）對（duì）海底麵懸空的高（gāo）度，本項目側掃（sǎo）聲呐法可以分辨出懸空為約0.1m的海底電纜信息，懸空（kōng）海纜如圖9所示。
圖9 懸空高度約為0.1m的海底電纜
本工程的海底電纜敷（fū）設施工檢測中，共完成（chéng）多波束（shù）係統掃測測線261km，側掃聲呐法掃測測線318km，淺地層剖（pōu）麵探測測（cè）線（xiàn）261km。
利用3種檢測技術高速有效地確定了海底電纜敷設路徑，檢測結（jié）果表明，敷設路徑與設計路徑偏離值均在10m以內，符合海底電纜輸電工程施工及驗收規範的要求。3種檢（jiǎn）測方法綜合檢測快速判定敷設（shè）施工過程中的裸露、懸空等異常情況，反饋給項目（mù）各相關方及時消缺，達（dá）到了優質工程建設的目的。
三、結語
綜合采用多波束係統掃測法、側掃聲納掃測法、淺地層剖（pōu）麵探測法對海上風電海底電纜敷（fū）設進行跟隨式檢測，能在工程施工階段快速、準確地對敷設質量進行判定（dìng），及時（shí）發（fā）現施工缺陷與隱患，為（wéi）投運前精確消缺提供數據支撐。目前，工程應用案例的（de）海上風電工程已一次性成功並網送電，證明3種檢測（cè）方法綜合應用（yòng）對海底電纜敷設時的質量控製是行之有效的。當前國內海上風電建設（shè）已進入高潮期，聲學檢測作（zuò）為（wéi）一種成熟、可靠（kào）的質量檢測手段（duàn），將在海上（shàng）風電工程建（jiàn）設質量控製中（zhōng）得到（dào）更廣泛應用。
來源：溪（xī）流之海洋人生
