邱興宇， 顧春飛， 陳珍珍， 孫 杰， 徐相榮， 陳小剛

(1.中天科技海纜股份有限公司， 南通 226010；2.江蘇省海洋能源與信息傳輸重點實驗室 南通 226010)

0 引 言

海底光纜以其速率高、容量大、可靠性高、抗干擾性強、傳輸質(zhì)量優(yōu)異、保密性能好等優(yōu)勢，已經(jīng)取代了海底通信電纜和衛(wèi)星通信，成為跨越海洋的國際通信傳輸?shù)氖走x手段[1]。海底光纜在大陸與島嶼之間、島嶼與島嶼之間、沿海城市之間和跨洋國際間的通信領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用[2]。海底光纜可按其傳輸系統(tǒng)是否有中繼器分為有中繼型海底光纜和無中繼型海底光纜，兩者主要的區(qū)別為中繼型海底光纜結(jié)構(gòu)內(nèi)有專供遠供系統(tǒng)使用的銅導(dǎo)體，而無中繼型海底光纜則無需此銅導(dǎo)體[3]。典型的有中繼海底光纜結(jié)構(gòu)中只有一路銅導(dǎo)體，一般僅適用于單極輸電，且需要利用海水在遠端供電設(shè)備(PFE)和水下設(shè)備間形成供電電流回路[4]，通常僅提供一條水下供電線路，滿足單個水下系統(tǒng)的供電要求。

本工作主要研究了一種同軸雙極性海底光纜，在傳統(tǒng)單極性有中繼海底光纜的基礎(chǔ)上，研究外導(dǎo)電層及絕緣層的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、電氣性能仿真分析技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，使海底光纜可以提供兩條獨立的供電線路或?qū)崿F(xiàn)電能回路傳輸。在傳統(tǒng)有中繼海底光纜接頭盒的基礎(chǔ)上，研究了一種雙極性海底光纜接頭盒，用于實現(xiàn)相鄰雙極性海底光纜段間光學(xué)、電氣、密封和機械強度的接續(xù)，為雙極性海底光纜工程化應(yīng)用提供保障。同時研究了一種雙極性海底光纜電壽命試驗方法，驗證雙極性海底光纜25 a使用壽命。

1 雙極性海底光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙極性海底光纜由不銹鋼光纖單元、內(nèi)鎧裝層、內(nèi)電導(dǎo)體層、內(nèi)絕緣層、外電導(dǎo)體層、外絕緣層、金屬帶保護層、外護層、外鎧裝層和外被層中的全部或部分組成。本工作介紹的雙極性海底光纜為單鎧型雙極性，最大光纖芯數(shù)可達96芯，在20 ℃時直流電阻不大于1.0 Ω·km-1，最大工作電壓5 kV，最大適用水深2 000 m，單鎧型雙極性海底光纜結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，單鎧型雙極性海底光纜技術(shù)指標見表1。

1—不銹鋼光纖單元；2—內(nèi)鎧裝層；3—內(nèi)電導(dǎo)體層；4—內(nèi)絕緣層；5—外電導(dǎo)體層；6—外絕緣層；7—外鎧裝層；8—外被層

表1 單鎧型雙極性海底光纜技術(shù)指標

2 雙極性海底光纜直流電場仿真分析

雙極性海底光纜具有雙導(dǎo)電層及絕緣層，可根據(jù)系統(tǒng)使用要求選擇單極直流供電方式或雙極直流供電方式。當采用單極直流供電時，在一極導(dǎo)體上施加正極性或負極性電壓，另一極導(dǎo)體作為回流，絕緣層承受工作電壓向零電位的電勢。當采用雙極直流供電時，可在兩極導(dǎo)體施加同極性電壓或在兩極導(dǎo)體上施加異極性電壓：當兩極導(dǎo)體施加同極性電壓時，其內(nèi)絕緣層內(nèi)外兩側(cè)導(dǎo)體等電位，外絕緣層承受工作電壓向零電位的電勢；兩極導(dǎo)體施加異極性電壓時，其內(nèi)絕緣層承受正極性工作電壓向負極性工作電壓的電勢，外絕緣層承受工作電壓向零電位的電勢。

為驗證雙極性海底光纜不同供電方式對其絕緣層中電場分布的影響，基于絕緣材料的直流電導(dǎo)率、擊穿強度等性能及表2所列的輕型雙極性海底光纜纜芯結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元分析軟件建立模型，計算不同供電方式下雙極性海底光纜絕緣層中電場分布情況。

表2 雙極性海底光纜纜芯結(jié)構(gòu)參數(shù)

當雙極性海底光纜單極供電時，在其內(nèi)導(dǎo)體施加5 kV直流工作電壓，外導(dǎo)體作為回流導(dǎo)體，雙極性海底光纜絕緣中電場強度分布見圖2，其最大電場強度分布在內(nèi)導(dǎo)體表面，最大值為1.0 kV·mm-1。

圖2 單極供電絕緣中電場分布圖

當雙極性海底光纜雙極同極性供電時，在其兩極導(dǎo)體上施加同極性5 kV直流工作電壓，其絕緣中電場強度分布如圖3所示，最大電場強度分布在外導(dǎo)體表面，最大值為1.0 kV/mm；當雙極性海底光纜雙極異極性供電時，在其內(nèi)導(dǎo)體上施加正極性5 kV直流工作電壓，外導(dǎo)體上施加負極性5 kV直流工作電壓，絕緣中電場強度分布見圖4，其最大電場強度分布在內(nèi)導(dǎo)體表面，最大值為1.99 kV·mm-1，外絕緣表面電場強度為1.2 kV·mm-1。

圖3 雙極同極性供電絕緣中電場分布圖

圖4 雙極異極性供電絕緣中電場分布圖

仿真模擬了雙極性海底光纜單極、雙極不同供電方式下絕緣層中電場強度分布情況，從仿真結(jié)果可以看出，雙極性海底光纜雙極異極性供電時，對絕緣要求最為嚴苛，絕緣中電場強度最大為1.99 kV·mm-1，小于絕緣材料允許工頻擊穿場強35～50 kV·mm-1[5]，絕緣電性能安全裕度滿足使用要求，絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足使用要求。

3 雙極性海底光纜接續(xù)技術(shù)研究

海底光纜接頭盒主要用于實現(xiàn)海底光纜接續(xù)，為海底光纜系統(tǒng)的海底光纜段間提供光學(xué)、電氣、密封和機械強度連續(xù)性的接續(xù)保護，當海底光纜線路受到人為的破壞和自然災(zāi)害破壞時，接頭盒還可用于線路故障維修，接頭盒是海底光纜線路大長度工程應(yīng)用不可缺少的固定組成器件[6]。典型的有中繼海底光纜結(jié)構(gòu)中只有一路銅導(dǎo)體，因此，傳統(tǒng)的有中繼海底光纜接頭盒僅能實現(xiàn)單極導(dǎo)體單極絕緣的接續(xù)，無法滿足雙極性海底光纜雙極導(dǎo)體雙極絕緣的接續(xù)要求，為了保障雙極性海底光纜的工程應(yīng)用，須開展雙極性海底光纜接頭盒技術(shù)研究。

雙極性海底光纜在傳統(tǒng)有中繼海底光纜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加外電導(dǎo)體層及外絕緣層。接頭盒主要由彎曲加強件、彎曲限制器、鎧裝終端、外殼體及注塑核心等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

1—彎曲加強件；2—彎曲限制器；3—鎧裝終端；4—外殼體；5—注塑核心

注塑核心是實現(xiàn)雙極性海底光纜光學(xué)、電氣接續(xù)、密封保護的主要元件，是接頭盒的關(guān)鍵部件。為保障注塑核心在深海環(huán)境下25 a使用壽命，使用標準通用接頭(UJ)通用設(shè)備、工具和標準化組件，在標準的UJ單極性海底光纜接頭盒技術(shù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建外電導(dǎo)體層接續(xù)通道。在傳統(tǒng)單極性海底光纜接頭盒預(yù)制聚乙烯(PE)絕緣筒內(nèi)預(yù)埋外導(dǎo)電層接續(xù)導(dǎo)線，接續(xù)導(dǎo)線通過銅壓環(huán)與外導(dǎo)電層連接，完成外導(dǎo)電層接續(xù)。絕緣接續(xù)采用標準UJ注塑程序，通過注塑機將熔融的PE絕緣材料注入模腔空隙中，在高溫、高壓條件下使注塑體與雙極性海底光纜內(nèi)絕緣層、外絕緣層及預(yù)制PE絕緣筒熔合為一體，形成絕緣接續(xù)層，保障接頭盒的絕緣性能和密封性能，注塑后的注塑核心見圖6。雙極性海底光纜接頭盒彎曲加強件、彎曲限制器、鎧裝終端及外殼體裝配操作與傳統(tǒng)單極性海底光纜接頭盒一致，遵循現(xiàn)有標準操作程序。

圖6 注塑核心

4 雙極性海底光纜電壽命試驗驗證

傳統(tǒng)海底光纜供電方式為單極直流供電，其電壽命試驗依據(jù)GB/T 3048.14—2007[7]中規(guī)定的方法測試，在測試過程中，采用直流電壓試驗設(shè)備，將高壓端與電導(dǎo)體相連，接地端與外鎧裝層或大地相連，對絕緣層施加單一極性的測試電壓，測試其電壽命。與傳統(tǒng)單極性海底光纜相比，雙極性海底光纜供電方式可分為單極直流供電、雙極同極性直流供電及雙極異極性直流供電，由于傳統(tǒng)海底光纜電壽命試驗方法僅能施加單一極性的測試電壓，因此僅能滿足雙極性海底光纜單極供電及雙極同極性供電方式下絕緣層電壽命測試要求，無法測試工作條件最為嚴苛的雙極異極性供電方式下的絕緣層電壽命。

為測試雙極異極性供電方式下絕緣層的電壽命，通過一臺直流電壓設(shè)備在內(nèi)電導(dǎo)體上施加測試電壓，通過另一臺直流電壓設(shè)備在外電導(dǎo)體上施加極性相反的測試電壓，兩臺直流電壓設(shè)備接地端均與外鎧裝層或大地相連，模擬雙極異極性供電方式下絕緣層中電場分布情況，測試雙極異極性供電方式下絕緣層的電壽命。電壽命試驗測試電壓和測量時間根據(jù)CIGRE TB 496—2012中推薦的公式(1)、公式(2)確定[8]，可在較短的試驗時間內(nèi)驗證絕緣層是否滿足在額定工作電壓下25 a的使用壽命要求。

Vdc=V0×k1

(1)

(2)

式中：Vdc為測試電壓，kV；V0為工作電壓，kV；k1為測試電壓老化系數(shù)；n為壽命指數(shù)；t0為使用壽命，min；t1為測量時間，min。

根據(jù)CIGRE TB 496—2012中推薦n≤10，n越小，壽命指數(shù)換算越苛刻，根據(jù)國際環(huán)球接頭聯(lián)盟(UJC)規(guī)定的海底光纜絕緣壽命指數(shù)的經(jīng)驗參數(shù)，試驗選取n=4.7，進行電壽命試驗換算。V0設(shè)定5 kV，t0設(shè)定1.314×107min，t1設(shè)定120 min，代入公式(1)中計算得Vdc為59 kV。在雙極性海底光纜內(nèi)外電導(dǎo)體上同時施加極性相反的測試電壓59 kV，保持120 min，內(nèi)、外絕緣層均未被擊穿，即雙極性海底光纜滿足工作條件最為嚴苛的雙極異極性供電方式下25 a電壽命要求。

5 結(jié)束語

本工作突破了雙極性海底光纜的設(shè)計技術(shù)和制造技術(shù)，研制了一種同軸雙極性海底光纜，解決了傳統(tǒng)有中繼海底光纜僅適用于單極供電的應(yīng)用難題，通過對不同供電方式下絕緣層中電場仿真分析，校核絕緣安全裕度，并通過電壽命試驗，驗證其滿足25 a使用壽命。同時根據(jù)雙極性海底光纜結(jié)構(gòu)特性研制了接頭盒，解決了雙極導(dǎo)體雙極絕緣的接續(xù)難題，為工程應(yīng)用提供保障。本工作研制的雙極性海底光纜及其配套接頭盒填補了國內(nèi)空白，并實現(xiàn)了工程應(yīng)用，為我國海底光纜系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供了技術(shù)支撐。