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海底光缆的性能及设计要求优化方案

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:作为一种特殊环境使用的光缆,与其他通信光缆比,海底光缆维护难度极大,且有更多的、更高性能指标的要求,以保证其寿命期内光纤的性能参数在设计范畴内。表7.1.1为国内海底光缆机械性能指标。表7.1.1海底光缆机械性能注:A型适用于中碳钢丝双铠浅海光缆,B型和C型适用于单铠浅海光缆,D型适用于深海光缆光缆应能承受反复弯曲试验要求。

海底光缆的性能及设计要求优化方案

作为一种特殊环境使用的光缆,与其他通信光缆比,海底光缆维护难度极大,且有更多的、更高性能指标的要求,以保证其寿命期内光纤的性能参数在设计范畴内。除了陆地光缆必须具备的一些性能指标,如光纤的光学机械、环境特性,光缆的部分环境性能和机械性能外,还需要针对海底环境和施工维护情况下提出的一些特殊要求。下面就一些主要的指标或参数做一个描述。

1)光缆盘长

陆上光缆因为搬运、放线、生产、装卸等各种限制,盘长一般控制在3~4km,但海底光缆在水下施工,线路长度长,中间增加过多的光纤接头对线路损耗非常不利,特别是接头越多,在接头点存在断缆或渗水的风险骤增,增加了成本,且海上施工接续时间长、难度大,所以海缆盘长越大越好。

但是,超长光缆的生产制造要求和难度成倍增加,对设备性能,电力供应,工装模具,材料的稳定性,员工注意力,甚至工作环境等都是严峻的考验。比如50km盘长,生产一根不锈钢管或光缆的聚乙烯外护层,可能都需要2~3天时间,钢丝铠装的时间就更长了。

海缆制造厂一般设有储缆池,生产完之后直接盘在托盘上。由于海缆长度长,重量较重,所占体积较大,所以海缆运输一般是水运。对于小盘长的海缆,也可以用缆盘或托盘运输。但是大长度的海缆只能是水运。为满足大盘长光缆的生产,一般有专门的海缆布缆船等候在工厂码头,边生产边装运,生产验收完毕后,直接运送到目的地进行敷设。所以,生产海缆的工厂一般会建有深水码头,可以停靠布缆船。对于内陆工厂,生产大盘长的光缆难度就大了很多。

国内一艘中型布缆船装载量为2000吨左右,按双铠浅海光缆在空气中的重量约4吨/km计算,考虑光缆密度远不如电缆,理论上一次性可以装载400~500km的光缆。2018年中国船舶工业集团有限公司第七〇八研究所设计了一艘新型海底电缆施工船“启帆9”号(图7.1.12),主甲板上电缆托盘一次装载量达5000吨,其装载双铠浅海光缆的长度大大提高,将可达到1000~1200km。如果是深海光缆,按约1.5吨/km计算,理论上可装载光缆3000km。但实际上由于光缆比重原因,都不会装太满或堆积太高,线路也没有那么长,所以5000吨的装载量足够承载我国所有海缆的施工、维修任务。

图7.1.12 “启帆9”号布缆船

平板车如按35吨载重量计算,深海光缆最大可以装60~70km,轻型单铠浅海光缆只能装载25km左右,这种运输方式严重限制了光缆的制造长度。

综合各种因素,同时也根据国内海缆生产厂家的制造能力、工艺技术和光缆结构特征等,通常将海缆盘长定在不小于25km或按合同要求。如果按25km盘长来定,这将增加大量价格昂贵的海缆接续盒,并为施工、维护带来风险。就目前光纤长度、不锈钢管制造能力、钢丝铠装以及护层能力来说,生产盘长50km的海缆没有太大难度。如果对设备稍加改进,特别是把中间生产、周转环节的收放线架尺寸加大,生产80~100km盘长也不是太难。

脐带缆由于中间没有接头,所以其整盘的长度会根据水下装备运行的深度决定。一般情况下,都是10km以下的盘长为主。

2)机械性能

海底光缆应能承受布放、埋设、打捞及维修时的张力,还要能应对拖轮和船锚等可能引起的人为损害。敷设时的拉力与光缆水中重量及敷设水深有关,而打捞时张力与水中重量、敷设水深及海缆所在的海底地质有关,打捞张力远大于敷设张力。一般来说,海缆进行短暂拉伸负荷试验时,光纤的伸长率不应大于0.15%;在工作拉伸负荷时,光纤不应有伸长量;进行除断裂拉伸负荷试验外的机械性能试验时,光纤的附加衰减不应大于0.05dB,当张力释放后,光纤不应有附加衰减(≤0.03dB)。表7.1.1为国内海底光缆机械性能指标。

表7.1.1 海底光缆机械性能


注:A型适用于中碳钢丝双铠浅海光缆,B型和C型适用于单铠浅海光缆,D型适用于深海光缆

光缆应能承受反复弯曲试验要求。试验时应对光缆施加足够的力使光缆弯曲时与滑轮保持接触。试样重力负荷A、B、C均为1000N,D为500N。

光缆冲击试验,落锤高度为150mm,冲击块球面曲率半径为100mm。

机械性能试验过程以及试验结束后,应监测光纤附加衰减和应变。光纤的附加衰减不应大于0.05dB,试验结束后,光纤不应有附加衰减(≤0.03dB)。冲击和抗压试验后,须检测光缆聚乙烯护层是否有裂纹或明显开裂现象。

3)海缆物理性能

根据海底光缆敷设深度,采用不同的钢丝铠装结构,光缆的设计也千差万别,特别是随着互联网的快速发展,光纤芯数也有所增加,但从经济性和安全性角度看,会有局部差异,但基本跳不出前面介绍的常规的一些光缆结构。表7.1.2列出了海缆基本的物理性能。

表7.1.2 海缆物理性能

4)海缆的环境性能(www.xing528.com)

海缆敷设在海底,长期受到与敷设水深相关的水压作用,不仅要求光缆能承受径向的水压,还要能在使用深度上具有纵向阻水的性能。

(1)抗静水压性能。海缆应具有抗静水压的能力,特别是深海光缆。在最大敷设水深的静水压下,光纤应无附加衰减,光缆结构及外形无损坏,内部无渗水。静水压与最大敷设水深由式(7.1.1)进行换算:

式中:ρ——海水密度,通常取为1.0281[克/立方厘米(g/cm3)];

P——静水压(MPa);

h——最大敷设水深(m)。

(2)纵向渗水性能

海缆的纵向渗水需满足表7.1.3的要求。

表7.1.3 海缆纵向渗水要求

通过密闭加压试验,可验证光缆中进水的长度。当实际敷设水深小于最大适用水深或者为了缩短试验时间,采用较短试样或较小压力时,试样渗水长度可依据试验水压、试验时间和试验实测渗水长度,可采用公式(7.1.2)进行换算:

式中:L——试样缆的渗水长度(m);

Lt——试验实测渗水长度(m);

P——试样最大适用水深对应的水压(MPa);

Pt——实际试验水压(MPa);

T——规定试验时间(d);

Tt——实际试验时间(d)。

5)海缆电气性能

海底光缆的电气性能见表7.1.4。试验时将海缆浸入海水池中,两端露出水面约2m,其余部分在水下浸泡168小时后,按标准规定测试绝缘层在直流500V电压下的绝缘电阻,测量绝缘的耐直流电压。试验时负极接触水,正极接缆芯中的金属体。

表7.1.4 电气性能

对于含中继光放大器的远供海缆,一般采用-6kV,-10kV,-15kV的直流工作电压,这对护层绝缘要求是很高的,特别是远洋海缆,长度可能在几千到上万公里。因为绝缘层在海缆中不仅仅承担高压绝缘作用,还需兼顾阻水层和外护层的作用。长时间作用下,海水将会慢慢渗入到绝缘层中,导致击穿强度降低,内部场强畸变,材料的绝缘性能也将产生影响。一旦护层被击穿或破坏,将无法实现该段光缆的远供电,甚至影响整个线路的运行。

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