双极性海底光缆关键技术研究

邱兴宇， 顾春飞， 陈珍珍， 孙 杰， 徐相荣， 陈小刚

(1.中天科技海缆股份有限公司， 南通 226010；2.江苏省海洋能源与信息传输重点实验室 南通 226010)

0 引 言

海底光缆以其速率高、容量大、可靠性高、抗干扰性强、传输质量优异、保密性能好等优势，已经取代了海底通信电缆和卫星通信，成为跨越海洋的国际通信传输的首选手段[1]。海底光缆在大陆与岛屿之间、岛屿与岛屿之间、沿海城市之间和跨洋国际间的通信领域中发挥着越来越重要的作用[2]。海底光缆可按其传输系统是否有中继器分为有中继型海底光缆和无中继型海底光缆，两者主要的区别为中继型海底光缆结构内有专供远供系统使用的铜导体，而无中继型海底光缆则无需此铜导体[3]。典型的有中继海底光缆结构中只有一路铜导体，一般仅适用于单极输电，且需要利用海水在远端供电设备(PFE)和水下设备间形成供电电流回路[4]，通常仅提供一条水下供电线路，满足单个水下系统的供电要求。

本工作主要研究了一种同轴双极性海底光缆，在传统单极性有中继海底光缆的基础上，研究外导电层及绝缘层的结构设计技术、电气性能仿真分析技术等关键技术，使海底光缆可以提供两条独立的供电线路或实现电能回路传输。在传统有中继海底光缆接头盒的基础上，研究了一种双极性海底光缆接头盒，用于实现相邻双极性海底光缆段间光学、电气、密封和机械强度的接续，为双极性海底光缆工程化应用提供保障。同时研究了一种双极性海底光缆电寿命试验方法，验证双极性海底光缆25 a使用寿命。

1 双极性海底光缆结构设计

双极性海底光缆由不锈钢光纤单元、内铠装层、内电导体层、内绝缘层、外电导体层、外绝缘层、金属带保护层、外护层、外铠装层和外被层中的全部或部分组成。本工作介绍的双极性海底光缆为单铠型双极性，最大光纤芯数可达96芯，在20 ℃时直流电阻不大于1.0 Ω·km-1，最大工作电压5 kV，最大适用水深2 000 m，单铠型双极性海底光缆结构示意图见图1，单铠型双极性海底光缆技术指标见表1。

1—不锈钢光纤单元；2—内铠装层；3—内电导体层；4—内绝缘层；5—外电导体层；6—外绝缘层；7—外铠装层；8—外被层

表1 单铠型双极性海底光缆技术指标

2 双极性海底光缆直流电场仿真分析

双极性海底光缆具有双导电层及绝缘层，可根据系统使用要求选择单极直流供电方式或双极直流供电方式。当采用单极直流供电时，在一极导体上施加正极性或负极性电压，另一极导体作为回流，绝缘层承受工作电压向零电位的电势。当采用双极直流供电时，可在两极导体施加同极性电压或在两极导体上施加异极性电压：当两极导体施加同极性电压时，其内绝缘层内外两侧导体等电位，外绝缘层承受工作电压向零电位的电势；两极导体施加异极性电压时，其内绝缘层承受正极性工作电压向负极性工作电压的电势，外绝缘层承受工作电压向零电位的电势。

为验证双极性海底光缆不同供电方式对其绝缘层中电场分布的影响，基于绝缘材料的直流电导率、击穿强度等性能及表2所列的轻型双极性海底光缆缆芯结构，应用有限元分析软件建立模型，计算不同供电方式下双极性海底光缆绝缘层中电场分布情况。

表2 双极性海底光缆缆芯结构参数

当双极性海底光缆单极供电时，在其内导体施加5 kV直流工作电压，外导体作为回流导体，双极性海底光缆绝缘中电场强度分布见图2，其最大电场强度分布在内导体表面，最大值为1.0 kV·mm-1。

图2 单极供电绝缘中电场分布图

当双极性海底光缆双极同极性供电时，在其两极导体上施加同极性5 kV直流工作电压，其绝缘中电场强度分布如图3所示，最大电场强度分布在外导体表面，最大值为1.0 kV/mm；当双极性海底光缆双极异极性供电时，在其内导体上施加正极性5 kV直流工作电压，外导体上施加负极性5 kV直流工作电压，绝缘中电场强度分布见图4，其最大电场强度分布在内导体表面，最大值为1.99 kV·mm-1，外绝缘表面电场强度为1.2 kV·mm-1。

图3 双极同极性供电绝缘中电场分布图

图4 双极异极性供电绝缘中电场分布图

仿真模拟了双极性海底光缆单极、双极不同供电方式下绝缘层中电场强度分布情况，从仿真结果可以看出，双极性海底光缆双极异极性供电时，对绝缘要求最为严苛，绝缘中电场强度最大为1.99 kV·mm-1，小于绝缘材料允许工频击穿场强35～50 kV·mm-1[5]，绝缘电性能安全裕度满足使用要求，绝缘结构设计合理，满足使用要求。

3 双极性海底光缆接续技术研究

海底光缆接头盒主要用于实现海底光缆接续，为海底光缆系统的海底光缆段间提供光学、电气、密封和机械强度连续性的接续保护，当海底光缆线路受到人为的破坏和自然灾害破坏时，接头盒还可用于线路故障维修，接头盒是海底光缆线路大长度工程应用不可缺少的固定组成器件[6]。典型的有中继海底光缆结构中只有一路铜导体，因此，传统的有中继海底光缆接头盒仅能实现单极导体单极绝缘的接续，无法满足双极性海底光缆双极导体双极绝缘的接续要求，为了保障双极性海底光缆的工程应用，须开展双极性海底光缆接头盒技术研究。

双极性海底光缆在传统有中继海底光缆结构的基础上，增加外电导体层及外绝缘层。接头盒主要由弯曲加强件、弯曲限制器、铠装终端、外壳体及注塑核心等组成，其结构示意图见图5。

1—弯曲加强件；2—弯曲限制器；3—铠装终端；4—外壳体；5—注塑核心

注塑核心是实现双极性海底光缆光学、电气接续、密封保护的主要元件，是接头盒的关键部件。为保障注塑核心在深海环境下25 a使用寿命，使用标准通用接头(UJ)通用设备、工具和标准化组件，在标准的UJ单极性海底光缆接头盒技术基础上，构建外电导体层接续通道。在传统单极性海底光缆接头盒预制聚乙烯(PE)绝缘筒内预埋外导电层接续导线，接续导线通过铜压环与外导电层连接，完成外导电层接续。绝缘接续采用标准UJ注塑程序，通过注塑机将熔融的PE绝缘材料注入模腔空隙中，在高温、高压条件下使注塑体与双极性海底光缆内绝缘层、外绝缘层及预制PE绝缘筒熔合为一体，形成绝缘接续层，保障接头盒的绝缘性能和密封性能，注塑后的注塑核心见图6。双极性海底光缆接头盒弯曲加强件、弯曲限制器、铠装终端及外壳体装配操作与传统单极性海底光缆接头盒一致，遵循现有标准操作程序。

图6 注塑核心

4 双极性海底光缆电寿命试验验证

传统海底光缆供电方式为单极直流供电，其电寿命试验依据GB/T 3048.14—2007[7]中规定的方法测试，在测试过程中，采用直流电压试验设备，将高压端与电导体相连，接地端与外铠装层或大地相连，对绝缘层施加单一极性的测试电压，测试其电寿命。与传统单极性海底光缆相比，双极性海底光缆供电方式可分为单极直流供电、双极同极性直流供电及双极异极性直流供电，由于传统海底光缆电寿命试验方法仅能施加单一极性的测试电压，因此仅能满足双极性海底光缆单极供电及双极同极性供电方式下绝缘层电寿命测试要求，无法测试工作条件最为严苛的双极异极性供电方式下的绝缘层电寿命。

为测试双极异极性供电方式下绝缘层的电寿命，通过一台直流电压设备在内电导体上施加测试电压，通过另一台直流电压设备在外电导体上施加极性相反的测试电压，两台直流电压设备接地端均与外铠装层或大地相连，模拟双极异极性供电方式下绝缘层中电场分布情况，测试双极异极性供电方式下绝缘层的电寿命。电寿命试验测试电压和测量时间根据CIGRE TB 496—2012中推荐的公式(1)、公式(2)确定[8]，可在较短的试验时间内验证绝缘层是否满足在额定工作电压下25 a的使用寿命要求。

Vdc=V0×k1

(1)

(2)

式中：Vdc为测试电压，kV；V0为工作电压，kV；k1为测试电压老化系数；n为寿命指数；t0为使用寿命，min；t1为测量时间，min。

根据CIGRE TB 496—2012中推荐n≤10，n越小，寿命指数换算越苛刻，根据国际环球接头联盟(UJC)规定的海底光缆绝缘寿命指数的经验参数，试验选取n=4.7，进行电寿命试验换算。V0设定5 kV，t0设定1.314×107min，t1设定120 min，代入公式(1)中计算得Vdc为59 kV。在双极性海底光缆内外电导体上同时施加极性相反的测试电压59 kV，保持120 min，内、外绝缘层均未被击穿，即双极性海底光缆满足工作条件最为严苛的双极异极性供电方式下25 a电寿命要求。

5 结束语

本工作突破了双极性海底光缆的设计技术和制造技术，研制了一种同轴双极性海底光缆，解决了传统有中继海底光缆仅适用于单极供电的应用难题，通过对不同供电方式下绝缘层中电场仿真分析，校核绝缘安全裕度，并通过电寿命试验，验证其满足25 a使用寿命。同时根据双极性海底光缆结构特性研制了接头盒，解决了双极导体双极绝缘的接续难题，为工程应用提供保障。本工作研制的双极性海底光缆及其配套接头盒填补了国内空白，并实现了工程应用，为我国海底光缆系统的进一步发展提供了技术支撑。