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95%跨国通信靠海底电缆实现,你不好奇它是怎么铺的?

2018-07-21  好一个图...

  出品| 网易新闻

  作者| 汪泽,清华大学机械工程系博士研究生

  在国外视频网站上,有这样一个播放量达170万的视频,视频中,淘气的鲨鱼正在破坏海底电缆,不小心被镜头捕捉到了。那么问题就来了,海底电缆有什么作用?鲨鱼时常搞破坏么?最最重要的是,这些电缆是如何被铺设到海底的呢?

  (一) 海底通讯电缆承担全球95%的跨国通信数据

  海底电缆,顾名思义就是铺设在海底的电缆。

  通常来说,海底电缆分为通信电缆和电力电缆,是在水下输送信号及电力的有效途径。

  1837年莫尔斯发明了电报,在无线电还没有被发明的年代,这种有线通讯方式迅速流行起来,不过有线传输的特点使得电报只能在陆地上使用。1850年,人们在英吉利海峡上铺设了第一条长约46千米的海底电缆,实现了有效的跨海通讯。

  由于海底电缆具有信息容量大、传输距离长、抗干扰能力强、保密性好、价格低廉等特点,时至今日,海底通讯电缆网络仍然承担着全球约95%的跨国通信数据量,是其他通讯手段都无法代替的。


  (海底电缆分布情况)

  除了通讯之外,海底电缆还具有电力传输的功能,对于海上风电项目的电能并网、岛屿之间的电力互传都具有十分重要的意义。

  现代的海底电缆,可以兼具电力和信息传输的功能,我们之前提到过的东海大桥海上风电场项目(你猜,40层楼高的“大风车”放进大海总共分几步?)中用到的海底电缆结构中就同时包含电力电缆和通信光缆(即便线缆内部为光纤而非电线,通常也称之为海底电缆),能够同时实现电力传输和通信测温。

  (二)海底电缆铺设是世界级难题,中国如何解决?

  概念问题已解决,随之而来的就是海底电缆是如何铺设的?要知道,海底电缆的铺设及维护是世界公认的难题,只有少数国家有能力完成。

  这就需要一种新型的设备——电缆施工船。


  (5000吨新型海底电缆施工船模型)

  2018年3月,中国第一艘5000吨新型海底电缆施工船成功出坞,该船总长110米,型宽32米,型深6.5米,最大吃水4.8米,入级中国船级社(CCS),是一艘钢质、非自航、方驳、新型海底电缆施工船。

  从大小、载重量、吃水等数据上看,这艘名为“启帆9号”的船只都无法和一些大中型货运船只相提并论,但它的成功出坞,对于国内电力及通讯行业来说,无疑是一个令人振奋的好消息,因为它能够有效完成海底电缆铺设和维修的重要任务。

  1、海底铺设三步走:“一吊二放三拖拽”

  “一吊”:在铺设过程中,施工船只首先通过整体吊运或者散装过缆等方式装载由电缆制造厂生产的成盘的海底电缆;

  “二放”:施工船只在距离岸边一定距离(通常为4.5千米左右,为保证电缆顺利铺设在海床上)时向海中投放电缆,同时要在投放的电缆上每隔一段距离固定上一个类似“救生圈”的浮力装置,使得投放的电缆漂浮在海面上;

  “三拖拽”:岸上的牵引装置将漂浮的电缆牵引至岸边并固定,在电缆上岸后拆除“救生圈”,使得电缆凭借自身重力下沉至海底。

  之后,铺设船只沿着设计好的铺设路线“边走边放电缆”,同时利用水下监控设备实时反馈铺设情况,并根据工况对船只速度及方向、电缆下放速度进行调整,以绕开凹凸不平的地方和岩石避免损伤电缆。


  (海底电缆铺设)

  2、海缆1米长就重达82公斤,这可怎么拖?

  为了抵御海水的腐蚀和海底巨大的压力,甚至是鲨鱼这样的海洋生物对于海底电缆的破坏,海底电缆外层需要被沥青、钢丝铠装、阻水层、绝缘层来重重保护;而为了加快电缆的下沉速度同时提升电缆的机械强度,电缆中还要有一层铅质护套。

  中国最新研制的用于500千伏联网输变电工程的交联聚乙烯海底电缆共有16层,直径长达180毫米,相当于成年人大腿粗细,是目前为止世界截面最大的交联聚乙烯绝缘海底电缆,仅1米长的电缆,重量就达82公斤。你可以自行脑补一下这个表面看起来瘦瘦的,但实则重得要命的海底电缆。


  (中国最新研制的500千伏交联聚乙烯海底电缆)

  这种海底电缆相比于传统的油纸绝缘海底电缆,具有安装维护方便、性能安全可靠的优势。但问题也随之而来,这么重的电缆要通过海底电缆施工船铺设到海床上,还要求电缆之间的接头尽可能少,这怎么办?

  这时候就需要施工船能够一次性携带足够多的电缆。最新出坞的“启帆9号”海底电缆施工船,能够装载5000吨海底电缆,这意味着220千伏电压等级海缆的施工长度,可由原来的30公里提升至60公里,大大提升海缆施工综合能力。


  (海底电缆截面图)


  (关岛一处海底电缆登陆点:电缆被海水严重腐蚀)

  (三)为了能够精准铺设,海底电缆施工船配置很“高端”

  1、布缆机:“控制”电缆

  除了大的承载能力之外,海底电缆施工船上通常装备两种不同形式的布缆机,即鼓轮布缆机和直线型布缆机,两种设备有着不同的功能。


  (鼓轮式布缆机)

  鼓轮式布缆机的直径通常在4米左右,拉力250-400千牛,占地空间较小,拉力大而且运行稳定,多用于完成海底电缆的打捞和回收的工作。


  (直线式布缆机)

  而相比于轮鼓式,直线式布缆机的占地面积相对较大,拉力较小,约为200千牛左右,不过可以有效完成连接有中继器或者接头盒的海底电缆的铺设工作,而且由于直线式布缆机的运行相对平稳,多用于长距离海底电缆的铺设工作。

  为了在施工过程中保证海底电缆的布放质量,布缆设备通常具有张力控制和速度控制两种不同的自动控制模式。

  张力自动控制装置会根据海底电缆施工的具体要求,设定电缆能够承受最大张力的上限。

  当检测到位于布缆机上的电缆所承受的张力超过张力上限时,布缆机会自动向外铺设或者向内收回电缆,通过控制铺设电缆的余量,来保证所铺设的电缆能够完全贴近海床,不出现悬空的现象,因为一旦悬空电缆两端应力集中,经过长时间的海水冲刷,电缆受力点处容易出现破损,影响电缆使用寿命。

  这就好比晾衣服的绳子,如果悬空起来,挂上重物,就容易断裂;如果自然平放在地面上,不受力的情况下自然更耐用。


  (海底电缆铺设)

  张力自动控制的模式通常用于200米以下的浅海作业时需要将电缆埋设的工况下。

  对于200米以上的海床,海底电缆多用敷设的方式——将电缆自然放置于海床上即可,不需要用沙土掩埋,这种情况不需要额外考虑掩埋过程对电缆所受张力的影响,采用速度控制模式就能够控制电缆的余量,从而间接控制铺设质量。

  2、动力定位装置:保证船只“纹丝不动”

  海底电缆施工船只在向海中布缆时,采用的是“边走边放”的方式,这就要求电缆盘转动放出电缆的速度、布缆机向海中布缆的速度以及船只运行的速度相一致,否则就容易出现前文中提到的电缆悬空的现象。

  “启帆9号”本身属于无动力驳船,正常情况下需要在拖船的带动下才能够航行。但是它的四角有四台1800千瓦悬挂式全回旋舵浆推进器,能在海底电缆铺设施工中为船只提供动力,提高船只的灵活性和海缆敷设作业效率。

  但能够稳定前行只是一个必要前提,船只又该如何在海浪等不确定因素的影响下保证行进速度和电缆铺设速度一致呢?这就要依赖于船只的动力定位(DP)系统。


  (海底电缆铺设施工)

  在之前的栏目中我们讲过海上钻井平台能够在大风暴中纹丝不动,顺利完成可燃冰的开采任务,就是得力于动力定位系统对于船只位置的有效控制。(最大钻井深度15240米,"蓝鲸1号"钻遍全球都没问题

  在单纯要求船只固定不动的作业中,动力定位系统通过卫星定位信号获取船只坐标,根据船只实时坐标以及影响船只位置的风速、风向、船只颠簸等因素对船只动力系统的推进力进行调整,从而保证船只的动态稳定。

  不过海底电缆施工船的需求已经不再是单纯的定位,而是需要能够有效地保证船舶位置正确,实时、准确地记录海底电缆施工中的经纬度,控制船只航行速度,并维持连续、稳定的船只位姿,这无疑对动力定位系统提出了更高的要求。

  “启帆9号”的DP动力系统除了能满足上述要求之外,还能将船只的抗流等级提升至4节流;8点系泊系统可将抗风能力提升至10级,有效保证船只稳定性和施工质量。

  3、其他“高端”配置

  除此之外,“启帆9号”配备的U型检修通道可以满足海底电缆检修作业要求;配备的国内首个船载净化房能满足220千伏及以上电压等级海缆接头现场制作的技术环境要求;平板式的船体结构能够有效降低船只吃水深度,大大提升船只的稳定性及浅滩和潮间作业能力。


  (启帆9号海底电缆施工船)

  结语

  “启帆9号”是中国自主研发的新型海底电缆施工船只,它将承接海上风电场海底电缆敷设施工、岛屿间互联供电机海缆检修等工作,同时它的成功出坞也为中国国内最高电压等级的500千伏交联聚乙烯海缆敷设工程再添一把利器。

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