CN103701493A - 海底有中继海缆传输系统单极缆单端供电的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用海底有中继海缆传输系统的传感领域。所要解决的技术问题在于解决海底有中继系统单端供电问题及电化学腐蚀问题。其特征在于：岸端电源（1）通过海底光电复合缆（2）为整个系统提供电力，海底中继器（3）用于实现光信号的放大；所述接地电极（4）的连接端与海底中继器（3）或海底接头盒（5）密封连接，所述接地电极（4）的末端直接接触海水，与海水构成电路回路；所述海底接头盒（5）用于实现光电分离；所述海缆（6）用于连接海底接头盒（5）及传感器（7）。通过选用合适的材料及结构可有效降低接地电极的电化学腐蚀速率，增加电极的使用寿命。

Description

海底有中继海缆传输系统单极缆单端供电的实现方法

技术领域

本发明涉及海底传感领域，尤其涉及海底有中继海缆传输系统单极缆单端供电的实现方法。

技术背景

为适应国际通信市场、国家海洋战略和海洋声学探测的需要，有中继海缆传输系统越来越受到人们的重视。有中继海缆传输系统主要由岸端电源，海底光电复合缆，海底中继器等构成。其中，海底中继器是整个系统的关键器件，由中继器舱体、舱内光放大模块、电源模块及其附属模块构成。中继器舱体通常由一定厚度的耐腐蚀的金属制成，用来保证位于其内的各模块在海底有一个能够正常工作的环境。光放大模块由光纤放大器组成，用来放大光信号。电源模块为光放大器提供电力。中继器内的电源模块需要岸上远程供电。附属模块包括光放大器的通信模块和电源的通信模块等，通常也需要电力供给。

到目前为止，海底有中继海缆传输系统主要应用在国际通信领域。经过数十年的发展，海底中继技术已经成熟并商用。

在海洋声学探测等传感领域，海底中继器具有类似“远程加油机”的作用，它可帮助人们将水下传感器布置到离岸更远的地方，获得对更广阔海域的认识。

但是，海底中继技术并不能简单地从通信领域直接照搬到传感领域。通信领域中的海底中继器采用双端供电，海水为地的方式，如图1所示，图1中11为岸上给电装置，12为海底中继器；岸上给电装置11位于海缆两端的岸上，两端的电压大小相等，极性相反。如图2（a）所示双端岸上给电装置11正常供电的工作状态时，海缆中的导线是单极的，海水为地极，作为工作电流的返回通道，图中所标注的U为对地电位。如图2（b）所示双端供电时一端给电装置故障的工作状态时，一端的给电装置故障，另一端工作正常的给电装置11可以提高电压保持系统正常工作，图中所标注的U为对地电位。如图2（c）所示双端供电时海缆破损内导体接地时的工作状态，如果海中的海缆发生破损，内部导体与海水电气接触，两端的给电装置11可以同时调整电压，保持一定的电流，让系统工作至维修完成，图中所标注的U为对地电位。通常海底光缆的修理至少需要一周以上的时间。

在海底传感的应用中，如光纤水听器阵列系统，它由岸端设备、光电复合海缆、海底中继器，光纤水听器传感阵列和岸上解调设备构成。岸端设备发出激光来询问布设在海底的光纤水听器阵列。光纤水听器阵列将探测到的水声信号转化为光信号回传至位于同一岸上的解调设备进行信号处理。海底中继器具备双向光放大功能，它可以延伸光纤水听器阵列的离岸距离，但在光纤水听器阵列系统中海底中继只能单端供电。在这种情况下，供电系统与现有海底通信系统的供电系统存在着明显的差异，因为没有另外一个岸端可以作为接地回路，系统的末端必须与海水接触形成电气回路，与图2（c）中海缆破损的状态相同。此时，系统与海水接触点存在着严重的电化学腐蚀问题，系统不可能长期正常地工作。因此，供电系统必须重新设计以适应单端供电的海底中继系统。在该系统中，海底中继器外壳或光电复合海缆都不能与海水直接构成电流回路，因为它们作为接地电极会在海水中发生严重的电化学腐蚀。电化学腐蚀的同时还会析出多种气体，如氢气，氧气和氯气，这些气体更加速了金属材料的溶解。其中的氢气还会导致光纤损耗的加大，恶化传输系统的性能。所以这种情况下，急需解决海底有中继海缆传输系统单端供电问题。

要解决海底有中继海缆传输系统单端供电问题，海缆可以采用双极缆来解决电化学腐蚀问题，即海缆内包含正负极，海水不作为电气回路。如图3所示，图3中21为岸端给电装置；22为海底光电复合缆；23为海底中继器；25为海底接头盒；26为海缆；27为传感器。由岸端电源21，海底光电复合缆22，海底中继器23，海底接头盒25，海缆26及传感器27构成单端供电的海底有中继海缆传输系统。岸端电源21可以是恒电流输出的直流电源，也可以是三相交流电源。岸端电源21同时提供正负极，不以大地或海水为地。海底光电复合缆22中包含光缆和电缆，光缆中的光纤为光信号传输介质，电缆中同时包含正负极导线，电缆中的电极形式可以是同轴电缆或绞线型电缆。这种情况下，电气回路由岸端电源和海缆的正负极构成，海水不作为电气回路的一部分，避免了电化学腐蚀问题。

但是，现在商用成熟的海缆大都采用单极缆，如何解决使用单极缆在单端供电时出现的上述电化学腐蚀问题是重要的研究方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供海底有中继海缆传输系统单极缆单端供电的实现方法，来解决海底有中继系统单端供电问题及电化学腐蚀问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

海底有中继海缆传输系统单极缆单端供电的实现方法，所述海底有中继海缆传输系统包括岸端电源1、海底光电复合缆2、海底中继器3、若干海底接头盒5、海缆6及传感器7；其特征在于：所述系统还包括接地电极4；岸端电源1通过海底光电复合缆2为整个系统提供电力，海底中继器3用于实现光信号的放大；所述接地电极4的连接端与海底中继器3或海底接头盒5密封连接，所述接地电极4的末端直接接触海水，与海水构成电路回路；所述海底接头盒5用于实现光电分离；所述海缆6用于连接海底接头盒5及传感器7。

优选方式之一，所述接地电极4为单根线型，即采用笔直或蛇形或折线形的形状形成单根电极，该单根线型的电极一端为与电路相连的连接端，另一端与海水直接接触；所述接地电极的材料可以使用高硅铸铁或石墨棒或铁氧体电极或镀铂钛中的一种或以上多种材料的组合。

优选方式之二，所述接地电极4采用由若干个单根线型的电极构成的放射型电极，即放射体中心设有一个连接端与电路相连，各个单根线型的电极作为放射臂，每个放射臂的形状可以是笔直或蛇形或折线形，所述放射臂的一端与放射体中心相连，另一端与海水直接接触；所述每根放射臂的材料可以使用高硅铸铁或石墨棒或铁氧体电极或镀铂钛中的一种或以上多种材料的组合。

所述接地电极4为铠装结构，即在电极的导电内芯41外面挤塑一层绝缘内护套42；再在内护套42外绞合两层镀锌钢丝分别作为内铠装层431、外铠装层432，并填充沥青；最后在铠装层外绞合聚丙烯绳再填充沥青，作为外防腐层44。

所述接地电极4的连接端和与之相连的海底中继器3或海底接头盒5的密封连接结构如下：所述海底中继器3或海底接头盒5的舱体81上设有密封法兰82，所述密封法兰82用来密封海底中继器3或海底接头盒5的舱体81，防止水、气渗入海底中继器3或海底接头盒5的舱体81；所述密封法兰82上设有贯通孔；所述接地电极4的连接端剥除铠装层后穿过贯通孔并将其导电内芯41与舱体81内部元器件以焊接方式进行电气连接，并在接地电极4的内护套42与贯通孔内壁之间的缝隙中灌注熔融的绝缘材料用于实现水密封和气密封；所述接地电极4的内、外层铠装钢丝通过承力锥套84压接固定，所述承力锥套84设计有内外两层套管，每层铠装钢丝依次穿过内、外套管；通过承力舱85对承力锥套84施加压力，从径向按压铠装钢丝，实现接地电极4与海底中继器3或海底接头盒5的舱体81的连接和固定。

本发明可带来以下有益效果：

1.选用合适的电极材料和电极结构，有效降低接地电极的电化学腐蚀速率，增加电极的使用寿命。

2.填补了现有技术的空白，解决了单端供电海底传输系统的供电问题，提供了一种新的海底有中继海缆传输系统的供电方法。

附图说明

图1是现有技术中两端供电的海底中继器的供电方式示意图。

图2（a）是现有技术中双端供电时正常供电的工作状态示意图。

图2（b）是现有技术中双端供电时一端给电装置故障的工作状态示意图。

图2（c）是现有技术中双端供电时海缆破损内导体接地时的工作状态示意图。

图3是现有技术中单端供电海底有中继系统的供电系统采用双极缆的系统原理框图。

图4是本发明的实施例1：采用单根线型接地电极的系统原理框图。

图5是本发明的实施例2：采用放射型接地电极的系统原理框图。

图6是图5中采用的放射型接地电极的典型布置示意图。

图7是图6中接地电极的单根放射臂的单根线型电极的结构示意图。

图8是接地电极连接端与海底中继器3或海底接头盒5的舱体的密封连接结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1，参见图4。单极缆单端供电海底有中继海缆传输系统由岸端电源1，海底光电复合缆2，海底中继器3，单根线型接地电极4，海底接头盒5，海缆6及传感器7构成。其中，岸端电源1为可以使用恒电流输出的直流电源或三相交流电源。海底光电复合缆2可以使用同轴光电复合缆或绞线型光电复合缆。海底中继器3使用掺饵光纤放大器实现光信号的放大。单根线型接地电极4的末端直接接触海水，与海水构成电路回路。有中继海缆传输系统中包含一个或数个海底接头盒5。海底接头盒5实现光电分离。海缆6连接海底接头盒5及传感器7。传感器7可以为无源器件，如光纤水听器。此时，海缆6可以为海底光缆。当传感器7需要电力供给时，如压电型水听器。此时，海缆6可以为海底电缆。当传感器7同时需要光纤通信和电力供给时，此时，海缆6可以为海底光电复合缆2。

实施例2，参见图5。该单极缆单端供电海底有中继海缆传输系统由岸端电源1，海底光电复合缆2，海底中继器3，放射型接地电极4，海底接头盒5，海缆6及传感器7构成。海水为地。考虑到海底中继系统中典型的电流值为1A，导线直径为40mm，电流密度将达到800A/m²。电极的消耗率可能随电流密度增大而指数增加。为了降低电流密度，可采用具有多个放射臂的放射型接地电极来减少电极中的电流密度，如图6所示。在图6中，海底光电复合缆2的末端与海底接头盒5相连。放射型接地电极4由多个放射臂构成，这些放射臂的一端共同终止于海底接头盒5内，这样可以降低每个接地电极的电流密度。

海底有中继系统的接地方式是保证系统正常工作的关键。系统中带电的设备有海底中继器3和海底接头盒5，两者的外壳一般由金属材料制成，金属外壳本身不能作为电气回路的一部分，否则当有直流电流经外壳流入海水时会发生电解腐蚀。根据法拉第定律，由电解造成的金属的消耗量m可由下式表示：

$m=\frac{\mathrm{ItM}}{\mathrm{zF}},---\left(1\right)$

其中，I为流经电极的电流大小，单位为A；t是电流的持续时间，单位为s；M为金属材料的摩尔质量，单位g/mol；z为金属的价电子；F为法拉第常数，约为96500C·mol^-1。可知，当铁被电解成二价离子，在1A电流的作用下，每年的腐蚀量高达9.15kg。按海底有中继系统25年的设计寿命，且25年后接地电极允许蚀耗不得超过40%计，整个接地电极就需要近572kg。因此，接地电极的设计是一个不可忽视的问题。

接地电极的材料可以使用高硅铸铁或石墨棒或铁氧体电极或镀铂钛中的一种或以上多种材料的组合。

高硅铸铁具有良好的导电性能。当电流通过时，其表面会发生氧化作用，生成一层薄的二氧化硅保护膜，这种膜具有很高的化学稳定性，能在酸中处于钝化状态，可大大减低阳极的溶解速率。在含盐的介质中，在高硅铸铁中加入一定量的铬形成高硅铬铁合金具有更强的抵抗卤族气体腐蚀的能力。需要注意的是，高硅铁类合金电极的腐蚀速度将随电流密度的增加而加剧，在电流密度为50A/m²时，高硅铸铁的年消耗率只有0.2kg/(A·a)。电流密度约为800A/m²，此时的溶解率要上升为3kg/(A·a)，因此，在使用时要对电极的电流密度加以控制。

石墨是非离子晶体，它不会被电解而形成离子，因此，石墨电极的电化学反应只是析出氧气或氯气，不存在电解腐蚀。但是石墨是非常松散的层状结构，并有明显的多孔性。石墨在常年与海水的接触中，析出的气体会扩散进石墨层状结构，破坏层间结合，使石墨变成疏松的粉状物质。石墨电极的溶解速度也和电流密度有关，电流密度一般不超过为200A/m²，年消耗率约为0.36kg/(A·a)。石墨电极用封闭剂浸渍后可以进一步减弱氧化作用。

铁氧体是一种磁性材料，具有独特的高耐蚀性。铁氧体电极的耐腐蚀性要优于高硅类电极和石墨电极，是新一代抗腐蚀材料。在电流密度为200A/m²时，铁氧体的年消耗量仅为4克。

镀铂钛，其容许的电流密度可达1000A/m²，年消耗量也仅为6mg，也非常适合做海水电极。

接地电极形状可以是单根线型电极，如图4所示之实施例1中接地电极；或由若干单根线型电极组成的放射型电极，如图5所示之实施例2中接地电极。每个单根线型电极的形状可以是笔直的，或是蛇形或折线形，且也可以采用其他由直线衍生来的等同的形状；截面形状可采用圆形或其他形状；电极的粗细可以是均匀的也可以是不等的或是变化的；接地电极的长度应根据所选材料，系统寿命，电流大小等决定。

放射型接地电极每一个放射臂之间的材料可以相同也可以不同。每一放射臂的材料可以由以上材料的一种或多种组合构成。放射型接地电极的每一个放射臂不仅包括笔直的电极，而且包括蛇形、折线形等其他由直线型衍生来的电极。

每个单根线型接地电极可采用多层包裹结构来实现阻水功能以使电化学腐蚀从与海水接触的末端开始。如图7所示，电极的导电内芯41外面挤塑一层内护套42进行绝缘，本实施例中内护套42采用聚乙烯材料，内护套42的厚度由工作电压决定，再在内护套42外绞合两层镀锌钢丝作为内铠装层431、外铠装层432；并填充沥青，最后绞合聚丙烯绳再填充沥青，作为外防腐层44。铠装层431和432用于防止绝缘层的机械损伤，并提高接地电极的拉伸强度。

接地电极4的连接端应通过海底中继器3或海底接头盒5的舱体与舱体内部电路连接。让接地电极4的连接端穿过并固定的连接结构应具有良好的水密封和气密封性能，防止海水进入器件内部。参见图8，图8是接地电极4和海底中继器3或海底接头盒5的舱体81连接的结构示意图，81为舱体，82为密封法兰，42为接地电极内护套，84为承力锥套，85为承力舱；4为铠装结构的接地电极。舱体81保护存放于内的元器件，包括电路部分。密封法兰82用来密封舱体81，防止水、气渗入舱体81。铠装结构的接地电极4的内外层铠装钢丝通过承力锥套84压接固定。承力锥套84设计有两层套管，每层铠装钢丝依次穿过内外套管；通过承力舱85向承力锥套84施加压力，从径向按压铠装钢丝，实现接地电极4与舱体81的连接和固定；在舱体81内，接地电极4的导电内芯41与电路的导电部分通过焊接相连，不使用螺栓连接或压接。

如图8所示，密封法兰上82设计有贯通孔，它是舱体81内外连接的通路，也是最需要进行水密封和气密封的地方。接地电极4的连接端穿过贯通孔与舱体81内部电路进行连接。利用绝缘材料对贯通孔内的接地电极内护套42和贯通孔内壁之间的缝隙进行密封。在贯通孔内壁和接地电极内护套42之间注入熔融的绝缘材料。熔融的绝缘材料冷却后将贯通孔内的接地电极内护套42和贯通孔内壁之间密封。绝缘材料是在高温加热熔融状态下形成的。可以使用熔融温度130℃的丙烯腈-丁二烯橡胶、氯丁橡胶、丙烯酸酯橡胶、乙烯-丙烯橡胶，也可以使用熔融温度230℃的硅橡胶、氟素橡胶。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.海底有中继海缆传输系统单极缆单端供电的实现方法，所述海底有中继海缆传输系统包括岸端电源（1）、海底光电复合缆（2）、海底中继器（3）、若干海底接头盒（5）、海缆（6）及传感器（7）；其特征在于：所述系统还包括接地电极（4）；岸端电源（1）通过海底光电复合缆（2）为整个系统提供电力，海底中继器（3）用于实现光信号的放大；所述接地电极（4）的连接端与海底中继器（3）或海底接头盒（5）密封连接，所述接地电极（4）的末端直接接触海水，与海水构成电路回路；所述海底接头盒（5）用于实现光电分离；所述海缆（6）用于连接海底接头盒（5）及传感器（7）。

2.按照权利要求1所述的海底有中继海缆传输系统单极缆单端供电的实现方法，其特征在于：所述接地电极（4）为单根线型，即采用笔直或蛇形或折线形的形状形成单根电极，该单根线型的电极一端为与电路相连的连接端，另一端与海水直接接触；所述接地电极的材料可以使用高硅铸铁或石墨棒或铁氧体电极或镀铂钛中的一种或以上多种材料的组合。

3.按照权利要求1所述的海底有中继海缆传输系统单极缆单端供电的实现方法，其特征在于：所述接地电极（4）采用由若干个单根线型的电极构成的放射型电极，即放射体中心设有一个连接端与电路相连，各个单根线型的电极作为放射臂，每个放射臂的形状可以是笔直或蛇形或折线形，所述放射臂的一端与放射体中心相连，另一端与海水直接接触；所述每根放射臂的材料可以使用高硅铸铁或石墨棒或铁氧体电极或镀铂钛中的一种或以上多种材料的组合。

4.按照权利要求2或3所述的海底有中继海缆传输系统单极缆单端供电的实现方法，其特征在于：所述接地电极（4）为铠装结构，即在电极的导电内芯（41）外面挤塑一层绝缘内护套（42）；再在内护套（42）外绞合两层镀锌钢丝分别作为内铠装层（431）、外铠装层（432），并填充沥青；最后在铠装层外绞合聚丙烯绳再填充沥青，作为外防腐层（44）。

5.按照权利要求4所述的海底有中继海缆传输系统单极缆单端供电的实现方法，其特征在于：所述接地电极（4）的连接端和与之相连的海底中继器（3）或海底接头盒（5）的密封连接结构如下：所述海底中继器（3）或海底接头盒（5）的舱体（81）上设有密封法兰（82），所述密封法兰（82）用来密封海底中继器（3）或海底接头盒（5）的舱体（81），防止水、气渗入海底中继器（3）或海底接头盒（5）的舱体（81）；所述密封法兰（82）上设有贯通孔；所述接地电极（4）的连接端剥除铠装层后穿过贯通孔并将其导电内芯（41）与舱体（81）内部元器件以焊接方式进行电气连接，并在接地电极（4）的内护套（42）与贯通孔内壁之间的缝隙中灌注熔融的绝缘材料用于实现水密封和气密封；所述接地电极（4）的内、外层铠装钢丝通过承力锥套（84）压接固定，所述承力锥套（84）设计有内外两层套管，每层铠装钢丝依次穿过内、外套管；通过承力舱（85）对承力锥套（84）施加压力，从径向按压铠装钢丝，实现接地电极（4）连接端与海底中继器（3）或海底接头盒（5）的舱体（81）的连接和固定。

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