继俄罗斯向欧洲输送天然气的“北溪-1”和“北溪-2”管道发生神秘泄漏后,挪威的海底电缆又因不明原因发生断裂。
和天然气的输送管道不同,海底电缆不仅发挥着输送能源的作用,还是稳定通信服务、金融网络的重要渠道。但离谱的是,自去年以来挪威的海底电缆频繁发生断裂,年11月、年1月均发生过一次,而在自然条件下海底电缆不大可能被破坏。
海底电缆:究竟有什么作用?
海底电缆简称海缆,是指铺设在海床内部或表面的电缆,传输介质被致密的绝缘材料包裹。海缆的规格有粗也有细,近海的电缆更粗,深远海的电缆更细(和环境扰动强度有关),现代电缆的常见直径为25mm,每公里重约1.4吨。
根据功能划分,海缆可分为电力电缆和通信电缆,前者多用于海上风电等项目的电力输送,铺设距离较短,后者则用于连接不同国家和地区的通信,范围和长度远超电力电缆。
自年代第一条海底电缆铺设开始,全球电缆的建设规模、设计理念不断发展,目前的电缆不再局限于单一功能,光纤-电力的复合型电缆可同时实现传输电力和信号的功能,其内部既有导体又有光纤。
据估计,海底电缆承载了全球95%以上的数据传输和国际语音,它的优势很难被其他通信方式所取代。和传统的无线电报相比,海底电缆可实现长距离语音通信,安全性更高,而且不容易被拦截。
和卫星通信相比,海缆通信的优势也一目了然:性价比更高,通信容量更大,传输速度更快。这是因为海缆传输的信号是光束而非电流,通信载体是由玻璃制成的光导纤维,单条光纤直径仅为0.1mm,重量轻,质地软,数百条光纤集束制成光缆,增加了通信容量。光束以全反射的方式传递,损耗低,几乎可实现瞬时通信。
此外,海缆通信还不受电磁干扰,传输信号稳定,可靠性高,制作光纤的原材料(石英)也非常廉价。有诸多优势傍身,海缆工程自然受到了各国重视,建造规模从20世纪90年代迅速扩大,如今全球已建成完善的海缆通信网络。
欧洲是世界海缆铺设密度最高、规模最大的地区之一,错综复杂的海缆线路组成了互联网数据的“水下大动脉”。在这当中,挪威的海缆又是欧洲网络数据的重要拼图,断裂事故产生的影响不容小觑!
海缆自带三层“保护膜”
海底电缆在通信领域具有无与伦比的地位,铺设环境又决定了其经常受到海底洋流的冲击、海底物质的摩擦。因此,海缆的设计非常讲究,在出厂时就自带保护层。
以目前主流的光纤-电力复合电缆为例,其核心部位是导体和光纤。其中,导体要求导电性能良好,一般由铜或铝制成。相比之下,铜的载流能力优于铝,选用铜导体还可降低铅、钢丝等外层材料的使用量。
但在相同的传输容量下,铜导体电缆的成本是铝导体电缆的1.1~1.8倍,铜的材料成本更贵。但即便如此,多数制造商仍选择铜作为供电导体,由此也可看出,海缆的质量比经济性更受重视。
说起质量,关键还是要看三大防护层:绝缘-屏蔽层、防护层以及铠装层。
1,绝缘-屏蔽层。绝缘材质包括交联聚乙烯、乙丙橡胶,前者的应用最为广泛,英文缩写为XLPE。该材料是含有有机过氧化物的高级聚乙烯,比普通聚乙烯更耐热、耐腐蚀。
除了绝缘层,导体和光纤外还包裹着屏蔽层,如导体屏蔽、绝缘屏蔽。据调查,多数制造商选用三层共挤和干式交联管制造交联聚乙烯电缆,为导体构成了“导体屏蔽-绝缘-绝缘屏蔽”系统,形成稳定的介质界面,屏蔽效果颇为理想。
2,防护层。海底电缆的内部和外部都有防护结构,内部有金合铅套、半导体PE护套,能保护金属免受腐蚀和磨损。内护套多采用聚乙烯材料,有的款式也添加炭黑的半导电聚乙烯料,制造出聚合物护套。
外层的防护结构同样也有多种材质组合,如:橡胶棉布带、PP内垫层、沥青层以及PP外被层。其中,橡胶棉布带的标称厚度为0.1mm,内垫层厚2.0mm,沥青层厚0.5mm,外围层厚4.0mm。外层防护与海水直接接触,抗腐蚀能力强,为方便水下辨识,外被层普遍带有颜色标记。
3,铠装层。除了绝缘和防护材质,铠装也是海底电缆的关键构件。所谓铠装,是由青铜、*铜、铜或铝等金属按电缆的延伸方向以一定的节距绞制而成,常见的有1~2层。因而,铠装层具有金属的结构强度,可为海底电缆提供机械保护。
有了这三层防护,海底电缆可经受大部分海底环境的考验,正常使用寿命可达15~20年。除了材质本身的耐磨、耐蚀防护,工程人员还通过埋设、沟槽、穿管以及覆盖的方式保护电缆,主流的埋设保护是将电缆埋在海床2.5~3.0m深处,最大限度减少了自然因素的影响。
只有在极少数情况下,海缆才可能会被破坏,比如:鲨鱼啃咬,地震、海啸等灾害。但上述因素的发生率很低,并不是电缆破坏的主要原因。
科学家曾对大西洋和加勒比海的海缆维修事故进行过统计,结果显示:在~年间,所有电缆事故中自然故障的占比不到9%,有90%以上的电缆事故都和人为活动有关。
造成电缆故障的人为因素,多见于拖网渔船作业、船只抛锚,当然,也不排除有人蓄意破坏。真正棘手的是,海底电缆铺设环境隐蔽,缺少水下监控证据,一旦被人为破坏就难以修复,也很难找出罪魁祸首。
海底电缆出现故障,维修究竟有多难?
海底电缆的维修是海洋工程中最大的难点之一。相对陆上电缆而言,海底电缆的维修时间更紧迫,施工风险大,受天气、海域深度影响显著,维修成本高出几十至数百倍。
海缆维修的第一步就是要找到断裂点。故障定位一般选用万用表、兆欧表检测故障电缆的对地绝缘电阻、相间电阻,初步判断故障的性质。然后再用光时域反射仪(OTDR)或扩频时域反射仪(SSTDR)等测量故障点,初步推断出断裂点距离平台或陆地的相对距离。
第二步是派遣维修船只前往故障预测点,抛锚就位,在断点附近放置标记浮标。关键性的程序是利用带有刚性尖头的抓斗在海床上来回拖拽,“耙地式”打捞电缆。接着将故障电缆用浮标绑定出水,用同样的方式捞出另一端的电缆,两端电缆在甲板上完成对接。
接下来的过程和陆地电缆的维修大致相同:切除故障点,进行导体直流电阻测量、绝缘测量、耐压试验,确定无故障后再连接接头。
最后一步是检验接好的海缆,确保绝缘性能、通信质量。根据维修要求,接入海缆的长度比原先的故障海缆更长,最后呈U字型铺设在海底。
在电缆维修方面,挪威显然积累了丰富的经验,加上断裂点距离平台较近,海水深度适宜,预计几天至一周就能修复。至于事故调查真相,相信也一定会水落石出,我们拭目以待。