综述：海底电缆系统：安装、监测与维护流程及技术综述

《Processes》：Submarine Cable Systems: A Review of Installation, Monitoring, and Maintenance Processes and Technologies Dinghua Zhang, Yuanyuan Guo, Qingqing Yuan, Zirong Ni, Hongyang Xu, Xiao Liu and Huabin Qiu

　　

海底电缆系统对于洲际互联以及将海上可再生能源整合至陆上电网至关重要。这些系统的可靠性依赖于一个良好协调的生命周期流程，该流程整合了安装、监测与维护技术。本综述综合了海底通信与电力电缆的关键组成部分，重点阐述了在复杂海床条件下涉及路由调查、电缆铺设与埋设的流程。导致损伤的主要因素通常分为自然灾害与人类活动。特别关注故障诊断技术，包括光时域反射仪（OTDR）与时域反射仪（TDR）。此外，还概述了故障定位与电缆修复的实用工作流程与流程。通过将安装、监测与维护流程中的进展进行结构化组织，本综述为研究人员与实践者提供了全面的技术参考，同时强调了旨在增强系统韧性、实时态势感知与快速响应的新兴趋势，从而支持全球数字化与清洁能源转型。

1. 引言：海底电缆系统对洲际通信与海上可再生能源并网至关重要。早期海底电缆尝试始于1850年，此后在电报、电话和互联网中发挥关键作用。目前，约600个活跃和计划中的海底电缆系统占全球约99%的国际电信和互联网流量，总长度超过148万公里。海上风电等领域依赖海底输电电缆，但电缆故障造成的经济损失巨大，尤其近岸区域因锚害和冲刷导致的暴露和断裂是主要风险。研究综述已有成果，但大多聚焦单一电缆类型或生命周期阶段，缺乏全流程整合视角。本综述整合通信与电力电缆，按安装、监测、维护三阶段组织，提供端到端技术参考，并强调跨阶段研究需求。

2. 综述方法：以Google Scholar为单一搜索平台，按安装、监测、维护三个主题检索。关键词组合包括电缆类型（如submarine power cable、submarine communication cable）、工作流程阶段（如route survey、cable laying、burial）以及监测和修复功能（如OTDR、TDR、DAS、DTS）。时间窗口为2000年至2025年，早期文献仅用于历史里程碑。纳入标准为报告方法、测量、工程程序、失效机制或修复流程的研究，排除陆地电缆及缺乏技术细节的记录。筛选分标题/摘要和全文评估两步，合成按后续章节结构进行。

3. 海底电缆系统概述：
- 3.1 海底电缆分类：按应用分为通信电缆和电力电缆；电力电缆按电流类型分交流（AC）和直流（DC）电缆，AC电缆受趋肤效应和邻近效应影响，需更大截面。按导体芯数分单芯和三芯电缆，实际运行数据显示单芯电缆事故率比三芯高43%。按安装环境分深水电缆和浅水电缆，浅水电缆需重铠装抵御外部威胁，深水电缆采用轻铠装或无铠装以减轻重量。
- 3.2 海底电缆结构：通信电缆内部为光纤单元，外包铜管供电和防水，再包缓冲层和钢线铠装，深水区轻铠装，浅水区重铠装。电力电缆核心为高导电金属，导体和绝缘层均需半导体屏蔽，主绝缘常用交联聚乙烯（XLPE），其耐热最高90°C，寿命受热老化和电树影响。
- 3.3 海底电缆系统组成：通信系统含中继器、分支单元和登陆站，中继器每50-100千米放大信号，铜管供电。电力系统（如VSC-HVDC）需换流站进行AC/DC转换。电缆接头是系统最薄弱环节，调查显示31例高压电缆故障中18例发生在中间接头（占58.1%），接头制造和现场安装要求极高，热应力是主要风险。剩余差距在于缺乏统一的接头和附件故障统计。

4. 海底电缆规划与安装：
- 4.1 路由调查与规划：始于桌面研究，收集海洋地理、地质、人类活动数据，提出备选路线。通过现场海洋调查验证，分地球物理调查和岩土调查。地球物理调查使用多波束回声测深系统测量水深和地形，侧扫声呐识别海床表面异常。岩土调查通过重力活塞取样和海上钻探获取土壤参数，指导埋设方案选择。
- 4.2 登陆点工程：处理海-陆过渡段，传统方法用浮力绳连接，现代常用水平定向钻探（HDD）技术，在海岸线下方钻出管道，电缆从敷设船通过管道拉至陆地，减少风浪和锚害影响，但成本较高。
- 4.3 电缆敷设施工：由敷设船执行，浅水区用水下犁和高压水射流开沟埋设，埋深需权衡保护效果与成本，硬质海床需专用岩石犁。深水区电缆直接铺设于海床，重点控制敷设张力，确保电缆与海床贴合。
- 4.4 敷设后检查：使用遥控潜水器（ROV）进行视频和声学检测，确认电缆完整性和埋深，形成基线数据供后续对比。主要风险包括不完整的地质识别、埋设工具不匹配、沉积物覆盖损失及深水张力控制误差。剩余差距在于预测覆盖随时间变化的损失以及将调查数据与风险决策关联。

5. 海底电缆维护：
- 5.1 风险分析：故障原因分自然灾害和人类活动，人类活动（如锚害、疏浚）是主要威胁，自然地质灾害（如海底滑坡、浊流）则导致灾难性后果。电缆自身故障包括XLPE电树、热老化、光纤氢老化等，中继器故障和接头缺陷也是重要原因。氢老化通过碳涂层和氢吸收凝胶缓解。
- 5.2 检测技术：分为故障诊断（如OTDR用于通信电缆，TDR用于电力电缆）和状态监测（分布式光纤传感，DFOS）。分布式温度传感（DTS）基于拉曼散射监测温度，分布式声学传感（DAS）基于瑞利背向散射检测振动，分布式应变传感基于布里渊散射监测应变。ROV定期水下巡检仍不可或缺。
- 5.3 修复：故障确认后，用OTDR/TDR估算距离，再用侧扫声呐和电磁场探测器精确定位，ROV最终确认。修复过程包括抓取电缆、检查损伤、切除损坏段、插入备用段，通信电缆用熔接机拼接光纤，电力电缆接头需控制局部放电风险，组装后离线局部放电测试，最后重新铺设。剩余差距包括减少分布式传感误报、改进事件分类以及统一修复时间和成本报告。

6. 结论与展望：本综述综合了海底电缆系统全生命周期关键技术，可靠性依赖于路线调查、登陆点工程、敷设、埋设、敷设后检查和长期运行的连续工作流。风险分析表明人类活动是主要威胁，维护正从被动修复转向预测性状态监测。未来发展方向包括：路线工程采用数据融合和动态风险映射；监测向统一架构发展，整合分布式光纤传感与外部巡检工具；海底电力电缆可作为海底停靠站的电能骨干，支持感应充电；材料和附件抗冲刷与抗冲击能力需提升；修复能力通过缩短故障定位时间得到加强；国际合作、AI应用和全生命周期数据集分析也将推动进步。