OPGW光纤余长控制及寿命影响分析

0 引言

中国光纤光缆经过近40多年的发展,光缆生产工艺已十分成熟,光缆的使用量也逐年增加。OPGW从2000年开始少量使用到目前的大规模应用,已成为电力通信特种光缆使用量最大的缆型之一。OPGW在运行过程中,在覆冰、大风、低温或高寒等恶劣气象条件下,光缆受力或温度的影响会伸长或收缩,弧垂发生变化,导致光纤余长相应发生变化。光缆伸长时,如光纤余长不足,光纤受力发生应变,导致附加衰减增大甚至断纤;光缆收缩时,导致光纤余长变大,光纤在光单元内可能会因为宏弯导致附加衰减增大、通信异常等,给电力生产带来了诸多不便。

本文通过研究OPGW光纤余长设计控制及对光缆寿命的影响,探讨如何避免在生产及运行中因光纤余长不合理导致光缆出现问题。

 1 光纤束在不锈钢管中状态及余长设计方法

光纤余长是决定OPGW光缆安全运行的重要因素,光纤余长并不是越大越好,也不是越小越好。光纤余长是光缆生产过程中重要的工艺参数,也是影响因素较多的工艺参数,是确定光缆各种性能的重要工艺指标。根据OPGW光缆的结构型式,通过设计和生产控制合适的余长范围,即最小余长和最大余长。

1.1 光纤束在不锈钢管中的状态

目前,我国电力通信系统应用的OPGW光缆主要包括中心管式和层绞式两种结构型式,这两种结构均采用松套式不锈钢管光单元。不锈钢管中的光纤束受纤膏保护,处于游离状态,其主要表现为：

1）在不锈钢管光单元中,所有的单根散光纤最终分布状态均为束状形;

2）在不锈钢管内光纤有余长的情况下,光纤束会自动形成正反空间螺旋曲线,且曲率半径相等。

1.2 不锈钢管光单元光纤余长设计方法

不锈钢管内的光纤余长称之为一次余长。选取不锈钢管光单元一个节距的光纤束,进行一次余长计算,光单元余长计算示意如图1所示。

计算公式如下^[1]：

 （2）

式中,R_m为束管内光纤至管心距离;R_l为束管内半径;P为螺旋分布节距;ξ_f1为束管一次光纤余长;n为光纤根数;d_f为光纤的等效直径。

光纤束在不锈钢管中自动形成的正反空间螺旋线,其节距在受力或温度变化情况下自动调控重新发生变化,余长随之发生变化。当有阻力或外力阻止其自动调整时,如纤膏硬化或不锈钢管内部不光滑导致光纤不能重新自由浮动,光纤会产生沿线长度分布的附加衰减或小的台阶（测试仪器OTDR上的显示）。

在低温情况下,光纤束节距变小,空间弯曲半径也变小;在受拉力情况下,节距会变大,余长会变小。对于层绞式OPGW光缆,当一次余长被拉长抵消后,光纤在不锈钢管中的平均位置会改变,一般向一侧移动,并开始影响二次余长;对于中心管式OPGW光缆,光纤余长与光单元一次余长一致,不存在二次余长。

图1 光单元余长计算示意Fig.1 Sketch of calculation of remaining length of optical fiber

1.3 层绞式OPGW二次余长设计方法

不同于中心管式OPGW,层绞式OPGW光单元处于第一层,因此增加了光纤的二次余长,形成了综合余长,综合余长可表示为^[1]：

表1 光缆主要原材料性能对比Tab.1 Comparison of main material properties of cable

表2 铝包钢单线性能Tab.2 Tensile properties of Aluminum clad steel

铝包钢单线拉伸性能如图2所示。

图2 铝包钢单线拉伸性能Fig. 2 Tensile properties of aluminum clad steel

综上可知,OPGW光缆各原材料在线膨胀系数、弹性模量、抗拉强度、断裂伸长率各方面存在较大的差异。所以,根据不同原材料的性能及工艺调节形成光缆中光纤余长（二次余长）,利用不锈钢与光纤弹性模量的差异,通过钢管的弹性变形应力释放后的收缩形成不锈钢管光单元的光纤余长（一次余长）。

2.2 OPGW余长形成过程及工艺控制

不锈钢管光单元生产工艺流程如图3所示。

图3 不锈钢管光单元生产工艺流程Fig.3 Production flow chart of stainless steel tube unit

光纤自放纤架放出后,通过导纤模具与阻水纤膏一起进入成型后的不锈钢管,钢带自放带架放出经钢带清洁和切边后进入成型模具成型,经过激光焊接成为钢管,光纤和纤膏被超越焊点的光纤针管和纤膏针管保护。焊接完的钢管与其所包含的光纤一起通过两次拉拔形成要求直径的钢管,最后通过轮式牵引的张力（300~4 500 N不等,根据管径及余长大小设定）拉伸钢管使之产生弹性变形,牵引后张力消除,钢管弹性变形恢复收缩产生光纤余长,这就是不锈钢管光单元的一次余长。

OPGW光缆生产工艺流程如图4所示。

图4 OPGW光缆生产工艺流程Fig.4 Production process of OPGW

中心管式OPGW在不锈钢管生产工序就已经形成满足光性能和机械性能的余长,中心管式光缆的余长与不锈钢管光单元一次余长几乎一致。层绞式OPGW在绞合过程中因绞入率的不同,形成不同的绞合二次余长,最终得到光缆中光纤的综合余长。

 3 OPGW典型结构余长控制及注意事项

3.1 中心管式OPGW光缆余长设计

根据电力行业标准DL/T 832—2016,拉伸力为40%RTS时,光纤无应变,无附加衰减;拉伸力为60%RTS时,光纤应变≤0.25%,附加衰减≤0.05%（该拉力取消后,光纤无明显残余附加衰减）^[2]。根据国家标准GB/T 17937—2009,铝包钢单线1%伸长应力约为抗拉强度的90%^[3]。设定光缆安全运行时光缆光纤无应变,则40%RTS为最大工作负荷,这时铝包钢的延伸率约为4.45‰,若要光纤不受力,那么光纤的余长就需不小于4.5‰,常规气象条件下此类光缆安全余长为4.5‰。

为确保光纤在低温运行状态下不产生附加衰减,光纤在管中的空间“SZ”螺旋线的平均弯曲半径应达到70 mm（此值为经验值,由G.652光纤宏弯性能决定,当使用弯曲不敏感光纤时,此值可更
小）^[4]。假设24芯中心管式OPGW光缆（见图5）不锈钢管光单元直径为3.6 mm,束管内圆直径为
3.2 mm（不锈钢带一般厚度为0.2 mm）,则单根光纤直径=0.250 mm,24根光纤的等效直径=1.384 mm,令宏弯半径ρ=70 mm,由式（1）可得P=49.77 mm,代入式（2）可得ξ_f1=6.5‰。

图5 中心管式OPGW结构Fig. 5 Central tube type OPGW structure

考虑到光缆的低温性能（日常工作温度T_m=20℃,低温T_u=-40℃）,计算光缆收缩量((T_m-T_u)·K)约为0.7‰^[5],光缆的最大余长不应超过5.8‰。因此,为了确保此光缆的安全运行,生产余长应控制在4.5‰~5.8‰之间。

3.2 层绞式OPGW光缆余长设计

OPGW光缆的绞合节距应确保拉伸性能满足标准要求,最外层单线的节径比在10~14之间,那么内层的节径比尽量控制在10~12之间。生产绞合节距越大,绞入率越低,也就越节省材料,很多厂家在生产OPGW时追求大的节距以达到节约成本的目的,但是可能会导致光缆的二次余长不足。光缆外层节径比大于内层节径比才能保持较好的成型状态,选取常用的一种层绞式OPGW结构（OPGW-24B1-130[155;85.0]）进行计算分析。层绞式OPGW结构如图6所示。

图6 层绞式OPGW结构Fig.6 Layer stranding type OPGW structure

该OPGW为24芯层绞式结构,光单元直径为2.9 mm,束管内圆半径为1.25 mm,单根光纤直径为0.250 mm,24根光纤的等效直径为1.384 mm,令宏弯半径ρ=70 mm,由公式（1）可得P₁=39.11 mm,代入公式（2）可得ξ_f1=4.01‰,光单元一次余长最大应控制在3.3‰。光单元层绞合节径比控制为11,则节距Q=68.2 mm,R₂=3.05 mm,R_m=0.558 mm,由式（3）可得ξ_f2=13.1‰。

 4 光纤余长对OPGW寿命的影响

OPGW光缆从生产制造、施工安装到运行使用过程中,因光纤余长不合理而产生故障影响光缆寿命大致可分为以下3个阶段。

1）第1阶段为光缆架设1~3年内,受微风振动、舞动、温度等自然环境影响,光纤余长在不同区间段的细微偏差会被均等化,光纤余长会更加匹配线路档距及光缆特性。因此,如果OPGW光缆在该阶段表现出光纤损耗增加乃至陡增,多半是光纤余长不足引起的。

OPGW光缆正常运行时所受张力一般为18%~25%RTS。当遭遇极端天气如大风舞动时,最大张力可达40%,此时光缆伸长量为4.45‰,一般余长设计是以此为下限值;当遭遇最大覆冰时,按极限运行张力60%RTS,此时光缆伸长量为5.4‰,即需增加0.9‰伸缩量;此外,OPGW夏季运行温度可达40℃,冬季北方部分地区可达-30℃,受极端高温及低温热循环影响,光缆受热胀冷缩余长变化范围在0.81‰。更进一步,在冬季极端条件下,以上两种因素是叠加的,即光缆余长波动范围扩大至1.7‰,这对于绝大多数光缆是一种极大考验,这一情况在针对重覆冰区的光缆设计时需加以重视。

2）第2阶段为光缆架设3~15年内,受铝包钢原材料的蠕变特性影响,光缆自身不断增长,而作为玻璃材质的光纤长度几乎无变化,因此光纤余长逐渐变小,当生产余长偏小时,会产生光纤损耗增加的问题。以OPGW-24B1-175[210;150.0]为例,根据采集的蠕变试验数据,得到其蠕变方程为^[6]：

图7 OPGW蠕变趋势Fig.7 OPGW creep trend diagram

3）第3阶段为光缆架设15~25年内,通过对不同时期生产的光缆采样检测发现,纤膏随着时间的变化而缓慢变性^[8],整个过程是先结成小颗粒,然后逐渐挥发、分解、干涸凝固。采样实践表明,纤膏开始明显变性的典型时间为18年^[9]。与光纤紧密接触的以矿物油或者合成油为基础的混合物纤膏,其酸值增加可导致析氢增加^[