0 引言

中國光纖光纜經過近40多年的發展,光纜生產工藝已十分成熟,光纜的使用量也逐年增加。OPGW從2000年開始少量使用到目前的大規模應用,已成為電力通信特種光纜使用量最大的纜型之一。OPGW在運行過程中,在覆冰、大風、低溫或高寒等惡劣氣象條件下,光纜受力或溫度的影響會伸長或收縮,弧垂發生變化,導致光纖余長相應發生變化。光纜伸長時,如光纖余長不足,光纖受力發生應變,導致附加衰減增大甚至斷纖;光纜收縮時,導致光纖余長變大,光纖在光單元內可能會因為宏彎導致附加衰減增大、通信異常等,給電力生產帶來了諸多不便。

本文通過研究OPGW光纖余長設計控制及對光纜壽命的影響,探討如何避免在生產及運行中因光纖余長不合理導致光纜出現問題。

 1 光纖束在不銹鋼管中狀態及余長設計方法

光纖余長是決定OPGW光纜安全運行的重要因素,光纖余長并不是越大越好,也不是越小越好。光纖余長是光纜生產過程中重要的工藝參數,也是影響因素較多的工藝參數,是確定光纜各種性能的重要工藝指標。根據OPGW光纜的結構型式,通過設計和生產控制合適的余長范圍,即最小余長和最大余長。

1.1 光纖束在不銹鋼管中的狀態

目前,我國電力通信系統應用的OPGW光纜主要包括中心管式和層絞式兩種結構型式,這兩種結構均采用松套式不銹鋼管光單元。不銹鋼管中的光纖束受纖膏保護,處于游離狀態,其主要表現為：

1）在不銹鋼管光單元中,所有的單根散光纖最終分布狀態均為束狀形;

2）在不銹鋼管內光纖有余長的情況下,光纖束會自動形成正反空間螺旋曲線,且曲率半徑相等。

1.2 不銹鋼管光單元光纖余長設計方法

不銹鋼管內的光纖余長稱之為一次余長。選取不銹鋼管光單元一個節距的光纖束,進行一次余長計算,光單元余長計算示意如圖1所示。

計算公式如下^[1]：

 （2）

式中,R_m為束管內光纖至管心距離;R_l為束管內半徑;P為螺旋分布節距;ξ_f1為束管一次光纖余長;n為光纖根數;d_f為光纖的等效直徑。

光纖束在不銹鋼管中自動形成的正反空間螺旋線,其節距在受力或溫度變化情況下自動調控重新發生變化,余長隨之發生變化。當有阻力或外力阻止其自動調整時,如纖膏硬化或不銹鋼管內部不光滑導致光纖不能重新自由浮動,光纖會產生沿線長度分布的附加衰減或小的臺階（測試儀器OTDR上的顯示）。

在低溫情況下,光纖束節距變小,空間彎曲半徑也變小;在受拉力情況下,節距會變大,余長會變小。對于層絞式OPGW光纜,當一次余長被拉長抵消后,光纖在不銹鋼管中的平均位置會改變,一般向一側移動,并開始影響二次余長;對于中心管式OPGW光纜,光纖余長與光單元一次余長一致,不存在二次余長。

圖1 光單元余長計算示意Fig.1 Sketch of calculation of remaining length of optical fiber

1.3 層絞式OPGW二次余長設計方法

不同于中心管式OPGW,層絞式OPGW光單元處于第一層,因此增加了光纖的二次余長,形成了綜合余長,綜合余長可表示為^[1]：

表1 光纜主要原材料性能對比Tab.1 Comparison of main material properties of cable

表2 鋁包鋼單線性能Tab.2 Tensile properties of Aluminum clad steel

鋁包鋼單線拉伸性能如圖2所示。

圖2 鋁包鋼單線拉伸性能Fig. 2 Tensile properties of aluminum clad steel

綜上可知,OPGW光纜各原材料在線膨脹系數、彈性模量、抗拉強度、斷裂伸長率各方面存在較大的差異。所以,根據不同原材料的性能及工藝調節形成光纜中光纖余長（二次余長）,利用不銹鋼與光纖彈性模量的差異,通過鋼管的彈性變形應力釋放后的收縮形成不銹鋼管光單元的光纖余長（一次余長）。

2.2 OPGW余長形成過程及工藝控制

不銹鋼管光單元生產工藝流程如圖3所示。

圖3 不銹鋼管光單元生產工藝流程Fig.3 Production flow chart of stainless steel tube unit

光纖自放纖架放出后,通過導纖模具與阻水纖膏一起進入成型后的不銹鋼管,鋼帶自放帶架放出經鋼帶清潔和切邊后進入成型模具成型,經過激光焊接成為鋼管,光纖和纖膏被超越焊點的光纖針管和纖膏針管保護。焊接完的鋼管與其所包含的光纖一起通過兩次拉拔形成要求直徑的鋼管,最后通過輪式牽引的張力（300~4 500 N不等,根據管徑及余長大小設定）拉伸鋼管使之產生彈性變形,牽引后張力消除,鋼管彈性變形恢復收縮產生光纖余長,這就是不銹鋼管光單元的一次余長。

OPGW光纜生產工藝流程如圖4所示。

圖4 OPGW光纜生產工藝流程Fig.4 Production process of OPGW

中心管式OPGW在不銹鋼管生產工序就已經形成滿足光性能和機械性能的余長,中心管式光纜的余長與不銹鋼管光單元一次余長幾乎一致。層絞式OPGW在絞合過程中因絞入率的不同,形成不同的絞合二次余長,最終得到光纜中光纖的綜合余長。

 3 OPGW典型結構余長控制及注意事項

3.1 中心管式OPGW光纜余長設計

根據電力行業標準DL/T 832—2016,拉伸力為40%RTS時,光纖無應變,無附加衰減;拉伸力為60%RTS時,光纖應變≤0.25%,附加衰減≤0.05%（該拉力取消后,光纖無明顯殘余附加衰減）^[2]。根據國家標準GB/T 17937—2009,鋁包鋼單線1%伸長應力約為抗拉強度的90%^[3]。設定光纜安全運行時光纜光纖無應變,則40%RTS為最大工作負荷,這時鋁包鋼的延伸率約為4.45‰,若要光纖不受力,那么光纖的余長就需不小于4.5‰,常規氣象條件下此類光纜安全余長為4.5‰。

為確保光纖在低溫運行狀態下不產生附加衰減,光纖在管中的空間“SZ”螺旋線的平均彎曲半徑應達到70 mm（此值為經驗值,由G.652光纖宏彎性能決定,當使用彎曲不敏感光纖時,此值可更
小）^[4]。假設24芯中心管式OPGW光纜（見圖5）不銹鋼管光單元直徑為3.6 mm,束管內圓直徑為
3.2 mm（不銹鋼帶一般厚度為0.2 mm）,則單根光纖直徑=0.250 mm,24根光纖的等效直徑=1.384 mm,令宏彎半徑ρ=70 mm,由式（1）可得P=49.77 mm,代入式（2）可得ξ_f1=6.5‰。

圖5 中心管式OPGW結構Fig. 5 Central tube type OPGW structure

考慮到光纜的低溫性能（日常工作溫度T_m=20℃,低溫T_u=-40℃）,計算光纜收縮量((T_m-T_u)·K)約為0.7‰^[5],光纜的最大余長不應超過5.8‰。因此,為了確保此光纜的安全運行,生產余長應控制在4.5‰~5.8‰之間。

3.2 層絞式OPGW光纜余長設計

OPGW光纜的絞合節距應確保拉伸性能滿足標準要求,最外層單線的節徑比在10~14之間,那么內層的節徑比盡量控制在10~12之間。生產絞合節距越大,絞入率越低,也就越節省材料,很多廠家在生產OPGW時追求大的節距以達到節約成本的目的,但是可能會導致光纜的二次余長不足。光纜外層節徑比大于內層節徑比才能保持較好的成型狀態,選取常用的一種層絞式OPGW結構（OPGW-24B1-130[155;85.0]）進行計算分析。層絞式OPGW結構如圖6所示。

圖6 層絞式OPGW結構Fig.6 Layer stranding type OPGW structure

該OPGW為24芯層絞式結構,光單元直徑為2.9 mm,束管內圓半徑為1.25 mm,單根光纖直徑為0.250 mm,24根光纖的等效直徑為1.384 mm,令宏彎半徑ρ=70 mm,由公式（1）可得P₁=39.11 mm,代入公式（2）可得ξ_f1=4.01‰,光單元一次余長最大應控制在3.3‰。光單元層絞合節徑比控制為11,則節距Q=68.2 mm,R₂=3.05 mm,R_m=0.558 mm,由式（3）可得ξ_f2=13.1‰。

 4 光纖余長對OPGW壽命的影響

OPGW光纜從生產制造、施工安裝到運行使用過程中,因光纖余長不合理而產生故障影響光纜壽命大致可分為以下3個階段。

1）第1階段為光纜架設1~3年內,受微風振動、舞動、溫度等自然環境影響,光纖余長在不同區間段的細微偏差會被均等化,光纖余長會更加匹配線路檔距及光纜特性。因此,如果OPGW光纜在該階段表現出光纖損耗增加乃至陡增,多半是光纖余長不足引起的。

OPGW光纜正常運行時所受張力一般為18%~25%RTS。當遭遇極端天氣如大風舞動時,最大張力可達40%,此時光纜伸長量為4.45‰,一般余長設計是以此為下限值;當遭遇最大覆冰時,按極限運行張力60%RTS,此時光纜伸長量為5.4‰,即需增加0.9‰伸縮量;此外,OPGW夏季運行溫度可達40℃,冬季北方部分地區可達-30℃,受極端高溫及低溫熱循環影響,光纜受熱脹冷縮余長變化范圍在0.81‰。更進一步,在冬季極端條件下,以上兩種因素是疊加的,即光纜余長波動范圍擴大至1.7‰,這對于絕大多數光纜是一種極大考驗,這一情況在針對重覆冰區的光纜設計時需加以重視。

2）第2階段為光纜架設3~15年內,受鋁包鋼原材料的蠕變特性影響,光纜自身不斷增長,而作為玻璃材質的光纖長度幾乎無變化,因此光纖余長逐漸變小,當生產余長偏小時,會產生光纖損耗增加的問題。以OPGW-24B1-175[210;150.0]為例,根據采集的蠕變試驗數據,得到其蠕變方程為^[6]：

圖7 OPGW蠕變趨勢Fig.7 OPGW creep trend diagram

3）第3階段為光纜架設15~25年內,通過對不同時期生產的光纜采樣檢測發現,纖膏隨著時間的變化而緩慢變性^[8],整個過程是先結成小顆粒,然后逐漸揮發、分解、干涸凝固。采樣實踐表明,纖膏開始明顯變性的典型時間為18年^[9]。與光纖緊密接觸的以礦物油或者合成油為基礎的混合物纖膏,其酸值增加可導致析氫增加^[