0 引言

中國(guó)光纖光纜經(jīng)過(guò)近40多年的發(fā)展,光纜生產(chǎn)工藝已十分成熟,光纜的使用量也逐年增加。OPGW從2000年開(kāi)始少量使用到目前的大規(guī)模應(yīng)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(yùn)行過(guò)程中,在覆冰、大風(fēng)、低溫或高寒等惡劣氣象條件下,光纜受力或溫度的影響會(huì)伸長(zhǎng)或收縮,弧垂發(fā)生變化,導(dǎo)致光纖余長(zhǎng)相應(yīng)發(fā)生變化。光纜伸長(zhǎng)時(shí),如光纖余長(zhǎng)不足,光纖受力發(fā)生應(yīng)變,導(dǎo)致附加衰減增大甚至斷纖;光纜收縮時(shí),導(dǎo)致光纖余長(zhǎng)變大,光纖在光單元內(nèi)可能會(huì)因?yàn)楹陱潓?dǎo)致附加衰減增大、通信異常等,給電力生產(chǎn)帶來(lái)了諸多不便。

本文通過(guò)研究OPGW光纖余長(zhǎng)設(shè)計(jì)控制及對(duì)光纜壽命的影響,探討如何避免在生產(chǎn)及運(yùn)行中因光纖余長(zhǎng)不合理導(dǎo)致光纜出現(xiàn)問(wèn)題。

 1 光纖束在不銹鋼管中狀態(tài)及余長(zhǎng)設(shè)計(jì)方法

光纖余長(zhǎng)是決定OPGW光纜安全運(yùn)行的重要因素,光纖余長(zhǎng)并不是越大越好,也不是越小越好。光纖余長(zhǎng)是光纜生產(chǎn)過(guò)程中重要的工藝參數(shù),也是影響因素較多的工藝參數(shù),是確定光纜各種性能的重要工藝指標(biāo)。根據(jù)OPGW光纜的結(jié)構(gòu)型式,通過(guò)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制合適的余長(zhǎng)范圍,即最小余長(zhǎng)和最大余長(zhǎng)。

1.1 光纖束在不銹鋼管中的狀態(tài)

目前,我國(guó)電力通信系統(tǒng)應(yīng)用的OPGW光纜主要包括中心管式和層絞式兩種結(jié)構(gòu)型式,這兩種結(jié)構(gòu)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(hù),處于游離狀態(tài),其主要表現(xiàn)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(tài)均為束狀形;

2）在不銹鋼管內(nèi)光纖有余長(zhǎng)的情況下,光纖束會(huì)自動(dòng)形成正反空間螺旋曲線(xiàn),且曲率半徑相等。

1.2 不銹鋼管光單元光纖余長(zhǎng)設(shè)計(jì)方法

不銹鋼管內(nèi)的光纖余長(zhǎng)稱(chēng)之為一次余長(zhǎng)。選取不銹鋼管光單元一個(gè)節(jié)距的光纖束,進(jìn)行一次余長(zhǎng)計(jì)算,光單元余長(zhǎng)計(jì)算示意如圖1所示。

計(jì)算公式如下^[1]：

 （2）

式中,R_m為束管內(nèi)光纖至管心距離;R_l為束管內(nèi)半徑;P為螺旋分布節(jié)距;ξ_f1為束管一次光纖余長(zhǎng);n為光纖根數(shù);d_f為光纖的等效直徑。

光纖束在不銹鋼管中自動(dòng)形成的正反空間螺旋線(xiàn),其節(jié)距在受力或溫度變化情況下自動(dòng)調(diào)控重新發(fā)生變化,余長(zhǎng)隨之發(fā)生變化。當(dāng)有阻力或外力阻止其自動(dòng)調(diào)整時(shí),如纖膏硬化或不銹鋼管內(nèi)部不光滑導(dǎo)致光纖不能重新自由浮動(dòng),光纖會(huì)產(chǎn)生沿線(xiàn)長(zhǎng)度分布的附加衰減或小的臺(tái)階（測(cè)試儀器OTDR上的顯示）。

在低溫情況下,光纖束節(jié)距變小,空間彎曲半徑也變小;在受拉力情況下,節(jié)距會(huì)變大,余長(zhǎng)會(huì)變小。對(duì)于層絞式OPGW光纜,當(dāng)一次余長(zhǎng)被拉長(zhǎng)抵消后,光纖在不銹鋼管中的平均位置會(huì)改變,一般向一側(cè)移動(dòng),并開(kāi)始影響二次余長(zhǎng);對(duì)于中心管式OPGW光纜,光纖余長(zhǎng)與光單元一次余長(zhǎng)一致,不存在二次余長(zhǎng)。

圖1 光單元余長(zhǎng)計(jì)算示意Fig.1 Sketch of calculation of remaining length of optical fiber

1.3 層絞式OPGW二次余長(zhǎng)設(shè)計(jì)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(zhǎng),形成了綜合余長(zhǎng),綜合余長(zhǎng)可表示為^[1]：

表1 光纜主要原材料性能對(duì)比Tab.1 Comparison of main material properties of cable

表2 鋁包鋼單線(xiàn)性能Tab.2 Tensile properties of Aluminum clad steel

鋁包鋼單線(xiàn)拉伸性能如圖2所示。

圖2 鋁包鋼單線(xiàn)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(xiàn)膨脹系數(shù)、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率各方面存在較大的差異。所以,根據(jù)不同原材料的性能及工藝調(diào)節(jié)形成光纜中光纖余長(zhǎng)（二次余長(zhǎng)）,利用不銹鋼與光纖彈性模量的差異,通過(guò)鋼管的彈性變形應(yīng)力釋放后的收縮形成不銹鋼管光單元的光纖余長(zhǎng)（一次余長(zhǎng)）。

2.2 OPGW余長(zhǎng)形成過(guò)程及工藝控制

不銹鋼管光單元生產(chǎn)工藝流程如圖3所示。

圖3 不銹鋼管光單元生產(chǎn)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(guò)導(dǎo)纖模具與阻水纖膏一起進(jìn)入成型后的不銹鋼管,鋼帶自放帶架放出經(jīng)鋼帶清潔和切邊后進(jìn)入成型模具成型,經(jīng)過(guò)激光焊接成為鋼管,光纖和纖膏被超越焊點(diǎn)的光纖針管和纖膏針管保護(hù)。焊接完的鋼管與其所包含的光纖一起通過(guò)兩次拉拔形成要求直徑的鋼管,最后通過(guò)輪式牽引的張力（300~4 500 N不等,根據(jù)管徑及余長(zhǎng)大小設(shè)定）拉伸鋼管使之產(chǎn)生彈性變形,牽引后張力消除,鋼管彈性變形恢復(fù)收縮產(chǎn)生光纖余長(zhǎng),這就是不銹鋼管光單元的一次余長(zhǎng)。

OPGW光纜生產(chǎn)工藝流程如圖4所示。

圖4 OPGW光纜生產(chǎn)工藝流程Fig.4 Production process of OPGW

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

 3 OPGW典型結(jié)構(gòu)余長(zhǎng)控制及注意事項(xiàng)

3.1 中心管式OPGW光纜余長(zhǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 832—2016,拉伸力為40%RTS時(shí),光纖無(wú)應(yīng)變,無(wú)附加衰減;拉伸力為60%RTS時(shí),光纖應(yīng)變≤0.25%,附加衰減≤0.05%（該拉力取消后,光纖無(wú)明顯殘余附加衰減）^[2]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17937—2009,鋁包鋼單線(xiàn)1%伸長(zhǎng)應(yīng)力約為抗拉強(qiáng)度的90%^[3]。設(shè)定光纜安全運(yùn)行時(shí)光纜光纖無(wú)應(yīng)變,則40%RTS為最大工作負(fù)荷,這時(shí)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(zhǎng)就需不小于4.5‰,常規(guī)氣象條件下此類(lèi)光纜安全余長(zhǎng)為4.5‰。

為確保光纖在低溫運(yùn)行狀態(tài)下不產(chǎn)生附加衰減,光纖在管中的空間“SZ”螺旋線(xiàn)的平均彎曲半徑應(yīng)達(dá)到70 mm（此值為經(jīng)驗(yàn)值,由G.652光纖宏彎性能決定,當(dāng)使用彎曲不敏感光纖時(shí),此值可更
小）^[4]。假設(shè)24芯中心管式OPGW光纜（見(jiàn)圖5）不銹鋼管光單元直徑為3.6 mm,束管內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jì)算光纜收縮量((T_m-T_u)·K)約為0.7‰^[5],光纜的最大余長(zhǎng)不應(yīng)超過(guò)5.8‰。因此,為了確保此光纜的安全運(yùn)行,生產(chǎn)余長(zhǎng)應(yīng)控制在4.5‰~5.8‰之間。

3.2 層絞式OPGW光纜余長(zhǎng)設(shè)計(jì)

OPGW光纜的絞合節(jié)距應(yīng)確保拉伸性能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,最外層單線(xiàn)的節(jié)徑比在10~14之間,那么內(nèi)層的節(jié)徑比盡量控制在10~12之間。生產(chǎn)絞合節(jié)距越大,絞入率越低,也就越節(jié)省材料,很多廠家在生產(chǎn)OPGW時(shí)追求大的節(jié)距以達(dá)到節(jié)約成本的目的,但是可能會(huì)導(dǎo)致光纜的二次余長(zhǎng)不足。光纜外層節(jié)徑比大于內(nèi)層節(jié)徑比才能保持較好的成型狀態(tài),選取常用的一種層絞式OPGW結(jié)構(gòu)（OPGW-24B1-130[155;85.0]）進(jìn)行計(jì)算分析。層絞式OPGW結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 層絞式OPGW結(jié)構(gòu)Fig.6 Layer stranding type OPGW structure

該OPGW為24芯層絞式結(jié)構(gòu),光單元直徑為2.9 mm,束管內(nèi)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(zhǎng)最大應(yīng)控制在3.3‰。光單元層絞合節(jié)徑比控制為11,則節(jié)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(zhǎng)對(duì)OPGW壽命的影響

OPGW光纜從生產(chǎn)制造、施工安裝到運(yùn)行使用過(guò)程中,因光纖余長(zhǎng)不合理而產(chǎn)生故障影響光纜壽命大致可分為以下3個(gè)階段。

1）第1階段為光纜架設(shè)1~3年內(nèi),受微風(fēng)振動(dòng)、舞動(dòng)、溫度等自然環(huán)境影響,光纖余長(zhǎng)在不同區(qū)間段的細(xì)微偏差會(huì)被均等化,光纖余長(zhǎng)會(huì)更加匹配線(xiàn)路檔距及光纜特性。因此,如果OPGW光纜在該階段表現(xiàn)出光纖損耗增加乃至陡增,多半是光纖余長(zhǎng)不足引起的。

OPGW光纜正常運(yùn)行時(shí)所受張力一般為18%~25%RTS。當(dāng)遭遇極端天氣如大風(fēng)舞動(dòng)時(shí),最大張力可達(dá)40%,此時(shí)光纜伸長(zhǎng)量為4.45‰,一般余長(zhǎng)設(shè)計(jì)是以此為下限值;當(dāng)遭遇最大覆冰時(shí),按極限運(yùn)行張力60%RTS,此時(shí)光纜伸長(zhǎng)量為5.4‰,即需增加0.9‰伸縮量;此外,OPGW夏季運(yùn)行溫度可達(dá)40℃,冬季北方部分地區(qū)可達(dá)-30℃,受極端高溫及低溫?zé)嵫h(huán)影響,光纜受熱脹冷縮余長(zhǎng)變化范圍在0.81‰。更進(jìn)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(zhǎng)波動(dòng)范圍擴(kuò)大至1.7‰,這對(duì)于絕大多數(shù)光纜是一種極大考驗(yàn),這一情況在針對(duì)重覆冰區(qū)的光纜設(shè)計(jì)時(shí)需加以重視。

2）第2階段為光纜架設(shè)3~15年內(nèi),受鋁包鋼原材料的蠕變特性影響,光纜自身不斷增長(zhǎng),而作為玻璃材質(zhì)的光纖長(zhǎng)度幾乎無(wú)變化,因此光纖余長(zhǎng)逐漸變小,當(dāng)生產(chǎn)余長(zhǎng)偏小時(shí),會(huì)產(chǎn)生光纖損耗增加的問(wèn)題。以O(shè)PGW-24B1-175[210;150.0]為例,根據(jù)采集的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù),得到其蠕變方程為^[6]：

圖7 OPGW蠕變趨勢(shì)Fig.7 OPGW creep trend diagram

3）第3階段為光纜架設(shè)15~25年內(nèi),通過(guò)對(duì)不同時(shí)期生產(chǎn)的光纜采樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn),纖膏隨著時(shí)間的變化而緩慢變性^[8],整個(gè)過(guò)程是先結(jié)成小顆粒,然后逐漸揮發(fā)、分解、干涸凝固。采樣實(shí)踐表明,纖膏開(kāi)始明顯變性的典型時(shí)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(chǔ)的混合物纖膏,其酸值增加可導(dǎo)致析氫增加^[