引言

　　自上世紀(jì)八十年代發(fā)明了光纖架空復(fù)合地線光纜（ OPGW ）以來，即在*范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。 OPGW 光纜結(jié)構(gòu)包括光單元和鎧裝層，光單元承擔(dān) OPGW 光纖通信功能，鎧裝單元承擔(dān)地線功能。光單元是 OPGW 的核心組成部分，光單元的演變和發(fā)展促進(jìn)了 OPGW 的改型換代，光單元的結(jié)構(gòu)對(duì)光纖的受力狀態(tài)、光信號(hào)的傳輸衰減及 OPGW 長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性和預(yù)期壽命有重大影響，因此，要根據(jù)使用條件，合理設(shè)計(jì)光單元結(jié)構(gòu)。

　　目前 OPGW 有兩種光纖結(jié)構(gòu)型式：松套結(jié)構(gòu)和緊套結(jié)構(gòu)，緊套結(jié)構(gòu)的光纖包覆張力元件，緊套光纖束在光纖結(jié)構(gòu)單元中幾乎沒有余長(zhǎng)，而松套結(jié)構(gòu)中光纖一般置于有填充物的金屬管中，不銹鋼管中有較大的調(diào)整空間容納光纖的余長(zhǎng)，對(duì)光纖有一定的緩沖作用，保證光纖在各種惡劣條件下不受力，保證瞬間沖擊和大載荷下光纖不受到任何影響，因此，我們優(yōu)先選擇松套結(jié)構(gòu)形式的光纜。

　　為了預(yù)防由于 OPGW 不同金屬線相互接觸形成原電池效應(yīng)而產(chǎn)生電化腐蝕，我們?cè)诓讳P鋼管與鋁包鋼或鋁合金線之間的縫隙填滿防腐油膏。但是在下暴雨的時(shí)候，防腐油膏會(huì)從纜體內(nèi)滲出；在烈日下或干燥的大氣條件下所涂的防腐油膏會(huì)凝固變硬，長(zhǎng)期暴露在這種環(huán)境條件下會(huì)使油膏的抗腐蝕能力下降，尤其在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下，這種現(xiàn)象會(huì)加劇。

　　針對(duì)上述情況，我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型的鋁包不銹鋼管光單元的 OPGW 光纜，這種光纜無需填充油膏來抗擊電腐蝕。因?yàn)檫@種光纜不銹鋼管表面的鋁包層直接與其他的鋁導(dǎo)線相接觸，同種金屬之間不會(huì)形成電位差，因而不存在由于金屬電勢(shì)而產(chǎn)生的腐蝕，即使應(yīng)用在臨海重工業(yè)污染區(qū)也有著優(yōu)良的耐腐蝕性能。本文主要闡述這種新型 OPGW 光纜的設(shè)計(jì)理念、特性和試驗(yàn)結(jié)果。

　　鋁包不銹鋼管光單元

　　這種新型不銹鋼管是在常規(guī)不銹鋼管表面包覆鋁層后而制成，它的總外徑達(dá) 5.2mm ，比普通鋼管大許多，它zui大可容納 48 芯光纖，為避免套管中光纖受力，光纖余長(zhǎng)要大于 0.4% ，該套管的詳細(xì)技術(shù)規(guī)范在表 1 中列出，常規(guī)不銹鋼管的技術(shù)規(guī)范也列出來以作比較。

表 1. OPGW 鋁包不銹鋼管和常規(guī)不銹鋼管結(jié)構(gòu)對(duì)比

鋼鋁復(fù)合管結(jié)構(gòu) OPGW 光纜

　　在表 2 中，將鋁包不銹鋼管 OPGW 和常規(guī) OPGW 進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)比。常規(guī) OPGW 通常有兩層：內(nèi)層鋁包鋼線和外層鋁合金線，在不銹鋼管與兩種導(dǎo)線之間的間隙填滿防腐油膏，在多數(shù)情況下，光單元常常不在中心，但仍處于內(nèi)層，因此，普通的 OPGW 都有兩層，以防止光纜在安裝夾緊時(shí)光單元不受擠壓及避免電腐蝕。這種常規(guī) OPGW 有以下缺點(diǎn)：

　　•  常規(guī) OPGW 光纜外層常常絞合鋁合金線來滿足短路電流容量的要求，然而，當(dāng)雷擊時(shí)，外層導(dǎo)線趨向于熔融并易于斷裂（與鋁包鋼線相比較而言），這是因?yàn)殇X合金線的熔融能量比鋁包鋼線小 2 ～ 3 倍。

　　•  在常規(guī) OPGW 光纜中，光單元處于內(nèi)層，必須要用雙層結(jié)構(gòu)來緩沖在光纜卡裝期間作用在套管上的壓縮力。這種雙層的絞合結(jié)構(gòu)增加了 OPGW 的尺寸，因?yàn)闉榱舜_保光纜有足夠的抗雷擊特性，導(dǎo)線的直徑不能減小。此外，如果要求光纖的芯數(shù)增加，就必須增加光單元數(shù)。

　　•  常規(guī) OPGW 一般是在不銹鋼管與金屬導(dǎo)線間的空隙填充油膏來防止電化腐蝕的，然而，光纜在惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行后，防腐油膏的性能可能會(huì)越變?cè)讲睿瑥亩苯佑绊懥顺Ｒ?guī) OPGW 光纜的耐腐蝕性能。

　　為了防止出現(xiàn)上述現(xiàn)象，光單元應(yīng)采用鋁包不銹鋼管結(jié)構(gòu)。我們開發(fā)的新型 OPGW 尺寸與常規(guī) OPGW 相當(dāng)，極限抗拉強(qiáng)度類似，標(biāo)稱重量輕、外徑小。它的主要技術(shù)特性描述如下：

　　•  不銹鋼管光單元位于光纜結(jié)構(gòu)的中心，因此，新型 OPGW 僅有一層鋁包鋼線，zui多容納 48 根光纖。

•  新型 OPGW 用鋁包鋼線取代鋁合金線來改善光纜的抗雷擊性能。然而，由于光單元套管中含有鋁層，因而在光單元套管中允許有一部分電流通過，這就使光纜總的短路電流容量增加了 10% ～ 20% 。

　　•  新型 OPGW 光纜防止電化腐蝕無需采用防腐油膏，因?yàn)椴讳P鋼管的鋁包層直接同纜外層的鋁包鋼線相接觸，同種金屬不能形成電位差，組成不了原電池，對(duì)光纜也就不能構(gòu)成電流、化學(xué)侵蝕。這一特點(diǎn)是新型 OPGW 光纜zui重要的優(yōu)勢(shì)。

 　　表 2 鋁包不銹鋼管和常規(guī)不銹鋼管 OPGW 光纜結(jié)構(gòu)比較

　　光纖余長(zhǎng)的確定

　　鑒于松套結(jié)構(gòu) OPGW 光纜中光纖的壽命和可靠性，重要的問題是要確定光單元中光纖合適的余長(zhǎng)。為了獲得所需的zui小余長(zhǎng)值，首先要確定或估算出在整個(gè)光纖壽命期中預(yù)期的伸長(zhǎng)量范圍，在整個(gè)壽命期間 OPGW 的預(yù)期伸長(zhǎng)量列入表 3 ，總的預(yù)期伸長(zhǎng)“ E total ”是“ E installation ” 和“ E operation ” 之和。一般地，光纖不要被拉長(zhǎng)，以避免靜態(tài)疲勞。因此，要確定光纖的zui小余長(zhǎng)值以保證光纖在安裝和運(yùn)行期間所受的應(yīng)力達(dá)到zui?。ūM管 OPGW 已被拉伸）。 OPGW 光纜和光纖的應(yīng)力應(yīng)變特性試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)光纜的拉伸應(yīng)變差不多等于光纖的余長(zhǎng)時(shí)，光纖才開始受力，產(chǎn)生光纖應(yīng)變。

　　表 3 OPGW 伸長(zhǎng)率類型

　　另一方面，為了得到光纖zui大應(yīng)變值，就需研究光纖低溫時(shí)的特性，套管中光纖由于零各向異性一般假定呈螺旋形分布，理論上，這會(huì)使備用彈性能量（由于彎曲）zui小。當(dāng)在室溫下套管中光纖余長(zhǎng)比較大時(shí)，則衰減的增加可能出現(xiàn)在低溫（由于宏彎效應(yīng)），這就是說：螺旋光纖的彎曲半徑小于zui小彎曲極限（由于 OPGW 收縮），因此，必須要估算出 OPGW 光纖余長(zhǎng)的zui大值，以便消除在低溫時(shí)（如 -40 ℃ ）由“宏彎”所引起的衰減增加。

　　對(duì)于新型 OPGW ，合適的余長(zhǎng)“ ε ”應(yīng)服從以下關(guān)系式：

　　E total ＜ε＜ε macro-bending

　　在以上關(guān)系式中 ，ε macro-bending 為室溫（ 20 ℃ ）下光纖的余長(zhǎng)，并假定光纖在低溫下沒有宏彎附加衰減。因此，通過一系列的試驗(yàn)和計(jì)算?？梢钥闯觯簩?duì)于新型鋁包鋼不銹鋼管 OPGW 光纜，其合適的余長(zhǎng)選擇范圍是 0.55 ～ 0.70% 。

　　新結(jié)構(gòu) OPGW 光纜型式試驗(yàn)

　　我們對(duì)新型鋁包不銹鋼管 OPGW （截面 90mm 2 ，含 24 芯單模光纖）光纜，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)指標(biāo)試驗(yàn)，來檢驗(yàn)它的一些基本特性，現(xiàn)將一些主要的試驗(yàn)結(jié)果描述如下：

　　•  壓扁試驗(yàn)

　　試驗(yàn)樣品安放在兩塊扁平的、可移動(dòng)的鋼板之間，鋼板寬度 50mm ，壓力載荷通過可移動(dòng)的鋼板逐漸加在試驗(yàn)光纜上，在 9.8KN 時(shí)光損耗開始急劇增加，這與常規(guī)不銹鋼管 OPGW 光纜的試驗(yàn)結(jié)果相同，結(jié)果如圖 1 所示。

圖 1 新型 OPGW 壓扁特性

　　•  沖擊試驗(yàn)

　　試驗(yàn)樣品置于沖擊錘下，錘重 500g ，沖擊高度： 1m ，沖擊次數(shù)： 5 次，同時(shí)監(jiān)測(cè)光功率，試驗(yàn)后光纖無明顯附加衰減。

　?。?3 ）扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

　　樣品長(zhǎng)度： 20mm ，置于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上，一端夾緊固定，另一端可旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)樣品在恒定的張力載荷作用下在旋緊和退扭兩個(gè)方向（即正、反方向）進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)光功率的變化。在旋緊方向，光損耗的增加出現(xiàn)在 1.3 turns/m, 而退扭時(shí)盡管旋轉(zhuǎn)到 1.67 turns/m, 但仍然無附加衰減。因此，這種新型 OPGW 纜與普通 OPGW 纜一樣，具有很高的抗扭轉(zhuǎn)性能。在敷設(shè)期間，建議旋轉(zhuǎn)度應(yīng)zui小，通常規(guī)定zui小值為 0.1turns/m.

　?。?） 振動(dòng)試驗(yàn)

　　振動(dòng)試驗(yàn)是模擬高頻率的風(fēng)激振動(dòng)現(xiàn)象，試驗(yàn)在下列條件下進(jìn)行，同時(shí)監(jiān)測(cè)光功率的變化 :

　　•  張力載荷： 20%UTS（16KN）

　　•  振動(dòng)頻率： 50Hz

　　•  振動(dòng)次數(shù)： 10 7

　　試驗(yàn)期間沒有觀察到明顯的附加衰減。

　?。?） 過滑輪試驗(yàn)

　　試驗(yàn)在下列條件下進(jìn)行，并同時(shí)監(jiān)測(cè)光功率的變化 :

　　1 、張力載荷： 20%UTS（16KN）

　　2 、滑輪直徑： 450mm

　　3 、張力角： 30 o

　　4 、過滑輪次數(shù)： 20

　　試驗(yàn)期間沒有觀察到明顯的附加衰減，試驗(yàn)后不銹鋼管的變形極小，可忽略。

　?。?） 應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)

　　取光纖余長(zhǎng)為 0.60% 的光纜試樣，并將其架設(shè)在拉力試驗(yàn)設(shè)備上，光纖的應(yīng)變用相移法來測(cè)試。拉伸力逐漸施加到該 OPGW 的 65%UTS ，同時(shí)測(cè)量光纖、 OPGW 纜的應(yīng)變量及傳輸光損耗的變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖 2 所示。

圖 2 新型 OPGW 應(yīng)力應(yīng)變特性曲線

　　當(dāng) OPGW 光纜應(yīng)變達(dá)到 0.55% 時(shí)，光纖才開始受力產(chǎn)生應(yīng)變，而此時(shí)纜應(yīng)變 0.55% 差不多相當(dāng)于光纖余長(zhǎng)的值，在試驗(yàn)期間光衰減也沒有增加?？紤]到在各種條件下 OPGW 預(yù)期的zui大應(yīng)變量，應(yīng)通過這些試驗(yàn)結(jié)果來zui終確定 OPGW 所需的余長(zhǎng)值。

　?。?） 鹽霧試驗(yàn)

　　鹽霧試驗(yàn)是為了研究 OPGW 的耐腐蝕性能，分別將鋁包不銹鋼管和裸不銹鋼管 OPGW 暴露在鹽霧中一個(gè)月后觀察，我們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)裸不銹鋼管和鋁包鋼線絞合在一起時(shí)，鋁包鋼線表面部分地出現(xiàn)電化腐蝕，盡管已經(jīng)在各導(dǎo)線的縫隙間填滿了防腐油膏。與其相比較，由新型鋁包不銹鋼管與鋁合金線絞合成的 OPGW ，具有非常高的抗腐蝕性能和可靠性，因而有很長(zhǎng)的壽命。表 4 列出了各種形式的 OPGW 光纜在有腐蝕的環(huán)境條件下的適用性。

　　注： “A” 地區(qū)：無腐蝕

　　“B” 地區(qū)：輕微腐蝕

　　“C” 地區(qū)：有腐蝕

　　（8） 溫度循環(huán)試驗(yàn)

　　復(fù)繞在木盤上的光纜放進(jìn)溫度循環(huán)試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱的溫度從 -35 ℃ ～ 85 ℃ ，循環(huán)三次，同時(shí)監(jiān)測(cè)衰減的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：在實(shí)際運(yùn)行中光纜沒問題。

　?。?） 溫升試驗(yàn)

　　溫升試驗(yàn)是檢查光纖耐瞬時(shí)高溫特性，通過提供一大電流，光纜樣品被瞬時(shí)加熱到 200 ℃ ，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在加熱和冷卻期間光纖衰減無變化。

　　結(jié) 論

　　我們新開發(fā)的鋁鋼復(fù)合不銹鋼管 OPGW 光纜具有以下主要特點(diǎn)：

　　•  它可以消除電化腐蝕而無需填加防腐油脂，這是因?yàn)樵?OPGW 纜中的不銹鋼管外表面包覆了一鋁層。

　　•  這種新型 OPGW 一般采用中心管光單元結(jié)構(gòu)，目前zui大可容納 48 芯光纖。

　　•  短路電流可以在鋼管表面的鋁層中流動(dòng)，這會(huì)使光纜總的短路電流容量提高 10% 至 20%

　　•  光纖合適的余長(zhǎng)范圍是： 0.55% ～ 0.70%

　　•  光纜各項(xiàng)性能的試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。

　　因此，與常規(guī) OPGW 相比，新型鋼鋁復(fù)合管結(jié)構(gòu) OPGW 光纜可靠性更高、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性更好。