引言

　　自上世紀八十年代發明了光纖架空復合地線光纜（ OPGW ）以來，即在*范圍內得到了廣泛的應用。 OPGW 光纜結構包括光單元和鎧裝層，光單元承擔 OPGW 光纖通信功能，鎧裝單元承擔地線功能。光單元是 OPGW 的核心組成部分，光單元的演變和發展促進了 OPGW 的改型換代，光單元的結構對光纖的受力狀態、光信號的傳輸衰減及 OPGW 長期運行的可靠性和預期壽命有重大影響，因此，要根據使用條件，合理設計光單元結構。

　　目前 OPGW 有兩種光纖結構型式：松套結構和緊套結構，緊套結構的光纖包覆張力元件，緊套光纖束在光纖結構單元中幾乎沒有余長，而松套結構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整空間容納光纖的余長，對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，我們優先選擇松套結構形式的光纜。

　　為了預防由于 OPGW 不同金屬線相互接觸形成原電池效應而產生電化腐蝕，我們在不銹鋼管與鋁包鋼或鋁合金線之間的縫隙填滿防腐油膏。但是在下暴雨的時候，防腐油膏會從纜體內滲出；在烈日下或干燥的大氣條件下所涂的防腐油膏會凝固變硬，長期暴露在這種環境條件下會使油膏的抗腐蝕能力下降，尤其在嚴酷的環境條件下，這種現象會加劇。

　　針對上述情況，我們設計開發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。因為這種光纜不銹鋼管表面的鋁包層直接與其他的鋁導線相接觸，同種金屬之間不會形成電位差，因而不存在由于金屬電勢而產生的腐蝕，即使應用在臨海重工業污染區也有著優良的耐腐蝕性能。本文主要闡述這種新型 OPGW 光纜的設計理念、特性和試驗結果。

　　鋁包不銹鋼管光單元

　　這種新型不銹鋼管是在常規不銹鋼管表面包覆鋁層后而制成，它的總外徑達 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，光纖余長要大于 0.4% ，該套管的詳細技術規范在表 1 中列出，常規不銹鋼管的技術規范也列出來以作比較。

表 1. OPGW 鋁包不銹鋼管和常規不銹鋼管結構對比

鋼鋁復合管結構 OPGW 光纜

　　在表 2 中，將鋁包不銹鋼管 OPGW 和常規 OPGW 進行結構對比。常規 OPGW 通常有兩層：內層鋁包鋼線和外層鋁合金線，在不銹鋼管與兩種導線之間的間隙填滿防腐油膏，在多數情況下，光單元常常不在中心，但仍處于內層，因此，普通的 OPGW 都有兩層，以防止光纜在安裝夾緊時光單元不受擠壓及避免電腐蝕。這種常規 OPGW 有以下缺點：

　　•  常規 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，當雷擊時，外層導線趨向于熔融并易于斷裂（與鋁包鋼線相比較而言），這是因為鋁合金線的熔融能量比鋁包鋼線小 2 ～ 3 倍。

　　•  在常規 OPGW 光纜中，光單元處于內層，必須要用雙層結構來緩沖在光纜卡裝期間作用在套管上的壓縮力。這種雙層的絞合結構增加了 OPGW 的尺寸，因為為了確保光纜有足夠的抗雷擊特性，導線的直徑不能減小。此外，如果要求光纖的芯數增加，就必須增加光單元數。

　　•  常規 OPGW 一般是在不銹鋼管與金屬導線間的空隙填充油膏來防止電化腐蝕的，然而，光纜在惡劣的環境下長期運行后，防腐油膏的性能可能會越變越差，從而直接影響了常規 OPGW 光纜的耐腐蝕性能。

　　為了防止出現上述現象，光單元應采用鋁包不銹鋼管結構。我們開發的新型 OPGW 尺寸與常規 OPGW 相當，極限抗拉強度類似，標稱重量輕、外徑小。它的主要技術特性描述如下：

　　•  不銹鋼管光單元位于光纜結構的中心，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，因為不銹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，對光纜也就不能構成電流、化學侵蝕。這一特點是新型 OPGW 光纜zui重要的優勢。

 　　表 2 鋁包不銹鋼管和常規不銹鋼管 OPGW 光纜結構比較

　　光纖余長的確定

　　鑒于松套結構 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。為了獲得所需的zui小余長值，首先要確定或估算出在整個光纖壽命期中預期的伸長量范圍，在整個壽命期間 OPGW 的預期伸長量列入表 3 ，總的預期伸長“ E total ”是“ E installation ” 和“ E operation ” 之和。一般地，光纖不要被拉長，以避免靜態疲勞。因此，要確定光纖的zui小余長值以保證光纖在安裝和運行期間所受的應力達到zui小（盡管 OPGW 已被拉伸）。 OPGW 光纜和光纖的應力應變特性試驗結果表明：當光纜的拉伸應變差不多等于光纖的余長時，光纖才開始受力，產生光纖應變。

　　表 3 OPGW 伸長率類型

　　另一方面，為了得到光纖zui大應變值，就需研究光纖低溫時的特性，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，這會使備用彈性能量（由于彎曲）zui小。當在室溫下套管中光纖余長比較大時，則衰減的增加可能出現在低溫（由于宏彎效應），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 光纖余長的zui大值，以便消除在低溫時（如 -40 ℃ ）由“宏彎”所引起的衰減增加。

　　對于新型 OPGW ，合適的余長“ ε ”應服從以下關系式：

　　E total ＜ε＜ε macro-bending

　　在以上關系式中 ，ε macro-bending 為室溫（ 20 ℃ ）下光纖的余長，并假定光纖在低溫下沒有宏彎附加衰減。因此，通過一系列的試驗和計算。可以看出：對于新型鋁包鋼不銹鋼管 OPGW 光纜，其合適的余長選擇范圍是 0.55 ～ 0.70% 。

　　新結構 OPGW 光纜型式試驗

　　我們對新型鋁包不銹鋼管 OPGW （截面 90mm 2 ，含 24 芯單模光纖）光纜，按照標準進行設計指標試驗，來檢驗它的一些基本特性，現將一些主要的試驗結果描述如下：

　　•  壓扁試驗

　　試驗樣品安放在兩塊扁平的、可移動的鋼板之間，鋼板寬度 50mm ，壓力載荷通過可移動的鋼板逐漸加在試驗光纜上，在 9.8KN 時光損耗開始急劇增加，這與常規不銹鋼管 OPGW 光纜的試驗結果相同，結果如圖 1 所示。

圖 1 新型 OPGW 壓扁特性

　　•  沖擊試驗

　　試驗樣品置于沖擊錘下，錘重 500g ，沖擊高度： 1m ，沖擊次數： 5 次，同時監測光功率，試驗后光纖無明顯附加衰減。

　　（ 3 ）扭轉試驗

　　樣品長度： 20mm ，置于扭轉試驗機上，一端夾緊固定，另一端可旋轉，試驗樣品在恒定的張力載荷作用下在旋緊和退扭兩個方向（即正、反方向）進行扭轉試驗，同時監測光功率的變化。在旋緊方向，光損耗的增加出現在 1.3 turns/m, 而退扭時盡管旋轉到 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，具有很高的抗扭轉性能。在敷設期間，建議旋轉度應zui小，通常規定zui小值為 0.1turns/m.

　　（4） 振動試驗

　　振動試驗是模擬高頻率的風激振動現象，試驗在下列條件下進行，同時監測光功率的變化 :

　　•  張力載荷： 20%UTS（16KN）

　　•  振動頻率： 50Hz

　　•  振動次數： 10 7

　　試驗期間沒有觀察到明顯的附加衰減。

　　（5） 過滑輪試驗

　　試驗在下列條件下進行，并同時監測光功率的變化 :

　　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： 20

　　試驗期間沒有觀察到明顯的附加衰減，試驗后不銹鋼管的變形極小，可忽略。

　　（6） 應力應變試驗

　　取光纖余長為 0.60% 的光纜試樣，并將其架設在拉力試驗設備上，光纖的應變用相移法來測試。拉伸力逐漸施加到該 OPGW 的 65%UTS ，同時測量光纖、 OPGW 纜的應變量及傳輸光損耗的變化，試驗結果如圖 2 所示。

圖 2 新型 OPGW 應力應變特性曲線

　　當 OPGW 光纜應變達到 0.55% 時，光纖才開始受力產生應變，而此時纜應變 0.55% 差不多相當于光纖余長的值，在試驗期間光衰減也沒有增加。考慮到在各種條件下 OPGW 預期的zui大應變量，應通過這些試驗結果來zui終確定 OPGW 所需的余長值。

　　（7） 鹽霧試驗

　　鹽霧試驗是為了研究 OPGW 的耐腐蝕性能，分別將鋁包不銹鋼管和裸不銹鋼管 OPGW 暴露在鹽霧中一個月后觀察，我們發現：當裸不銹鋼管和鋁包鋼線絞合在一起時，鋁包鋼線表面部分地出現電化腐蝕，盡管已經在各導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，因而有很長的壽命。表 4 列出了各種形式的 OPGW 光纜在有腐蝕的環境條件下的適用性。

　　注： “A” 地區：無腐蝕

　　“B” 地區：輕微腐蝕

　　“C” 地區：有腐蝕

　　（8） 溫度循環試驗

　　復繞在木盤上的光纜放進溫度循環試驗箱，試驗箱的溫度從 -35 ℃ ～ 85 ℃ ，循環三次，同時監測衰減的變化。試驗結果表明：在實際運行中光纜沒問題。

　　（9） 溫升試驗

　　溫升試驗是檢查光纖耐瞬時高溫特性，通過提供一大電流，光纜樣品被瞬時加熱到 200 ℃ ，結果發現：在加熱和冷卻期間光纖衰減無變化。

　　結 論

　　我們新開發的鋁鋼復合不銹鋼管 OPGW 光纜具有以下主要特點：

　　•  它可以消除電化腐蝕而無需填加防腐油脂，這是因為在 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構，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，這會使光纜總的短路電流容量提高 10% 至 20%

　　•  光纖合適的余長范圍是： 0.55% ～ 0.70%

　　•  光纜各項性能的試驗結果令人滿意。

　　因此，與常規 OPGW 相比，新型鋼鋁復合管結構 OPGW 光纜可靠性更高、長期運行穩定性更好。