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新型铝钢复合管结构抗电化腐蚀OPGW光缆
自上世纪八十年代发明了光纤架空复合地线光缆( OPGW )以来,即在全世界范围内得到了广泛的应用。 OPGW 光缆结构包括光单元和铠装层,光单元承担 OPGW 光纤通信功能,铠装单元承担地线功能。光单元是 OPGW 的核心组成部分,光单元的演变和发展促进了 OPGW 的改型换代,光单元的结构对光纤的受力状态、光信号的传输衰减及 OPGW 长期运行的可靠性和预期寿命有重大影响,因此,要根据使用条件,合理设计光单元结构。
目前 OPGW 有两种光纤结构型式:松套结构和紧套结构,紧套结构的光纤包覆张力元件,紧套光纤束在光纤结构单元中几乎没有余长,而松套结构中光纤一般置于有填充物的金属管中,不锈钢管中有较大的调整空间容纳光纤的余长,对光纤有一定的缓冲作用,保证光纤在各种恶劣条件下不受力,保证瞬间冲击和大载荷下光纤不受到任何影响,因此,我们优先选择松套结构形式的光缆。
为了预防由于 OPGW 不同金属线相互接触形成原电池效应而产生电化腐蚀,我们在不锈钢管与铝包钢或铝合金线之间的缝隙填满防腐油膏。但是在下暴雨的时候,防腐油膏会从缆体内渗出;在烈日下或干燥的大气条件下所涂的防腐油膏会凝固变硬,长期暴露在这种环境条件下会使油膏的抗腐蚀能力下降,尤其在严酷的环境条件下,这种现象会加剧。
针对上述情况,我们设计开发了一种新型的铝包不锈钢管光单元的 OPGW 光缆,这种光缆无需填充油膏来抗击电腐蚀。因为这种光缆不锈钢管表面的铝包层直接与其他的铝导线相接触,同种金属之间不会形成电位差,因而不存在由于金属电势而产生的腐蚀,即使应用在临海重工业污染区也有着优良的耐腐蚀性能。本文主要阐述这种新型 OPGW 光缆的设计理念、特性和试验结果。
铝包不锈钢管光单元
这种新型不锈钢管是在常规不锈钢管表面包覆铝层后而制成,它的总外径达 5.2mm ,比普通钢管大许多,它最大可容纳 48 芯光纤,为避免套管中光纤受力,光纤余长要大于 0.4% ,该套管的详细技术规范在表 1 中列出,常规不锈钢管的技术规范也列出来以作比较。
表 1. OPGW 铝包不锈钢管和常规不锈钢管结构对比
光单元类型 | 铝包不锈钢管 | 常规不锈钢管 | |
每管光纤数 | 48 | 24 | 48 |
总外径( mm ) | 5.2 | --- | --- |
不锈钢管外径( mm ) | 3.6 | 3.0 | 3.6 |
铝层厚度( mm ) | 0.8 | --- | --- |
光纤余长( % ) | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
极限抗拉强度( Mpa ) | 810 | 900 | 850 |
钢铝复合管结构光缆
在表 2 中,将铝包不锈钢管 OPGW 和常规 OPGW 进行结构对比。常规 OPGW 通常有两层:内层铝包钢线和外层铝合金线,在不锈钢管与两种导线之间的间隙填满防腐油膏,在多数情况下,光单元常常不在中心,但仍处于内层,因此,普通的 OPGW 都有两层,以防止光缆在安装夹紧时光单元不受挤压及避免电腐蚀。这种常规 OPGW 有以下缺点:
常规 OPGW 光缆外层常常绞合铝合金线来满足短路电流容量的要求,然而,当雷击时,外层导线趋向于熔融并易于断裂(与铝包钢线相比较而言),这是因为铝合金线的熔融能量比铝包钢线小 2 ~ 3 倍。
在常规 OPGW 光缆中,光单元处于内层,必须要用双层结构来缓冲在光缆卡装期间作用在套管上的压缩力。这种双层的绞合结构增加了 OPGW 的尺寸,因为为了确保光缆有足够的抗雷击特性,导线的直径不能减小。此外,如果要求光纤的芯数增加,就必须增加光单元数。
常规 OPGW 一般是在不锈钢管与金属导线间的空隙填充油膏来防止电化腐蚀的,然而,光缆在恶劣的环境下长期运行后,防腐油膏的性能可能会越变越差,从而直接影响了常规 OPGW 光缆的耐腐蚀性能。
为了防止出现上述现象,光单元应采用铝包不锈钢管结构。我们开发的新型 OPGW 尺寸与常规 OPGW 相当,极限抗拉强度类似,标称重量轻、外径小。它的主要技术特性描述如下:
不锈钢管光单元位于光缆结构的中心,因此,新型 OPGW 仅有一层铝包钢线,最多容纳 48 根光纤。
新型 OPGW 用铝包钢线取代铝合金线来改善光缆的抗雷击性能。然而,由于光单元套管中含有铝层,因而在光单元套管中允许有一部分电流通过,这就使光缆总的短路电流容量增加了 10% ~ 20% 。
新型 OPGW 光缆防止电化腐蚀无需采用防腐油膏,因为不锈钢管的铝包层直接同缆外层的铝包钢线相接触,同种金属不能形成电位差,组成不了原电池,对光缆也就不能构成电流、化学侵蚀。这一特点是新型 OPGW 光缆最重要的优势。
表 2 铝包不锈钢管和常规不锈钢管 OPGW 光缆结构比较
OPGW 类型 | 单位 | 铝包不锈钢管结构 | 常规裸不锈钢管结构 |
结构 | --- | 1/5.2( 光单元 ) +7/3.8mm ( AS ) | 1/3.0 (光单元) +6/3.0mm(AS) +12/3.0mm(AA) |
总外径 | mm | 12.8 | 15.0 |
总横截面积 | mm 2 | 92.58 | 129.0 |
极限抗拉强度 | KN | Min.78.7 | Min.77.7 |
标称重量 | Kg/km | 528 | 538 |
直流电阻( 20 ℃) | Ohm/km | 0.619 | 0.334 |
短路电流容量 | KA(for 1s) | 7.0 | 10.5 |
弹性模量 | GPa | 132.2 | 97.3 |
线膨胀系数 | 1/ ℃× 10 6 | 14.3 | 17.9 |
光纤数 | --- | 24 | 24 |
光纤余长的确定
鉴于松套结构 OPGW 光缆中光纤的寿命和可靠性,重要的问题是要确定光单元中光纤合适的余长。为了获得所需的最小余长值,首先要确定或估算出在整个光纤寿命期中预期的伸长量范围,在整个寿命期间 OPGW 的预期伸长量列入表 3 ,总的预期伸长“ E total ”是“ E installation ” 和“ E operation ” 之和。一般地,光纤最好不要被拉长,以避免静态疲劳。因此,要确定光纤的最小余长值以保证光纤在安装和运行期间所受的应力达到最小(尽管 OPGW 已被拉伸)。 OPGW 光缆和光纤的应力应变特性试验结果表明:当光缆的拉伸应变差不多等于光纤的余长时,光纤才开始受力,产生光纤应变。
表 3 OPGW 伸长率类型
描述 | OPGW 应变( % ) | 总预期应变( % ) | ||
安装 | 缆体收紧产生的伸长 | A=0.03 | E installation=A+B+C=0.10 | |
过滑轮产生的应变 | B=0.03 | |||
缆体扭曲产生的伸长 | C=0.04 | |||
运行 | 温升产生的应变 | 长期 65 ℃ | D=0.18 | E operation =Max.value in D to G + H E operation =0.38+0.07 E operation =0.45 |
短时 80 ℃ | E=0.19 | |||
瞬间 180 ℃ | F=0.30 | |||
大载荷下应变 ( 60%UTS of OPGW ) | G=0.38 | |||
30 年蠕变 | H=0.07 | |||
OPGW 缆 30 年预期总应变 | E total = E installation + E operation E total =0.10+0.45 E total =0.55 |
另一方面,为了得到光纤最大应变值,就需研究光纤低温时的特性,套管中光纤由于零各向异性一般假定呈螺旋形分布,理论上,这会使备用弹性能量(由于弯曲)最小。当在室温下套管中光纤余长比较大时,则衰减的增加可能出现在低温(由于宏弯效应),这就是说:螺旋光纤的弯曲半径小于最小弯曲极限(由于 OPGW 收缩),因此,必须要估算出 OPGW 光纤余长的最大值,以便消除在低温时(如 -40 ℃)由“宏弯”所引起的衰减增加。
对于新型 OPGW ,合适的余长“ ε ”应服从以下关系式:
E total <ε<ε macro-bending
在以上关系式中 ,ε macro-bending 为室温( 20 ℃)下光纤的余长,并假定光纤在低温下没有宏弯附加衰减。因此,通过一系列的试验和计算。可以看出:对于新型铝包钢不锈钢管 OPGW 光缆,其合适的余长选择范围是 0.55 ~ 0.70% 。
新结构光缆型式试验
我们对新型铝包不锈钢管 OPGW (截面 90mm 2 ,含 24 芯单模光纤)光缆,按照国际标准进行设计指标试验,来检验它的一些基本特性,现将一些主要的试验结果描述如下:
压扁试验
试验样品安放在两块扁平的、可移动的钢板之间,钢板宽度 50mm ,压力载荷通过可移动的钢板逐渐加在试验光缆上,在 9.8KN 时光损耗开始急剧增加,这与常规不锈钢管 OPGW 光缆的试验结果相同。
冲击试验
试验样品置于冲击锤下,锤重 500g ,冲击高度: 1m ,冲击次数: 5 次,同时监测光功率,试验后光纤无明显附加衰减。
( 3 )扭转试验
样品长度: 20mm ,置于扭转试验机上,一端夹紧固定,另一端可旋转,试验样品在恒定的张力载荷作用下在旋紧和退扭两个方向(即正、反方向)进行扭转试验,同时监测光功率的变化。在旋紧方向,光损耗的增加出现在 1.3 turns/m, 而退扭时尽管旋转到 1.67 turns/m, 但仍然无附加衰减。因此,这种新型 OPGW 缆与普通 OPGW 缆一样,具有很高的抗扭转性能。在敷设期间,建议旋转度应最小,通常规定最小值为 0.1turns/m.
(4) 振动试验
振动试验是模拟高频率的风激振动现象,试验在下列条件下进行,同时监测光功率的变化 :
张力载荷: 20%UTS(16KN)
振动频率: 50Hz
振动次数: 10 7
试验期间没有观察到明显的附加衰减。
(5) 过滑轮试验
试验在下列条件下进行,并同时监测光功率的变化 :
1 、张力载荷: 20%UTS(16KN)
2 、滑轮直径: 450mm
3 、张力角: 30 o
4 、过滑轮次数: 20
试验期间没有观察到明显的附加衰减,试验后不锈钢管的变形极小,可忽略。
(6) 应力应变试验
取光纤余长为 0.60% 的光缆试样,并将其架设在拉力试验设备上,光纤的应变用相移法来测试。拉伸力逐渐施加到该 OPGW 的 65%UTS ,同时测量光纤、 OPGW 缆的应变量及传输光损耗的变化。
当 OPGW 光缆应变达到 0.55% 时,光纤才开始受力产生应变,而此时缆应变 0.55% 差不多相当于光纤余长的值,在试验期间光衰减也没有增加。考虑到在各种条件下 OPGW 预期的最大应变量,应通过这些试验结果来最终确定 OPGW 所需的余长值。
(7) 盐雾试验
盐雾试验是为了研究 OPGW 的耐腐蚀性能,分别将铝包不锈钢管和裸不锈钢管 OPGW 暴露在盐雾中一个月后观察,我们发现:当裸不锈钢管和铝包钢线绞合在一起时,铝包钢线表面部分地出现电化腐蚀,尽管已经在各导线的缝隙间填满了防腐油膏。与其相比较,由新型铝包不锈钢管与铝合金线绞合成的 OPGW ,具有非常高的抗腐蚀性能和可靠性,因而有很长的寿命。表 4 列出了各种形式的 OPGW 光缆在有腐蚀的环境条件下的适用性。
表 4 在腐蚀环境下 OPGW 的适用性
OPGW 结构型式 | 腐蚀环境等级 | ||
“A” 地区 | “B” 地区 | “C” 地区 | |
新型铝包不锈钢管结构 (不填充防腐油脂) | 优 | 优 | 优 |
常规不锈钢中心管结构(填充防腐油脂) | 优 | 良 | 适用 |
常规不锈钢管绞合结构(填充防腐油脂) | 良 | 适用 | 不适用 |
注: “A” 地区:无腐蚀
“B” 地区:轻微腐蚀
“C” 地区:有腐蚀
(8) 温度循环试验
复绕在木盘上的光缆放进温度循环试验箱,试验箱的温度从 -35 ℃~ 85 ℃,循环三次,同时监测衰减的变化。试验结果表明:在实际运行中光缆没问题。
(9) 温升试验
温升试验是检查光纤耐瞬时高温特性,通过提供一大电流,光缆样品被瞬时加热到 200 ℃,结果发现:在加热和冷却期间光纤衰减无变化。
结论
我们新开发的铝钢复合不锈钢管 OPGW 光缆具有以下主要特点:
它可以消除电化腐蚀而无需填加防腐油脂,这是因为在 OPGW 缆中的不锈钢管外表面包覆了一铝层。
这种新型 OPGW 一般采用中心管光单元结构,目前最大可容纳 48 芯光纤。
短路电流可以在钢管表面的铝层中流动,这会使光缆总的短路电流容量提高 10% 至 20%
光纤合适的余长范围是: 0.55% ~ 0.70%
光缆各项性能的试验结果令人满意。
因此,与常规 OPGW 相比,新型钢铝复合管结构 OPGW 光缆可靠性更高、长期运行稳定性更好。 作者:深圳特发信息股份有限公司光缆事业部 徐再高 来源:中国电线电缆网
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