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光纜的余長(zhǎng)設(shè)計(jì)與溫度分析
    我國疆土遼闊,氣候溫差大,在沙漠戈壁地區(qū)甚至每日溫差都高達(dá)三四十?dāng)z氏度。光纜有架空敷設(shè)、地埋敷 設(shè)及穿管敷設(shè)三種方式,特別是蘭西拉工程,光纜所經(jīng)地段海拔高達(dá)四、五千米,冰凍高寒及溫度變化可能導(dǎo)致光纜嚴(yán)重回縮,損耗劇增。嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致通信中斷??梢姽饫|的溫度特性對(duì)光纜的傳輸性能優(yōu)劣及穩(wěn)定性影響十分重大。高品質(zhì)的光纜能在極其惡劣的氣候條件下,仍然具有穩(wěn)定的傳輸性能。
    眾所周知,光纜是由多種原材料加工復(fù)合而成的均勻線性體。在這些材料中,它們的線膨脹系數(shù)、截面積、抗張模量各不相同。在某一溫度下,將他們集合以一定的工藝加工方式組合起來變成一條光纜。如果光纜的使用溫度假定永遠(yuǎn)都是處在加工時(shí)的溫度,那么他們之間基本不存在熱脹冷縮問題,也不存在各材料間的相互作用力。但事實(shí)上,這樣恒溫的環(huán)境是不可能存在的。例如,氣溫下降,塑料(特別是PBT束管和外層的護(hù)套)由于線膨脹系數(shù)大,回縮加劇,而鋼絲或FRP由于線膨脹系數(shù)小,回縮量很小,光纖的線膨脹系數(shù)則更小,幾乎不回縮,這樣就導(dǎo)致了各層單元間相互作用,這種作用力的存在最終將影響光纜的溫度特性。
    所謂光纜的溫度特性,是指在某一溫度范圍內(nèi)(例如-50℃~+60℃),光纜中每公里光纖損耗變化量,記作。
    究竟那些因素會(huì)影響光纜的溫度特性,歸納起來主要有如下因素:
    (1)層絞式光纜或中心束管式光纜中光纖的余長(zhǎng)設(shè)計(jì)與制造時(shí)的控制。
    (2)光纜中各層單元間的摩擦力(或緊密度)。 
1. 層絞式光纜的余長(zhǎng)設(shè)計(jì)與溫度特性關(guān)系
    當(dāng)光纖相對(duì)于置自身束管的余長(zhǎng)等于零的情況,這時(shí),PBT束管繞絞在中心加強(qiáng)件上時(shí),其光纖相對(duì)于心加強(qiáng)件的位置如圖1所示。
    當(dāng)光纜受到拉伸或氣溫升高時(shí),光纜將伸長(zhǎng)并發(fā)生應(yīng)變。此時(shí),光纖向纜中心移動(dòng),當(dāng)移至D2位置時(shí),光纖束已靠近束管孔內(nèi)壁,光纖這一徑向移動(dòng)過程稱之為層絞式光纜絞合余長(zhǎng)釋放,當(dāng)光纜繼續(xù)受力(升溫)伸長(zhǎng)時(shí),光纖將受縱向拉力而發(fā)生應(yīng)變。層絞式光纜余長(zhǎng)釋放量的大小與絞合節(jié)距的平方成反比,與光纖在束管中徑向移動(dòng)量成正比,詳見式(1)。
R=D1/3r=(d2-dfe)/2, ……………(1)
d2:束管內(nèi)孔,
dfe:光纖束等效直徑,且dfe=1.16(n)1/2×df,
其中,
    n:光纖根數(shù),
    df:?jiǎn)胃饫w直徑,
    P:為纏繞節(jié)距。
    反之,當(dāng)光纜在低溫情況下,發(fā)生收縮。光纖束在束管中的徑向會(huì)向外移動(dòng)并移至圖2中如D3所示位置。 
    光纖束的這種向外徑向移動(dòng),我們稱之為余長(zhǎng)儲(chǔ)存。
    在實(shí)際生產(chǎn)層絞式光纜時(shí),我們希望光纖束在絞纜后,所處位置在束管中處于接近中心位置為好。為了保證這一點(diǎn),光纖在二次套塑后,常需要在束管里有一定量的小余長(zhǎng)(比如0.4~0.6‰),以便滿足當(dāng)束管受到拉伸應(yīng)變時(shí),正好抵消這一被拉伸量。設(shè)束管的放線張力(即拉伸束管的力)為F1,則束管在該張力下的伸長(zhǎng)量εP為:
    F1=EP×SP×εP…………(2)
    其中: EP:PBT束管的拉伸模量,
    SP:PBT束管的截面積, 
    εP:PBT束管的伸長(zhǎng)量。
    光纜是由多層不同材料復(fù)合制成,假定他們之間是緊密的,且有足夠的摩擦力,那么,光纜中各層間在光纜伸長(zhǎng)或回縮時(shí),不發(fā)生層間的相對(duì)滑動(dòng),這時(shí),光纜的伸長(zhǎng)與回縮將按等效線膨脹系數(shù)進(jìn)行熱脹冷縮。等效線膨脹系數(shù)由式(3)決定。
式中,E1、S1、α1:中心加強(qiáng)元件的楊氏模量、截面積及線脹系數(shù);
E2、S2、α2:PBT束管的楊氏模量、截面積及線脹系數(shù);
E3、S3、α3:皺紋鋼帶的楊氏模量、截面積及線脹系數(shù);
E4、S4、α4:中密度護(hù)套的楊氏模量、截面積及線脹系數(shù);
    我們知道,如果光纜溫度升高而伸長(zhǎng),由于光纖的線膨脹系數(shù)極?。s為5.8×10-7℃),幾乎不伸長(zhǎng),因此,可以近似認(rèn)為層絞式光纜中光纖余長(zhǎng)將釋放。假定制造光纜時(shí)的氣溫為20℃,絞合節(jié)距為80mm,光纜芯數(shù)為36芯,中心加強(qiáng)鋼絲為φ2.2,PBT束管為φ2.1/1.5,光纜型號(hào)為GYTA53型。
    但實(shí)際上不可能達(dá)到如此的高溫和低溫,因?yàn)楣饫|材料本身不允許。但至少可以說在-40℃~+60℃溫度范圍內(nèi)光纜的性能指標(biāo)不會(huì)有什么變化。根據(jù)公式粗略計(jì)算(只算中心鋼絲的抗拉力),光纜在3340N力作用下,纜中光纖無應(yīng)變。
    從以上理論分析可知,余長(zhǎng)大小和節(jié)距關(guān)系非常大,那么是不是節(jié)距越小越好呢?從余長(zhǎng)的釋放與儲(chǔ)存的大小來考慮,小節(jié)距應(yīng)當(dāng)比大節(jié)距好,但節(jié)距過小,又會(huì)帶來新的問題,那就是光纖纏繞中心加強(qiáng)件的空間螺旋彎曲半徑會(huì)減小,并導(dǎo)致由于彎曲所引起的應(yīng)變?cè)黾樱瑫r(shí)還會(huì)影響光纜中光纖的PMD值。這種靜態(tài)彎曲應(yīng)變的存在,同樣會(huì)影響光纖的壽命。根據(jù)理論計(jì)算,當(dāng)上述結(jié)構(gòu)在節(jié)距為80mm時(shí),其靜態(tài)彎曲應(yīng)變約為0.8‰,因此,還能保證光纖30年以上的預(yù)期壽命不受影響。
    同樣原理我們可以分析中心管式光纜,這里不再討論了。
2.制造中應(yīng)注意的若干問題
    根據(jù)上述理論分析,要想獲得理想的余長(zhǎng)必須做到:
    (1)合理設(shè)計(jì)束管的截面尺寸和光纖芯數(shù),以便保證光纖束在管孔中的徑向移動(dòng)量r。
    (2)在擠PBT束管時(shí),應(yīng)嚴(yán)格穩(wěn)定地控制光纖在束管中的余長(zhǎng)為0.4~0.6‰,并保證束管壁厚度及均勻性。
    (3)束管層絞時(shí),嚴(yán)格控制束管的放線張力F1及繞絞節(jié)距P,以保證絞合余長(zhǎng)在理論計(jì)算值附近。
    (4)光纜的各層之間應(yīng)緊密、均勻,并有足夠的摩擦力,防止層間在光纜的兩端發(fā)生由于材料的收縮引起的相對(duì)滑移,這一點(diǎn)十分重要。當(dāng)然這種滑移一般都是由于溫度變化所引起的。
3.結(jié)論
    層絞式光纜由于其產(chǎn)生余長(zhǎng)主要領(lǐng)先控制繞絞節(jié)距來控制余長(zhǎng),因此,其余長(zhǎng)的分布均勻、穩(wěn)定、可靠。而中心束管式光纜,主要依靠擠束管工序產(chǎn)生正余長(zhǎng),余長(zhǎng)相比之下,較層絞式要小,而且分布易發(fā)生隨機(jī)性。因此,從這一意義上講,層絞式優(yōu)于中心管式。
另一方面,平行鋼絲加強(qiáng)的中心管式光纜只能在垂直平行鋼絲平面內(nèi)彎曲,而不能在平行鋼絲的平面內(nèi)彎曲,給施工放纜帶來一定困難。因此,對(duì)建設(shè)國家一級(jí)干線,筆者建議盡可能選用層絞式光纜。
    在成纖成纜技術(shù)越來越成熟的今天,中心束管式光纜也有良好表現(xiàn):
一、光纜的機(jī)械環(huán)境性能
    (一)芯管回縮的克服
  中心束管式光纜在現(xiàn)場(chǎng)使用中有效地克服了芯管回縮現(xiàn)象,原因如下:1) 芯管材料為改性聚丙烯PP,該材料是專門用于中心管式光纜的芯管制造,受溫度的變化較小,而且與其它材料的摩擦力較大,能有效克服芯管的回縮。2) 中心管式光纜設(shè)計(jì)是一個(gè)整體構(gòu)造,光纖位于光纜的中間位置,整個(gè)光纜的保護(hù)層在生產(chǎn)制造過程中通過壓緊力將他們緊緊地壓接到一起,受力時(shí)是保護(hù)層共同起作用,有效地抑制了光纜的芯管回縮。3)采用獨(dú)特的“一步法”成纜工藝,使各材料緊湊結(jié)合,從而抑制了芯管在光纜中的自由度。
二, 寒冷及高海拔地帶光纜使用
  1、寒冷地帶直埋光纜使用情況
  西藏地區(qū)凍斷光纖現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,挖開斷纖處的光纜,發(fā)現(xiàn)由于地殼運(yùn)動(dòng)凍土層S形伸縮。原因分析:由于土壤中的水份含量比較大,冰凍層與地壤層的膨脹系數(shù)不同,不同的地質(zhì)受凍產(chǎn)生的應(yīng)力不同,兩個(gè)層面發(fā)生位移,造成光纜受力不均勻嚴(yán)重變形,甚至形成剪切力,造成對(duì)光纜的損傷,表現(xiàn)為光纖損耗值增大直至斷纖。“鋪設(shè)過河線路一定要使鋼管延伸到壩外 ,并且鋼管連接處要做螺紋子母口處理,凡是過河光纜均采用重型鎧裝,并要穿放塑料子管。”
  在沼澤地地區(qū),冬天直埋線路光纖有臺(tái)階,夏天臺(tái)階自動(dòng)消失。西藏地區(qū)施工及運(yùn)維部門,優(yōu)選中心束管式光纜,因?yàn)樵谌绱藦?fù)雜惡劣的沼澤地帶,中心束管式光纜的性能最穩(wěn)定。除寒冷外,還有一個(gè)比較嚴(yán)重的問題是溫差大,尤其在冬季,有些地區(qū)每一個(gè)晝夜光纜都要經(jīng)歷一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室才會(huì)做的溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn),盡管這種自然環(huán)境非常惡劣,但是中心束管式光纜承受住了嚴(yán)峻的現(xiàn)場(chǎng)考驗(yàn)。
    2、高海拔地區(qū)架空光纜的使用情況
    高海拔西藏地區(qū)架空光纜需要面臨強(qiáng)烈的紫外線照射、大溫差(如戈壁灘)、嚴(yán)寒、風(fēng)沙、狂風(fēng)暴雨等惡劣氣候的影響,中心束管式光纜在該地區(qū)安全可靠地運(yùn)行。
  高海拔地區(qū)對(duì)光纜的主要影響是強(qiáng)烈的紫外線照射,中心束管式光纜采用化學(xué)共聚高密度聚乙烯材料,其耐老化性能試驗(yàn)可達(dá)40年,完全能滿足高海拔地區(qū)的應(yīng)用。
  大溫差環(huán)境下,最能考察光纜中所采用的纖膏、芯管材料性能以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝;低溫狀態(tài)主要是對(duì)纖膏的考驗(yàn),所采用的纖膏必須具有很好的低溫特性,在低溫下仍具有非常好的錐入特性。
三、光纜的敷設(shè)及安裝 中心束管式光纜因?yàn)橥鈴叫?、重量輕,能充分利用管道資源,深受用戶歡迎。西藏地區(qū)的用戶非常歡迎使用中心束管式光纜,他們主要是用在干線上。用戶說:中心束管式光纜總體感覺好,光纜不僅質(zhì)量好而且輕巧,分組、盤纖方便,接續(xù)不容易出錯(cuò),開剝及接續(xù)效率高。
    調(diào)研小結(jié) 
    從以上調(diào)查得到的資料分析,中芯束管式光纜在高寒、高海拔地區(qū)可以穩(wěn)定使用,光纜的機(jī)械性能,環(huán)境性能和抗老化性能均很好。從現(xiàn)場(chǎng)取得的樣品做的測(cè)試分析可以看出,光纖的剝離力及使用壽命在合理的使用范圍內(nèi),可以達(dá)到設(shè)計(jì)壽命25年以上。




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