光纤应变域在长壁地线上的应用研究

光纤应变域在长壁地线上的应用研究

0光纤应变域和附加衰减区光滑复合航空空带（opgw）是具有光纤的航空空带，由光纤单元和切下的金属线组成。在架设和工作期间OPGW会发生伸长,由于光纤允许的伸长量远小于金属线材,因此缆内的光纤不但必须有合适的光纤余长(ExcessFiberLength,EFL),还必须满足一定的应变范围,该范围相对于OPGW的额定拉断张力(RatedTensileStrength,RTS)可称为光纤的“应力—应变窗口”,或称为“光纤应变域”。常规OPGW主要采用G.652光纤,EFL通常要求为0.6%~0.7%,对光纤应力应变的要求则为:在40%RTS拉力下光纤无应变和无附加衰减,在60%RTS拉力下光纤应变≤0.25%且附加衰减≤0.5dB在高覆冰、大风和大跨越区域应用的OPGW,在极端条件下承受的拉力有可能超过70%RTS并维持一段时间。在国际市场上如北美地区,电力部门要求OPGW在60%RTS时光纤无应变,在高覆冰区要求在80%RTS拉力下的光纤应变≤0.25%,这就要求EFL大于0.7%,而受G.652光纤宏弯性能的制约,将导致较大的附加衰减。为此,文献[2]介绍了利用G.652D弯曲不敏感光纤开发的大余长光纤OPGW,该OPGW的EFL为0.9%,光纤应变域达95%RTS;24芯的OPGW直径为14.1mm,自重为510kg/km,RTS为67kN,1550nm处光纤损耗≤0.20dB/km本文介绍了利用G.657.B3弯曲不敏感光纤研制的光纤应变域宽广的OPGW。1光纤色散和剩余长度1.1gw在使用中的预期伸长OPGW在安装和寿命期间预期的应变和伸长与光缆的结构和材料相关,OPGW在使用中的预期伸长(应变)见表1所列。由表1可知,在预期工作寿命期间,OPGW的总伸长量在0.6%左右。由于光纤的允许伸长量小于金属材料,因此光纤余长为0.6%~0.7%方能克服OPGW预期伸长量1.2opgw缆余长的组成光纤余长(EFL)是所有光缆设计和生产过程中的重要参数,将直接影响到光缆的传输、机械、环境等各项性能以及直径、重量、成本等方面。EFL为光缆受张力伸长后提供了在一定范围内的光纤应变窗口,决定了缆的抗拉伸性能光缆中的EFL有2层内涵:一是指光纤相对于松套保护管的冗余长度,或简称为“管余长”,松套保护管在OPGW中常被称为“光纤单元”或“光单元”;二是指光纤相对于缆本体长度的冗余长度,或简称为“缆余长”。光纤单元处于缆结构中心(中心管OPGW)的缆余长几乎就是管余长,把光纤单元置于缆结构层绞层中(层绞OPGW)可获得额外的“绞合余长”,故层绞OPGW缆余长由管余长和绞合余长2部分组成,又称为“综合余长”。光纤余长是以光纤弯曲的形态储存在保护管中的,光纤在管中的弯曲半径越小,弯曲的次数就越多,余长则越大,但过小的弯曲半径会导致宏弯损耗而增大光纤衰减。管内的光纤余长与管的内径、光纤的外径和数量、光纤的弯曲性能等因素有关,另外还取决于工装设备和工艺对余长的控制能力1.3应变边界与应变域当光缆刚开始伸长时,EFL被释放但无应力和无附加损耗;随着缆伸长,EFL逐渐减小,光纤开始产生应变和附加衰减。在电力行业标准中,OPGW允许承受的拉伸力及性能要求见表2所列。该要求可理解为:60%RTS是对常规OPGW中光纤应变域的基本要求,但也可以有用户和制造商协商的特殊需求。该标准还定义了应变限量,应变限量是光纤在无纵向应变时OPGW能承受的最大应变量,即光纤开始应变时缆的应变量在合理的OPGW结构设计和良好的工艺条件下,G.652光纤完全可以满足表2中常规OPGW光纤应变域至60%RTS的要求,合理的结构设计和有效的余长控制能力可将G.652光纤的应变域扩展至70%RTS或更大。但G.652光纤的允许弯曲半径制约了管内的光纤余长,往往需减少管内光纤数量或增大管内径(将导致缆结构变大),要保持缆结构不变而增大光纤应变域,G.652光纤显然力不从心。对G.652光纤的折射率剖面结构进行优化可以改善弯曲性能,并可使OPGW的EFL达0.9%、光纤应变域扩展至95%RTSG.657系列光纤是对弯曲不敏感的光纤,最初是为光纤到户(FiberToTheHome,FTTH)系统中大量的小弯曲直径(近似直角)布线而发展起来的。ITU-T的G.657系列光纤目前分为A1、A2、B2和B3共4级2g.65d光纤和g.657.b3纤维2.1衰耗谱特性的测量国产G.652D光纤和G.657.B3光纤的主要性能对比见表3所列。2种光纤的衰耗谱特性的实测值如图1所示。从表3和图1来看,G.657.B3光纤的主要性能与G.652D几乎相同,但G.657.B3光纤允许很小的弯曲半径而不明显增大宏弯损耗,且模场直径的公差范围更小。2.2g.65cd对双向动力特性的影响光纤接续是工程中所关心的问题之一,尤其是2种不同型号光纤的对接,通常认为模场直径的失配是导致光纤接续损耗增大的主要因素由图2可知,即使G.652D和G.657.B3的模场直径相同,在对接时光时域反射仪(OpticalTimeDomainReflectometer,OTDR)仍显示出明显的方向性;不论在1310nm还是1550nm波长,光从G.652D注入到G.657.B3时均出现负值,反方向则出现正值(衰减),然而双向平均值却并不大。究其原因,主要是由于两者的折射率剖面结构不同。根据相关国际和国内标准,OTDR单向损耗值并不是真实衰减,在实际工程中应取OTDR双向损耗平均值。用模场直径为8.2~9.3μm的G.652D光纤与模场直径为8.62~8.87μm的G.657.B3光纤对接,62对光纤的接续点在1310nm和1550nm波长下的接续损耗平均值如图3a所示。用不同模场直径(公差范围内)的G.657.B3光纤对接,100对光纤的接续点在1550nm下的接续损耗平均值如图3b所示。由图3a可知,G.657.B3与G.652光纤的对接平均损耗分布在0.01~0.07dB之间,在工程中是可以接受的;由图3b可知,G.657.B3光纤的自身对接损耗与G.652光纤自身对接无区别。3采用g.657.b3光纤3.1opgw结构分析试验用OPGW结构示意如图4所示。试验用OPGW主要参数见表4所列。由图4和表4可知,该OPGW是一种层绞式经典结构,采用了一根通常可容纳24芯G.652.B1或G.655.B4单模光纤的外径为2.5mm的不锈钢管,现为24芯G.657.B3光纤。3.2影响g.657.3光纤单元的工作波长OPGW制造过程主要分为着色(含色环)、钢管光纤单元制造和绞线成缆。制造过程中每根光纤的光衰减变化如图5所示,其中图5a和图5b分别对应1310nm和1550nm工作波长。由图5可知,着色工序对G.657.B3光纤的影响不大,钢管光纤单元制造过程的衰减略有增大,而在绞线成缆后则会下降。成缆后的最终检验结果表明,缆中的G.657.B3光纤在1310nm的光衰减≤0.34dB/km,在1550nm的光衰减≤0.20dB/km。3.3偏度2,0.缆中24根光纤的余长分布如图6所示,缆余长分布在1.28%~1.37%范围内,余长的中心值为1.325%,偏离度为±0.045%;有14根光纤的余长为1.31%~1.34%,偏离度为±0.015%。图6给出的光纤余长比常规OPGW几乎大了一倍,而这是扩展光纤应变域的必备条件。实践证明,要制造大余长光纤OPGW,首先光纤要有对弯曲损耗不敏感的性能,其次要有足够强的余长控制能力,最后则是钢管中多根光纤的余长离散度应尽量小。3.4应力应变释放后的循环特性把缆中24根光纤按每2根光纤串接组成12条光路,向OPGW施加张力至120kN(相当于约110%RTS),检测了所有G.657.B3光纤的应力应变性能,G.657.B3光纤OPGW的应力应变测量结果如图7所示。由图7可知,当拉力在80%RTS(88kN)及以下时,光纤应变几乎为0,附加损耗小于0.03dB;当拉力为100%RTS(110kN)时,光纤应变约为0.1%,附加损耗小于0.03dB;当拉力为105%RTS(116kN)时,光纤的应变约为0.25%,附加损耗小于0.05dB。释放所施加的张力,以光纤应变达0.25%RTS为基准向OPGW施加张力(116kN,相当于105%RTS),连续进行3次拉伸(约10min)作为1次循环,间隔约10min再进行第2次循环,循环3次,总计用时约50min,105%RTS张力下的循环测量结果如图8所示。由图8可知,随着拉力的增大,每次光纤应变都达到了0.25%的上限值,拉力释放后光纤应变变为0;在第1次循环与第2次循环之间,有1根光纤的附加损耗≤0.05dB,其余均≤0.03dB;多次循环结果表明G.657.B3光纤的应力应变性能可以恢复。综合图7和图8结果可知,该OPGW的光纤应变域≥100%RTS,且可以反复承受大张力的冲击(如覆冰和大风等)而不劣化传输性能。3.5g.657.3光纤附加衰减按电力行业标准要求,缆中每根G.657.B.3光纤的温度循环衰减性能如图8所示。实测结果表明,在1550nm波长下,G.657.B3光纤在–40~65℃温度循环试验中的附加衰减≤±0.024dB/km,满足电力行业标准“在1550nm波长,相对于20℃时的附加衰减应不大于0.1dB/km”的要求。4光纤熔接试验结果根据本文方案开发成功的光纤应变域宽广的OPGW,在外径为2.5mm的松套钢管内植入24根G.657.B3弯曲不敏感光纤,制成的OPGW外径为12.6mm,缆的光纤综合余长超过了1.28%。成缆后的检测结果表明,1550nm处的光纤衰减≤