钢管式OPGW的光纤余长与应力应变特性
作者：江苏通光电子线缆股份有限公司时间：2016-08-10 我要发布
| 摘要：本文着重介绍了钢管OPGW光缆中光纤余长的计算理论、代表结构的光纤余长计算值，并对通光钢管光单元与其他钢管光单元进行了光纤余长实测比较。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 关键词：OPGW 代表结构 光纤余长 应力应变特性 可靠性 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0. 导言 OPGW主要由光单元和绞合的金属单线（包括铝包钢线、镀锌钢线、铝合金线、硬铝线等）组成。光单元是一个重要的组成部分。OPGW常见的有铝管、铝骨架和钢管型三类代表结构。 不能简单地把以上三种不同结构的OPGW光缆相提并论。只有在光纤芯数相同、金属截面积接近（因而抗拉强度和短路电流容量也接近）的条件下才能相对比较，一般评价如表1。钢管结构与传统架空地线的相似性较好，容易与对侧地线匹配，所以一问世就得到了电力部门用户的欢迎。 |
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| 通光集团公司设计并批量生产的不锈钢管结构OPGW，己在内蒙、湖南、辽宁、云南等多地500kv及以下的电力系统得到良好应用。 本文将探讨钢管OPGW的光纤余长和应力应变特性。 |
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| 1 光纤余长 光纤余长是保证OPGW可靠性的关键因素之一。单层绞线的中心管结构仅取决于钢管内的光纤一次余长，而层绞结构（图1C）的光纤余长由钢管的光纤一次余长和二次绞合余长共同组成。 |
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| 1.1 管内余长 （1）管内余长设计 不锈钢管实质上是光纤松套管的一种。光纤在松套钢管中，整个光纤束会沿钢管的内壁呈现SZ形螺旋线弯曲并产生余长（图1），空间螺旋线的弯曲半径ρ决定了光纤束产生余长的大小，且： |
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图1 余长示意图 |
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| 对G.655和G.652光纤来说，要使1550nm窗口的损耗不增加，ρ有一个合适的值。根据公式（1）， 我们就可以计算出节距P： |
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| 知道了P，光纤根数，就可以算出不同管径、不同芯数，在保证1550nm不产生附加损耗时所允许的最大余长。 对于单层绞线的中心管式的OPGW，要求光纤相对于钢管的余长在6‰以上，才能在绞制外层金属线后，还基本保证原有的光缆设计余长。 （2）管内余长的生成和钢管生产工艺 除了设计计算以外，管内余长是由设备和工艺来保证的，这二者相辅相成。 通光钢管光单元生产线是从德国Nexans引进的不带内衬管的全钢结构生产线。光纤余长生成的基本机理是：将焊接后的钢管在材料的弹性限度内经过缩径拉拔、拉伸（伸长）、经弹性恢复（相对光纤缩短长度）而获得光纤余长。在相同外径和相同光纤芯数条件下，复合型钢管光纤单元由于内衬管的存在，相当于缩小了内径，余长则比本工艺要小得多。复合型钢管结构的缺点己越来越明显，终将被电力市场所淘汰。 成型前，不锈钢带被精确分切到所需尺寸，然后经过精密成型模具逐步合拢后进行定位焊接，焊接后的钢管通过拉拔再通过焊缝探伤仪进行不锈钢管焊接质量检测，最后以恒张力整齐地排列在盘具上。通过生产工艺的精确控制，光单元的光纤余长可控制在1‰--7‰，余长分布均匀。 1.2 绞合余长 （1）绞合余长设计 对于层绞偏心管式的OPGW，管内光纤己获得一次余长，当光缆在拉伸状态下，光纤束还可向中心的一侧发生径向移动（图2），这种移动引起的余长，称之为绞合余长。绞合余长的大小与节距的平方成反比，与径向移动量成正比。即： |
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图2 绞合余长示意图 |
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| 适当控制节距P，可以获得理想的余长。根据相应标准，节距P必须满足不小于10倍也不大于14倍绞层直径。事实上，P值小于12倍时，工艺上会有一定的难度，而且钢管较容易扭坏。因此，P值在12倍附近是易于实现的。（3）式中的“r”是光纤束在管中的径向移动量。当“r”值过小时，由绞合引起的余长就会变得很小。从这个意义上来讲，当容纳光纤的管径一定时，其放置光纤的数量就应当受到限制。 （2）绞合余长的生成和控制 除了设计计算外，绞合余长是由设备和工艺来保证的。 通光用的绞线生产线是从德国SKET公司全套引进的，它是一台8盘+16盘行星式绞线机。要获得设计余长，设备和工艺应控制的要点如下： A. 每个线盘应主动放线，张力可均匀在线调节，反馈自动调整并受控。 B. 张力测量应位于绞合近处，使每根导线（或光单元）在绞合时各张力均匀。 C. 预成型装置应精密到位，每根绞线都必须经过预成型。使得每根绞线在绞合成型后不反弹；OPGW缆在截断后，每根绞线也不会散开；减少了整根缆的扭距，使得光缆不会扭绞，从而更好地保护光单元。 D. 成缆节距控制应精确稳定。 通过精心的设计、精密的控制，我们能精确达到预先结构设计的一次余长和二次绞合余长。 2 典型的钢管光单元代表结构余长计算值 |
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| 3 试验与实测结果 3.1 管内余长 采用先进的装备还不完全会得到理想结果。能设计余长不等于能有效控制。有诸多工艺环节必须同时受控并达到最佳匹配，才能获得理想结果。管内余长的受控状态集中体现在余长一致性。表3和表4列出了通光生产的钢管光单元的数据，表5和表6列出了进口商品的数据。 |
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| 从表3可知：各光纤间的余长差值小于0.6‰；该钢管的光纤余长正态分布图见图3，实测值与设计值偏离较小，中值与设计余长相符。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 从表4可知：各光纤间的余长差值小于0.5‰；该钢管的光纤余长正态分布图见图4，实测值与设计值偏差较小，中值与设计余长相符。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 表5列出了某亚洲公司生产的SUS 24D-?2.7 的光纤余长测试结果。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 从表5可知：各光纤间的余长差值最大达2.2‰； 该钢管的光纤余长正态分布图见图5，实测值与要求值偏离较大。 表6列出了某欧洲公司生产的SUS.24D- ?2.7的光纤余长测试结果。 |
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| 从表6可知：各光纤间的余长差值最大达1.6‰； 该钢管的光纤余长正态分布图见图6，实测值与要求值偏离较大。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 从以上钢管的光纤余长测试数据及余长正态分布图来看，通光生产的钢管光单元光纤余长均匀一致性优于其余两种国外钢管光单元，为制造出的OPGW光缆良好运行提供了保证，提高了OPGW光缆的可靠性。 3．2 应力--应变特性 应力应变特性综合反映了OPGW在负荷情况下的机械性能和光学性能，将直接影响到OPGW在寿命期内各工况条件下的安全运行 图7给出的是：通光OPGW-（20B1+4B4）/150/152. 9/155.9 的应力--应变特性试验图。 该OPGW光缆设计RTS为152.9KN。 |
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图7 OPGW应力--应变特性 |
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| （a） 要求：光纤附加衰减值±0.05dB 结果：光纤附加衰减值±0.03dB （b） 要求：在不小于40%RTS（61.16KN）拉力下光纤无应变 结果：在63.2%RTS（96.6KN）拉力下光纤无应变 （c） 要求：在承受不小于95%RTS（145.3KN）时无任何绞合单线断裂。 结果：在承受不小于95%RTS（145.3KN）时无任何绞合单线断裂，金具无滑移。 （d） 实际破断力：159.8KN 该OPGW光缆已在电力线路工程中可靠运行。 |
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| 4 结束语 OPGW的光纤余长是技术关键之一，从应力应变特性中综合反应了抗拉伸性能，直接影响到OPGW光缆运行的可靠性。通过对原材料的严格筛选、掌握了先进的设备和工艺方法，通光设计制造出的优质OPGW光缆受到了用户好评。通光愿为我国的电力事业的进一步发展多作贡献。 |
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| 参考文献： [1]张建明.OPGW光缆的应用[J].光纤光缆传输技术，2000（4）：1-4 [2]黄俊华.OPGW光缆的主要技术特性，全国第十次光纤通信学术会议论文集：478-483 [3]陈善求.OPGW光缆的试制. 光纤与光缆及其应用技术，2003（2） [4]光纤复合地线，中华人民共和国电力行业标准 DL/T 832-2003 |
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| 作者简介 张森明 通光特种光缆公司总经理助理 |
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