200μm直徑光纖在OPGW中的應(yīng)用

栗 鳴， 譚 亮， 繆旭光， 曹裕群， 劉 勇， 陸 杰

（中天日立光纜有限公司，江蘇南通226463）

200μm直徑光纖在OPGW中的應(yīng)用

栗 鳴， 譚 亮， 繆旭光， 曹裕群， 劉 勇， 陸 杰

（中天日立光纜有限公司，江蘇南通226463）

在架空輸電線路設(shè)計中，對OPGW的外徑有著嚴(yán)格的限制，由此也限制了OPGW內(nèi)的光纖最大容纖數(shù)。為滿足未來智能電網(wǎng)對光纖通信的要求，試制了一種新型的外徑為200μm光纖，代替目前常規(guī)的外徑為245μm光纖，以達(dá)到增加OPGW內(nèi)光纖芯數(shù)的目的。在結(jié)構(gòu)相同情況下，采用200μm光纖可使光纖數(shù)量增加三分之一以上，試制的OPGW樣品各項性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

OPGW；200μm光纖；應(yīng)用

0 引 言

目前，電力通信網(wǎng)的使用，主要以與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行相關(guān)的繼電保護(hù)、安全自動裝置、調(diào)度語音等為主。而在以“高度智能”為主要特征之一的未來智能電網(wǎng)中，電力通信網(wǎng)將承載信息網(wǎng)絡(luò)、廣域測量、高速傳感、高性能計算、智能控制等技術(shù)的應(yīng)用，傳輸容量將大大增加。

目前電力光纖通信網(wǎng)已經(jīng)覆蓋了95%以上的110/10 kV變電站和75%以上的35/10 kV變電站，35 kV及其以上電壓等級的配電網(wǎng)通信傳輸介質(zhì)已基本實現(xiàn)光纖化。據(jù)不完全統(tǒng)計，2013年招標(biāo)量（含國、省網(wǎng)）約為全介質(zhì)自承式光纜（ADSS）44 075 km、光纖復(fù)合架空地線（OPGW）58 873 km、光纖復(fù)合相線（OPPC）4 746 km?？梢钥闯觯覈娏歉删W(wǎng)主要由OPGW和ADSS組成。

在對OPGW進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，有三個主要指標(biāo)是設(shè)計人員所重點關(guān)注的，即外徑、拉斷力、短路電流溫升。由于OPGW復(fù)合了地線及光纖通信的雙重功能，因此，設(shè)計時必須充分考慮光纖的使用性能。過度追求OPGW的外徑與傳統(tǒng)地線的外徑相等，就得減小光纖鋼管的外徑。光纖鋼管的外徑大小直接影響到光纖余長和光纖衰減這兩個重要參數(shù)。在鋼管外徑減小的情況下若要就得同樣的余長就得使光纖產(chǎn)生更多的彎曲，其結(jié)果將導(dǎo)致光纖彎曲損耗增加。如果減小余長則會導(dǎo)致光纖在30年壽命期內(nèi)因蠕變伸長而斷裂。

鋼管結(jié)構(gòu)OPGW在我國的大規(guī)模生產(chǎn)使用已有近10年的歷史。在綜合了國內(nèi)各主要OPGW生產(chǎn)廠的實際生產(chǎn)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，2012年國家電網(wǎng)公司編制了Q/GDW761-2012標(biāo)準(zhǔn)［1］。該標(biāo)準(zhǔn)對各種結(jié)構(gòu)OPGW光纖單元鋼管外徑與最大容纖數(shù)，做出了明確規(guī)定。假如管內(nèi)的光纖數(shù)超過此最大容纖數(shù)，那么在余長不變的情況下，光纖衰減就有可能超過技術(shù)要求。

為了解決未來智能電網(wǎng)對光纖芯數(shù)的需求增加和目前鋼管外徑對光纖容纖數(shù)的限制這一矛盾，我們采用了兩種外徑僅為200μm的光纖試制生產(chǎn)OPGW樣品，以達(dá)到增加光纖芯數(shù)的目的。經(jīng)試驗，各項性能滿足OPGW標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 關(guān)于200μm直徑光纖

1.1 200μm直徑光纖技術(shù)發(fā)展

2000年代初，隨著“光纖到戶”的開展，接入網(wǎng)光纜的布放面臨著室內(nèi)或機(jī)房存儲空間狹小的問題，由此對光纖彎曲損耗的要求越來越高。在此背景下，研發(fā)出了具有良好抗彎曲性能、部分型號可與G652光纖完全兼容的 G657彎曲不敏感系列光纖［2］。G657光纖相比G652光纖具有更好的抗彎曲性能，主要原因是在G652光纖的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些結(jié)構(gòu)改進(jìn)：（1）增大纖芯與包層的折射率差，使光的傳輸更集中在纖芯，減小光從纖芯逸出的可能，由于改變纖芯折射率可能會改變標(biāo)準(zhǔn)光纖的一些傳輸性能指標(biāo)，目前大多數(shù)光纖廠家均采用降低包層折射率的方法（“trench”，壕溝型包層）；（2）研制新型的超低模量光纖內(nèi)涂層材料，更多吸收光纖彎曲時所受應(yīng)力，減小彎曲損耗［3］。

為了解決城市電纜管道資源緊張、光纖芯數(shù)需求日趨增加的矛盾，國際知名光纖廠商如Corning（康寧）、OFS（古河）、Prysmann（普睿司曼）、Draka（德拉卡）、Sterlite（斯德雷特）、YOFC（長飛）等又相繼推出了外徑200μm的G657A1/G657A2光纖，見圖1。

1.2 200μm直徑光纖的標(biāo)準(zhǔn)

目前常規(guī)商用光纖的涂覆層均由內(nèi)外兩層組成：內(nèi)涂覆層的交聯(lián)度低，模量約為0.5～3 MPa左右，與光纖包層緊密粘結(jié)防止光纖表面微裂紋擴(kuò)大，作為吸能層可有效減緩?fù)獠繅毫饫w的影響，降低光纖的彎曲損耗；外涂覆層的交聯(lián)度較高，模量約為800～100 MPa左右，主要起保護(hù)內(nèi)涂覆層的作用，增加光纖的耐磨性能和可使用性，也起到隔離水分的作用。

圖1 245μm外徑光纖與200μm光纖對比示意圖

2012年，IEC 60793-2-50標(biāo)準(zhǔn)修訂時，首次引入了涂層外徑200μm單模光纖［4］。2013年，我國有關(guān)單位在對YD/T 1954-2009修訂時，也已將涂層外徑200μm單模光纖引入標(biāo)準(zhǔn)（報批中）。而ITUT G.657-2012（英文版）及ITU-T G.652-2009（英文版）［5］建議書中，對光纖外徑?jīng)]有規(guī)定。

因此，按照IEC 60793-2-50：2012的描述，可以認(rèn)為外徑200μm的單模光纖（含B1.1，B1.2，B1.3，B2，B4，B5和B6）已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)光纖。但據(jù)悉，目前各大光纖生產(chǎn)廠僅提供200μm的B6（G657A1、G657A2）光纖。一些采用200μm直徑G657A光纖試制的光纜可使外徑減小三分之一以上，各項機(jī)械和環(huán)境性能優(yōu)良［6-8］。

表1為B1.3（G652D）、B6a1（G657A1）光纖部分標(biāo)準(zhǔn)及部分廠家200μm光纖技術(shù)參數(shù)。

表1 B1.3、B6a1光纖部分標(biāo)準(zhǔn)及部分廠家200μm光纖技術(shù)參數(shù)

從表1可以看出，在IEC 60793-2-50：2012標(biāo)準(zhǔn)中，B1.3與B6a1光纖除了宏彎損耗指標(biāo)不同外，其它指標(biāo)完全一樣。

雖然在標(biāo)準(zhǔn)里，G652光纖與G657光纖各傳輸性能參數(shù)完全一樣，但在實際生產(chǎn)時，兩種光纖的模場直徑還是略有區(qū)別的（見表1的各廠家200μm光纖技術(shù)參數(shù)）。一般都把G652光纖的模場直徑的中值控制在9.2μm，而把G657光纖的模場直徑的中值控制在8.8μm。這個模場直徑的差別會對這兩種光纖之間的熔接損耗產(chǎn)生影響。

2 200μm直徑光纖用于OPGW

G657A1/200μm彎曲不敏感光纖是為適應(yīng)接入網(wǎng)應(yīng)用而產(chǎn)生的，其各傳輸項性能幾乎與G652光纖相當(dāng)，甚至一些G657A1光纖就是從常規(guī)G652光纖中挑選出的模場直徑偏小的光纖。因此，將G657A1光纖用于長途干線光纜，在各項性能上是完全滿足要求的。但在實際應(yīng)用中，我國各通信主干網(wǎng)均以G652D光纖為主，特別對電力骨干通信網(wǎng)更是如此。如果在電力骨干通信網(wǎng)中引入G657A1/200μm光纖，可能短期內(nèi)很難被用戶所接受。據(jù)了解，目前市場上有各種原因，還沒有G652D/200μm光纖。

目前執(zhí)行的光纖涂層尺寸標(biāo)準(zhǔn)是在1984年制定的（IEC 793-1：1984）。與30年前的光纖相比，從新型高純合成纖芯材料到質(zhì)量更好、模量更低的光纖涂覆聚合物，現(xiàn)在的光纖質(zhì)量已有了當(dāng)初無可比擬的提高。這為保證光纖強(qiáng)度、提高光纖的抗彎曲性能、減小光纖的外徑，從而滿足大芯數(shù)光纜需求，提供了充分的技術(shù)基礎(chǔ)。因此，對于常規(guī)G652D光纖來說，在保證光纖各項性能不變的情況下減少光纖外徑至200μm，是有充分的理論與試驗依據(jù)的。

中天光纖經(jīng)過對光纖拉絲過程中的涂覆工藝進(jìn)行研究，開發(fā)出一種外徑200μm的G652D光纖［9］，以適應(yīng)長途干線光纜對光纖芯數(shù)增加以及滿足光纖接續(xù)損耗的需要。經(jīng)過各項光纖機(jī)械性能、老化性能測試，試驗結(jié)果與常規(guī)G652D/ 245μm光纖完全一樣，試制的76芯普通光纜護(hù)套外徑由原來的6.5 mm減小至5 mm，而光纜各項性能保持不變。

我們選用中天G652D/200μm光纖用于本次OPGW試驗。為了探討G657A1/200μm光纖用于OPGW的可能性，同時也試制了采用G657A1/ 200μm光纖生產(chǎn)的OPGW。

據(jù)初略統(tǒng)計，在 2013年國網(wǎng)、南網(wǎng)招標(biāo)的OPGW結(jié)構(gòu)中，直徑φ2.5 mm的鋼管占比約為30.75%，φ3.2 mm鋼管占比13.63%。因此，在試驗樣品OPGW所用光纖鋼管外徑的選擇上，我們也是依此作為選擇依據(jù)之一。

根據(jù)Q/GDW 761-2012要求，中心鋼管式OPGWφ3.2 mm外徑光纖鋼管最大容纖數(shù)為30芯（B1）、層絞式OPGWφ2.5 mm外徑光纖鋼管最大容纖數(shù)為24芯（B1）。部分指標(biāo)見表2。

表2 OPGW不銹鋼管光單元系列規(guī)格

本次試制采用中天G652D/200μm光纖生產(chǎn)48芯φ3.20 mm光纖鋼管，用于中心管式OPGW，長度1 200 m；采用康寧G657A1/200μm光纖生產(chǎn)36芯φ2.50 mm光纖鋼管，用于層絞式OPGW，長度1 200 m。這樣的選擇并無特定含義，完全是根據(jù)來樣光纖的數(shù)量而確定的。

在OPGW的結(jié)構(gòu)選擇上，選擇使用量較多的層絞式110mm2OPGW以及中心管式50mm2OPGW結(jié)構(gòu)。本次試驗設(shè)計的OPGW型號、部分性能如表3所示。

表3 OPGW結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 OPGW機(jī)械及環(huán)境性能試驗

為描述方便，以下將OPGW-48B1.3-48［61.4；10.9］簡稱為“48芯結(jié)構(gòu)”，而將OPGW-36B6a1-110［140.4；56.9］簡稱為“36芯結(jié)構(gòu)”。

3.1 光纖衰減

分別測試成品纜OPGW在1 310 nm、1 550 nm、1 625 nm三個波長的光纖衰減。篇幅所限僅給出了各波長下的各光纖衰減平均值和衰減最大值，如表4所示。

表4 OPGW光纖衰減 （單位：dB·km-1）

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變

試驗樣品放在水平拉力機(jī)上。樣品長度50 m，受試長度30 m。每個測試通道串接光纖長度大于100 m。試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖2 48芯OPGW光纖衰減變化（上）及光纖應(yīng)力-應(yīng)變曲線（下）

圖3 36芯OPGW光纖衰減變化（上）及光纖應(yīng)力-應(yīng)變曲線（下）

從圖1、圖2可以看出，對于48芯結(jié)構(gòu)，當(dāng)拉力40%RTS時，光纖無應(yīng)變，1 550 nm波長光纖附加衰減Δα≤0.004 dB/km。當(dāng)拉力60%RTS時，光纖無應(yīng)變，光纖附加衰減Δα≤0.004 dB/km；對于36芯結(jié)構(gòu)，當(dāng)拉力40%RTS時，光纖無應(yīng)變，附件衰減Δα≤0.004 dB/km。當(dāng)拉力60%RTS時，光纖應(yīng)變0.073%，光纖附加衰減Δα≤0.032 dB/km。以上結(jié)果滿足DL/T 832-2003標(biāo)準(zhǔn)要求［10］。

3.3 拉斷力

48芯結(jié)構(gòu)的RTS為61.4 kN，試驗拉斷力為67.28 kN；36芯結(jié)構(gòu)的RTS為140.4 kN，試驗拉斷力為152.55 kN。

3.4 過滑輪

試樣長度100 m，首尾串接后兩個結(jié)構(gòu)OPGW的光纖測試長度分別為4 800 m、3 600 m。受試長度5 m，10次循環(huán)。試驗中48芯結(jié)構(gòu)最大附加衰減0.03 dB/km；36芯結(jié)構(gòu)最大附加衰減 0.053 dB/km，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 溫度循環(huán)

將整盤OPGW樣品放入高低溫箱。測試溫度點分別為：+20℃、-40℃、-50℃、-60℃、+85℃，每個溫度點保溫12 h，共2個循環(huán)。溫度測試以放入OPGW內(nèi)層的熱電偶測試溫度為準(zhǔn)。各溫度點光纖衰減變化最大值見表5。試驗結(jié)果滿足-40～+65℃溫度范圍內(nèi)，光纖附加衰減不大于0.1 dB/km的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 溫度循環(huán)

由表5可以看出，G657A1光纖在-60～+80℃的溫度范圍內(nèi)，1 550 nm波長衰減變化小于0.02 dB/km，表現(xiàn)出了良好的彎曲損耗不敏感性。

3.6 滴流

將3個長度為1 m的光纖鋼管垂直懸掛于高低溫試驗箱中，在70℃環(huán)境下保溫24 h。試驗結(jié)果未見有光纖膏滴出。

3.7 滲水

取光纖鋼管試樣長度1 m，水柱高度1 m，維持1 h，無水滲出。

由前述各項試驗結(jié)果可知，采用 G652D/ 200μm光纖、G657A1/200μm光纖試制的兩種結(jié)構(gòu)OPGW樣品各項性能滿足DL/T 832-2003標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 光纖接續(xù)試驗

由于中天G652D/200μm光纖的模場直徑與常規(guī)G652D光纖相同，因此，用中天G652D/200μm光纖與不同廠家的G652D標(biāo)準(zhǔn)光纖進(jìn)行接續(xù)試驗，接續(xù)損耗雙向平均值大多在0～0.02 dB/km左右，個別最大值不超過0.03 dB/km。

選擇3盤不同編號的G657A1/200μm光纖分別與隨機(jī)挑選的不同廠家的G652D光纖進(jìn)行熔接試驗。1 550 nm波長的測試結(jié)果見表6。

表6 光纖接續(xù)試驗結(jié)果

由表6可以看出，因模場直徑的差別，G657A1光纖與G652D光纖相互熔接時，單向測試損耗較大，這是由OTDR測試原理造成的，并不代表真實損耗［11］。雙向平均后，接續(xù)損耗大多不超過0.1 dB/km。

由于影響光纖接續(xù)損耗的因素很多，比如熔接機(jī)的新舊、放電時間、電弧大小、切割刀的質(zhì)量、接續(xù)人員的熟練程度等，表6中的數(shù)據(jù)并不具有典型意義，僅供參考。根據(jù)Josep Martin等人的試驗［12］，用4個不同廠家的6種型號的熔接機(jī)分別進(jìn)行1 500次熔接試驗，接續(xù)損耗平均值絕大多數(shù)在0～0.04 dB/km之間。

5 結(jié)束語

架空輸電線路設(shè)計對OPGW外徑有著十分苛刻的要求，因此，采用200μm光纖可有效解決光纖芯數(shù)與OPGW外徑之間這個突出矛盾。當(dāng)一條新建的超高壓主干線路OPGW需要利用現(xiàn)有線路對光纖進(jìn)行“T接”時，假如現(xiàn)有線路中的光纖芯數(shù)不能滿足T接要求，而桿塔結(jié)構(gòu)又不允許增加OPGW外徑，這種情況下可考慮利用200μm光纖在原有結(jié)構(gòu)的OPGW中增加光纖芯數(shù)，以滿足光纖T接需求。再者，據(jù)了解在一些省級以下的電力光纖通信網(wǎng)中，受各種原因造成的斷纖、線路的不斷增加等因素影響，目前的光纖通道已十分緊張。如果在新的線路設(shè)計時，在OPGW結(jié)構(gòu)里采用200μm光纖，可使光纖數(shù)量增加三分之一以上，為以后的發(fā)展留有充分的余地，而建設(shè)成本的增加卻極少。若將原有結(jié)構(gòu)OPGW中的光纖芯數(shù)由24芯（245μm光纖）增加至36芯（200μm光纖），則按目前的光纖采購價計算，每公里OPGW的單價增加不超過1 200元，但光纖芯數(shù)卻比原來增加了12芯，故采用200μm光纖生產(chǎn)的OPGW具有較高的性價比。

由此看來，采用200μm外徑光纖可在外徑不變的情況下增加光纖芯數(shù)，或在芯數(shù)不變的情況下減小外徑，是一種特別適合電力架空光纜如OPGW、ADSS、OPPC設(shè)計的新型光纖，可滿足未來我國智能電網(wǎng)建設(shè)對光纖通信的要求。

［1］ Q/GDW 761-2012：光纖復(fù)合架空地線（OPGW）標(biāo)準(zhǔn)類型技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］ ITU-TG.657：2012 接入網(wǎng)用彎曲損耗不敏感單模光纖光纜的特性［S］.

［3］ Steven R.Schmid，Pratik Shah，Long Han，et al.Development and characterization of a superior class of microbend resistant coatings for today's networks［J］.International Wire&Cable Symposium Proceedings，2009：72-78.

［4］ IEC 60793-2-50：2012 Optical fibres.Proudct specification. Sectional specification for class B single-mode fiber［S］.

［5］ ITU-T G.652-2009 單模光纖和光纜的特性［S］.

［6］ Takao Fukute，Akira Namazue，Masaki Ogi，et al.Development of the ultra high density loose tube cables using200μm coated fibers for microduct application［J］.International Wire&Cable Symposium Proceedings，2011：56-60.

［7］ Bob Overton，DelyaGharbi，Oliver Delwal，et al.Reduced diameter optical fiber and cable［J］.InternationalWire&Cable Symposium Proceedings，2010：117-122.

［8］ Olivier Tatat，Jean Marc Testu，F(xiàn)lorin Chirita，et al.Combination of innovative micromodules cable designs with different types of singlemode fibers：performance and applications［J］.InternationalWire&Cable Symposium Proceedings，2013：160-164.

［9］ 曹珊珊.φ200μm小尺寸單模光纖的制備與研究［C］//中國通信學(xué)會2013年電纜光纜學(xué)術(shù)年會論文集，88-92.

［10］ DL/T 832-2003 光纖復(fù)合架空地線［S］.

［11］ 武漢長飛光纖公司技術(shù)白皮書YOFCWP-10002 G.657光纖與G652光纖的熔接損耗［Z］.

［12］ Josep Martin Regalado，Alain Bertaina，Lionel Provost，etal.Low attenuation and high excess-fiber length OPGW using G.652D bend insensitive fibers［J］.InternationalWire&Cable Symposium Proceedings，2012：329-334.

App lication of 200μm Diam eter Optical Fiber in OPGW

LIMing，TAN Liang，MIAO Xu-guang，CAO Yu-qun，LIU Yong，LU Jie
（Zhongtian HitachiOptical Fiber Cable Co.，Ltd.，Nantong 226463，China）

The external diameter of OPGW is strictly restricted in overhead transmission line design，which consequently restricts themaximum fiber-count of OPGW.To fulfill the requirements of future smart grids for optical fiber communication，we trial-produced a new type of optical fiberwith 200μm external diameterto replace the conventional 245μm diameter fiber，so as to increase the amount of fibers inside OPGW.With the same OPGW structure，using 200μm diameter fibers increased the amountof fibers inside OPGW bymore than 1/3.The performances of the trialproduced OPGW sample with new 200μm diameter fibersmet the standard requirements.

OPGW；200μm diameter fibers；application

TN818

A

1672-6901（2014）05-0004-06

2014-03-24

栗 鳴（1957-），男，碩士，高級工程師.

作者地址：江蘇如東縣河口鎮(zhèn)中天路1號［226463］.