輕型小纜徑自承式光纜的研究與應(yīng)用

■顧利國(guó) 薛夢(mèng)馳 李強(qiáng) 黃國(guó)華 孫國(guó)芳　　（江蘇亨通光電股份有限公司 江蘇 吳江 215234）

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輕型小纜徑自承式光纜的研究與應(yīng)用

■顧利國(guó) 薛夢(mèng)馳 李強(qiáng) 黃國(guó)華 孫國(guó)芳（江蘇亨通光電股份有限公司 江蘇 吳江 215234）

摘 要全球范圍內(nèi)興起的國(guó)家寬帶計(jì)劃，加速推進(jìn)了光纖通信網(wǎng)絡(luò)的布局，隨著FTTH建設(shè)逐步向偏遠(yuǎn)城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)滲入，如何以較低的成本敷設(shè)一張安全高效的光纖網(wǎng)絡(luò)，是大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商都在考慮的問(wèn)題。輕型小纜徑自承式光纜具有外徑小、重量輕、自承式等特點(diǎn)，利用現(xiàn)有桿塔即可達(dá)到快速安裝效果，既可有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和縮短建設(shè)周期，又可滿足接入網(wǎng)段布線的安全性需求。目前，輕型小纜徑自承式光纜已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)主流運(yùn)營(yíng)商得到應(yīng)用，且運(yùn)行情況良好。本文扼要概述了輕型小纜徑自承式光纜的結(jié)構(gòu)、工藝要點(diǎn)、性能指標(biāo)以及應(yīng)用等。

關(guān)鍵詞：光纜、小纜徑、自承式

1 前言

隨著FTTH建設(shè)的推進(jìn)，光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)逐步由城市轉(zhuǎn)向鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)，重新建設(shè)管道資源或開(kāi)挖新的隧道成本非常高昂，也不利于FTTH建設(shè)的快速推進(jìn)，而因歷史原因，縣市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村的通信網(wǎng)絡(luò)建有大量的水泥桿和鐵塔。因此，為節(jié)約通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和縮短建設(shè)周期，一種可利用現(xiàn)有的桿塔進(jìn)行架空敷設(shè)的自承式光纜是非常符合當(dāng)前通信行業(yè)快速發(fā)展需要。

2 現(xiàn)狀

目前市場(chǎng)上松套管結(jié)構(gòu)的光纜主要有兩種，一種為中心管式結(jié)構(gòu)，即光纜只有一個(gè)松套管，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，影響其性能的關(guān)鍵點(diǎn)為松套管內(nèi)光纖一次余長(zhǎng)，而松套管內(nèi)光纖的一次余長(zhǎng)受套塑工藝、材料和護(hù)套工藝等影響較大，所以工藝控制難度也大。另外一種為層絞式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是纜芯由多個(gè)松套管絞合在加強(qiáng)件外圍，影響其性能的關(guān)鍵點(diǎn)為二次余長(zhǎng)而非套管內(nèi)光纖的一次余長(zhǎng)。對(duì)于層絞式光纜而言，在絞合元件尺寸確定的情況下，只需控制絞合節(jié)距即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的二次余長(zhǎng)，如公式1所示。[1]對(duì)于成纜設(shè)備而言，絞合節(jié)距的控制是比較容易的，而節(jié)距的穩(wěn)定可保障層絞式光纜的各項(xiàng)性能，因此市場(chǎng)上大部分室外光纜都優(yōu)先選擇此結(jié)構(gòu)。

其中：

d——中心加強(qiáng)件直徑；

δ——松套管壁厚；

n——松套管內(nèi)光纖數(shù)量

df——光纖直徑。

D——松套管直徑；

h——絞合節(jié)距;

目前市場(chǎng)上使用的層絞式光纜均采用1+n結(jié)構(gòu)，即松套管和可能有的填充繩以S-Z絞合方式繞包在中心加強(qiáng)件外面，因中心加強(qiáng)件（鋼絲或G-FRP）具有較好的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，因此可作為光纜的主要抗拉和抗彎曲元件，如圖1中所示。但是對(duì)于8字型自承式光纜，在運(yùn)行過(guò)程中主要由增強(qiáng)吊線承擔(dān)主要的拉伸負(fù)載，因此對(duì)8字型自承式光纜而言，纜芯內(nèi)的中心加強(qiáng)件的抗拉功能被弱化，中心加強(qiáng)件的存在也增大了整個(gè)絞合纜芯的尺寸，從而使光纜的外徑變大，也增加了光纜的自重，影響了光纜的施工效率和運(yùn)行安全性等。因此基于制造成本、施工效率、運(yùn)行安全性等方面考慮，我們開(kāi)發(fā)了一種新型的8字型自承式光纜，以滿足市場(chǎng)需求。

圖1 普通層絞式自承式光纜

3 產(chǎn)品介紹

3.1 結(jié)構(gòu)

從目前縣市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村FTTH建設(shè)時(shí)光纜需求看，在饋線段和配線段光纜芯數(shù)一般在36芯以?xún)?nèi)，針對(duì)這種情況，我們開(kāi)發(fā)了輕型小纜徑8字形自承式光纜，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，舍棄中心加強(qiáng)件，將1+n結(jié)構(gòu)改為0+n結(jié)構(gòu)，即松套管和可能有的填充繩以S-Z絞合成一個(gè)纜芯，然后與增強(qiáng)吊線一起擠塑成一個(gè)8字形的光纜。纜芯可采用填充油膏或干式阻水紗進(jìn)行阻水，為便于纜芯護(hù)套的開(kāi)剝，纜芯可放置一根或兩根撕裂繩。

圖2 輕型小纜徑自承式光纜

本產(chǎn)品的主要特點(diǎn)如下:

通過(guò)0+n的絞合方式，保證光纜產(chǎn)品性能穩(wěn)定；

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自重輕，施工方便；

纜徑小，增強(qiáng)吊線可由鋼絞線改為鋼絲，成本低。

3.2 工藝注意點(diǎn)

（1）成纜工序

在這個(gè)工序中，三個(gè)絞合單元（松套管和可能有的填充繩）以一定的節(jié)距按S-Z方式絞合成纜芯后，在纜芯外用扎紗固定，因?yàn)闊o(wú)中心加強(qiáng)件的支撐，這個(gè)三單元的纜芯剛性不足，因此扎紗張力的控制非常關(guān)鍵。太大的扎紗張力將使松套管被扎扁，從而出現(xiàn)光纖衰減偏大現(xiàn)象；如果扎紗張力更大一些，扎紗過(guò)程中可能出現(xiàn)纜芯彎折事故。太小的扎紗張力不能有效固定各個(gè)松套管，容易出現(xiàn)纜芯松散，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定現(xiàn)象，進(jìn)而影響光纜的各項(xiàng)性能，包括拉伸強(qiáng)度、壓扁性能、沖擊、溫度穩(wěn)定性，以及彎曲性能等等，因此我們需要選擇一個(gè)合適的扎紗張力，確保0+3絞合纜芯達(dá)到1+n絞合纜芯一樣的質(zhì)量。

（2）護(hù)套工序

傳統(tǒng)的8字型自承式光纜，纜芯自重大，需要較高的拉伸強(qiáng)度保證光纜自承敷設(shè)需求，因此一般采用較粗的鋼絞線（如7×1.2mm）作為加強(qiáng)元件。鋼絞線有凹凸不平的螺紋狀外表，使護(hù)套料與鋼絞線良好接觸，避免了收縮或粘結(jié)不牢現(xiàn)象。本產(chǎn)品采用單根鋼絲或則非金屬增強(qiáng)纖維桿作為加強(qiáng)元件，鋼絲或非金屬纖維增強(qiáng)桿外表比較光滑，要使其與護(hù)套緊密粘結(jié)，不產(chǎn)生收縮位移現(xiàn)象，一種方法是在加強(qiáng)件表面進(jìn)行涂塑處理，但是這個(gè)方式明顯會(huì)增加產(chǎn)品的制造成本；另外一個(gè)方法就是通過(guò)工藝和模具的改進(jìn)，使擠護(hù)套時(shí)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)桿與聚乙烯材料的緊密結(jié)合。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

對(duì)于自承式光纜而言，光纜在服役期間光纖所受到的應(yīng)力是影響其壽命的關(guān)鍵因素，因此我們根據(jù)應(yīng)變與光纖壽命的關(guān)系，制定了其幾個(gè)重要張力參數(shù)[2]，具體如下：

光纜額定拉斷力（RTS）：光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拉斷力，是指承載截面強(qiáng)度之和的計(jì)算值。在型式試驗(yàn)時(shí)，要求實(shí)際拉斷力不小于設(shè)計(jì)拉斷力的95%。

光纜的年平均運(yùn)行張力（EDS）：在無(wú)冰無(wú)風(fēng)平均氣溫的氣象條件下光纜所受的張力，并要求此張力下光纖應(yīng)變不大于0.05%。該張力與額定拉斷力的關(guān)系是EDS≤25%RTS。

光纜最大允許使用張力（MAT）：是指光纜在設(shè)計(jì)氣象條件下，理論計(jì)算總負(fù)載時(shí)，光纜所允許承受的最大張力，并且要求此負(fù)載時(shí)光纖應(yīng)變應(yīng)不大于0.22%。根據(jù)光纖應(yīng)變及使用壽命計(jì)算公式可知，在此負(fù)載下光纖壽命可超25年。該張力與額定拉斷力的關(guān)系是MAT≤40%RTS。[3]

光纜的極限運(yùn)行張力Ultimate operation strength（UOS）：光纜在運(yùn)行中所能承受的極限張力，并要求此張力下光纖應(yīng)變應(yīng)不大于0.33%。根據(jù)光纖應(yīng)變及使用壽命計(jì)算公式可知，在此負(fù)載下光纖壽命可超1個(gè)月。該張力與額定拉斷力的關(guān)系是MAT≤60%RTS。[3]

3.4 光纜拉力的計(jì)算

當(dāng)光纜受到拉伸時(shí)，其光纜的拉伸應(yīng)變計(jì)算如公式（2）所示。

式中：

F——光纜受到的拉伸力

E——光纜各構(gòu)件的彈性模量

S——光纜各構(gòu)件的截面積

ε——光纜受拉伸時(shí)的應(yīng)變

對(duì)于層絞式光纜而言，光纜在進(jìn)行張力設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)，其拉伸應(yīng)變由三部分組成，即：松套管的一次余長(zhǎng)、二次余長(zhǎng)和此張力下光纖的允許應(yīng)變。一次余長(zhǎng)通常在成纜過(guò)程中基本被吃掉，可忽略。對(duì)于普通層絞式光纜而言，二次余長(zhǎng)可通過(guò)公式（1）計(jì)算獲得，而輕型小纜徑自承式光纜因無(wú)中心加強(qiáng)件，所以不能用公式（1）計(jì)算二次余長(zhǎng)，需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及絞合元件尺寸等重新驗(yàn)算，經(jīng)推導(dǎo)得到其二次余長(zhǎng)的計(jì)算如公式3所示。

從公式（3）我們可以發(fā)現(xiàn)，輕型小纜徑自承式光纜的二次余長(zhǎng)主要與套管尺寸和絞合節(jié)距有關(guān)，因此其二次余長(zhǎng)的控制更加方便。

設(shè)計(jì)光纜時(shí)通常保證光纖應(yīng)變?chǔ)?小于光纜應(yīng)變?chǔ)拧?/p>

注：增加上面一行字，這樣就把公式2和公式3的邏輯關(guān)系說(shuō)明白了。

公式3是引用的，還是自己推導(dǎo)的，前者的話宜給出引用的參考文獻(xiàn)，后者的話，宜給出推導(dǎo)的思路（大致說(shuō)明在公式1基礎(chǔ)上，采取了哪些處理原則而得到公式3）

4 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用

4.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

自承式光纜的一個(gè)特點(diǎn)就其拉伸性能需根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，如檔距、氣象條件和安裝弧垂等。對(duì)于借助市話電信桿塔進(jìn)行自承敷設(shè)的光纜，則通信桿塔之間的檔距一般在100m以?xún)?nèi)。例如在湖南省某電信公司FTTH建設(shè)時(shí)接入至農(nóng)村的饋線纜，它的最大跨距不超過(guò)80m；當(dāng)?shù)刈類(lèi)毫拥臍庀蟓h(huán)境是5mm的覆冰或30m/s的風(fēng)速；另外，考慮水泥桿對(duì)地安全距離，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款GYTC8Y-36B1的產(chǎn)品，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 光纜的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

光纜經(jīng)設(shè)計(jì)后進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)，其實(shí)物如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品實(shí)物圖

4.2 產(chǎn)品性能

對(duì)于輕型小纜徑自承式光纜而言，產(chǎn)品經(jīng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)完后，我們必須對(duì)其性能進(jìn)行嚴(yán)格的認(rèn)證，以保證其在安裝和后期使用時(shí)不出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。經(jīng)檢測(cè)，產(chǎn)品的主要性能如表2所示。

表2 光纜主要性能測(cè)試情況

表2的指標(biāo)是運(yùn)營(yíng)商的通常要求，還是企業(yè)自己的規(guī)范，最好大致描述一下 。

4.3 產(chǎn)品應(yīng)用

本產(chǎn)品是自承敷設(shè)在現(xiàn)有桿塔上的，所以必須要有配套的金具將光纜懸掛在水泥桿塔上。因?yàn)檩p型小纜徑自承式光纜是8字型結(jié)構(gòu)，所以他的懸垂金具和耐張金具與電力系統(tǒng)中圓形的ADSS使用的金具有所不同，圖4是光纜及其金具安裝圖。

圖4 光纜安裝圖

5 總結(jié)

我們開(kāi)發(fā)的輕型小纜徑自承式光纜，它采用了8字型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，纜芯絞合單元采用0+3結(jié)構(gòu)，即舍棄了與光纜拉伸性能關(guān)聯(lián)不大的中心加強(qiáng)件，使整個(gè)光纜尺寸變小，自重變輕，大大降低光纜的制造成本。同時(shí)，我們也通過(guò)產(chǎn)品檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)他的傳輸性能、機(jī)械性能和環(huán)境性能是比較優(yōu)秀的。目前該款產(chǎn)品在中國(guó)三大電信運(yùn)營(yíng)商、東南亞地區(qū)、歐洲、南美等均有客戶應(yīng)用，基于科學(xué)合理的拉伸性能設(shè)計(jì)，保證了產(chǎn)品的安全可靠和正常的使用壽命。我們相信，隨著各國(guó)FTTH向鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村推進(jìn)，在光進(jìn)銅退過(guò)程中，利用原先桿塔自承敷設(shè)的輕型小纜徑自承式光纜的市場(chǎng)將更加廣闊。

6 參考文獻(xiàn)

(1)鄒林森,光纖與光纜,武漢工業(yè)大學(xué)出版社；

(2)中華人民共和國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),YD/T 1999-2009《微型自承式通信用室外光纜》；

(3)陳炳炎，光纖光纜的設(shè)計(jì)與制造,浙江大學(xué)出版社。

Doi:10.3969/j.issn.1673-5137.2016.01.003