深圳特发信息股份有限公司光缆事业部  徐再高
引言
自上世纪八十年代发明了光纤架空复合地线光缆（OPGW）以来，即在全世界范围内得到了广泛的应用。OPGW光缆结构包括光单元和铠装层，光单元承担OPGW光纤通信功能，铠装单元承担地线功能。光单元是OPGW的核心组成部分，光单元的演变和发展促进了OPGW的改型换代，光单元的结构对光纤的受力状态、光信号的传输衰减及OPGW长期运行的可靠性和预期寿命有重大影响，因此，要根据使用条件，合理设计光单元结构。
    目前OPGW有两种光纤结构型式：松套结构和紧套结构，紧套结构的光纤包覆张力元件，紧套光纤束在光纤结构单元中几乎没有余长，而松套结构中光纤一般置于有填充物的金属管中，不锈钢管中有较大的调整空间容纳光纤的余长，对光纤有一定的缓冲作用，保证光纤在各种恶劣条件下不受力，保证瞬间冲击和大载荷下光纤不受到任何影响，因此，我们优先选择松套结构形式的光缆。
为了预防由于OPGW不同金属线相互接触形成原电池效应而产生电化腐蚀，我们在不锈钢管与铝包钢或铝合金线之间的缝隙填满防腐油膏。但是在下暴雨的时候，防腐油膏会从缆体内渗出；在烈日下或干燥的大气条件下所涂的防腐油膏会凝固变硬，长期暴露在这种环境条件下会使油膏的抗腐蚀能力下降，尤其在严酷的环境条件下，这种现象会加剧。
针对上述情况，我们设计开发了一种新型的铝包不锈钢管光单元的OPGW光缆，这种光缆无需填充油膏来抗击电腐蚀。因为这种光缆不锈钢管表面的铝包层直接与其他的铝导线相接触，同种金属之间不会形成电位差，因而不存在由于金属电势而产生的腐蚀，即使应用在临海重工业污染区也有着优良的耐腐蚀性能。本文主要阐述这种新型OPGW光缆的设计理念、特性和试验结果。
铝包不锈钢管光单元
     这种新型不锈钢管是在常规不锈钢管表面包覆铝层后而制成，它的总外径达5.2mm，比普通钢管大许多，它最大可容纳48芯光纤，为避免套管中光纤受力，光纤余长要大于0.4%，该套管的详细技术规范在表1中列出，常规不锈钢管的技术规范也列出来以作比较。

表1. OPGW铝包不锈钢管和常规不锈钢管结构对比

钢铝复合管结构OPGW光缆
在表2中，将铝包不锈钢管OPGW和常规OPGW进行结构对比。常规OPGW通常有两层：内层铝包钢线和外层铝合金线，在不锈钢管与两种导线之间的间隙填满防腐油膏，在多数情况下，光单元常常不在中心，但仍处于内层，因此，普通的OPGW都有两层，以防止光缆在安装夹紧时光单元不受挤压及避免电腐蚀。这种常规OPGW有以下缺点：
（1） 常规OPGW光缆外层常常绞合铝合金线来满足短路电流容量的要求，然而，当雷击时，外层导线趋向于熔融并易于断裂（与铝包钢线相比较而言），这是因为铝合金线的熔融能量比铝包钢线小2～3倍。
（2） 在常规OPGW光缆中，光单元处于内层，必须要用双层结构来缓冲在光缆卡装期间作用在套管上的压缩力。这种双层的绞合结构增加了OPGW的尺寸，因为为了确保光缆有足够的抗雷击特性，导线的直径不能减小。此外，如果要求光纤的芯数增加，就必须增加光单元数。
（3） 常规OPGW一般是在不锈钢管与金属导线间的空隙填充油膏来防止电化腐蚀的，然而，光缆在恶劣的环境下长期运行后，防腐油膏的性能可能会越变越差，从而直接影响了常规OPGW光缆的耐腐蚀性能。
为了防止出现上述现象，光单元应采用铝包不锈钢管结构。我们开发的新型OPGW尺寸与常规OPGW相当，极限抗拉强度类似，标称重量轻、外径小。它的主要技术特性描述如下：
（1） 不锈钢管光单元位于光缆结构的中心，因此，新型OPGW仅有一层铝包钢线，最多容纳48根光纤。
（2） 新型OPGW用铝包钢线取代铝合金线来改善光缆的抗雷击性能。然而，由于光单元套管中含有铝层，因而在光单元套管中允许有一部分电流通过，这就使光缆总的短路电流容量增加了10%～20%。
（3） 新型OPGW光缆防止电化腐蚀无需采用防腐油膏，因为不锈钢管的铝包层直接同缆外层的铝包钢线相接触，同种金属不能形成电位差，组成不了原电池，对光缆也就不能构成电流、化学侵蚀。这一特点是新型OPGW光缆最重要的优势。

表2 铝包不锈钢管和常规不锈钢管OPGW光缆结构比较

光纤余长的确定
   鉴于松套结构OPGW光缆中光纤的寿命和可靠性，重要的问题是要确定光单元中光纤合适的余长。为了获得所需的最小余长值，首先要确定或估算出在整个光纤寿命期中预期的伸长量范围，在整个寿命期间OPGW的预期伸长量列入表3，总的预期伸长“Etotal”是“Einstallation”和“Eoperation”之和。一般地，光纤最好不要被拉长，以避免静态疲劳。因此，要确定光纤的最小余长值以保证光纤在安装和运行期间所受的应力达到最小（尽管OPGW已被拉伸）。OPGW光缆和光纤的应力应变特性试验结果表明：当光缆的拉伸应变差不多等于光纤的余长时，光纤才开始受力，产生光纤应变。

表3  OPGW伸长率类型

另一方面，为了得到光纤最大应变值，就需研究光纤低温时的特性，套管中光纤由于零各向异性一般假定呈螺旋形分布，理论上，这会使备用弹性能量（由于弯曲）最小。当在室温下套管中光纤余长比较大时，则衰减的增加可能出现在低温（由于宏弯效应），这就是说：螺旋光纤的弯曲半径小于最小弯曲极限（由于OPGW收缩），因此，必须要估算出OPGW光纤余长的最大值，以便消除在低温时（如-40℃）由“宏弯”所引起的衰减增加。
对于新型OPGW，合适的余长“ε”应服从以下关系式：
Etotal＜ε＜εmacro-bending
在以上关系式中，εmacro-bending为室温（20℃）下光纤的余长，并假定光纤在低温下没有宏弯附加衰减。因此，通过一系列的试验和计算。可以看出：对于新型铝包钢不锈钢管OPGW光缆，其合适的余长选择范围是0.55～0.70%。
新结构OPGW光缆型式试验
我们对新型铝包不锈钢管OPGW（截面90mm2，含24芯单模光纤）光缆，按照国际标准进行设计指标试验，来检验它的一些基本特性，现将一些主要的试验结果描述如下：
（1） 压扁试验
  试验样品安放在两块扁平的、可移动的钢板之间，钢板宽度50mm，压力载荷通过可移动的钢板逐渐加在试验光缆上，在9.8KN时光损耗开始急剧增加，这与常规不锈钢管OPGW光缆的试验结果相同，结果如图1所示。
 
图1 新型OPGW压扁特性

（2） 冲击试验
试验样品置于冲击锤下，锤重500g，冲击高度：1m，冲击次数：5次，同时监测光功率，试验后光纤无明显附加衰减。
（3）扭转试验
样品长度：20mm，置于扭转试验机上，一端夹紧固定，另一端可旋转，试验样品在恒定的张力载荷作用下在旋紧和退扭两个方向（即正、反方向）进行扭转试验，同时监测光功率的变化。在旋紧方向，光损耗的增加出现在1.3 turns/m,而退扭时尽管旋转到1.67 turns/m, 但仍然无附加衰减。因此，这种新型OPGW缆与普通OPGW缆一样，具有很高的抗扭转性能。在敷设期间，建议旋转度应最小，通常规定最小值为0.1turns/m.
(4)振动试验
   振动试验是模拟高频率的风激振动现象，试验在下列条件下进行，同时监测光功率的变化:
1、 张力载荷：20%UTS(16KN)
2、 振动频率：50Hz
3、 振动次数：107
试验期间没有观察到明显的附加衰减。
(5)过滑轮试验
     试验在下列条件下进行，并同时监测光功率的变化:
1、张力载荷：20%UTS(16KN)
2、滑轮直径：450mm
3、张力角：30o
4、过滑轮次数：20
试验期间没有观察到明显的附加衰减，试验后不锈钢管的变形极小，可忽略。
(6)应力应变试验
取光纤余长为0.60%的光缆试样，并将其架设在拉力试验设备上，光纤的应变用相移法来测试。拉伸力逐渐施加到该OPGW的65%UTS，同时测量光纤、OPGW缆的应变量及传输光损耗的变化，试验结果如图2所示。
  
图2 新型OPGW应力应变特性曲线

   当OPGW光缆应变达到0.55%时，光纤才开始受力产生应变，而此时缆应变0.55%差不多相当于光纤余长的值，在试验期间光衰减也没有增加。考虑到在各种条件下OPGW预期的最大应变量，应通过这些试验结果来最终确定OPGW所需的余长值。
(7)盐雾试验
   盐雾试验是为了研究OPGW的耐腐蚀性能，分别将铝包不锈钢管和裸不锈钢管OPGW暴露在盐雾中一个月后观察，我们发现：当裸不锈钢管和铝包钢线绞合在一起时，铝包钢线表面部分地出现电化腐蚀，尽管已经在各导线的缝隙间填满了防腐油膏。与其相比较，由新型铝包不锈钢管与铝合金线绞合成的OPGW，具有非常高的抗腐蚀性能和可靠性，因而有很长的寿命。表4列出了各种形式的OPGW光缆在有腐蚀的环境条件下的适用性。

表4在腐蚀环境下OPGW的适用性

注：  “A”地区：无腐蚀
      “B”地区：轻微腐蚀
“C”地区：有腐蚀
(8)温度循环试验
  复绕在木盘上的光缆放进温度循环试验箱，试验箱的温度从-35℃～85℃，循环三次，同时监测衰减的变化。试验结果表明：在实际运行中光缆没问题。
(9)温升试验
  温升试验是检查光纤耐瞬时高温特性，通过提供一大电流，光缆样品被瞬时加热到200℃，结果发现：在加热和冷却期间光纤衰减无变化。

结   论
我们新开发的铝钢复合不锈钢管OPGW光缆具有以下主要特点：
（1） 它可以消除电化腐蚀而无需填加防腐油脂，这是因为在OPGW缆中的不锈钢管外表面包覆了一铝层。
（2） 这种新型OPGW一般采用中心管光单元结构，目前最大可容纳48芯光纤。
（3） 短路电流可以在钢管表面的铝层中流动，这会使光缆总的短路电流容量提高10%至20%
（4） 光纤合适的余长范围是：0.55%～0.70%
（5） 光缆各项性能的试验结果令人满意。
因此，与常规OPGW相比，新型钢铝复合管结构OPGW光缆可靠性更高、长期运行稳定性更好。