光缆的余长设计与温度特性分析

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　　前言
　　我国疆土辽阔，气候温差大，在沙漠戈壁地区甚至每日温差都高达三四十摄氏度。光缆有架空敷设、地埋敷设及穿管敷设三种方式，特别是兰西拉工程，光缆所经地段海拔高达四、五千米，冰冻高寒及温度变化可能导致光缆严重回缩，损耗剧增。

严重时会导致通信中断。可见光缆的温度特性对光缆的传输性能优劣及稳定性影响十分重大。高品质的光缆能在极其恶劣的气候条件下，仍然具有稳定的传输性能。
　　
　　众所周知，光缆是由多种原材料加工复合而成的均匀线性体。在这些材料中，它们的线膨胀系数、截面积、抗张模量各不相同。在某一温度下，将他们集合以一定的工艺加工方式组合起来变成一条光缆。如果光缆的使用温度假定永远都是处在加工时的温度，那么他们之间基本不存在热胀冷缩问题，也不存在各材料间的相互作用力。但事实上，这样恒温的环境是不可能存在的。例如，气温下降，塑料（特别是PBT束管和外层的护套）由于线膨胀系数大，回缩加剧，而钢丝或FRP由于线膨胀系数小，回缩量很小，光纤的线膨胀系数则更小，几乎不回缩，这样就导致了各层单元间相互作用，这种作用力的存在最终将影响光缆的温度特性。
　　
　　所谓光缆的温度特性，是指在某一温度范围内（例如-50℃~+60℃），光缆中每公里光纤损耗变化量，记作。
　　
　　究竟那些因素会影响光缆的温度特性，归纳起来主要有如下因素：
　　
　　（1）层绞式光缆或中心束管式光缆中光纤的余长设计与制造时的控制。
　　
　　（2）光缆中各层单元间的摩擦力（或紧密度）。
　　
　　1. 层绞式光缆的余长设计与温度特性关系
　　当光纤相对于置自身束管的余长等于零的情况，这时，PBT束管绕绞在中心加强件上时，其光纤相对于心加强件的位置如图1所示。
　　
　　当光缆受到拉伸或气温升高时，光缆将伸长并发生应变。此时，光纤向缆中心移动，当移至D2位置时，光纤束已靠近束管孔内壁，光纤这一径向移动过程称之为层绞式光缆绞合余长释放，当光缆继续受力（升温）伸长时，光纤将受纵向拉力而发生应变。层绞式光缆余长释放量的大小与绞合节距的平方成反比，与光纤在束管中径向移动量成正比，详见式（1）。
　　
　　……………（1）
　　
　　其中：
　　
　　R=D1/3r=(d2-dfe)/2，
　　
　　d2：束管内孔，
　　
　　dfe：光纤束等效直径，且dfe=1.16(n)1/2×df，
　　
　　其中，
　　
　　n：光纤根数，
　　
　　df：单根光纤直径，
　　
　　P：为缠绕节距。
　　
　　反之，当光缆在低温情况下，发生收缩。光纤束在束管中的径向会向外移动并移至图2中如D3所示位置。
　　　
　　光纤束的这种向外径向移动,我们称之为余长储存。
　　
　　在实际生产层绞式光缆时，我们希望光纤束在绞缆后，所处位置在束管中处于接近中心位置为好。为了保证这一点，光纤在二次套塑后，常需要在束管里有一定量的小余长（比如0.4~0.6‰），以便满足当束管受到拉伸应变时，正好抵消这一被拉伸量。设束管的放线张力（即拉伸束管的力）为F1，则束管在该张力下的伸长量εP为：
　　
　　F1=EP×SP×εP…………（2）
　　
　　其中：
　　
　　EP：PBT束管的拉伸模量，
　　
　　SP：PBT束管的截面积，
　　
　　εP：PBT束管的伸长量。
　　
　　根据理论计算，列出了Ф2.1/1.6-6D束管6单元绞合,中心加强件为Ф2.2时，产生的理论余长详见表1。
　　　
　　由上表计算表明，储存余长略大于释放余长。这是因为加工光缆时，一般在20℃~25℃，气温相对较高。当由20℃升到70℃时，温差变化为50℃，如气温由20℃冷至-40℃，气温变化达60℃，所以让储存余长略大于释放余长是有道理的。
　　
　　光缆是由多层不同材料复合制成，假定他们之间是紧密的，且有足够的摩擦力，那么，光缆中各层间在光缆伸长或回缩时，不发生层间的相对滑动，这时，光缆的伸长与回缩将按等效线膨胀系数进行热胀冷缩。等效线膨胀系数由式（3）决定。
　　
　　式中，E1、S1、α1：中心加强元件的杨氏模量、截面积及线胀系数；
　　
　　E2、S2、α2：PBT束管的杨氏模量、截面积及线胀系数；
　　
　　E3、S3、α3：皱纹钢带的杨氏模量、截面积及线胀系数；
　　
　　E4、S4、α4：中密度护套的杨氏模量、截面积及线胀系数；
　　
　　根据式（3），我们将几种型号的光缆（按标准要求设计的尺寸）线膨胀系数计算如表（2）。
　　
　　我们知道，如果光缆温度升高而伸长，由于光纤的线膨胀系数极小（约为5.8×10-7℃），几乎不伸长，因此，可以近似认为层绞式光缆中光纤余长将释放。假定制造光缆时的气温为20℃，绞合节距为80mm，光缆芯数为36芯，中心加强钢丝为φ2.2，PBT束管为φ2.1/1.5，光缆型号为GYTA53型，则可用下式：
　　
　　………………（4）
　　
　　计算光缆的允许温升：
　　
　　℃
　　
　　同样道理,也可以计算光缆允许气温下降时的温差:
　　
　　℃
　　
　　但实际上不可能达到如此的高温和低温，因为光缆材料本身不允许。但至少可以说在-40℃~+60℃温度范围内光缆的性能指标不会有什么变化。根据公式粗略计算（只算中心钢丝的抗拉力），光缆在3340N力作用下，缆中光纤无应变。
　　
　　从以上理论分析可知，余长大小和节距关系非常大，那么是不是节距越小越好呢？从余长的释放与储存的大小来考虑，小节距应当比大节距好，但节距过小，又会带来新的问题，那就是光纤缠绕中心加强件的空间螺旋弯曲半径会减小，并导致由于弯曲所引起的应变增加，同时还会影响光缆中光纤的PMD值。这种静态弯曲应变的存在，同样会影响光纤的寿命。根据理论计算，当上述结构在节距为80mm时，其静态弯曲应变约为0.8‰，因此，还能保证光纤30年以上的预期寿命不受影响。
　　
　　同样原理我们可以分析中心管式光缆，这里不再讨论了。
　　
　　2.制造中应注意的若干问题
　　根据上述理论分析,要想获得理想的余长必须做到:
　　
　　（1）合理设计束管的截面尺寸和光纤芯数，以便保证光纤束在管孔中的径向移动量r。
　　
　　（2）在挤PBT束管时，应严格稳定地控制光纤在束管中的余长为0.4~0.6‰,并保证束管壁厚度及均匀性。
　　
　　（3）束管层绞时，严格控制束管的放线张力F1及绕绞节距P，以保证绞合余长在理论计算值附近。
　　
　　（4）光缆的各层之间应紧密、均匀，并有足够的摩擦力，防止层间在光缆的两端发生由于材料的收缩引起的相对滑移，这一点十分重要。当然这种滑移一般都是由于温度变化所引起的。
　　
　　3.结论
　　层绞式光缆由于其产生余长主要领先控制绕绞节距来控制余长，因此，其余长的分布均匀、稳定、可靠。而中心束管式光缆，主要依靠挤束管工序产生正余长，余长相比之下，较层绞式要小，而且分布易发生随机性。因此，从这一意义上讲，层绞式优于中心管式。
　　
　　另一方面，平行钢丝加强的中心管式光缆只能在垂直平行钢丝平面内弯曲，而不能在平行钢丝的平面内弯曲，给施工放缆带来一定困难。因此，对建设国家一级干线，笔者建议尽可能选用层绞式光缆。

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