幾種新結(jié)構(gòu)的室外光纜 - 無(wú)圖版
403942 --- 2010-05-03 23:41:09
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眾所周知，光纖通信硬件是由光纖、光器件和系統(tǒng)設(shè)備3大部分組成的.在實(shí)際工程中光纖是以光纜形式應(yīng)用的.光纜作為光纖的具體應(yīng)用形式，包含著兩重含義：(1) 可以用不同品種的光纖制成同一結(jié)構(gòu)的光纜，供不同層次的網(wǎng)絡(luò)使用；(2) 可以用不同的材料制成不同結(jié)構(gòu)的光纜來(lái)滿足不同應(yīng)用場(chǎng)所的需要.自20世紀(jì)80年代初至今，光纜應(yīng)用場(chǎng)所經(jīng)歷了從核心網(wǎng)到城域網(wǎng)、接入網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程,未來(lái)將再度向著家庭桌面延伸或者由室外向室內(nèi)發(fā)展.在光纖發(fā)展的同時(shí)，光纜無(wú)論是從材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和制造工藝，還是從應(yīng)用場(chǎng)所、鋪設(shè)方式等方面都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展.
然而，近年來(lái)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐緩慢，光纜建設(shè)工程數(shù)量減少，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了光纖、光纜供過(guò)于求的局面.特別是2002年國(guó)內(nèi)光纜市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈.光纜競(jìng)爭(zhēng)的具體體現(xiàn)形式是價(jià)格.正是光纜的價(jià)格和鋪設(shè)方式等因素，促使聰明的光纜制造商在確保光纜的基本光傳輸性能和機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)的室外光纜，積極采用新的光纜材料等具體措施來(lái)達(dá)到降低室外光纜成本和施工費(fèi)用的目的.
為此，本文作者在閱讀了2002年11月18～21日在美國(guó)佛羅里達(dá)州召開(kāi)的第51屆國(guó)際線纜會(huì)的會(huì)議論文集的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析幾種新室外光纜的結(jié)構(gòu)和性能之后，推測(cè)出室外光纜結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，供廣大光纜制造商和用戶參考.
1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
光纖通信中常用的光纖是由石英玻璃制成的.盡管石英玻璃光纖具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，但是石英玻璃光纖的脆性，使其在由預(yù)制棒拉成光纖的過(guò)程中會(huì)在光纖表面產(chǎn)生一些微裂紋.光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是要想方設(shè)法保證光纖表面產(chǎn)生的一些微裂紋不會(huì)受到外界環(huán)境機(jī)械應(yīng)力和潮氣的作用，否則光纖上的微裂紋會(huì)擴(kuò)展甚至引起疲勞斷裂.如果光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，材料選擇不恰當(dāng)，那么光纜受到的外界環(huán)境機(jī)械應(yīng)力和潮氣會(huì)使光纖上的微裂紋擴(kuò)展甚至引起疲勞斷裂.光纜中的光纖斷裂就意味著光纜線路出現(xiàn)光信號(hào)傳輸中斷故障，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致整個(gè)光纖通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)中斷.因此，光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是要選擇合理的結(jié)構(gòu)和優(yōu)質(zhì)的材料來(lái)有效地保護(hù)光纜中的光纖不受外界環(huán)境機(jī)械應(yīng)力和潮濕氣體的直接作用.在室外光纜的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用的發(fā)展過(guò)程中，人們逐漸認(rèn)識(shí)到室外光纜研究的5個(gè)主要問(wèn)題是：（1） 一定要按照光纜應(yīng)用的實(shí)際場(chǎng)所的具體情況、敷設(shè)方法來(lái)設(shè)計(jì)光纜結(jié)構(gòu).（2） 光纜中所用的各種材料應(yīng)該賦予光纜必要的機(jī)械性能和環(huán)境性能，如護(hù)套料給光纜以耐摩擦性能、阻水性能，油膏給光纜以良好的加工、阻水性能，金屬加強(qiáng)件、金屬?gòu)?fù)合帶為光纜提供耐外界環(huán)境機(jī)械應(yīng)力作用的性能.（3） 特種光纜的特殊性能是由特殊材料賦予的，如尼龍12、無(wú)鹵阻燃護(hù)套料、耐電痕護(hù)套料分別賦予光纜防白蟻、無(wú)鹵阻燃、耐電痕作用的性能.（4） 用先進(jìn)的制造設(shè)備和良好的生產(chǎn)技術(shù)來(lái)制造優(yōu)質(zhì)的光纜.（5） 設(shè)法建立一整套適用于檢測(cè)各種不同結(jié)構(gòu)光纜性能的科學(xué)合理的試驗(yàn)方法.
現(xiàn)在，大多數(shù)室外光纜都是松套光纜.究其原因是松套光纜具有3大優(yōu)點(diǎn)：（1） 松套管能夠?yàn)楣饫w提供初級(jí)保護(hù)；（2） 松套管可以容納阻水油膏；（3） 松套管可為光纖提供合適的余長(zhǎng)，使光纖處在松疏狀態(tài).松套光纜按照纜芯可以容納的纖芯數(shù)的多少和纜芯的剖面結(jié)構(gòu)形狀可以分為3種基本結(jié)構(gòu)形式：中心管式光纜、層絞式光纜和骨架式光纜.
今天，作為室外光纜制造廠商和用戶都十分熟悉光纜是由光纖和各種材料共同組成的.光纜的傳輸性能是由光纖的品種及其性能決定的，而光纜的機(jī)械性能和環(huán)境性能是由光纜材料的內(nèi)在質(zhì)量與制造工藝技術(shù)水平?jīng)Q定的.按照材料在光纜中所起的作用不同，可以將光纜材料分為3種：加強(qiáng)材料、阻水材料和特殊材料.加強(qiáng)材料為光纜提供良好的抗拉、耐側(cè)壓、抗沖擊和耐彎曲等機(jī)械性能.光纜中常用的加強(qiáng)材料有磷化鋼絲、不銹鋼絲、玻璃鋼棒和芳綸紗等.阻水材料賦予光纜完好的密封阻水性能.用作光纜的阻水材料有阻水油膏、阻水帶、阻水紗、金屬-塑料復(fù)合帶和護(hù)套料等.特殊材料給予光纜特殊性能，如阻燃、耐電痕等.
筆者認(rèn)為新結(jié)構(gòu)的室外光纜變化要解決的主要問(wèn)題是：（1） 積極選擇新的材料，為研究新的光纜結(jié)構(gòu)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)；（2） 減小光纜尺寸，降低光纜重量，節(jié)約光纜材料（降低光纜成本，提高施工速度）；（3） 采用干式結(jié)構(gòu)，縮短接續(xù)時(shí)間，節(jié)省施工費(fèi)用.
2新結(jié)構(gòu)的室外光纜
2.1小直徑、輕重量光纜
一般評(píng)價(jià)光纜質(zhì)量?jī)?yōu)劣的性能包括：光傳輸性能、機(jī)械性能和環(huán)境性能.光纜的光傳輸性能是由光纜中采用的光纖類型所決定的.光纜的機(jī)械性能和環(huán)境性能則取決于光纜結(jié)構(gòu)、選用的材料種類及其質(zhì)量、光纜制造技術(shù)水平.
針對(duì)目前光纖通信工程中，光纜結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出以管道光纜為主，直埋光纜和室外架空光纜為輔的格局.人們自然會(huì)想是否可以將對(duì)光纜結(jié)構(gòu)的重型保護(hù)移植到管道上或選擇其他的光纜材料，這樣做既可以降低光纜成本（減小光纜尺寸，降低光纜重量），又可以節(jié)約施工費(fèi)用（節(jié)約管道空間和施工更簡(jiǎn)便）.美國(guó)OFS BrightWave Carrollton的Richard.G.Gravely的論文[1]指出減小松套管光纜尺寸和重量的辦法是：(1) 在保證光纜耐低溫彎曲和機(jī)械性能穩(wěn)定的前提下，設(shè)法減小松套管和中心加強(qiáng)件的尺寸；(2) 減小護(hù)套和皺紋金屬覆膜帶厚度.這種方法適用于全介質(zhì)單層護(hù)套光纜、輕型鎧裝光纜（單層護(hù)套、單層鎧裝）、鎧裝光纜（雙層護(hù)套、單層鎧裝）和短跨度接入ADSS光纜.例如，他們研制的144芯單層護(hù)套小直徑管道光纜的直徑僅為13.4 mm，而典型商用144芯單層護(hù)套管道光纜的直徑為18.8 mm.表1給出了與傳統(tǒng)光纜相比，直徑小、重量輕的光纜的直徑、重量降低的百分比數(shù)值.
在這里應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，減小光纜直徑和重量的具體途徑是先設(shè)法使用機(jī)械與環(huán)境性能好的成本更低的松套管材料，再減少油膏、加強(qiáng)件、皺紋金屬覆膜帶和護(hù)套的用量，從而減少光纜重量和降低光纜價(jià)格.這樣也可以為積極開(kāi)發(fā)全干式松套光纜和微型管道吹氣安裝光纜奠定良好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ).在減小光纜直徑和降低光纜重量時(shí)，應(yīng)特別注意控制好松套工藝和光纖與松套管的余長(zhǎng).這種直徑小、重量輕的松套光纜的顯著優(yōu)點(diǎn)是直徑越小，重量越輕，價(jià)格越便宜；光纜盤長(zhǎng)越長(zhǎng)，施工越方便.正因如此，這種松套光纜越來(lái)越受到廣大用戶青睞.
目前國(guó)內(nèi)光纜制造商紛紛采用減小松套管尺寸的方法來(lái)減少光纜材料的用量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低光纜成本、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.但是，本文作者要提請(qǐng)廣大用戶注意，在驗(yàn)收光纜時(shí)您應(yīng)該重點(diǎn)對(duì)光纜做溫度循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)量出光纖的溫度衰減性能，以此來(lái)證明您購(gòu)買的即將投入使用的光纜余長(zhǎng)是合理的.
2.2全干式松套光纜
眾所周知，光纜最忌諱水，究其原因是水既會(huì)引起光纖的水峰衰減，又可以通過(guò)滲透腐蝕導(dǎo)致光纖斷裂.在潮濕條件下，水還會(huì)通過(guò)光纜護(hù)套擴(kuò)散進(jìn)入內(nèi)部形成自由水的凝聚.如果不加控制，水會(huì)沿著光纜纜芯縱向遷移流到接頭盒，給通信系統(tǒng)帶來(lái)潛在的危險(xiǎn)甚至造成業(yè)務(wù)中斷.傳統(tǒng)光纜采用的填充阻水措施是將憎水油膏填滿光纜中的松套管的所有空間，以切斷水的縱向流動(dòng)路徑.
填充阻水油膏的基本作用是除了能夠阻止光纜內(nèi)部的縱向水遷移外，還能夠緩解外來(lái)壓力和振動(dòng)阻尼的作用.盡管傳統(tǒng)光纜具有良好的性能和可靠性，但在光纜接續(xù)前仍要清除油膏和清潔光纖.在光纜安裝施工操作中這是一項(xiàng)增加費(fèi)用和降低生產(chǎn)效率的耗費(fèi)時(shí)間的工作.填充阻水油膏也會(huì)明顯地增加光纜重量，增加長(zhǎng)途線路安裝所需要的人力和設(shè)備.另外，阻水油膏是粘性或油膩的物質(zhì)，所以光纜接續(xù)需要在一個(gè)活動(dòng)的帳篷內(nèi)或者帶篷的卡車中進(jìn)行.為了克服填充阻水油膏的光纜的上述缺點(diǎn)，最近美國(guó)OFS(原朗訊)光纖光纜部的Richard H.Norris等人共同開(kāi)發(fā)出了12～216芯一系列的中心管完全沒(méi)有填充阻水油膏的室外用全干式中心管光纖帶光纜\[2\]，其結(jié)構(gòu)從光纜中心至光纜外護(hù)層依次是光纖帶、空氣、纖用高級(jí)吸水膨脹阻水帶（代替纖用阻水油膏）、改善了沖擊性能的聚丙烯松套管、纜芯用高級(jí)吸水膨脹阻水帶（代替纜用阻水油膏）、皺紋金屬覆膜帶鎧裝層、兩根平行金屬加強(qiáng)件鋼絲和高密度聚乙烯外護(hù)層（HDPE）.
如果這種光纜被用于雷電頻繁和存在干擾電流的場(chǎng)所，金屬加強(qiáng)件應(yīng)該采用全介質(zhì)的玻璃鋼/環(huán)氧樹(shù)脂棒，在棒的外面應(yīng)該涂上一層紫外固化 “摩擦涂層”，以求在棒與護(hù)層之間形成良好的機(jī)械耦合力.這里要特別提請(qǐng)讀者注意的是，為了防止水在外護(hù)層和纜芯之間流動(dòng)，纜芯用的標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)吸水膨脹阻水帶是纏繞在聚丙烯松套管上的.這類光纜外護(hù)層采用HDPE是因?yàn)镠DPE具有良好的硬度、強(qiáng)度和小的摩擦系數(shù)，能夠滿足所有光纜安裝性能要求.
為了驗(yàn)證這種光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，Richard H.Norris等人按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Telcordia GR20“光纖和光纜總規(guī)范-第2款”和FOTP82對(duì)該光纜進(jìn)行了阻水性能試驗(yàn)、機(jī)械性能試驗(yàn)、環(huán)境性能試驗(yàn)、老化性能試驗(yàn)和安裝模擬試驗(yàn).
阻水性能試驗(yàn)就是用一系列滲水試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證纖用高級(jí)吸水膨脹阻水帶是否能阻止水在中心管內(nèi)具有的大空間的滲透.具體的做法是將光纜試樣放置于1 m靜壓頭下，讓水靜壓頭作用到多個(gè)纜芯試樣上，以滿足光纜阻水性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求.表2列出了全干式中心管光纖帶光纜的阻水性能試驗(yàn)結(jié)果.
機(jī)械性能試驗(yàn)是按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)Telcordia GR20對(duì)金屬加強(qiáng)和非金屬加強(qiáng)全干式中心管光纖帶光纜進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證其是否滿足機(jī)械性能要求.表3列出了直徑為18.5 mm的216芯非金屬全干式中心管光纖帶光纜，在各種機(jī)械試驗(yàn)條件下的附加衰減變化情況.從表3可以看出，這種光纜的附加衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GR20的規(guī)定值.
2.3微型吹氣安裝光纜
在當(dāng)前全球經(jīng)濟(jì)蕭條的形勢(shì)下，電信業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)商面臨著兩大問(wèn)題：(1) 投入資金有限，但還要建設(shè)光纜路由來(lái)滿足用戶帶寬日益增長(zhǎng)的需要；(2) 要想方設(shè)法減少光纜路由基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)用，降低光纜生產(chǎn)成本.光纜制造商解決這兩個(gè)問(wèn)題的具體方法是：(1) 光纜可以利用城市現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施（如在交通道路、煤/天然氣管道、下水道中安裝布放光纜的子管）或者通過(guò)城市新建的微型管道系統(tǒng)引入用戶.(2) 為了最大限度地利用子管系統(tǒng)和微型管道系統(tǒng)的資源，需用一種新的小直徑微型吹氣安裝光纜.
為此，美國(guó)OFS光纜部的H.Paul Debban等人開(kāi)發(fā)出了一種新的小直徑（直徑與鉛筆相當(dāng)）微型吹氣安裝光纜，其結(jié)構(gòu)為48或72芯中心管式光纖帶光纜[3].這種光纜的設(shè)計(jì)思想是尺寸、剛性、柔軟性必須滿足小直徑管道安裝要求.光纖芯數(shù)應(yīng)該足以保證城市路由基礎(chǔ)設(shè)施需要.光纜要有足夠的機(jī)械保護(hù)和抗拉強(qiáng)度來(lái)滿足施工安裝和光纖保護(hù)要求.在期望工作的溫度范圍內(nèi)，光纜的衰減性能要好.此外，光纜中的光纖要容易識(shí)別.
這種光纜從纜芯至外護(hù)層的具體結(jié)構(gòu)分別是光纖帶、纖用阻水油膏、松套管、螺旋纏繞的玻璃鋼棒、螺旋纏繞的玻璃纖維增強(qiáng)塑料帶、撕裂繩和HDPE外護(hù)層.選用中心管式結(jié)構(gòu)是為了提高小直徑光纜的強(qiáng)度.與光纖束和分立光纖相比較，采用光纖帶既增加了光纖密度，又節(jié)約了接續(xù)時(shí)間和施工費(fèi)用，而且光纖帶識(shí)別方便.6根玻璃鋼棒加強(qiáng)件螺旋纏繞在中心管周圍，以防止光纜產(chǎn)生小的彎曲.HDPE外護(hù)層完完全全包圍著加強(qiáng)件和中心管構(gòu)成一個(gè)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)來(lái)抵抗光纜受到的側(cè)壓和沖擊力的作用.HDPE外護(hù)層通過(guò)薄層賦予光纜堅(jiān)韌性能和高溫下的小的摩擦系數(shù).
表4給出了這種48或72芯中心管式光纖帶微型吹氣安裝光纜的外徑、光纖密度、光纜重量、抗拉強(qiáng)度.這種光纜的正常工作溫度范圍為-40～70℃.
2.4泡沫阻水光纜
眾所周知，傳統(tǒng)的松套管光纜采用填充阻水油膏或吸水膨脹阻水紗來(lái)實(shí)現(xiàn)縱向阻水.然而阻水油膏會(huì)給光纜施工和環(huán)境帶來(lái)一定的負(fù)面影響，如擦拭阻水油膏的溶劑揮發(fā)會(huì)刺激人的皮膚，長(zhǎng)期使用會(huì)引起濕疹；擦拭阻水油膏的衛(wèi)生紙會(huì)污染環(huán)境.為此，光纜施工安裝和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員期待著不采用填充阻水油膏或吸水膨脹阻水紗的干式光纜的誕生.正是為了克服阻水油膏和阻水紗的缺點(diǎn)，愛(ài)立信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)公司的Borje Lindblom等研制出了一種泡沫阻水光纜[4].
泡沫阻水光纜的關(guān)鍵技術(shù)是用發(fā)泡的熱塑彈性體來(lái)代替阻水油膏作為光纜的縱向阻水材料.泡沫阻水光纜的結(jié)構(gòu)是在外護(hù)層以下、中心加強(qiáng)件和松套管之間的所有空間都填充了發(fā)泡的熱塑彈性體泡沫.采用泡沫阻水的優(yōu)點(diǎn)是既能夠減小光纜尺寸和改善光纜機(jī)械性能，又可以提高光纜施工速度.在護(hù)套工藝過(guò)程中發(fā)泡熱塑彈性體材料很容易與PE外護(hù)套材料結(jié)合為一體.這樣合理地控制發(fā)泡過(guò)程，就可以獲得阻水效果十分完美的密封泡沫結(jié)構(gòu).
Borje Lindblom等按照光纜的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC607941分別對(duì)他們研制的架空、管道和直埋泡沫阻水光纜的有關(guān)性能進(jìn)行了全面測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明，這種泡沫阻水光纜完全滿足實(shí)際使用要求.
3結(jié)論
由以上的介紹我們可以得到如下結(jié)論：新室外光纜結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)應(yīng)該是向著直徑小、重量輕、全干式和布放快的方向發(fā)展，只有這樣才能進(jìn)一步減少光纜路由投資、降低光纜成本、提高布放速度和節(jié)約施工費(fèi)用.
-- 結(jié)束 --