（物理电子学专业论文）adss光缆的设计和应用.pdf

中文摘要 为了提高a d s s 光缆的可靠性和减少原材料的浪费，本文分析研究了 a d s s 光缆( 全介质自承式光缆) 的设计原理和设计模型，对光缆设计的数 学模型进行了详细阐述，重点对光缆设计中的关键点应力应变( 光缆寿命 中最恶劣条件下) 设计和光缆的拉伸窗口、低温窗口设计的模型公式进行 了优化改进。这大大提高了a d s s 的设计精度，避免了依靠设计人员经验 人为设定安全系数的不合理性，方面可以避免由于安全系数选取过小导 致产品的质量和性能变差，另一方面可以避免由于安全系数选取过大带来 不必要的原材料浪费。 为了更加精确的进行产品设计，在改进设计模型和减小模型误差的同 时，需要改进设计计算以减小设计的计算误差。考虑到a d s s 设计繁琐复 杂和工作量较大，以及在设计计算中容易出错，为保证a d s s 的设计精度 作者开发了一套方便、可靠、实用的设计软件，在减小模型误差的同时利 用计算机强大的计算能力降低了设计的计算误差，进一步确保了设计产品 的质量和避免了原材料的浪费。帮助企业在实际的工程应用中高效、准确 的完成产品设计和产品成本测算，在减轻人工繁重复杂的设计工作的同时， 大大提高了设计的可靠性和产品招投标反应的速度，为生产企业的产品设 计和招投标提供了准确、快速和可靠的解决方案。 关键词：a d s s 光缆全介质自承式光缆光缆设计应力应变计算跨距 弧垂光缆设计软件特种光缆架空光缆 n a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ep r i n c i p l eo f d e s i g n i n ga l l - d i e l e c t r i cs e l f - s u p p o r t i n g ( a d s s ) o p t i c a lf i b e rc a b l ei sa n a l y z e da n d t h es t r a i na n ds t r e s sd e s i g ni na d s s f i b e rc a b l ed u r i n gi t so p e r a t i o ni so p t i m i z e d t h ep r i n c i p l ea n dt h ep r o c e d u r eo f d e s i g n i n gi si l l u s t r a t e d ，a n dt h en e c e s s i t yo fu s i n ga c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l i si l l u m i n a t e di nt h ec o u r s eo fa d s so p t i c a lf i b e rc a b l ed e s i g n i n g m o r e o v e r , t h ea c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h em e t h o do fd e s i g n i n ga d s so p t i c a l f i b e rc a b l ei so p t i m i z e d i no r d e rt od e c r e a s et h ew o r k i n gs t r e n g t ha n di m p r o v e t h ed e s i g n i n ga c c u r a c y , t h ep r o g r a mt od e s i g na d s so p t i c a lf i b e rc a b l ei s d e s i g n e db yt h en e wm e t h o d t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ec o r r e l a t i v ed e f i n i t i o no f o p t i c a lc a b l ed e s i g n i n g i sp r e s e n t e d ，a n dt h e ns o m ei m p o r t a n t p o i n t so fd e s i g n i n ga r ed i s c u s s e d ，a l s ot h e a c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lt od e s i g ns t r a i n t e n s i l ew i n d o w & t e m p e r a t u r e w i n d o wo ft h ea d s sc a b l ei sd e m o n s t r a t e d a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c e ，a p r o g r a mt od e s i g na d s so p t i c a lf i b e rc a b l ei sm a d e ，w h i c hi su s e df o rd e s i g n i n g p r o d u c t sa n dc o m p u t i n g t h ec o s to f p r o d u c t s k e y w o r d ：a d s s ，c a b l ed e s i g n i n g ，s t r a i n & s t r e s s ，s p a n ，s p e c i a lt y p eo p t i c a l f i b e rc a b l e i i i 符号、变量、缩略词等本论文专用术语的注释表 f 广一光缆的拉伸窗口或拉伸余长； 8 厂光缆的低温窗口或收缩余长； d 松套管的外径； d 中心加强件的外径： 艿松套管的壁厚； 光缆单位长度所受的重力荷载( n m ) 光缆单位长度所受的覆冰层的重力荷载( n m ) 既光缆单位长度所受的风荷载( n m ) 形光缆单位长度所受的综合荷载( n m ) 上架设状态下光缆的实际弧长度( m ) b 从坐标原点到坐标x 处的架设光缆的实际弧长度( m ) a d s s 光缆的等效模量( n m2 ) s a d s s 光缆的等效截面积( m2 ) 日在坐标x 处的光缆水平方向分力( n ) y 在坐标x 处的光缆垂直方向分力( n ) 丁在坐标x 处的光缆轴向方向的力( n ) 口在坐标x 处的光缆受力方向与水平方向的夹角( r a d ) 占受力引起光缆的应变 ，a d s s 光缆架设的跨距( m ) 厂a d s s 光缆架设的最大弧垂( m ) h a d s s 光缆架设的杆塔高差( m ) 口a d s s 光缆架设的杆塔高差角( r a d ) i v d 矿光缆表面等效覆冰层的厚度( 砌) 现一光缆的外径( 珊) v 光缆运行环境的风速( m s ) c 卜一风载体型系数( 取值可按照表1 ) 声风速不均匀系数( 取值可按照表一2 ) p 风偏角( 根据实际架设条件，一般情况下可取9 0 。) 8 t 温度变化引起光缆的长度变化量( m ) 光缆的等效温度线膨胀系数( 1 ) t 光缆温度变化前的长度( m ) 出光缆运行过程中的温度变化量( ) v 东南大学学位论文独创性声踢 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：二孕雌日 期：兰型丛旦址 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学i 中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交 学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保 密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：翌垒型 导师签名： 研究生签名：立妻兰! l 导师签名： 日 期谭2 1 丛 序言 i 章 吉 ，j 口 随着信息社会通信技术的高速发展，光通信技术以其通信容量大、非中继传输距离 长、不受电磁干扰、便于运输等优点，在问世后得到了快速和广泛的应用；光纤、光缆 作为声、像、数据等的主要传输介质也随之得到了飞速发展。近些年来电力系统的业务 量在快速增长，光通信技术在电力系统的应用中开始逐渐取代微波通信、载波通信，在 电力系统通信和保护方面发挥越来越重要的作用。 电力系统的光纤通信线路一般都利用输电线路杆塔进行架空敷设，以达到降低施工 建设成本的目的。其中主要采用复合光纤地线( o p g w ) 光缆和全介质自承式( a d s s ) 光缆作为电力通信网的传输线路，而a d s s 以其可以在输电线带电下作业、利用已有的 输电线路杆塔敷设等自身独有优点正越来越受到广泛的重视和推广。 a d s s 是全介质自承式光缆的简称( a u d i e l e c t r i c s e l f - s u p p o r t i n g ) ，主要有以下几 方面的优点： 1 a d s s 光缆的结构中没有金属构件，具有很好的抗雷击和抗电磁干扰( e m i ) 性 能。 2 它具有很强的抗枪弹、大风、紫外光、摆动能力。 3 它可以带电在高压杆塔上安装、维护、检修，而与电力传输线互不影响。 4 与输电线有相似的安装工艺，对安装人员培训简单。 5 较轻的非金属结构使得a d s s 容易实现跨越江河、矿山、峡谷等复杂地形的大 跨距范围的架设，从而有效的节省工期和投资。 6 较轻的重量使其可在已建成运行的输电线路上同杆架设。 7 工程成本较低，利用现有的杆塔架设线路，可以有效降低施工的难度和施工成 本。 a d s s 光缆的这些优势使其特别适合于于电力、矿山、石油、广播电视等室外架设， 而电力网拥有丰富的杆塔资源，在使用此种光缆方面更加有优势，这势必使a d s s 在电 力通信中有着更加广阔的市场应用前景。 在我国的特种光缆应用中，a d s s 从9 0 年代起就开始在电力通信中使用。在最初的 a d s s 光缆应用中，工程计算和架设施工都没有完善的技术规范和管理规范，而一般来 说，光缆的使用寿命通常要求在2 5 年以上，加上a d s s 的应用场合比较特殊，这样对它 的要求比其他应用场合光缆的要求就更为苛刻，这就要更加合理和严格的执行工程设 3 序吉 计、工艺控制和工程安装， 在产品设计方面，a d s s 光缆与普通光缆的设计存在较大的差异。在对普通光缆进 行设计时，光缆承受的最大应力和运行温度环境在标准中已有明确的规定，设计中主要 依据光缆承受的最大应力和运行温度环境的要求，分别对光缆的结构、光缆的拉伸窗口、 低温窗口和光缆最大应变范围等进行设计，确保光缆在承受最大应力和相应运行温度环 境条件下，光缆的最大应变范围不超出光缆的拉伸窗口和低温窗口；而在对a d s s 光缆 进行设计时，由于光缆承受的最大应力没有确定的值，要根据结构和运行条件进行设计 计算，同时光缆的结构、光缆的拉伸窗口、低温窗口和光缆最大应变范围等却要根据光 缆承受的最大应力和运行温度环境的要求进行设计，这样设计过程就变成了“结构设计 一应力设计一结构设计一应力设计”，循环往复最终得到满足精度的设计结果。这不同 于架设施工时的简单应力求解，他还要考虑光缆运行在各种恶劣环境条件下，带来的额 外负载增加和光缆架设状态的变化。由此可见a d s s 光缆设计的工作量大，计算十分烦 琐，存在对光缆的结构、光缆的拉伸窗口、高低温窗口和光缆最大应力、应变的多次设 计计算和比较验算，运算的次数和工作量事先无法估计，不但人工设计计算费时费力和 容易出错，计算误差也会互相影响和传递，再加上设计模型简化的误差，这就要求在设 计中采用一定的安全系数。 安全系数的选取在很大程度上依赖设计人员的经验，而a d s s 光缆的使用环境差异 极大，对光缆性能的要求也就存在很大的变化，这样就很难选取到合适的安全系数。如 果安全系数选取过小，光缆就可能无法满足恶劣的运行环境条件；如果安全系数选取过 大，这势必导致昂贵的原材料成本增加和外形尺寸增大，进而增加杆塔的负荷和施工时 的难度，降低了产品的性能优势和成本优势。特别是其中昂贵的加强材料芳纶丝，因国 内没有芳纶的生产能力，不仅价格极高而且还经常会出现供货紧张的情况，因此在产品 设计中采用合理和高精度的计算模型，利用计算机的高计算精度和强大的计算能力，编 制简洁适用的设计软件就成了提高产品性能和减少资源浪费的当务之急。 a d s s 光缆与普通的光缆在结构和性能方面的要求不同，普通光缆允许承受的拉伸 力要符合表0 - 1 的要求，而a d s s 光缆的拉伸力需要根据相应的运行环境条件进行单独 设计，它的拉伸力要符合表0 - 2 的要求，这样不同运行环境条件下a d s s 光缆的拉伸应 力可以相差几倍甚至十几倍。由于不同运行环境条件下a d s s 光缆的性能可以有非常大 的不同，所以针对每个客户和客户的每种不同应用条件均需要重新进行设计计算。 在利用计算机进行产品设计的同时，可以根据设计的结构和尺寸等信息利用计算机 方便和迅速的核算出产品成本，对于提高招投标的反应速度，增加产品的竞争力有很大 4 序言 的现实意义。 本文在生产实践中主要针对a d s s 光缆设计的过程进行分析和研究，重点对光缆设 计中的应力应变设计和光缆的拉伸窗口、低温窗口设计方面进行研究和改进，寻找合理 的应力应变设计和拉伸窗口、低温窗口设计计算模型，以期找出更加精确的设计方法， 改善产品设计，使设计出的光缆在相应的运行环境条件下既能够保持优良稳定的传输性 能，也能够减少不必要的昂贵的原材料浪费，改善a d s s 光缆的技术经济性；同时结合 计算机强大的运算能力和计算精度的优势编制实用的设计程序，将产品的设计计算实现 软件化，用以指导生产实践。 本文主要研究的内容主要有： 1 研究a d s s 光缆的应力应变设计模型，尽可能减少模型中的近似假设，推导出 更加精确的光缆状态和受力的数学模型，并用于改善a d s s 的应力应变设计， 使光缆的设计更加精确。 2 研究a d s s 光缆的结构设计模型，尽可能减少模型中的近似假设，推导更加精 确的光缆拉伸窗口和低温窗口的数学模型，并用于改善a d s s 的结构设计，使 光缆的设计更加精确。 3 利用推导出的更加精确的模型，用计算机语言设计出简洁方便的设计计算软件， 对a d s s 光缆进行快速精确的设计。 4 在a d s s 设计计算软件中，结合设计的结构用计算机计算出每公里光缆的各种 原材料的用量，并进一步计算出每公里光缆消耗的原材料成本、加工的变动成 本和固定成本、包装用的盘具费用等。 通过对a d s s 光缆设计的研究和改善，使得我公司在对电力应用中的特种光缆 a d s s 和o p g w 的认识和设计上有了较大的提高，避免了设计中过多人员因素的影响， 不仅提高了产品设计的效率、准确性和可靠性，也为减少产品的浪费和提高招投标的反 映速度，提高公司产品的市场竞争力方面提供了有力的技术保障。 序言 表0 1 核心网h j 光缆的允许拉伸力 光缆 允许拉伸力( 最小值) 敷设方式f s tf i j 主要型式 f s t g ( n )( n ) g y t a g y t s管道、非 0 81 5 0 06 0 0 g y t y 5 3 自承架空 g y f r y g y t a 5 3直埋 3 0 0 01 0 0 0 非自承架 g y x t w 1 5 0 06 0 0 空、管道 注：f s 卜短暂拉伸力；f it _ 长期拉伸力；e l k m 光缆的重量，单位为牛 顿( n ) 表o - 2a d s s 光缆的允许承受的拉伸力 测试要求 测试条件 力值光纤应变光纤附加衰减 光缆最大允许使用张力 j ；4 0 r t s绷1 蜘1 d b ( m a t ) 光缆的年平均运行张力 1 2 0 r t s绷0 5 无明显变化 ( e d s ) 注：r t s 光缆额定拉断力；m a l 一光缆最大允许使用张力；e d s 光缆的 年平均运行张力 第一荦理论基础 1 1 光缆 第一章理论基础 光纤作为传输光信号的媒质，它利用光在光纤波导中的全反射将光信号约束在光纤内，用以实 现信息的传输。丽单独的成品光纤无法直接投入使用，为使成品光纤达到通信丁程的实用要求，需 要通过成缆t 艺，将光纤等材料通过成缆t 艺制成因使用环境、敷设条件等不同的各品种的光缆， 用来保护光纤使其在各种运行环境条件下能够较好地满足各种通信的要求。因此，研究光纤成缆的 设计和制造工艺，努力设法降低成缆过程中和光缆实际使用中的光纤衰减，保证光纤传输性能的长 期稳定，一直是我们光缆制造商长期不懈的奋斗目标。 在光纤通信中对光纤的性能要求是多方面的，而光纤的传输特性是光纡最重要的性能之一，光 纤的传输特性主要包含衰减特性、色散特性、偏振模色散、色散特性、偏振模色散和光纤的非线性 效应。在光纤的设计和生产中受到较大的影响，在光缆的制造中受到的影响非常有限，如果在生产 工艺中控制的好，不会有太人的恶化，有时甚至会在光纤成揽后由于复绕应力的释放而变好；而衰 减特性是在光缆的生产和应用中最容易出现问题的特性之一，在光纤的实际应用中，在任何一点处 的弯曲半径过小或者因受到外界的应力而产生不规则的变形等情况f ，光纤的衰减都可能会急剧的 增大，严重影响它的传输性能，导致通信事故发生并可能带来一些不可弥补的影响和损失。 光纤传输的光信号的损耗分为本征损耗和非本征损耗。光纤的本征损耗分别由散射、吸收和色 散等引起的，本征损耗是光纤本身同有的损耗，主要是由于光纤中石英玻璃本身的缺陷和光纤中含 有的金属元素过渡杂质等引起的；光纤的蜚本征损耗主要是在光纤的制造和应埘过程中，由于光纤 的儿何尺寸变化和光纤受虑力应变等引起的微弯和宏弯造成的。 本征损耗是光纤在制成后本身所同有的损耗，在成缆的过程中无法得到改善和减小；但是光纤 应_ h j 过程中产生的非本征损耗可以通过在光缆设计和制造的过程中采取预防措施而得到有效的控 制。 按目前行业标准y d t9 8 1 2 0 0 1 的要求，光缆中常用的匹配包层单模光纤的衰减系数标准为： 1 ) 在1 3 1 0 n m 波k 处：0 3 6 d b k m ； 2 ) 在1 5 5 0 h m 波长处：0 2 2 d b k m 。 1 2 光缆的分类 光缆的分类方法很多，这样光缆的名称也就特别多。光缆主要有以下一些常见的分类方法 1 )按照光纤的状态分类： 7 第一章理论堆础 按照光纤的- 二次被覆方式和光纤在光缆中的松紧自由状态不同，可将光缆分为紧结构光缆、松 结构光缆、半松半紧结构光缆。 由二次被覆方式为紧套的光纤构成，层绞式光缆、紧急抢修用光缆和单芯光缆锋都属于紧结构 光缆；由二次被覆方式为松套的光纤构成，层绞式光缆、中心束管式光缆和由一次涂覆光纤构成的 骨架式光缆等都属。r 松结构光缆；将紧套光纤直接放入骨架槽内构成的骨架式光缆属于半松半紧结 构光缆。 紧结构光缆的特点是光纤在光缆中无自由移动空间；松结构光缆的特点是光纤在光缆中有一定 的自由移动空间：半松半紧结光缆的特点是光纤在光缆中的自由介于紧结构光缆和松结构光缆之间。 2 ) 按照缆芯的结构分类： 按照缆芯结构的不同，一般可将光缆分为中心( 束) 管式光缆、松结构光缆、半松半紧结构光 缆。 中心( 束) 管式光缆就是将松套光纤( 带) 即松套管无绞合的直接放在光缆中心位置，加强构 件均匀的布放在松套光纤周围的光缆；层绞式光缆就是将紧套光纤或松套光纤( 带) 螺旋绞合在中 心加强件上构成的光缆；骨架式光缆就是一次涂覆光纤( 带) 或二次被覆紧套光纤自由的放入骨架 槽内构成的光缆。 3 ) 按照敷设的方式分类： 按照光缆的敷设方式不同，一般可将光缆分为架空光缆、管道、光缆、直埋光缆和水底光缆等。 由于敷设方式不同，光缆的机械性能要求可相差很多。 4 )按照光缆的使用环境分类： 按照光缆的使用环境不同，又可将光缆分为室内光缆、室外光缆、全介质光缆、阻燃光缆和a d s s 光缆等其他特种光缆。 1 3 光缆的设计 光缆设计就是设计光缆的结构、尺寸参数以及合理的光纤余长，规定光缆所用的原材料和成缆 工艺，使光缆中的光纤得到充分的保护，在寿命期内各种施丁、运行等环境条件下能够充分保证光 缆的机械性能和环境性能满足要求，尽可能的降低光纤的附加损耗和减少传输性能的劣化。 光缆设计主要关注的是光纤特性、光缆护层性能、光缆的机械性能和环境性能。为满足光纤特 性的要求，可以根据客户和标准的要求选取不同品种的合格的光纤，保证光缆能够满足客户应用的 要求；光缆护层的性能可以在选用材料时参照有关标准和光缆的运行环境条件选用合适的材料得到 保证；为了达到一定的机械性能和满足一定的环境性能，可以通过合理的设计光缆结构、尺寸参数 以及合理的设计光纤余长，规定光缆所用的原材料和成缆i ：艺，确俣在应用中光纤特性的稳定。光 8 第一苹理论皋础 缆的机械性能主要包括光缆的砬伸、压扁、冲击、反复弯曲、扭转等。光缆的环境性能主要包括衰 减温度特性、滴流性能，护套完整性、渗水性、阻燃性等。 而a d s s 光缆的设计又不同丁i 常规光缆的设计，比普通光缆的设计中还要增加光缆运行弧垂、张 力的设计等内容，比普通光缆的设计更复杂，特别是运行的张力比普通光缆要大很多，而光缆的外 径和单重越大需要的运行张力越人。所以要尽量使得设计出的光缆在满足光缆各项特性要求的情况 下，获得尽量小的截面尺寸和尽量轻的光缆单位重量。 1 4 光缆设计的一般原则 一般来说对光缆有如下的一些要求： 1 )光缆中的光纤要有良好的信号传输特性； 2 )光缆具有足够的机械强度等良好的机械性能，可以保护光纤在施工和应用中不被损坏； 3 ) 光缆具有优良的温度特性等良好的环境性能，气候条件变化时，不会影响到光纤的传输特 性。 为了满足以上对光缆的要求，一般需要采用以下措施： 1 )选择性能优良的成缆用光纤； 2 )合理的设计光缆结构，尽可能的保护光纤和降低光纤应用中的附加损耗； 3 ) 选择适当的成缆材料，保证光缆长期性能的稳定； 4 )采用合理的成缆工艺，尽可能的减小光纤在成缆过程中造成的附加损耗。 在实际的光缆设计过程中，一般要遵循以卜的原则： 1 1根据用户的要求选择光缆的结构形式、光纤芯数、每根松套管包含的芯数，根据光缆的结 构、每根松套管包含的芯数和工艺能力设计松套管的尺寸和光纤的余长。 2 )根据光纤的性能和光缆的席用场合，合理设计光纤成缆后的余长。光缆中光纤的余k 与光 缆的抗拉特性、温度特性和光纤的弯曲应变等有密切的关系，对一般光缆而言余长在o 3 5 0 6 之间，而对a d s s 而言余长可以达到0 7 o 8 。 3 1根据对光缆机械强度的要求，合理选择光缆中的加强构件种类、规格和数量，以及护层结 构、铠装结构等。光缆的抗拉强度主要靠加强构什提供；光缆的抗侧压力和抗冲击等主要靠松套管、 内外护层和铠装层提供：光缆的耐磨性、防紫外线等主要靠外护套提供；光缆的防水防潮主要靠护 套和阻水化合物提供。 4 )在光缆材料的选择中，纤膏要有良好的触变性，护套要有良好的抗老化性，各种相互接触 材料之间要有良好的相容性，各材料的析氢值要小。 5 )使松套管尽量靠近光缆的中心和光缆中起支承作用的元件。 g 第一章理论堆础 6 )在保证满足光缆要求的特性下。尽量考虑减小截面尺寸和减轻光缆的单位重量。 而在a d s s 光缆设计过程中，一般还要考虑以下一些原则： 1 )以最大的机械强度和展小的结构尺寸相结合的设计原则。 2 )合理和精确地设计和控制光纤余长。 3 ) 合理和精确地设计和控制绞合节距。 4 )根据光缆架设位置的空间电场分布进行光缆的耐电痕设计。 5 ) 设计机械特性时要结合环境特性。 1 5a d s s 光缆的结构 现在a d s s 光缆一般采用圆形截面的中心束管式和层绞式两种结构，这两种结构的主要区别是 缆芯的结构不同，中心束管式的缆芯由包含光纤在内的松套管构成，层绞式的缆芯则由包含多根光 纤或光纤带在内的松套管和可能有的填充绳嗣绕起增强作_ j 的中心加强件绞合而成。图1 - 1 是层绞 式a d s s 光缆的截面图，图l - 2 是中心束管式a d s s 光缆的截面图。 图卜1 层绞式a d s s 光缆截面图 10 第一章理论基础 图卜2 中心束管式a d s s 光缆截亟图 层绞式a d s s 光缆的中心是起增强作用的非金属中心加强件，一般使用的纤维增强塑料( f r p ) 圆杆；松套管是用特殊的r 程塑料挤制成的圆管，在管内放有光纤和用于保护光纤的化学合成油膏 ( 纤膏) ，一般宜采用聚对苯二甲酸丁二醇酯( p b t ) 制作松套管；填充绳是用聚乙烯材料挤制而成 的圆条；松套管和可能有的填充绳在中心加强件的周围，以螺旋状绞合在一起，并用隔热，耐电压 的包带和( 或) 强度足够的非吸油、非吸湿性扎纱捆扎成缆芯，同时缆芯内所有的间隙采用连续的 填充复合物或阻水纱( 带) 等其他阻水材料填充，然后在缆芯外挤制一层黑色的聚乙烯材料( p e ) 作为内护层，在内护层的周围均匀分布芳纶纱作为外置非金属加强构件，最后在芳纶绞层外挤制一 层黑色的聚乙烯材料( p e ) 作为外护层。 中心束管式a d s s 光缆的中心是用聚对苯二甲酸丁j 二醇酯( p b t ) 制作的松套管，在管内放有 光纤和用于保护光纤的化学合成油膏( 纤膏) ，在松套管的周围均匀分布芳纶纱作为外置非金属加强 构件，然后在芳纶绞层外挤制一层黑色的聚乙烯材料( p e ) 作为外护层。 其中中心束管式a d s s 光缆可以得到较小的光缆外径，但是由于高低温性能和工艺的限制，中 心束管能够得到的余长和光纤芯数有限，都不能作的太大，故而一般中心束管式a d s s 光缆一般不 应用在较大的跨距和较恶劣的工作条件f ，只应用在跨距较小，运行环境条件要求不高的场合，应 用范围受到较大的限制；而层绞式a d s s 光缆由于可以得到较大的余长和较好的高低温性能，实际 的麻用范围较，“，但是其设计和制造更复杂些，以f 仅对层较式a d s s 光缆进行研究，中心束管式 可以参照进行设计或采用简化的模型进行设计。 1 6a d s s 光缆设计中常用的概念 1 6 1 光纤的余长 光纤的余长就是一段松套管内光纤实际长度超出该段松套管长度的百分比，这是对松套管承受 第一章理论皋础 拉伸变形能力的度量，也就是表示松套管应变增加剑该值时，光纤仍然没有受到明显的应力。余长 可以由公式产( 弘曲x x l o o 求得，其中j 表示松套管的长度，j 表示松套管内的光纤长度。 在设计制造中心束管式光缆时，松套管中光纤的余长要根据不同的光缆结构和工艺条件确定， 一般选择在0 2 5 左右，最终光缆的拉伸性能和低温性能就靠松套管的余氏提供；当j j 松套管制造 层绞式光缆时，根据不同的丁艺条件松套管中光纤的余长一般选择在0 1 以f ，而a d s s 光缆根据 各厂家的不同工艺条件和_ 艺能力又有所不同，此时松套管的余长主要用来保证缆芯绞合时光纤不 会受到明显的应力，光缆的余长主要依靠松套管绞合来形成。 1 6 2 光缆的拉伸窗口和低温窗口 在层绞式光缆的成缆过程中，松套管和可能有的填充绳一起以一定的绞合节距螺旋绞合在中一f i , 加强件上，绞合的节距就是松套管绕中心加强件绞合一周中心加强件的长度( 螺距) ，如图卜3 所示 r 就是一个节距的长度。 图卜3 层绞式缆芯示意图 光缆在自由状态下光纤( 束) 可以看作是位于松套管的中心位置，当光缆受到拉伸时光缆将伸 长，由丁：包同光纤的纤膏有较好的触变性，光纤可以在松套管中自由地移动并逐渐靠近中心加强件 一侧的松套管壁。当光纤接触松套管壁后，如果光缆继续被拉伸变形，光纤将开始受力和产生变形， 进而可导致衰减增加甚至断纤。过程如图l _ 4 所示，拉伸窗口就是指从光缆受到拉伸开始变形到光 纤刚开始受力和变形时光缆所发生的应变，也就是光纤移动到靠近中心加强件一侧松套管壁的时候 光缆所发生的戍变，也称做拉伸余长。 图卜4 光缆拉伸过程中光纤状态示意图 而当光缆由于受到低温的作用收缩时，同样光纤可以在松套管中自由地向远离中心加强件的方 向移动并靠近远离中心加强件一侧的松套管壁。当光纤接触松套管壁后，如果光缆继续收缩，光纤 将开始产生弯曲变形，进一步可导致衰减增加甚至信号不通。过程如图1 - 5 所示，低温窗口就是指 12 第一章理论肇础 从光缆温度降低并开始收缩到光纤刚开始产生弯曲变形时光缆所发生的应变，也就是光纤移动到远 离中心加强件一侧松套管肇的时候光缆所发生的应变，也称做收缩余长。 1 6 3 光缆的间隙系数 图卜5 光缆收缩过程中光纤状态示意图 在层绞式光缆的成缆过程中，松套管和可能有的填充绳一起螺旋绞合在中心加强件上，各绞合 单元( 包括松套管和填充绳) 间会有一定间隙。如图卜6 所示如果间隙太大，就会影响缆膏的防水 效果，缆膏如不能较完全的填充间隙将大大地影响光缆的渗水性能，而间隙填充的较满也会对光缆 的滴流性能有一定的影响；如果没有间隙，各绞合单元就会紧紧的挤到一起，这既不利于生产中缆 膏的填充，也会限制绞合节距的范围，使得实际的节距达不到设计的要求。为了有效的度量备绞合 单元之间的间隙，引入间隙系数的概念。把各绞合单元绕中心加强件的圆心均匀排列在中心加强件 上，以中心加强件的圆心为中心，把圆周角2 z 与绞合单元对应的夹角总和的比值称为间隙系数。 间隙系数一般取值1 1 1 之间，对于绞合单元直径较小的光缆来说可以采用稍大的间隙系数。 1 6 4 光纤的弯曲损耗 问隙系数 1 1 问隙系数。1 图1 - 6 间隙系数示意图 在光纤的拉丝、着色、复绕和光缆的制造、施工应用等过程中，光纤不可避免的会受到应力应 变的影响而产生一定的微弯和宏弯。微弯的弯曲半径小，会引起光纤损耗明显甚至急剧的增大，这 是在光纤和光缆的生产和应用中需要严格控制的：宏弯的弯曲半径较大，引起光纤损耗的增人是比 l3 第一章理论笨础 较有限的，但是宏弯的弯曲半径小干某一个值时，也会给光纤带来较大的损耗，严重时甚至会导致 光信号不通的情况，这是光缆设计、生产和应用中需要严格控制的重点。目前匹配包层单模光纤的 宏弯损耗指标已经有了较人幅度的提高，对一般的匹配包层单模光纤来说，在1 3 1 0 r i m 、1 5 5 0 r i m 、 1 6 2 5 n m 测试波长下以小于6 0 m 的直径松绕1 0 0 圈带来的附加损耗都可以小于0 1d b ，其中n w f 的 ( 3 6 5 2 b 光纤宏弯损耗指标如表卜5 所示。在进行光缆没计时要保证任一处光纤的弯曲直径都小于 6 0 m ，这样才可以保证匹配包层单模光纤衰减特性的长期稳定。 表卜5 卷绕直径( r a m ) 卷绕网数 测试波长( 吣产生的附加损耗( d b ) 3 21 1 5 5 0o 5 5 01 0 01 3 l o0 0 5 6 01 0 0 1 5 5 0o 0 5 6 01 0 01 6 2 5o 0 5 l4 第二章a d s s 光缓砖爱订二i 设计匏教避 第二章a d s s 光缆的设计与设计的改进 2 1 层绞式a d s s 光缆的设计 2 1 1 层绞式a d s s 光缆的结构和原材料的选用 在第一章1 5 中已经介绍了层绞式a d s s 光缆的基本结构，结构中的构成元件如图1 - 1 所示。考 虑到a d s s 光缆主要是在高压和多雷电的环境下工作，所有构成部件均使用全介质材料。采用自承 式架设的光缆也有8 字型等其他的截面形状，但是考虑到光缆的应用环境条件不同，a d s s 光缆一 般采用外形光滑的圆形，这样可以减小风力和电痕腐蚀的影响。对于小跨距的运行条件下( 跨距小 于1 0 0 m ) ，a d s s 光缆一般不用内护层，直接在缆芯的外面绕包芳纶增强材料，然后在芳纶外面挤 制外护层。 a d s s 光缆中使用的材料很多，主要包括光纤、光纤用油膏( 纤青) 、套塑材料、增强用材料、 光缆_ 憎阻水油青( 缆膏) 、护层用材料等，以及新开发的阻水纱、阻水带、高强玻璃纤维等新材料。 光纤要根据客户的要求选用合适的光纤类型和相应的特性要求，对于数据网和用户接入网等一 般采用多模光纤，根据通信速率和带宽等要求考虑选用不同的多模光纤，对于长距离高速率传输的 接入网和核心网等一般采用单模光纤，根据使用的波段和波分复用的情况可以选用不同类型的单模 光纤。光缆制造商一定要根据用户的要求选用传输特性、机械特性、温度特性良好的优质光纤，a d s s 一般使用g 6 5 2 和c t 6 5 5 系列单模光纤。 松套管内光纤周围的所有间隙连续填充的纤膏直接和光纤接触，要有良好的触变性和抗氧化性 能，温度特性要好，高温不滴流，低温不硬化，含水量小，与周围的材料相容性良好等特性，不应 损害光纤的传输特性和使用寿命。 松套管是用特殊的套塑材料挤制成的圆管，在管内放有光纤和用于保护光纤的化学合成油膏( 纤 膏) 。工程塑料戌采用具有良好的机械性能、温度特性、耐水解性能、耐老化性能和加工性能的专用 工程塑料，一般宜采朋聚对苯- 二甲酸丁二醇酯( p b t ) 、改性聚丙烯( p p ) 或其他合适的高分子聚合 材料，市场上以使朋p b t 居多，按目前行业标准y d t1 1 1 8 1 2 0 0 1 的要求，p b t 的性能应至少满足 表2 - 1 的要求： 1 5 未- 二章a i ) s ! 光缆的设计勺发一的数避 表2 - i 性能单位 ， 要求( 材料)要求( 挤成松套管后) 拉伸弹性模鼙 m p a 2 1 0 0 弯曲弹性模量m p a 2 2 0 0 屈服强度 m p a 5 03 5 屈服伸长率 5 1 04 层绞式a d s s 光缆的中心是起增强作用的非金属中心加强件，要求有一定的杨氏模量和断裂伸 长率，一般使用的纤维增强塑料( f r p ) 圆杆，f r p 是使用树脂将增强纤维黏结在一起而成的刚性 圆杆，增强用的纤维有芳纶丝和玻璃丝，一般常用玻璃纤维增强。按目前行业标准y i ) t9 8 0 2 0 0 2 的要求，f r p 的性能应至少满足表2 - 2 的要求： 表2 2 性能单位要求 拉伸杨氏模量g p a 5 0 弯曲杨氏模量 g p a 4 5 断裂伸长率 4 0 填充绳是用聚乙烯材料挤制而成的圆条，同松套管一起绞合在f r p 的周围，主要埘来填充缆芯 的空间，确保缆芯的外形为圆形，获得较好的机械特性，要求与缆膏有良好的相容性且有一定的机 械强度。 松套管和可能有的填充绳在中心加强件的周围，以螺旋状绞合( 可以采用单向螺旋式或s z 螺旋 式) 在一起，并用隔热、耐电压的包带和( 或) 强度足够的非吸油、非吸湿性扎纱将缆芯捆扎，以 保证缆芯结构的稳定，包带和扎纱要求耐一定的高温和有一定的机械强度。 缆芯内的所有间隙都采用有效的阻水方式实现全截面阻水。可以采_ i j 在间隙连续地填充缆膏或 阻水纱( 带) 等其他阻水材料，阻水材料不应损害光纤的传输特性和使用寿命，以及要与其他光缆 材料要有较好的相容性。 在缆芯外应该有合适的外置非金属加强构件，一般采用芳纶纱作为外置加强构件，以合适的节 距和张力绞合在缆芯外或内护层周围，且应该均匀分布，相邻芳纶绞层的绞合方向应该相反，芳纶 纱要有较高的杨氏模量和抗拉强度。按目前行业标准y d t9 8 0 2 0 0 2 的要求，芳纶的性能应至少满 足表2 3 的要求： 1 6 墨三堡垒些! 垄竺堕墨堡：! 垒生墼墨丝 表2 - 3 f 性能 单位 要求 l 杨氏模颦g p a 9 0 在缆芯和芳纶绞层外挤制一层或两层黑色的聚乙烯材料( p e ) 作为内、外护层，保护缆芯不受 机械损伤和高电压运行环境f 的影响。 内护层的要求较低，对于小跨距( 小于1 0 0 米) 的情况f 内护层甚至可以省去，图2 - 1 就是适 用丁：小跨距的没有内护套的a d s s 光缆，外护层要求较高，外护层挤制的要光滑圆整，致密而不能 图2 - 1 用于小跨距的a d s s 光缆 有目力可见的气孔，砂眼划痕等即使微小的外观缺陷。外护层根据光缆使用环境电场强度( 光缆敷 设区空间电位) 的不同分为不同的等级，分别选用不同的材料。按目前行业标准y d t9 8 0 2 0 0 2 的 要求，外护层的分级如表2 - 4 ： 表2 - 4 外护层等级单位光缆敷设区空间电位 a 级 k v1 2 b 级k v 1 2 对于a 级外护层，宜用黑色聚乙烯( p e ) 护套料，一般采用中密度聚乙烯( m d p e ) ，有较好的 强度和柔韧性的结合；对下b 级外护层，应_ j 耐电痕黑色聚乙烯( p e ) 护套料；如果客户要求光缆 具有阻燃性能，则外护层材料应采用阻燃黑色聚乙烯( p e ) 护套料。 光缆外护层的表面一般要求印有沿长度方向的连续的永久性标志，标志的印制宜采用喷印的方 式，这样有利于保证光缆表面光滑圆整保证光缆良好的抗电痕性能。 1 7 第二章a d s s 光缆的嗲才j _ 设订的投进 2 1 2 层绞式a d s $ 光缆的结构设计 在层绞式a d s s 光缆设计中，要根据光缆特定的运行环境条件进行逐一设计，主要考虑的要冈 有低温性能；抗张性能：防水性能；衰减的长期稳定性等方面 2 1 2 1 光纤束的等效半径 对相同半径什的光纤，从几何学上得知，1 根光纤周围密排嗣光纤只能排 k ( k + 1 ) 2 6 根光 纤，共有 h = 恤 + 1 ) 2 】6 + 1 ( 2 一1 ) 根光纤，等效半径n 为 =(2|i+1k(2-2) 由式( 2 一i ) 和( 2 - 2 ) 消除得到 = 【( 4 以一1 ) 3 ，”。， ( 2 3 ) 当卜，即p 一时， 由式( 2 3 ) 得到等效半径 = ( 4 以3 ) i ”7 ，* 1 1 6 x 石n 。， ( 2 4 ) 1 】 2 1 2 2 光缆的拉伸窗口和低温窗口的设计 层绞式a d s s 光缆的缆芯，由松套管和可能有的填充绳一起以一定的绞合常距尼螺旋绞合在中心 加强件上构成。光缆在常温自由状态下，等效 径为n 的等效光纤束可以看作位丁：松套管的中心位 置，如果将位丁松套管中心的等效光纤束绕中心加强件的中心线以螺旋线展开，可以形成一个以节 距、一个。疗距长度内的等效光纤束长度和松套管中心绕中心加强件旋转一周的周长为三个边的直角 三角形，如图2 - 2 中实线所示： 1 8 第二章a d s s 光缆的嗲才j _ 设订的投进 a ( 毋功 图2 - 2 光纤束螺旋线展开示意图 由三角形定理可以得到式： 巧= 牟+ 厅2 ( o + d y ( 2 5 ) 式中 厶单个节距长度内的等效光纤束长度： r 绞合节距； 口中心加强件直径； d 松套管外径； 当光缆受力被拉伸时光缆伸长，光缆的只也变长，7 根直径为西的光纤构成的等效半径为矗的 等效光纤束在松套管内逐渐向中心加强件移动直到与松套管壁接触，如图2 - 3 所示： 图2 - 3 光缆拉伸时光纤位置变化示意图 如果光缆继续被拉伸，光纤将开始受力和产生变形。此时等效光纤束与松套管壁接触 1 9 第二章a d s s 光缆的嗲才j _ 设订的投进 等效光纤束绕中心加强僻：的中心线以螺旋线展丹的二角形近似变成虚线与两直角边形成的二角 形，如图2 2 中的虚线所示，根据三角形变化前后的几何关系和拉伸窗口的定义利_ i j 式( 2 5 ) 可以 求得光缆的拉伸窗口或拉伸余长： = 1 一 ( 2 6 ) 式中 r ，光缆的拉伸窗口或拉伸余长； 4 陪一绞合节距的变化量； d 松套管的管壁厚度； n 等效光纤束中包含的光纤数； 西光纤的直径； 其他变量意义同前； 同样当光缆受到低温的作用时，光缆将会收缩，光缆的只也会变短，等效光纤柬在松套管中将 会自由地向远离中心加强件一侧的松套管壁靠近，直到与松套管的管壁接触( 如果光缆继续降温收 缩，光纤将开始受力和产生弯曲变形) ，此时等效光纤束绕中心加强件中心线螺旋展开的直角= 角形 将被压缩，同理由= 角形变化前后的几何关系可以求得，光缆的低温窗口或收缩余长： ( 2 7 ) 1 1 式中 f ，光缆的拉伸窗口或拉伸余妊； 其他变晕意义同前； 2 1 2 3 光缆的间隙系数设计 层绞式a d s s 光缆的缆芯由各绞合单元( 包括松套管和填充绳) 绞合在中心加强件上而成，各绞 合单元的轴线与光缆轴线有一定的夹角，所以在光缆的横截面上看绞合单元截面的外形为一个椭圆， 该椭圆的中心与中, d j l 强件连线的方向为椭圆的短轴方向。 第二章a d s s 光缆的嗲才j _ 设订的投进 系数 图2 4 光缆绞合单元间隙示意图 根据光缆绞合单元间隙示意图2 - 4 中的几何关系，可以由间隙系数的定义得到光缆绞合的间隙 g r = 厅 叫南( + 掣 式中 岔光缆绞合的间隙系数 ，光缆绞合单元数量( 包括松套管和可能有的填充绳) 其他变量意义同前； 通过选择合适的抗张体直径、松套管直径和绞距，使间隙系数取值在l 1 1 之间。 2 1 2 4 成缆后光缆中光纤的弯曲半径设计 ( 2 - 8 ) 为了控制在光缆中光纤的弯曲损耗，需要合理的选_ l j 光缆结构尺寸和绞合节距大小，确保光纤 的弯曲半径在控制的范闱内，避免光纤出现明显的弯曲附加损耗。在层绞式a d s s 光缆的缆芯中，松 套管和光纤束以绞合