电力光缆的光纤选择.doc

2006年山东电力通信论文集 电力光缆的光纤选择电力光缆的光纤选择陈可军 栾宏之 刘学升（山东电力工程咨询院） 摘要：本文根据ITU-T、国家及电力行业有关光缆、光纤的标准和技术规范，结合电力光纤通信实际情况，全面地分析了目前各类光缆、光纤的特性和用途，对电力光缆的光纤选择提出了设计建议。关键词：电力光缆；光纤；规划；标准；选择1 概述近几年，随着山东电网的建设和改造工程的建设，电力光缆网络也得以迅猛发展，现全省的骨干光缆网络已经覆盖了17个地区供电公司，各级光缆线路合计已超过万余公里。但是，目前对于电力系统光缆光纤的选用，尚未有明确的规划设计要求，本文就这一问题展开论述，并为以后的电力光缆线路设计提出建议。2 通信光纤在光纤通信工程中，我们都是根据不同的网络需求及光传输设备的性能，选择不同类型的光缆光纤。而光纤的研发制造机构也是根据光网络发展的需求，以及光纤的材料、制造工艺的发展，而推出新的光纤品种，以求能够用高性价比的光纤满足不同网络的发展需求。在光纤实际应用的早期，其传输窗口有两个（850nm和1310nm），后来有了第三个传输窗口（1550nm）。现在，在波长1260至1680nm范围内，光纤可以传输的窗口有6个。利用波分复用（WDM和DWDM）技术，每个窗口（波段）可同时传输多个信道。表2.5.1： 光纤可以利用的波段波段OESCLU名称初始波段扩展波段短波段常规波段长波段超长波段波长范围（nm）1260-13601360-14601460-15301530-15651565-16251625-1675国际电信联盟（ITU-T）为通信用光纤制定了统一的光纤标准（G标准）。按照ITU-T关于光纤的建议，将通信用光纤分为G.651、G.652、G.653、G.654、G.655，每个类别还细分成若干子类，新的G.656标准宽带光传输用非零色散单模光纤和光缆标准也已出台。有关光纤的主要技术规范见下表：ITU-T关于光纤的主要技术规范光缆种类G.652光纤G.653光纤G.654光纤G.655光纤G.656光纤模场直径（标称值）8.69.5m变化不超过10%78.3m变化不超过10%811m变化不超过10%8.69.5m变化不超过10%711m变化不超过7%模场同心度偏差1m1m1m1m0.8m2m长光纤截止波长c1250nm-1470nm - 1450nm 2m长光纤截止波长cc1260nm1270nm1480nm - -零色散斜率0.093ps/nm(的平方)km0.085ps/nm(的平方)km -0.1ps/nm(的平方)km最大色散系数20ps/nm.km(15251575nm)3.5ps/nm.km(15251575nm)0.16.0ps/nm.km(15301565nm)16.0ps/nm.km(15301565nm)214.0ps/nm.km(15301565nm)典型衰减系数（1550nm）0.4dB/km0.35dB/km0.22dB/km0.35dB/km0.350.4dB/km零色散波长13001324nm15001600nm - -14601625nm1550nm的宏弯损耗1dB 0.5dB 0.5dB 0.5dB 0.5dB包层直径1252m 1252m 1252m 1252m 1251m适用工作窗口1310nm和1550nm 1550nm 1550nm 1550nm 1550nm2.1 G.652非色散位移光纤在上世纪8090年代期间，最主要的单模光纤是常规的非色散位移光纤。单模光纤在1310nm和1550nm有两个低损耗波长窗口，商用单模光纤在1310nm波长上的最低损耗为0.33dB/km，在1550nm波长上的最低损耗为0.19dB/km。由于此类光纤在1310nm波段上的色散系数为零，因而在该波段上兼有低损耗和大通信容量的特点，从而多年来G.652光纤在1310nm波段上得到广泛应用。在1550nm波长上，G.652光纤约有18ps/nm.km的色散值，限制了带宽，但因为在1550nm波段有更低的损耗，所以当通信容量不太大，传输距离不太长的情况下，也可将G.652光纤在1550nm波段上使用（如模拟电视信号的传输）。在此波长上如需传输较高速率、距离较长的信号时，可以用色散补偿器对光纤在1550nm波段上的色散进行补偿。进一步又细分为ITU-T G.652A、B、C、D四种。a) G.652A用于2.5Gb/s及以下速率，具有光放大器的单信道SDH（同步数字体系）传输系统。因其传输速率不太高，故对其的PMD（偏振模色散）指标末作规定。b) G.652B用于10Gb/s及以下速率，具有光放大器的单信道和多信道SDH传输系统。当G.652B用于1550nm波段的高速率传输时，需对其在1550nm波段的波长色散有所规定。引其传输速率较高，故对其PMD指标作了规定：在光缆属性中规定20段光缆组成的链路，其PMD系数超过0.5ps 概率应小于0.01%。G.652A和G.652B光纤习惯统称为G.652光纤（既B1.1类非色散位移单模光纤）c) G.652C光纤（既B1.3类波长段扩散的非色散位移单模光纤）是低水平吸收峰单模光纤。它的属性与G.652A的属性是类似的，除了允许使用在1360nm1530nm扩展波长范围外。d) G.652D光纤的属性与G.652B是类似的，除了允许使用在1360nm1530nm扩展波长范围外。多年来，在传统的G.652光纤的衰减曲线上，在第二传输窗口1310nm区（1280nm1325nm）和第三传输窗口1550nm区（1380nm1565nm）之间的1383nm波长附近，总是有一个损耗峰，这一损耗峰是由于OH的存在，而形成2.7m左右波长的吸收峰，水峰1383nm则是其一谐峰。2.2 G.653色散位移光纤单模光纤在1550nm波长上有最低损耗，可是G.652光纤在1550nm波段上的色散较大，但可以通过改变光纤的折射率剖面来改变波导色散，从而使光纤的总色散在1550nm波长上为零，这样在1550nm波长上兼有最低损耗（0.19dB/km）及最大带宽（零色散），这就是G.653色散位移光纤（即B2类色散位移单模光纤）。G.652光纤虽然可以使光纤容量有所增加，但是，原本期望得到的零色散因为不能抑制四波混频，反而变成了采用波分复用技术的障碍。2.3 G.654截止波长位移光纤G.654光纤（即B1.2截止波长位移光纤）专门用于1550nm波段，取其最小损耗之长，因其色散特性与G.652相同，零色散在1310nm波长上，在1550nm 波长上有近20ps/nm.km色散值，因而G.654光纤使用于低速率、大长度的光纤通信线路（如海底光缆），又因专用于1550nm波段，故其截止波长应大于1310nm,通常在1350nm1580nm之间。2.4 G.655非零色散位移光纤光纤的非线性效应包括受激布里渊散射、受激拉曼散射、自相位调制、互相位调制、四波混频、光孤子传输等。为了增大系统的中继距离而提高发送光功率，当光纤中传输的光强密度超过光纤的阈值时，则会表现出非线性效应，从而限制系统容量和中继距离的进一步增大。通过色散和光纤有效芯面积对非线性效应影响的研究，国际上开发出满足ITU-T U.655规定的非零色散位移单模光纤。利用低色散对四波混频的抑制作用，使波分复用和密集波分复用技术得以应用，并且使光纤有可能在第四传输窗口1600nm区（1565-1620nm）工作，目前，G.655光钎还在发展完善，已有TrueWave、LEAF、大保实、TeraLight、PureGuide、MetroCor等品牌问世，它们都力图通过对光纤结构和性能的细微调整，达到与传输设备的最佳组合，取得最好的经济效益。2003年1月20日31日ITU-T SG15（第十五研究组）在日内瓦召开的会议上，决定将G.655类型光纤主要根据对PMD的要求和色散特性的要求区分，由2000年版本的两个类别进一步分为了G.655A、G.655B、G.655C 三个类别。G.655A光纤主要支持ITU-T G.692、G.693和G.595.1应用，对于G.692应用，根据通道波长和规定的色散特性，限制最大的总注入功率，典型的最小通道间隔不小于200GHz。G.655B光纤主要支持ITU-T G.692、G.693和G.595.1应用，对于G.692应用的密集波分复用传输系统，根据通道波长和规定的色散特性，最大的总注人功率能比G.655A光纤容许的高，典型的最小通道间隔不小于100GHz。G.655C光纤的属性与G.655B光纤类似，但它具有比G.655B光纤对PMD更严格的要求，允许STM-64系统传输距离比400km长的更多和G.959.1 STM-256的应用。2.5 G.656宽带非零色散平坦光纤G.656与G.655类都是非零色散位移光纤，但G.655类光纤通常用于CL（15301625nm）波段或SC（14601565nm），而新提出的G.656光纤可用于SCL（14601625nm）波段，因此，G.656光纤被称为“宽带光传输用非零色散单模光纤”与G.655光纤相比，G.656光纤在几何参数、宏弯损耗、筛选应力以收PMD的要求均相似，但在整个波段（1460-1625nm）内色散值和有效面积更优化。可进行多信道窄间隔密集波分复用（DWDM）或疏波分复用（CWDM）应用。即工作波长范围更宽、性能更优越。目前这种光纤标准的分类进展及其细分化促进了光纤的准确使用，同时细化标准也提高了一些光纤的指标要求（如有些光纤几何参数的容差变小），明确了对不同的网络层次和不同的传输系统中使用的光纤的不同指标要求（如PMD值的规定），并提出了一些新的指标概念（如色散纵向均匀性等），对合理使用光纤取得了很好的作用。所有这些ITU 建议的修改、子建议的出现及新子建议的起草，都意味着光纤分类及指标、测试方法有某些改进，或有重要的提升；都标志着要求光纤质量的提高或运用方向上的调整，是值得注意的光纤技术新方向。3 电力光缆及应用3.1 电力专用光缆的适用标准GB/T12357 通信用多模光纤系列GB/T 9771-2000（所有部分）通信用单模光纤系列GB/T15972-1998（所有部分）光纤 总规范（eqv IEC 60793-1-1995）GB/T 7424.1-1998 光缆 第1部分 总规范（eqv IEC794-1-1-1996）DL/T 788-2001 全介质自承式光缆YD/T 980-2002 全介质自承式光缆DL/T 832-2003 光纤复合架空地线DL/T 767-2003 全介质自承式光缆（ADSS）用预绞丝金具技术条件和试验方法DL/T 766-2003 光纤复合架空地线（OPGW）用预绞丝金具技术条件和试验方法IEC 60794-4-1-1999 光缆 第4-1部分：用于高压架空电力线的光缆IEEE Std 1138 用于公用电力线路的光纤复合架空地线IEEE标准JB/T 8134-1997 架空绞线用铝-鎂-硅系合金圆线（idt IEC 60104-1987）GB/T 17937-1999 电工用铝包钢线IEC 60888-1987 绞线用镀锌钢线GB/T 17048-1997 架空绞线用硬铝线IEC 61394-1997 架空线 -铝、铝合金及钢裸线用油膏 3.2 电力专用光缆电力系统光缆的建设主要是应用电力系统特种光缆，纵观电力光缆网络的建设，电力系统特种光缆具体可分为ADSS-All dielectric Self-Supporting Cable(全介质自承式光缆)、OPGW-Optical Ground Wire(光纤复合地线)、GWWOP-Ground Wire Wrapped Optical Cable (地线缠绕式光缆)、AD-LASH-All Dielectric Lashed Cable (全介质捆绑式光缆)、MASS-Metallic Aerial Self-Supporting(金属架空自承式光缆)，以及近12年刚刚投入实际运行的OPPC-Optical Phase Conductor(光纤复合相线)。 电力架空光缆的分类序号光 缆 名 称材料分类安装形式主要使用场合1光纤复合地线 OPGW金属光缆（电力线）复用型新建线路或替换原有地线或相线2光纤复合相线OPPC3金属自承光缆MASS（杆塔） 添加型老线路通信改造，在原有杆塔上架设4全介质自承光缆ADSS介质光缆5捆绑光缆AD-L（电力线） 附加型老线路通信改造，在原有电力线上加挂现就各种电力特种光缆的特点及存在的问题进行说明：1) ADSS光缆ADSS光缆是上世纪九十年代至今电力系统通信网络建设中选用的主要光缆形式，在全国各省、地市电力光缆工程中得以广泛应用，其主要特点为：a) 在220kV及以下输电线路架设方便、快捷，可不停电施工;b) 可直接从一个变电站到另一个变电站，从不同电压等级的线路上加挂（220kV及以下输电线路），架设灵活，也可短距离的管道直埋不需要另外跳换不同类型的光缆，如OPGW光缆在终端塔则需要引入光缆接至光通信机房。c) 由于可不停电施工架设，避免了OPGW等光缆运行后的故障维护工作的困难，ADSS光缆可作为维护抢修用应急光缆；d) 因为架设在地线及输电线路下方，对于雷暴日多的地区，ADSS光缆不涉及到防雷的问题。e) 目前仍然大量使用，除电力系统用户外，新增加了一些其它行业的使用者。但是，随着ADSS光缆大量的广泛使用于光缆线路中，逐步显现出的电腐蚀问题使得生产和使用该光缆的人们对它失去了信心，当然，这其中问题和争议颇多，在此不进一步说明。2) OPGW光缆OPGW光缆在全国750kV到110kV输电线路上是主要通信光缆，并越来越广泛的被选用。其主要特点为：a) 光缆线路与输电线路地线为一体，外层单丝为金属，不存在电腐蚀问题；b）光缆价格逐步走低，大大降低了电力系统光缆通信线路工程的投资；c) 施工及事故处理时必须停电，对电力系统损失较大；d) 机械特性可满足线路大跨越，节省工程造价；e) 存在雷击断股的隐患，同时，金具（主要是接头盒等）易被盗；3) GWWOP光缆GWWOP光缆是电力系统光通信工程早期所选用的光缆之一，其特点是：a) 用缠绕机将光缆缠绕在地线或相线上；b) 与ADSS、AD-Lash一样，同是非金属结构光缆，轻型柔软；c) 光缆重量轻，造价低，安装迅速；d) 在输电线路地线和10kV或35kV相线上可不停电安装。e) 需要承受输电线路上产生的高温，外层护套材料存在老化问题。f) 施工需要专用机械，施工时对输电线路存在作业性、安全性等问题。然而，最使该光缆的使用受到影响的是其极易遭受外界的损害，如鸟啄、枪击等。对电力系统通信的安全稳定运行造成了影响。4) AD-Lash 光缆该光缆也是电力系统光通信工程早期所选用的光缆之一，其优缺点基本同GWWOP光缆。5) MASS光缆该光缆是电力系统通信工程专用光缆选用较少的光缆，其特点是：a) 与中心束管式的OPGWG光缆结构类似；b) 金属绞线通常用镀锌钢丝，价格低廉；c) 主要考虑强度和弧垂以及与相临邻导、地线和对地的安全间距；d) 容易被盗；3.3 电力专用光缆中选用光纤1）电力光缆光纤选用相对与电信等专业运行商来讲，电力通信系统的业务量要少的多，覆盖范围也小，因为它主要是与满足电力系统生产调度和管理的需要为目的，所以其网络的容量、传输带宽及速率等均限于其实际使用的目的，也就是说在电力系统通信工程的规划设计时应以服务于电力系统生产为目标，考虑建设规模和远景规划。因此，在电力系统光缆通信工程的规划设计时，光缆光纤的选择相对也简单，也就是在相应较短的中继距离和较小的传输带宽及速率要求下进行选择。其实，近几年中国电力规划设计协会颁发的有关电力系统光缆通信工程的有关设计规程中也已做了相关规定。下面就电力系统光缆通信工程中光纤的选择进行说明：（1）G.651类多模光纤在电力光缆通信网中目前的应用范围不大，随着向城域网推进和光纤进大楼、进桌面、进家庭等应用，多模光纤还会有用武之地。（2）G.652类光纤在电力光缆通信网中是目前用量最大、用途最广的，2003版ITU建议有两个比较大的修订。一是对G.655A光纤也提出了偏振模色散的要求，迄今为止己没有一个子类与1996版的G.652相似；二是增加了G.655D子类。不同子类光纤的参数和应用范围是有差异的，建议不宜再笼统地提G.652光纤。（3）G.653和G.654一般不宜在电力光缆通信网中应用，除非有某种特殊需要。（4）G.655类光纤在2003版ITU建议中增加了G.655C子类，对选用G.655何子类光纤为好目前尚有争议，但在同一系统中不宜随机地用不同子类混用和串接。G.655A光纤在应用中己暴露了一些问题，提请各方重视。建议不宜再笼统地提G.655光纤。（5）光纤技术仍在不断地进步和发展，要关注G.652C和G.652D替代G.652A和G.652D以及G.656替代G.655类光纤的可能性。（6）正确地选好用好电力架空光缆中的光纤，需要用户同厂商的密切合作，现场条件很难区分光纤的类型。2）电力光缆设计应用 我们对光缆光纤的选择主要是为了实际工程设计的应用，为此我们就现在电力光缆通信工程设计中最常选用的OPGW光缆进行说明。在考虑设计OPGW光缆的光纤通信要求时，需要考虑该光缆中的光纤的数量、光纤的类型以及光纤的应用波长及光性能指标。而其中衰减和带宽是任何一种传输线的最重要技术指标，OPGW也不例外。OPGW的传输特性主要取决于缆内的光纤，目前在全国电力系统中OPGW最常用的是G652光纤，有时会采用G.655类和G.652类光纤混装。这也与电力系统光缆通信工程有关设计规程是相符的。根据中华人民共和国信息产业部同步数字系列（SDH）长途光缆传输工程设计规范YD/T 5095-2000的规定，对速率低于STM-64的系统，对再生段设计中继长度应同时满足系统所允许的衰减和色散要求，即对再生中继长度的需进行相关的计算；a) 传输衰减估算按电力行业标准DL/T 832-2003， 单模光纤的衰减分为三级： 单模光纤的衰减系数（带状纤除外）光纤类别B1.1(G652)B4(G655)工作波长(nm)131015501550最大衰减(dB/km)0.360.220.220.400.250.250.450.300.30按目前商用光纤的水准，衰减指标很容易达标，比如G652光纤在1550nm波长可小于0.22dB/km。但就每个具体工程而言，没有必要提最高要求，应根据系统要求提出合理参数。另外，由于光纤结构的不同，在1550nm波长，G655和G652光纤的最低衰耗不宜相提并论，甚至同为G655光纤，G655A与G655B也会有所区别。通常的系统衰耗估算式见式在式中，L： 传输距离（km）Ps： 发送光功率（dBm）Pr： 接收灵敏度（dBm）Pp： 光通道功率代价（dB）Mc： 光纤衰耗富余度（dB）Ac： S-R端间所有活动连接器衰减之和（dB）Af： 光纤平均衰减（dB/km）As： 光纤固定接头平均衰减（dB/km）b) 传输色散估算单模光纤通常不用带宽而用色散来表示。带宽与色散之间的近似关系见下式：在式中，B：带宽（GHz）D()：光纤色散系数（ps/kmnm）：光源谱宽（nm）L：光纤长度（km）按电力行业标准DL/T 832-2003，单模光纤的色散特性见表4.5.4。表4.5.4： 单