光纜的余長設計與溫度特性分析

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　　前言
　　我國疆土遼闊，氣候溫差大，在沙漠戈壁地區甚至每日溫差都高達三四十攝氏度。光纜有架空敷設、地埋敷設及穿管敷設三種方式，特別是蘭西拉工程，光纜所經地段海拔高達四、五千米，冰凍高寒及溫度變化可能導致光纜嚴重回縮，損耗劇增。

嚴重時會導致通信中斷�？梢姽饫|的溫度特性對光纜的傳輸性能優劣及穩定性影響十分重大。高品質的光纜能在極其惡劣的氣候條件下，仍然具有穩定的傳輸性能。
　　
　　眾所周知，光纜是由多種原材料加工復合而成的均勻線性體。在這些材料中，它們的線膨脹系數、截面積、抗張模量各不相同。在某一溫度下，將他們集合以一定的工藝加工方式組合起來變成一條光纜。如果光纜的使用溫度假定永遠都是處在加工時的溫度，那么他們之間基本不存在熱脹冷縮問題，也不存在各材料間的相互作用力。但事實上，這樣恒溫的環境是不可能存在的。例如，氣溫下降，塑料（特別是PBT束管和外層的護套）由于線膨脹系數大，回縮加劇，而鋼絲或FRP由于線膨脹系數小，回縮量很小，光纖的線膨脹系數則更小，幾乎不回縮，這樣就導致了各層單元間相互作用，這種作用力的存在最終將影響光纜的溫度特性。
　　
　　所謂光纜的溫度特性，是指在某一溫度范圍內（例如-50℃~+60℃），光纜中每公里光纖損耗變化量，記作。
　　
　　究竟那些因素會影響光纜的溫度特性，歸納起來主要有如下因素：
　　
　�。�1）層絞式光纜或中心束管式光纜中光纖的余長設計與制造時的控制。
　　
　�。�2）光纜中各層單元間的摩擦力（或緊密度）。
　　
　　1. 層絞式光纜的余長設計與溫度特性關系
　　當光纖相對于置自身束管的余長等于零的情況，這時，PBT束管繞絞在中心加強件上時，其光纖相對于心加強件的位置如圖1所示。
　　
　　當光纜受到拉伸或氣溫升高時，光纜將伸長并發生應變。此時，光纖向纜中心移動，當移至D2位置時，光纖束已靠近束管孔內壁，光纖這一徑向移動過程稱之為層絞式光纜絞合余長釋放，當光纜繼續受力（升溫）伸長時，光纖將受縱向拉力而發生應變。層絞式光纜余長釋放量的大小與絞合節距的平方成反比，與光纖在束管中徑向移動量成正比，詳見式（1）。
　　
　　……………（1）
　　
　　其中：
　　
　　R=D1/3r=(d2-dfe)/2，
　　
　　d2：束管內孔，
　　
　　dfe：光纖束等效直徑，且dfe=1.16(n)1/2×df，
　　
　　其中，
　　
　　n：光纖根數，
　　
　　df：單根光纖直徑，
　　
　　P：為纏繞節距。
　　
　　反之，當光纜在低溫情況下，發生收縮。光纖束在束管中的徑向會向外移動并移至圖2中如D3所示位置。
　　　
　　光纖束的這種向外徑向移動,我們稱之為余長儲存。
　　
　　在實際生產層絞式光纜時，我們希望光纖束在絞纜后，所處位置在束管中處于接近中心位置為好。為了保證這一點，光纖在二次套塑后，常需要在束管里有一定量的小余長（比如0.4~0.6‰），以便滿足當束管受到拉伸應變時，正好抵消這一被拉伸量。設束管的放線張力（即拉伸束管的力）為F1，則束管在該張力下的伸長量εP為：
　　
　　F1=EP×SP×εP…………（2）
　　
　　其中：
　　
　　EP：PBT束管的拉伸模量，
　　
　　SP：PBT束管的截面積，
　　
　　εP：PBT束管的伸長量。
　　
　　根據理論計算，列出了Ф2.1/1.6-6D束管6單元絞合,中心加強件為Ф2.2時，產生的理論余長詳見表1。
　　　
　　由上表計算表明，儲存余長略大于釋放余長。這是因為加工光纜時，一般在20℃~25℃，氣溫相對較高。當由20℃升到70℃時，溫差變化為50℃，如氣溫由20℃冷至-40℃，氣溫變化達60℃，所以讓儲存余長略大于釋放余長是有道理的。
　　
　　光纜是由多層不同材料復合制成，假定他們之間是緊密的，且有足夠的摩擦力，那么，光纜中各層間在光纜伸長或回縮時，不發生層間的相對滑動，這時，光纜的伸長與回縮將按等效線膨脹系數進行熱脹冷縮。等效線膨脹系數由式（3）決定。
　　
　　式中，E1、S1、α1：中心加強元件的楊氏模量、截面積及線脹系數；
　　
　　E2、S2、α2：PBT束管的楊氏模量、截面積及線脹系數；
　　
　　E3、S3、α3：皺紋鋼帶的楊氏模量、截面積及線脹系數；
　　
　　E4、S4、α4：中密度護套的楊氏模量、截面積及線脹系數；
　　
　　根據式（3），我們將幾種型號的光纜（按標準要求設計的尺寸）線膨脹系數計算如表（2）。
　　
　　我們知道，如果光纜溫度升高而伸長，由于光纖的線膨脹系數極�。�約為5.8×10-7℃），幾乎不伸長，因此，可以近似認為層絞式光纜中光纖余長將釋放。假定制造光纜時的氣溫為20℃，絞合節距為80mm，光纜芯數為36芯，中心加強鋼絲為φ2.2，PBT束管為φ2.1/1.5，光纜型號為GYTA53型，則可用下式：
　　
　　………………（4）
　　
　　計算光纜的允許溫升：
　　
　　℃
　　
　　同樣道理,也可以計算光纜允許氣溫下降時的溫差:
　　
　　℃
　　
　　但實際上不可能達到如此的高溫和低溫，因為光纜材料本身不允許。但至少可以說在-40℃~+60℃溫度范圍內光纜的性能指標不會有什么變化。根據公式粗略計算（只算中心鋼絲的抗拉力），光纜在3340N力作用下，纜中光纖無應變。
　　
　　從以上理論分析可知，余長大小和節距關系非常大，那么是不是節距越小越好呢？從余長的釋放與儲存的大小來考慮，小節距應當比大節距好，但節距過小，又會帶來新的問題，那就是光纖纏繞中心加強件的空間螺旋彎曲半徑會減小，并導致由于彎曲所引起的應變增加，同時還會影響光纜中光纖的PMD值。這種靜態彎曲應變的存在，同樣會影響光纖的壽命。根據理論計算，當上述結構在節距為80mm時，其靜態彎曲應變約為0.8‰，因此，還能保證光纖30年以上的預期壽命不受影響。
　　
　　同樣原理我們可以分析中心管式光纜，這里不再討論了。
　　
　　2.制造中應注意的若干問題
　　根據上述理論分析,要想獲得理想的余長必須做到:
　　
　�。�1）合理設計束管的截面尺寸和光纖芯數，以便保證光纖束在管孔中的徑向移動量r。
　　
　�。�2）在擠PBT束管時，應嚴格穩定地控制光纖在束管中的余長為0.4~0.6‰,并保證束管壁厚度及均勻性。
　　
　�。�3）束管層絞時，嚴格控制束管的放線張力F1及繞絞節距P，以保證絞合余長在理論計算值附近。
　　
　�。�4）光纜的各層之間應緊密、均勻，并有足夠的摩擦力，防止層間在光纜的兩端發生由于材料的收縮引起的相對滑移，這一點十分重要。當然這種滑移一般都是由于溫度變化所引起的。
　　
　　3.結論
　　層絞式光纜由于其產生余長主要領先控制繞絞節距來控制余長，因此，其余長的分布均勻、穩定、可靠。而中心束管式光纜，主要依靠擠束管工序產生正余長，余長相比之下，較層絞式要小，而且分布易發生隨機性。因此，從這一意義上講，層絞式優于中心管式。
　　
　　另一方面，平行鋼絲加強的中心管式光纜只能在垂直平行鋼絲平面內彎曲，而不能在平行鋼絲的平面內彎曲，給施工放纜帶來一定困難。因此，對建設國家一級干線，筆者建議盡可能選用層絞式光纜。

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