高溫環境對電力通信用光纖壽命的影響

栗 鳴，謝書鴻

(1.中天日立光纜有限公司，江蘇 南通226463;2.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 南通226463)

0 引言

長期以來，在通信、交通等領域的長途干線網上大規模應用常規通信光纜，其使用溫度均為大氣環境溫度。例如，直埋、管道、架空普通光纜的實際使用溫度變化范圍約在－20～+40℃，而電力系統通信領域光纖復合架空地線(OPGW)、全介質自承式光纜(ADSS)等光纜的使用溫度變化范圍約在－40～+70℃。目前廣泛認可的普通商用通信光纖的20年長期工作溫度為85℃。因此，對光纜中光纖使用壽命(或衰減增加)的影響因素研究較多集中在如應力、彎曲、氫損、潮氣、溶劑等方面，而對于光纖處在一個相對較高的溫度下(高于85℃)的長期使用壽命研究相對缺乏。當然，特殊場合使用的致密涂層光纖(hermetic optical fibers如金屬涂層光纖、涂炭光纖等)除外。

近來，隨著光纖復合相線(OPPC)光纜的應用逐漸推廣，以及光纖溫度傳感、光纖應力傳感等應用逐步擴大，人們開始關注普通商用通信光纖的耐溫性能和長期使用壽命。通信光纖可能的高溫使用場合有:用于電力電纜和電力設備監測的分布式光纖測溫系統(DTS);OPGW和OPPC光纜;光纖復合電力電纜;油井測溫光纜;耐火光纜等。如果有各種原因使得光纖承受了短時的更高溫度環境沖擊，那么對于光纖的使用壽命會產生多大的影響呢?或者說光纖可以在多高的溫度下承受多長時間而不影響其傳輸性能呢?目前國內外對這個課題的研究還不是很多，其中多為對不同涂層材料的光纖進行耐溫性能比較［1-2］，而沒有進行壽命分析。據悉，美國OFS公司對普通商用光纖涂層熱老化與光纖使用壽命之間的關系進行了較為深入的研究［3-4］。因此，本文將重點結合OFS公司Andrei A Stolov，Debra A Simoff等人的研究成果進行介紹?？紤]到電力運管人員的工作性質，我們僅介紹其主要研究結果。若對整個研究過程和方法有興趣的話，可閱讀原文。

1 光纖涂料熱老化試驗

1.1 假設條件與研究方法

早期的光纖一次涂覆料為熱固化硅樹脂。盡管它有較高的使用溫度，但由于其價格高，尤其是固化速度較慢，光纖拉絲速度也不能提高，大大增加了光纖成本，所以在80年代后期逐步被光固化丙烯酸酯類涂料所代替。目前光纖涂覆層均由兩層組成:第一層模量較低(＜5 MPa)，與光纖包層緊密粘結，防止光纖表面微裂紋擴大并可減輕光纖的微彎損耗;第二層模量較高(＞800 MPa)，可提高光纖的耐磨性能和機械強度。此雙涂層結構具有固化快、易剝離、成本低等優點，但缺點是耐溫等級不高，常規涂料的長期使用溫度為85℃。

對于光纖所受應力與其使用壽命之間的關系，康寧公司Glaesemann給出的假設是［5］:當光纖裂紋擴展到其原始裂紋深度的1%時，即為光纖失效。在此假設下，以100 kpsi篩選應力為參考應力σp，推算出不同σp%下的光纖使用壽命。這一假設條件已被各光纖廠家所接受并用于指導實際生產。

對于光纖涂層熱老化性能與其使用壽命之間的關系，也必須有一個假設條件，即首先應確認涂層的熱失重(weight loss)與光纖強度之間有著必然聯系［4］，這是一個基本前提。在此前提下，假定光纖涂層在達到某一失重百分率(如5%、10%或25%等)時即可認為光纖失效，這一失重百分率即作為光纖失效判據(failure criterion)。在這個假定下，利用TGA(thermo gravimetric analysis熱失重分析)方法，推斷出光纖涂層在某一環境溫度下達到某一失重百分率所需要的時間，這個時間值即為光纖在這一溫度下的使用壽命。

高分子材料在老化過程中其性能會發生改變，如重量、延伸率、拉伸強度、硬度、顏色等。用重量改變來分析材料的老化性能只是研究手段之一。由于TGA方法具有設備體積小、試驗時間短、分析速度快、所需試樣少(幾個毫克)、易改變試驗環境(如空氣、氮氣、氧氣等)等優點，因此被廣泛用于研究各種材料的老化性能。

1.2 Stolov的試驗研究結果

1.2.1 光纖試樣

涂料A:常規光固化丙烯酸酯涂料，雙涂層。芯徑50μm階躍多模光纖，包層外徑125μm，涂層外徑分別為190μm和245μm。

1.2.2 涂料A在空氣環境下不同加熱速率的動態TGA(Dynamic TGA)曲線

涂料A在空氣環境下不同加熱速率的動態TGA(Dynamic TGA)曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著加熱速率的增加，TGA曲線向高溫側偏移。在殘余重量大于90%時，曲線呈現平坦狀，一般認為這只是涂層中未反應物(如添加劑、水分等)的揮發。在溫度超過200℃時，光纖涂層的熱降解反應為主要反應。在殘余重量小于40%時，失重速率與加熱速率不再保持一致，這說明涂層的熱降解過程已經不穩定了。

圖1 不同加熱速率下(空氣環境)涂料A的TGA曲線

1.2.3 利用阿累尼烏斯(Arrhnius)公式推算光纖涂層壽命

如何利用阿累尼烏斯公式推算光纖涂層的使用壽命，有興趣的讀者可參閱GB/T 20028—2005/ISO 11346—1997《硫化橡膠或熱塑性橡膠 應用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》以及原文［3-4］。

表1給出的是在不同失效判據下，涂料A光纖在不同溫度下的使用時間。TGA試驗升溫速度為0.5℃/min。

表1 空氣環境中不同失效判據下涂料A光纖的使用時間和溫度

從表1可以看出，光纖的使用時間或者說“光纖壽命”與兩個參數有關:失重失效和使用溫度。假定在光纖涂層失重25%時光纖的光學性能和機械性能全部失效，那么這種光纖在93℃可以承受20年。當然也可以在更高的溫度使用，但壽命將縮短，如在122℃可以使用1年，在155℃可以使用1個月。如果使用10%失重作為失效判據，它的使用溫度將向低溫處偏移:在87℃使用時間為20年，在114℃使用時間為1年。相反，如果在50%失效判據下，在107℃使用時間為20年，在139℃使用時間為1年，在170℃使用時間為1個月。

作為比較，圖2是康寧公司提供的對常規商用CPC6光纖在空氣環境中的光纖涂層失重與溫度的關系曲線。從圖2可以看出，CPC6光纖在85℃環境中近10 000 h涂層體積減少不超過10%。雖然10 000 h的試驗時間(14個月)已經很長，可與光纖的整個壽命周期相比也只是一個短期老化試驗。盡管如此，我們還是可以看到在1 000 h直至10 000 h后已呈一條水平線，即不再有熱失重繼續發生。如果將前期的失重歸結為涂層中未反應物或添加劑的揮發、水分蒸發等因素，可以認為在85℃、10 000 h試驗條件下光纖涂層的各項性能還是穩定的。在這一點上，康寧公司的試驗結果與OFS公司stolov等人的研究結果一致，即普通商用光纖可以在85℃長期使用。

圖2 CPC6光纖在空氣環境中的光纖涂層體積變化與溫度的關系曲線

1.2.4 不同氣體環境下的使用壽命

Simof D.A.等人的研究結果表明［6-7］，在氧氣存在的環境下，光纖丙烯酸涂層的熱降解反應主要為熱氧化裂解反應。吳經玲等人的研究結果表明［8］，在氦氣保護的試驗條件下，丙烯酸酯的熱降解反應主要為解聚反應。由于光纖在實際使用中光纖套管中充滿了光纖膏，光纖涂層被光纖膏所包圍，沒有機會與空氣或氧氣接觸，應該說后一種降解機理更符合實際情況。當然，在光纖的實際使用中并沒有必要去了解光纖涂層的熱降解機理，我們只需了解什么樣的環境對光纖影響更大。

圖3為在不同氣體環境下涂料A的TGA曲線，所得曲線的加熱速率均為0.5℃/min。

圖3 涂料A熱降解的環境效應

從圖3可以看出，在不同的氣體環境下，光纖涂層的熱穩定性依次如下排序:氮氣＞空氣＞氧氣。這個結果也提醒我們在光纖的使用中，應盡可能地避免光纖與空氣接觸，具體在光纜生產中表現為應盡可能地提高光纖二次被覆時光纖膏的填充度。表2為在失重25%的失效判據下，涂料A光纖在不同氣體環境下的使用時間。

表2 涂料A光纖(25%失重判據)在氮氣、空氣和氧氣中的使用時間

1.2.5 光纖衰減與光纖熱老化的關系

將涂料A光纖做成兩個試樣(試樣1和試樣2)，每個試樣長約1 km，繞成圈放入試驗箱。光纖表面涂上滑石粉，在整個試驗過程對光纖衰減(850nm)進行監測。試驗過程如下:先將光纖在室溫下擱置，然后將溫度降至－55℃，目的是確認光纖未老化前的光纖衰減;然后將溫度快速升至175℃，保溫1個星期;再將溫度降至－55℃記錄光纖衰減，測好后同樣將溫度快速升至175℃保溫1個星期;接著將光纖先自然冷卻至室溫，再降至－55℃測量光纖衰減。圖4為光纖衰減隨老化時間的變化曲線。

圖4 涂料A光纖衰減(850 nm)隨熱老化時間變化

由圖4可以看出，涂料A多模光纖在整個試驗過程其衰減變化不超過0.2 dB/km。在多數應用場合下，這個衰減附加值還是可以令人接受的。從TGA數據推算，經歷了175℃兩個星期的高溫老化后，光纖涂層的重量損失大約在30%～38%。由此可以得知，光纖涂層的重量損失并不一定意味著同時帶來光纖傳輸性能的降低。

2 OPPC和OPGW光纖高溫應用分析

Stolov等人的研究結果，有助我們對光纖所經受溫度與光纖涂層性能改變、光纖使用壽命之間的關系有一個較為清晰的認識。OPGW和OPPC等電力特種光纜中的光纖在生產與使用過程中有多個承受高溫環境的場合。

2.1 OPGW承受高溫的場合

(1)激光焊接鋼管光單元過程中，鋼帶激光焊接溫度高達1 450℃以上，但由于經歷時間短，焊接過程并未對光纖的使用壽命產生任何影響，這一點已被鋼管光單元十幾年的良好應用歷史證明。

(2)實際工程應用中的OPGW和OPPC光纜有可能承受幾十次或幾百次時間不等的電氣高溫環境。如OPGW在經受了雷擊或大短路電流沖擊之后，光纖仍能正常通信，極少見光纖損壞的報道。OPGW遭受雷擊引起斷股案例較多，但引起光纖通信異常的極少。通過實驗室模擬雷電沖擊，雷電流持續時間為0.5 s，但幾乎監測不到光纖衰減發生明顯變化。

所有這些均表明，盡管常規通信光纖的耐溫等級被認為是85℃，只要其承受較高溫度的時間足夠短，并不會明顯影響其使用壽命。圖5為中國電力科學研究院光纜實驗室對某型號OPGW進行的短路電流試驗溫升曲線。

圖5 某型號OPGW短路電流試驗溫升曲線

從圖5可以看出，短路大電流沖擊后，OPGW溫度迅速上升到最高的145℃，隨后緩慢下降至85℃，此過程需8～10 min。即使我們將這一時間段的平均溫度假定為135℃，經歷了三次試驗標準規定的短路電流沖擊后，光纖在135℃高溫的承受時間合計為24 min。參照表1，5%失效判據下135℃使用溫度下光纖的使用時間約為1個月。因此可以認為，24 min與1個月相比，短路電流沖擊所產生的短時高溫并不會影響到光纖的使用壽命。

圖6 OPPC及金具附件系統的載流量試驗曲線

2.2 OPPC承受高溫的場合

OPPC光纜在長期運行過程中處于持續通流發熱狀態，而且也可能受到如單相對地短路電流、繞擊雷或直擊雷、直流融冰電流等短時大電流，使導體溫度過熱。我們委托上海電纜研究所實驗室對OPPC及金具附件、接續盒系統進行了模擬220 kV線路掛網試驗。監測OPPC及配套接頭盒(光電分離裝置)在施加額定電壓并且通額定電流情況下各項性能指標，包括電壓、電流、溫度、光纖附加衰耗、接續盒絕緣性能等，以此論證OPPC及金具附件、接續盒系統在220 kV線路中高溫運行的可行性及安全性。圖6是恒溫恒壓階段、熱循環階段、加速老化階段三個試驗階段全過程的溫升和光衰減變化曲線。在OPPC纜溫為80℃時，跳線溫度為45℃，接頭盒溫度為30℃，而光纖附加衰減變化很小。當施加電流使OPPC纜溫升到近170℃進行加速老化持續時間近10 h，光纖衰減開始迅速增加。當OPPC回復到常溫狀態時，光纖衰減未能恢復到可接受值，此時可認為光纖傳輸性能已失效。對于此光纖傳輸性能失效的原因，由于我們還沒有做更深一步研究，所以不能輕率地給出具體結論。但可以根據試驗結果得知，OPPC在正常通流溫度為70℃時，光纖長期使用壽命不受任何影響。

對于重冰區來說，OPPC光纜可能會承受直流融冰電流。直流融冰系統施加在OPPC光纜的大電流低電壓，僅需將溫度升到30～40℃即可融冰，因此，并不會影響光纖使用性能和長期壽命。

3 結束語

由于影響因素眾多，事實上光纖使用壽命與光纖使用溫度之間的關系非常復雜。Stolov等人的研究只是方法之一，還有一些疑問有待做更深一步的研究。比如:(1)Stolov等人試驗的前提是光纖涂層熱老化將影響光纖的使用壽命，但這兩者之間的關聯度有多大?是否受外界環境影響?(2)目前使用中光纖外都涂有一層油膏用于防潮、緩沖等目的，在這層油膏的覆蓋下，光纖涂層的熱失重速率可能與實驗室TGA試驗時的失重速率并不一致。(3)在圖4試驗中Stolov等人得出的結論是即使是在失重38%的情況下，光纖涂層熱失重與光纖的光學性能關系并不大。這只是一個方面，需要指出的是:他們的試驗是在試驗箱中進行的，光纖處于靜止狀態。實際上，在失重38%以后，光纖涂層的機械性能如伸長率將大大降低。失去了涂層的緩沖保護，當OPPC或OPGW在受到風激振動、熱脹冷縮或覆冰時，很容易將外力傳導至光纖包層表面微裂紋導致光纖失效。(4)Stolov等人的研究僅針對光纖涂層的熱老化。實際上，在光纖膏生產時，為了提高粘度，常會在基礎油中加入諸如聚甲基丙烯酸酯、聚異丁烯、烯烴共聚物、聚烷基苯乙烯等高分子化合物作為增稠劑。這些高分子化合物在長期高溫情況下，同樣會發生熱降解反應，降低光纖膏的性能，對光纖使用壽命產生影響。

總之，對于OPGW、OPPC等電力通信特種光纜來說，正常的長期使用溫度為70～80℃，對光纖的傳輸性能和長期使用壽命不會產生影響。即使OPGW、OPPC經受雷擊或短路電流引起短時高溫，只要其承受較高溫度的時間足夠短，也并不會明顯影響光纖使用壽命和光纖衰減。

［1］Araki S，Shimomichi T，Susuki H.A new heat resistant optical fiber with special coating［J］.International wire＆cable symposium proceedings，1988:556-561.

［2］Daniel A.Wilson，Matthew M.Ellison，Zhang xiaoyan.Designing UV-curable materials for high-temperature optical fiber applications［J］.Radtech Report，2007.September/October，24-30.

［3］Debra A.Simoff，Andrei A.Stolov，Catherine R.Ciardiello.New optical fiber coating designed for high-temperature applications［J］.Proceedings of the 58th IWCS/IICIT，83-89.

［4］Andrei A.Stolov，Debra A.Simoff，Jie Li.Thermal stability of specialty optical fibers［J］.Journal of lightwave technology，2008，26(20):3443-3451.

［5］陳炳炎.光纖光纜的設計和制造［M］.浙江:浙江大學出版社.

［6］Chan M G，Simoff D A，Heywad I P.Thermo-oxidative degration and stabilization of UC-cured coatings［J］.in Proc.ACS Div.Polym.Mat.Sci.Eng.，1988，58:144-149.

［7］Simoff D A，Chan M G，Chapin J T，et al.Thermooxidative aging of a primary coating in films and dual coated fibers［J］.Polym.Eng.Sci.，1989，29:236-240.

［8］吳經玲，張桂香，薛樹滿，等.裂解-氣相色譜-質譜聯用技術研究:丙烯酸酯類聚合物熱解機理［J］.高分子材料科學與工程，1987，5(10):78-83.