非金屬光纜防凍性能研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計

徐建秋,趙 靜,繆小明,譚 楓,繆 斌,張 明

(江蘇中天科技股份有限公司,南通 226463)

0 引 言

光纜因其低時延、高保密性、高傳輸容量的綜合性能,被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信。 隨著云時代的來臨,通信傳輸網(wǎng)絡(luò)正朝著高速化、智能化不斷發(fā)展,作為信息傳輸過程中的主要傳輸媒介,光纜線路的穩(wěn)定性和可靠性對整個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。 在影響光纜線路可靠性的諸多因素中,容易被忽視的是冰凍擠壓造成的故障,特別是在部分高寒或冬季氣候寒冷的地區(qū),惡劣的環(huán)境條件會導(dǎo)致光纜受到冰凍的影響,出現(xiàn)信號傳輸損耗增加,甚至通信中斷的情況[1]。

目前,少數(shù)已投入商用的防寒抗冰凍光纜多采用金屬鎧裝方式。 但是,在應(yīng)用中金屬鎧裝層存在易產(chǎn)生非彈性形變、結(jié)構(gòu)單一化和防凍效果不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。 同時,在部分特定場景下,如在強(qiáng)電壓的電力線路或基站中,光纜需采用非金屬材質(zhì),而行業(yè)內(nèi)關(guān)于非金屬結(jié)構(gòu)防寒抗冰凍光纜的研究較少。 因此,本工作開展非金屬光纜抗冰凍性能的研究,設(shè)計滿足冰凍環(huán)境下使用要求的光纜,對提升產(chǎn)品使用壽命和拓展其適用場景具有重要意義。

1 光纜冰凍故障分析

1.1 冰凍故障原因

我國北方大部分地區(qū)處于中溫帶、暖溫帶,冬季最低氣溫在-10 ℃左右,正常情況下,這樣的溫度對架空光纜、直埋光纜和管道光纜造成的影響很小。在實(shí)際光纜線路敷設(shè)中,當(dāng)光纜在過橋架掛、穿越道路、過涵洞口、過難于施工的淺地表、由地埋轉(zhuǎn)為架空或架空轉(zhuǎn)為地埋的引上引下桿、進(jìn)入控制箱(變電站)等處或進(jìn)入室內(nèi)之前,一般會采用塑料管再外套鋼管的方式對光纜進(jìn)行保護(hù)[2],見圖1。

圖1 光纜保護(hù)管示意圖

但是,光纜外設(shè)置的這些保護(hù)管兩側(cè)基本沒有做任何防滲或密封處理,又或者防滲及密封處出現(xiàn)老化后未能及時修復(fù),就會導(dǎo)致外部水流很容易進(jìn)入保護(hù)管,且在保護(hù)管內(nèi)被長期儲存。 在冬季氣溫驟降或連續(xù)低溫的夜晚,裸露在外或淺地表下保護(hù)管內(nèi)的水迅速結(jié)冰固化。 當(dāng)水由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時,體積膨脹增大,而保護(hù)管對水固化引起的體積膨脹起到一定的限制作用,且由于整個過程在保護(hù)管內(nèi)同步進(jìn)行,形成的冰層在軸向側(cè)互為限制,冰凍容易在保護(hù)管中形成局部高壓狀態(tài),從而對保護(hù)管內(nèi)的光纜產(chǎn)生強(qiáng)大的徑向擠壓力。 過大的膨脹壓力易造成光纜扭曲變形,嚴(yán)重的可以導(dǎo)致光纜內(nèi)部光纖損耗加大,甚至是光單元出現(xiàn)斷裂,影響通信線路信號的正常傳輸,即光纜線路出現(xiàn)冰凍故障。

1.2 冰凍壓力計算

光纜的抗擠壓性能主要取決于纜中設(shè)置的護(hù)層,以及可能存在的鎧裝層結(jié)構(gòu),而冰凍產(chǎn)生的壓力大小是決定光纜是否需要采取防凍措施的主要指標(biāo)之一。 管道中冰凍產(chǎn)生的壓力主要由單位面積冰脹壓力,以及結(jié)構(gòu)物和冰的尺寸等因素決定。 其中,單位面積冰脹壓力計算公式為

公式(1)中:P為單位面積冰脹壓力,N;K為膨脹壓力折減系數(shù),假設(shè)壓力的70% 沿軸向傳遞而消減,則K為0.3;Kb為固變率,按冰、水各占50% 計算,則Kb為0.5;αb為0 ℃水形成冰時的相變膨脹系數(shù),為2.93×10-2;Eb為冰的彈性模量,為1.23×103MPa[3]。

根據(jù)公式(1)可估算,外徑為10.0 mm 的光纜每100 mm 承受的冰凍壓力超過10 kN,遠(yuǎn)高于YD/T 901—2018《通信用層絞填充式室外光纜》中管道、非自承架空光纜每100 mm 的短期允許壓扁力為1 kN 的要求[4]。 通過開展光纜每100 mm 的壓扁力測試可知,當(dāng)光纜每100 mm 的壓扁力達(dá)到5 kN 時,常規(guī)管道、非自承架空光纜內(nèi)部光纖傳輸單元的附加衰減已超出0.5 dB;當(dāng)光纜每100 mm 的壓扁力增加到10 kN 時,最大附加衰減為35.0 dB,且光纜結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生顯著形變。 壓扁試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 光纜壓扁力測試情況

由圖2 可知,在氣候寒冷及冬季溫度較低且易冰凍的環(huán)境中,采取相應(yīng)的防凍措施對預(yù)防光纜線路出現(xiàn)冰凍故障十分必要。

2 抗冰凍設(shè)計

2.1 緩沖層設(shè)置

為預(yù)防光纜冰凍故障的發(fā)生,除了需要對保護(hù)管進(jìn)行密封或積水引流處理外,光纜自身也需要具備一定的防寒抗冰凍性能,即光纜在積水結(jié)冰后體積膨脹產(chǎn)生的壓力下,可以保證正常的傳輸性能和纜芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 基于上述條件,本工作涉及的非金屬光纜通過增設(shè)緩沖層,以抵消冰凍對光纜的徑向形變壓力。 當(dāng)光纜周圍出現(xiàn)冰凍時,緩沖層可以提供充足的緩沖空間,有效吸收冰凍擠壓導(dǎo)致光纜可能產(chǎn)生的形變能量,確保在冰凍條件下,光纖附加衰減不大于0.5 dB。

在選擇緩沖層材料時,需要充分考慮材料的力學(xué)性能、溫度和濕度適應(yīng)性、加工成型難度,以及經(jīng)濟(jì)適用性。 經(jīng)過試驗(yàn)對比,本工作涉及的緩沖層選用了一種溫度適用范圍廣、阻燃性能良好的高分子多孔發(fā)泡材料,見圖3。

圖3 丁腈橡膠與聚氯乙烯復(fù)合發(fā)泡(NBR/PVC)緩沖材料

NBR/PVC 復(fù)合發(fā)泡材料具備的多孔蜂窩結(jié)構(gòu)對能量的吸收率高、抗壓緩沖效果好、回彈率高、壓縮蠕變低,長期反復(fù)使用不易產(chǎn)生塑性變形,可以有效地保護(hù)光纜內(nèi)部的傳輸單元。 除此之外,NBR/PVC 復(fù)合發(fā)泡材料還具有密度低、隔冷、隔熱、熱傳導(dǎo)系數(shù)低且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[5],典型性能指標(biāo)見表1。

表1 緩沖層材料典型性能指標(biāo)

2.2 緩沖層厚度選擇

緩沖層厚度是影響光纜抗冰凍性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。 過小的緩沖層厚度達(dá)不到預(yù)期的抗冰凍效果,緩沖層厚度過大又會導(dǎo)致光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計冗余、生產(chǎn)成本高,以及敷設(shè)困難等問題。 光纜中增設(shè)緩沖層的目的主要是抵消光纜的徑向形變,即設(shè)置的緩沖層厚度需要抵消保護(hù)管內(nèi)冰體積膨脹的徑向形變量。 單位長度冰膨脹體積的徑向形變量計算公式為

式中:D1為保護(hù)管內(nèi)徑,cm;D2為自由狀態(tài)下冰膨脹后的直徑,cm;ρ水為常溫狀態(tài)下水的密度,g·cm-3;ρ冰為0 ℃時冰的密度,g·cm-3,可以推得

單側(cè)形變量為緩沖層可設(shè)置的最小厚度,即

式中:rmin為緩沖層可設(shè)置的最小厚度,cm。

由公式(4)可知,光纜緩沖層可設(shè)置的最小厚度與保護(hù)管內(nèi)徑有關(guān)。 在實(shí)際應(yīng)用中,除了保護(hù)管內(nèi)徑,緩沖層厚度的選擇還需要對緩沖層材料性能、敷設(shè)環(huán)境溫度、可能的積水深度,以及光纜鎧裝層結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合考慮,以達(dá)到最佳的抗冰凍效果。

3 非金屬抗冰凍光纜的設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照上述抗冰凍設(shè)計思路,本工作提出了一種層絞式結(jié)構(gòu)的非金屬抗冰凍光纜,規(guī)格型號為GYFHTY-72B1.3。 其中,抗冰凍緩沖層設(shè)置于內(nèi)護(hù)套外側(cè),具體結(jié)構(gòu)見圖4。 通過開展成品光纜的抗冰凍性能和機(jī)械性能試驗(yàn),驗(yàn)證非金屬抗冰凍光纜的可靠性。

圖4 72 芯非金屬抗冰凍光纜結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 抗冰凍性能

按照GB/T 7424.22—2021《光纜總規(guī)范 第22部分:光纜基本試驗(yàn)方法 環(huán)境性能試驗(yàn)方法》中方法F15 進(jìn)行光纜外部抗冰凍試驗(yàn)。 在試驗(yàn)過程中,同時使用穩(wěn)態(tài)光源、光功率計等測試設(shè)備,對受試光纜中光纖的衰減變化進(jìn)行監(jiān)測。 外部冰凍試驗(yàn)無法表征冰凍條件下光纜在管道中傳輸性能的變化。 因此,本工作設(shè)計了一種由U 型鋼管、溫度箱與衰減測量設(shè)備組成的試驗(yàn)裝置,以驗(yàn)證光纜在管道中的抗冰凍性能。 該裝置通過調(diào)整管道內(nèi)徑、U 型鋼管彎曲半徑,以及管內(nèi)蓄水量,可模擬出不同條件下光纜在管道中冰凍后的狀態(tài),能夠更加精確地反映光纜實(shí)際敷設(shè)使用中的抗冰凍效果,其實(shí)施方法見圖5。

圖5 管道冰凍試驗(yàn)示意圖

按照上述試驗(yàn)方法,對本工作提出的非金屬光纜(有抗冰緩沖層)進(jìn)行外部冰凍與管道冰凍試驗(yàn),并與常規(guī)結(jié)構(gòu)光纜(無抗冰緩沖層)進(jìn)行對比,其主要抗冰凍性能指標(biāo)及測試結(jié)果見表2,管道冰凍試驗(yàn)附加衰減變化見圖6。

表2 非金屬光纜抗冰凍性能測試

圖6 管道冰凍試驗(yàn)附加衰減變化

由表2、圖6 可知,無抗冰緩沖層的光纜在外部冰凍與管道冰凍試驗(yàn)中,光纖每芯最大附加衰減遠(yuǎn)大于0.5 dB,光纖每芯殘余附加衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.05 dB。 相同試驗(yàn)條件下,設(shè)有抗冰緩沖層的光纜在外部冰凍與管道冰凍試驗(yàn)中,光纖每芯最大附加衰減不大于0.5 dB,光纖每芯殘余附加衰減不大于0.05 dB,光纜外觀無目力可見物理損傷,光纜抗冰凍性能達(dá)到工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 機(jī)械性能

參照YD/T 901—2018,對72 芯非金屬抗冰凍光纜的機(jī)械性能進(jìn)行試驗(yàn),主要性能指標(biāo)見表3。其中,D為光纜直徑,mm;若衰減不大于0.03 dB,即認(rèn)為無明顯衰減。

表3 72 芯非金屬抗冰凍光纜機(jī)械性能測試

由表3 可知,非金屬抗冰凍光纜具有良好的機(jī)械性能,各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足YD/T 901—2018要求。

4 結(jié) 論

本工作對光纜在管道中產(chǎn)生冰凍故障的原因進(jìn)行了分析,根據(jù)冰凍特性提出了設(shè)置緩沖層的方法以提高光纜的抗冰凍性能,并對緩沖層材料選型及厚度設(shè)置進(jìn)行了初步探討。 在此基礎(chǔ)上,本工作提出了一種非金屬抗冰凍光纜結(jié)構(gòu),通過開展光纜抗冰凍性能和機(jī)械性能試驗(yàn),驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可靠性。在光纜抗冰凍性能研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,積累的緩沖層材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計與成品測試等相關(guān)經(jīng)驗(yàn),可為以后類似光纜的設(shè)計、制造與性能檢測提供一定的參考。