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从宁汉工程看影响光缆寿命的三大原因

北极星输配电网  来源:人民邮电报    2017/5/19 16:09:52  我要投稿  
所属频道: 电线电缆  关键词:烽火通信 光缆寿命 宁汉工程

北极星输配电网讯:烽火通信科技股份有限公司 陈保平

 光纤光缆作为光通信产业的主要传输媒质,在行业经过近40年的高速发展之后,按照当初25年的设计使用寿命,如今已进入一个更新换代的高峰时期。特别是在1988年~1998年期间建设的33000公里“八纵八横”骨干光纤网络,如今已服役超过20年,其使用寿命问题也引起了业界的高度关注。

 国内外有关光缆寿命的研究分析报道比较多,但由于光缆在实际使用过程中受到的外部环境、内部质量方面差异性较大,因此寿命问题比较复杂。正因为如此,国内新版的YD/T 901、YD/T 769、YD/T 981系列光缆标准先后取消了有关寿命要求的描述。

 烽火通信曾携手中国电信湖北传输局对1987年开始建设的国内第一条长途干线宁汉工程光缆进行详细的研究。实地考察湖北省内的线路状况、查询历年纤改和维护记录、对在用光缆进行实地链路测试、采用80×2.5G DWDM进行现有业务承载能力测试,并将当年的光缆大量取样进行详细分析,同时广泛选取1995年~2001年期间生产的不同厂家的在用光缆进行对比研究,获得了宝贵成果。

主要研究结论

 针对直埋和管道光缆,在典型的华中地区气象、地理环境条件下,若不考虑技术本身的进步造成的光缆淘汰和更新(如1995年前光纤无PMD要求),有以下结论。

 1. 光缆的接续性能变化不大。宁汉光缆虽经过20多年的使用,光纤的一次接续成功率仍在93%以上,接续性能不影响维护工作。

 2.光缆的传输性能变化趋势。光纤的自然断纤率可以忽略不计,其衰减指标会随时间而劣化,在应用前期呈加速渐变的老化趋势,经过约16年后,衰减值会长期保持一种老化后的稳定状态。光纤的色散、PMD变化与使用年限无必然联系,经过多年使用之后,仍然能够承载部分业务。

 3. 老化表现形式与形成原因。光缆老化的主要表现为衰减增加以及部分保护材料失效。光缆老化是由光纤所受的应力状态及应力变化引起的,不是由于氢损和光纤微裂纹引起的。光缆老化的原因主要是由制造环节造成的,包括光缆设计、光缆组成材料、光纤光缆工艺。

 具体来说,对于国内普遍采用的层绞式室外光缆,光纤涂层、纤膏、松套管尺寸是光缆老化的直接原因。

一、光纤涂层的选材与拉丝工艺至关重要

 光纤损耗增大的原因主要包括氢损、光纤裂化、光纤应力,通过实际检测发现光缆中的光纤经过多年使用后,其几何特性、机械特性、接续特性、光学特性等宏观性能基本没有发生变化,通过扫描电镜等方法发现光纤没有明显的微裂纹等异常现象。但光纤涂层状况出现明显差异,模量高、涂层紧密、剥离力大的光纤在1550nm、1310nm波长下衰减明显增加。

二、油膏填充式设计有利有弊

 纤膏是紧密接触光纤的油性物质,是以矿物油或者合成油为基础的混合物,对光纤起隔绝水汽和润滑缓冲作用,通过肉眼观察形态和测试油膏的氧化诱导期来评定纤膏性能。油膏氧化后其酸值增加可导致析氢增加,同时油膏氧化后对光缆结构的稳定性有影响,导致屈服应力下降,这样光纤在振动、冲击、弯曲、温差变化、地形地质变化等影响下会受到应力,减弱纤膏对光纤的缓冲作用,从而使光缆的可靠性下降。

 纤膏与光纤直接接触,它是光纤性能恶化的最重要的间接诱因。

 通过对不同时期生产的在用光缆实际检测发现,纤膏随着时间的变化而缓慢变性。通常是先集结成小颗粒,然后逐渐挥发、分解、干涸。对于华中地区的直埋或管道光缆,纤膏开始发生明显变性的典型时间为18年。

 “实际上,早期的纤膏填充式设计除了对光纤起润滑保护作用外,更重要的一点是油膏填充工艺便于控制和掌握。随着全干式光缆技术的成熟,同时考虑到油膏变性后造成的危害,纤膏方式将逐渐被全干式技术所取代。”烽火通信光缆专家如是说。

三、松套管尺寸过小使残余应力增大

 松套管尺寸对光缆寿命的影响更多体现在综合应力方面。当尺寸过小时,在温度变化、机械应力、填充物与光纤的相互作用等变化因素下,光纤所承受的应力得不到舒缓,进而使光纤衰减增大,产生老化现象。

总结

 光缆寿命取决于光缆使用期的外部环境和光缆内部质量。外部环境中的温度变化、水和潮气以及地形地貌、日照、冰凌等自然条件我们无法改变,随着敷设、维护方式的日益成熟和规范,减缓老化、延长使用寿命的外部环境条件已没有多少挖掘空间和余量,因此,运营商在制定网络建设规划时,光缆的寿命管理应从设计选型、光缆制造入手。

 设计选型上重点关注光纤所受的长期应力状况,光缆结构方面以层绞式为主,逐步试用、推广在接续维护成本及长期寿命方面占优势的全干式光缆。

 从制造角度上考虑,目前的相关标准以及技术规范比较成熟,护套料、金属带、钢丝、松套管(PBT)、纤膏、缆膏等光缆主材大部分可以通过物性指标进行检测分析其可靠性,越靠近光纤的材料越应重点关注。制造工艺控制上重点关注机械、环境性能试验过程中的衰减及光纤应力变化趋势。

思考与关注

 光纤是光缆的核心元件,经过30多年的发展,技术日趋成熟,但从寿命管理的角度,仍然有些问题值得我们思考。

 1. 目前的光纤寿命研究分两个维度:机械可靠性方面,基本上采用的是IEC TR 62048的理论分析模型,通过统计光纤筛选实验中的失效概率和光纤疲劳实验的威布尔分布特性,建立光纤筛选实验寿命评估模型;光学可靠性方面,重点关注光纤衰减,在早期老化研究的基础上,制定了光纤标准,通过干热、浸水、高温高湿等实验,检验1550nm波长下的衰减变化,从而验证光纤的长期可靠性。但由于各生产厂家在制棒、拉丝、涂料选材工艺上存在较大差异,虽然光纤能够满足实验要求,但理论值与实际寿命仍会出现较大偏差。

 2. 光敏剂的大量采用。30年前的光纤拉丝速度较慢,涂层通常采用二次固化涂覆方式;现今的固化方式一般是单次固化,树脂中添加了更多的光敏剂便于提高生产效率,虽然固化后涂层的模量、硬度等指标满足加速老化试验的需要,但其长期可靠性需要时间检验。

 3. 丙烯酸树脂材料。30年前的单模光纤涂层普遍采用的是丙烯酸树脂类材料,目前涂料种类依然如此,没有根本性的变化,既然宁汉工程中的部分光纤涂层已出现紧密老化情况,进一步引起衰减明显增加,那么现在生产的光纤涂层若选材或工艺控制不当,则仍有可能出现寿命达不到25年的情况。

 尤其值得一提的是,目前已开始试用工程的ULL超低损耗光纤,其中继距离可达1200km,采用的涂层材料与普通光纤一致,若线路设计时不考虑充分的预算光功率,则多年以后光纤老化将是严重的隐患,应引起业界高度重视。

原标题:从宁汉工程看影响光缆寿命的三大原因

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