接入网用微型非金属“8”字光缆设计及应用1

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1、接入网用微型非金属“8”字光缆设计及应用 陈曲 （德阳汇川科技有限公司，德阳，618000） 摘摘 要要 非金属“8”字光缆由于其外径小、重量轻等众多优点，广泛应用于农村接入网通信中，通过理论计算和实际相结合，介绍该光缆的结构设计、工艺制定和应用。 关键词关键词 非金属；架空；光缆； 1 1 前言前言 随着光纤到户工程的全面展开，高清 IPTV 及宽带走进了千家万户，根据宽带发展联盟最新发布的 2016 年第三季度中国宽带普及状况报告 ，截至 2016 年第三季度，我国固定宽带家庭普及率达到 59.6%，而农村的情况并不乐观，很多偏远山区甚至连移动信号还未覆盖，更谈不上宽带，所以农村全面普及光

2、通信还任重道远。目前国内几大运营商都在加快农村山区的通信网络建设，在此过程中涌现出了众多独具特色的光缆产品，其中非金属“8”字光缆被广泛应用，并获得了市场的认可。 2 2 结构选择结构选择 由于农村的环境多为丘陵和山区，普通的 GYTA、GYTS 或者 GYTA53 并不太适用于农村环境，一方面是 GYTA 或 GYTS 不能自承架空，且不能进行直埋，GYTA53 虽然能直埋，但是山区并不适用直埋光缆，并且会使工程造价偏高，另一方面上述光缆都还含有金属成分在里面，并不能与现有的输电线路共用杆塔。农村通信工程建设所用光缆应具备以下几个特点： 1） 光缆可以直接架空使用，一般档距在 100 米左右

3、。 2） 光缆芯数小、直径小，重量轻，利于施工架空。 3） 光缆不含金属，能和其他输电线路公用杆塔线路。 根据以上要求，非金属的“8”字光缆的应运而生，该光缆结构图如下： 图图 1 1 非金属“非金属“8 8”字缆结构图”字缆结构图 因为吊线采用非金属材料，为了满足架空需要，缆芯四周增加额外的加强件，以提高光缆的抗拉性能，缆芯四周的非金属增强材料可以是芳纶纱、玻纤纱或玻纤带等其他非金属材料。 3 3、设计计算、设计计算 根据以往的设计经验，我们初定光缆的结构如表 1 所示。 表表 1 1 光缆结构参数光缆结构参数 套管套管 吊线吊线 FRPFRP 带带 宽度宽度* *厚度厚度 护套护套 光缆光

4、缆 重量重量 直径直径 壁厚壁厚 芯数芯数 余长余长 FRPFRP 直径直径 护套壁厚护套壁厚 壁厚壁厚 外径外径 mm mm 根 mm mm mm mm mm Kg/Km 2.8 0.4 12 3 3.5 1 10.4*0.5 1.5 6.8 76 在光缆设计系统中输入各项参数设计实例如图 2 所示。 非金属加强件PE外护套非金属材料光纤PBT套管图 2 光缆结构设计 1 1）套管内光纤余长设计套管内光纤余长设计 光纤在套管内的状态一般为螺旋形状或正弦形状。试验证明，无论哪种形状，光纤在套管内的弯曲半径如果小于 60mm 光纤的附加衰减就会急剧增加，所以在设计套管余长时要充分考虑光缆在生产和

5、使用过程中光纤的弯曲半径要大于 60mm。 以 12 芯(N)套管为例，套管直径 D=2.8mm,壁厚 e=0.4mm，则： 光纤的等效直径= 1.160.255 a a) )当光纤呈螺旋形状时当光纤呈螺旋形状时 图 3 光纤螺旋分布示意图 光纤的曲率半径表示为： = r +242 （1） r =22（2） 单位节距 h 内的光纤长度 = 2+ (2)2 （3） 余长 =1000 （4） 以上计算证明 12 芯的 2.8mmPBT 松套管，当光纤弯曲半径刚好大于 60mm，光纤余长最大可以做到 4.1。 b)b)当光纤呈正弦形状时当光纤呈正弦形状时 图 4 光纤正弦分布示意图 光纤的最小曲率半

6、径表示为： Rmin=h242r （5） 其中 h 为节距，r 为光纤自由度，如图 所示，单位节距 h 内的光纤长度 1 + 21 14(1+2)2 （6） 其中k = 2r/，式 3 是根据正弦函数通过椭圆积分后化简得到。 余长 =1000 （7） 以上计算证明 12 芯的 2.8mmPBT 松套管，当光纤弯曲半径刚好大于 60mm，光纤余长最大可以做到 2.0。 由于光纤在松套管内很难做到全为螺旋状或正弦状，分布较为随机，综合以上分析，我们暂定该套管的光纤余长为 3.0。 2 2）光缆的）光缆的力学计算力学计算 以上光缆采用 3.4mm 的 FRP,玻纤带采用 10.4*0.5，其材料参数

7、如下表 2 所示。 表表 2 2 主要主要材料参数材料参数 型号型号 抗拉强度抗拉强度 MpaMpa 弹性模量弹性模量 GpGpa a 断裂伸长率断裂伸长率% % 膨胀系数膨胀系数1010- -6 6C C- -1 1 3.4mm FRP 1100 50 3 6 10.4mm 玻纤带 1100 55 3 6 PE 20 1.1 600 170 PBT 60 2.2 100 123 F = ( + )ES =0（8） Ei为第 i 种材料的模量，Si为第 i 种材料的截面积，为光纤的余长, f为光纤应变。 模拟光缆拉伸情况如图 5 所示。 图 5 光缆的模拟拉伸力学分析 在标准YD/T 1155

8、-2011 通信用“8”字形自承式室外光缆中明确要求，光缆在短期拉力下，光纤应变不超过 0.15%，在理想状态下，只考虑 FRP 受力，拉伸过程中光纤在未受到应力或应变刚好为零时，光缆的拉伸力 F = ES =0= 1361 （9） 纤应变为 0.15%时的光缆拉伸力 F = ( + )ES= 2042 =0（10） 由于该光缆的架空档距一般较小,且光缆的重量轻，所以可以按照悬链方程的简化公式来计算该光缆的架空受力，则受力 F 为 F =28+ （11） 假设等高架空档距 L=100m,弧垂 f=1.5m,缆重 W=0.076kg/m，求出 F=932N。表 3 是应力弧垂表，一般情况下弧垂为

9、 1-1.5%倍档距。 表 3 150M 跨距下的各应力弧垂表 档距(m) 安装垂度(m) 缆重(kg/m) 安装张力(N) 50 0.5 0.076 466 60 0.6 0.076 559 70 0.7 0.076 652 80 0.8 0.076 745 90 0.9 0.076 839 100 1 0.076 932 120 1.2 0.076 1118 150 1.5 0.076 1398 3 3）高低温）高低温特性特性 光缆的等效线膨胀系数 = （12） 其中 ai为第 i 中材料的线膨胀系数，那么通过计算该光缆的等效线膨胀为 16.9。 如果该光缆的使用温度范围为-40-+60，

10、常温假定为 20，则： 低温收缩为A= = 0.00109 = 1.01 高温伸长为A= = 0.00076 = 0.67 由此可知，在极端低温情况下会使光缆的余长间接增大 1左右，由于该光缆主要被用于架空，而架空所受的张力可以抵消光缆的低温收缩，所以低温收缩不会因为余长增大导致衰减的增大。而在高温情况下会间接减小 0.7，且在长期张力运行下，该光缆的缆应变在 1.2左右,所以综合几方面的因素，该光缆的余长设计应在 3-4为宜。 4 4 试验试验情况情况 1）拉伸试验 通过以上的理论设计，试验结果满足预期要求，基本与模拟拉伸吻合，拉伸应变如图6，拉伸附加衰减如图 7，从图形中可看出，光纤的应变

11、基本在 1500N 时开始才有，光纤应变和缆应变都较为理想，这说明 FRP 带也起到一定的承力作用，受力的大小需要大量的试验数据进行分析。 图 6 拉伸应变曲线图 图 7 拉伸附加衰减 2）高低温试验 高低温试验结果也满足设计要求，如表 4 所示。 表 4 高低温衰减数据 5 5 总结总结 通过理论设计与实际试验数据表明该光缆基本能满足小跨距使用，建议在 100 米跨距以下使用，而对于大跨距和恶劣的气象环境建议使用金属“8”字光缆或 ADSS 光缆。除此之外，由于该光缆采用非金属加强件，且为中心管式，拉伸窗口较小，所以该光缆对施工要求特别较高，特别是跨距、弧垂和安装张力应在设计的范围内，并且需

12、要专用配套金具，否则光缆会出现光纤回缩、损耗超标、断纤等现象。 个人认为 FRP 有史以来只是作为普通光缆的中心加强件， 基本不作为长期承力材料， 各类标准对此材料无蠕变性能要求以及高温下的抗拉性能要求，因此无法保证YD/T 1155-2011 通信用“8”字形自承式室外光缆标准中的蠕变性能，所以应对 FRP 和 FRP 带材料做出相应的标准要求。 以上是笔者对该光缆设计的一些经验总结，由于水平和经验有限，难免有不妥之处，希望行业同仁提出宝贵的意见。 参考文献参考文献 1邹林森.光纤与光缆.武汉:武汉工业大学出版社，2000. 2陈炳炎.光纤光缆的设计和制造(第 2 版).浙江: 浙江大学出版社,2011 3邹林森.中心管式和绞合式光缆中光纤余长探讨.光通信研究,1993,(1):3-7 4陈曲.基于面向对象的光缆设计系统.光纤与电缆及其应用技术,2015 年第 1 期，38-40. 5陈曲.可视化光缆设计软件的开发与应用.中国通信学会 2015 年光缆电学术年会,2015年，90-101. 作者简介：作者简介： 陈曲，男，2009 年至今从事光缆设计与制造，曾就职亨通、富通集团有限公司，现任德阳汇川科技有限公司副总经理。