WCA MAY 2015

电缆长期可靠性设计标准

作者：美国佐治亚州诺克罗斯奥林海升公司大卫·玛撒勒、麦克·金纳德和坎里菲尔斯(菲尔)· 康斯塔尼迪

摘要 本文研究了光缆上允许的轴向负荷的现行规范。本文研究表 明，许多光缆标准中的现行标准——允许长期负荷应当低于 验证测试压力的 20% ——可能在一些例子中过于乐观。(本 文)建议采用一种新标准来代替原标准——长期负荷标准化为 0.14 京帕( 20 千磅平方英寸)。 1 引言 关于架空电缆的一套设计标准互相矛盾，必须进行优化。(优 化的)目标之一是使光纤承受的张力最小化。第二个目标是使 光缆直径最小化，以便减少风载荷和冰载荷。 第三个目标是使每个区段下垂最小化。电缆中增加聚芳基酰 胺线使张力和下垂最小化，但是增加材料加宽了电缆直径， 反过来使风和冰载荷增加。 这些参数优化的一个关键变量是光纤允许张力。电缆中光纤 上的最大允许长期张力为验证测试张力的 20% ，是一条使用 多年的通用经验法则。 这条标准出现在许多现行标准文件中，且经验证，这条标准 对采用 0.69 京帕( 100 千磅平方英寸)验证测试光纤生产的当前 一代电缆较为合理。 这条标准的开发维持了 30 年的机械可靠性，并且从已部署 架空电缆优异的总体可靠表现来看，这条标准看起来是合理 的。 随着越来越接近设计极限的电缆被开发出来，有必要探索这 些极限以及电缆设计中运用的经验法则，以便确保未来架设 的光缆能够与它们之前的产品有类似的或者更好的可靠性表 现。

2 电缆设计调整对可靠性的影响 2.1 一般性看法 过去十年以来，生产光学电缆的传统设计边界已经改变。其 中一些变化包括：

1. 高光纤芯数电缆的使用 2. 低宏弯损耗光纤( G.657 )和抗微弯涂层的使用

3. 通过使电缆中使用材料最少化和降低设计余量来降低成本 4. 更强的验证测试纤维( 1.38 京帕 [ 200 千磅平方英寸])

电缆设计趋势的这些变化可能影响光学电缆的整体可靠性。 本文将单独讨论每项变化来表明，如果不加以正确管理，这 些变化合起来可能对长期可靠性产生显著影响。 2.2 采用更高芯数 许多架空电缆属于入户电缆。这些小小的电缆将接入网连接 到私人住宅。这些通常采用典型的低芯数电缆。然而，除了 这些入户电缆，采用更高芯数电缆成为一种普遍趋势。 在许多更高芯数电缆中，光学电缆重量的一半来自于光纤。 重量更大要求电缆张力更高，以便使电缆下垂最小化。聚 芳基酰胺线和玻璃纤维复合材料( FRP )被用来承载大部分负 荷，剩余负荷由光纤承担。 另外，光学电缆中纤维越多，其直径变得越大。电缆直径越 大，风和冰载荷越大，使情况变得更复杂。结果是电缆芯数 越多，可能使施加在光纤上的张力越大。 2.3 G.657 光纤与抗微弯涂层的使用 在光学网络中越来越多地使用 G.657 光纤已经不足为奇。来 自英国商品研究所( CRU )的最新数据显示，今天使用的 6% 以上的光纤属于这一类光纤。[英国商品研究所专门联络员 帕特里克·法耶]使用 G.657 纤维的原因是它们卓越的宏弯性 能。 G.657 纤维的另外一个好处是宏弯性能提升使它们对电缆 环境更为不敏感。 光纤的另一项重要发展是抗微弯涂层的应用 [1] 。与五到十年前 使用的光学镀膜相比，这种新一代光学涂层在微弯损耗方面 的表现提升了两到四倍。 即使在腐蚀性条件下，光纤的这两项改良合起来对观察到的 电缆衰减也会产生巨大影响。这种优质光纤和涂层特性能 够“掩盖”拙劣电缆设计或安装的影响。 如果光学电缆采用传统 G.657 纤维，又被用作纤维承受很高剩 余张力的用途时，通常观测到更强的衰减。默认情况下要求 电缆制造商控制光纤上的张力，以便保证电缆能够符合资质 要求。如果同样的电缆设计采用抗微弯镀膜的 G.657 纤维，测 量出的衰减减少，同样的电缆设计可以通过这项光学要求。 采用 G.657 纤维的最终效果是，电缆能够通过这项资质测试。 然而，使用以后，更高的纤维张力会产生长期可靠性风险。

❍ 图 1 : 计量长度为 10 米的 100 公里以上被测光纤的失效概率

区域 1 内在

区域 2 外在

Log (失效概率)

简要说来，如果电缆设计恰当， G.657 纤维和微弯镀膜对于采 用的电缆的光学性能大有裨益。但是如果电缆设计拙劣，光

Log (应力)

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Wire & Cable ASIA – May/June 2015