用小直径G.657A2光纤的OPGW

摘要:在一根通常可容纳48芯G.652光纤的，外径为2.5mm的不锈钢管光纤单元内植入48根直径为200μm的G.657A2光纤，制成的OPGW外径为12.6mm。成缆后所有光纤在1550nm光波长的衰减均小于0.19dB/km；在70%RTS拉力下，光纤的应变≤0.19%和附加损耗≤0.04dB；在-40℃至65℃的温度范围，光纤的附加损耗最大值为0.005dB/km；与多个厂商的G.652D光纤对接，接续损耗的双向平均值≤0.05dB。

关键词:OPGW；G.652D光纤；小直径G.657A2光纤；光纤余长；光纤直径；光纤弯曲半径；光纤应变；接续损耗

Ⅰ.前言

　　对涂覆层标称外径为250μm的常规单模光纤（如G.652D），要增大OPGW的光纤芯数，可以用增大光纤单元的直径或增加光纤单元数量的方法来实现。但是，不管是增大光纤单元的直径还是釆用多个光纤单元都会影响OPGW的结构设计，通常都会使缆的直径和自重变大，除了缆成本增大外，还会因风、冰荷载的增加致使杆塔承载荷载增大，导致杆塔的建设/加固成本增加。

　　在某些场合，要求OPGW的光纤芯数较大，但又希望OPGW的直径较小,这时唯一的办法是光纤单元尺寸不变而让它容纳更多的光纤。但是，光纤单元里可容纳的最大光纤芯数是受到限制的。众所周知，要保证OPGW内光纤的工作寿命，关键要素之一是缆内必须要有合适的光纤余长，而光纤单元内可容纳的光纤数量与余长有直接关系。

　　ITU-T G.657光纤是一种抗弯光纤，它允许弯曲半径很小而不劣化传输性能，近年来，还对光纤的涂覆层材料和工艺进行了研究，光纤的涂覆层外径从250μm减小为200μm，

　　光纤直径和弯曲半径减小可以允许在原有的光纤单元内植入更多的光纤，我们用外径为200μm的G.657A2光纤研制成功了缆直径为12.6mm的48芯OPGW，而在通常情况下，它只能容纳24芯G.652D光纤。

Ⅱ.光纤单元尺寸和光纤数量

　　以采用不锈钢管光纤单元的OPGW为例：按光纤单元在缆横截面中的位置，可分为中心管和层绞管两种结构，其中，中心管要求余长≥0.5%，层绞管余长要求≥0.2%；按光纤单元中光纤的类型，可分为单一类型（G.652orG.655）和多个类型混合（G.652+G.655）两种情况。不同尺寸的光纤单元可以容纳的光纤数量随OPGW的结构和光纤类型是不同的，常用的OPGW不锈钢管光纤单元规格表列于表1。

表1常用的OPGW不锈钢管光纤单元规格表

钢管	G.652orG.655		G.652+G.655
直径	最大芯数		最大芯数
mm	中心管	层绞管	中心管	层绞管
2.5	12	24	/	18
2.7	18	30	16	24
3	24	36	20	32
3.2	30	48	24	36
3.4	36	48	28	40
3.6	40	48	32	48
3.8	48	48	48	48
注：1.光纤直径按0.25mm计；2.钢管璧厚按0.2mm计。

Ⅲ.光纤余长和光纤芯数

　　光纤余长是所有光缆设计和生产中的重要参数，它将直接影响到光缆的传输、机械、环境等各项性能和直径、重量、成本等许多方面。光纤余长为光缆受张力伸长后提供了光纤在一定范围内的应变窗口，决定了缆的抗拉伸性能。

　　光缆中的光纤余长有两个概念：一是指光纤相对于缆本身长度的冗余长度，或简称为缆余长；二是指光纤相对于松套保护管的冗余长度，或简称为管内余长。OPGW中的不锈钢管光纤单元是一种松套管。

A.缆的光纤余长

　　通常要求OPGW缆的综合光纤余长为0.5%～0.7%，层绞管式OPGW的余长主要由管内余长和绞合余长两部分组成，而中心管式OPGW的余长几乎完全取决于管内余长。

B.管内的光纤余长

　　光纤在不锈钢管光纤单元中的余长是由它在管中的分布状态决定的，这种状态和分布其实是随机的，为了理论化处理，一般可将松套管中光纤假设为正弦和螺旋两种状态或两者结合来进行数学处理。

　　当前，己有不下几十种数学模型来计算、解析管内光纤余长，但最终还要取决于松套管的材料和制作工艺，所以，即使计算精度再高仍还是估算值。

　　可对影响管内光纤余长的各参数及工艺控制要素简单归纳为（并不是单项控制）：

　　● 管的内径越大，可容纳的光纤数量越多；

　　● 管的内径一定，光纤的直径越小可植入管内的数量就越多；

　　● 管内光纤的弯曲半径和弯曲节距越小，光纤余长越大；

　　● 各类光纤的允许最小弯曲半径不同，过小的弯曲半径将导致光纤附加损耗增大甚至断裂；

　　● 在制管过程中，光纤的放线张力越大则光纤余长越小，管的收缩越大则光纤余长越大。

　　上述分析表明：在不锈钢管光纤单元的内径不变的条件下，若要植入更多的光纤就需要减小光纤的直径和弯曲半径，但前提是包括传输、机械、环境等在内的各项性能保持不变。

　　Ⅳ.OPGW内光纤的选型

A.关于G.652和G.655光纤

　　最早出现的ITU-T G.652至今仍是干线建设的首选，尤其是G.652D光纤，它在克服了水峰损耗后扩展了可用波长范围且具有很低的PMD，在高速大容量长途WDM系统建设中的优势还在进一步显现。

　　1993～1995年间出现的G.655光纤在早期的干线建设中曾获得过较大规模的应用，但在当今高速、超长传输距离密集WDM的应用中，G.655光纤相对G.652光纤已没有明显优势。

B.关于G.657光纤

　　目前，G．657弯曲不敏感单模光纤分为A1、A2、B2和B3四个子类，我们选用的是外径为200μm的G.657A2光纤，它与G.652D光纤的主要性能对比列于表2。

表2 G.657A2小直径光纤与G.652D光纤的主要性能对比

光纤类型		G.652D光纤			G.657A2小直径光纤
涂覆未着色直径μm		245±7			200±10
光缆截止波长 nm		≤1260			≤1260
模场直径	1310nm	8.7～9.5			8.4～9.2
μm	1550nm	9.9～10.9			9.3～10.3
衰减系数	1310nm	≤0.34			≤0.35
dB/km	1383±3 nm	≤0.34			≤0.35
	1550 nm	≤0.20			≤0.21
	1650 nm	≤0.23			≤0.23
未成缆	半径（mm）	30	25	16	15	10	7.5
光纤的	圈数	100	100	1	10	1	1
宏弯损耗	1550nm（dB）	—	≤0.05	≤0.05	≤0.03	≤0.1	≤0.2
	1625nm （dB）	≤0.05	≤0.05	—	≤0.1	≤0.2	≤0.5
波长色散	零色散波长（nm）	1312±12			1300～1324
特性	最大零色散斜率（ps/nm2·km）	≤0.091			≤0.092

　　

　　从表1可知：

　　● 除G.657A2光纤的标称外径较小外，其主要性能与G.652D几乎相同，且模场直径的公差范围更小；

　　● G.657A2的弯曲半径可以允许很小而不明显增大宏弯损耗，意味着可以减小光纤弯曲半径而增大光纤余长；

　　● 直径为200μm的G.657A2光纤可增大管内植入的光纤数量。

Ⅴ.用G.657A2小直径光纤的48芯OPGW

A.OPGW结构和主要参数

　　OPGW的具体结构见图1，它的中心是一根直径为2.6mm的ACS，第一层包括5根直径为2.5mm的ACS和1根不锈钢管光纤单元，第二层是12根直径为2.5mm的ACS，所有的ACS导电率均为20.3%IACS。

　　表3是该OPGW的主要参数。

图1 OPGW的具体结构

表3 OPGW的结构和主要参数

项    目	单位	参数
光纤数量和类型	芯	24（G.652）	48（G.657A2）
光纤外径	μm	250	200
缆外径	mm	12.6
重量	kg/km	615.43
承载截面积	mm2	88.76
额定拉断力(RTS)	kN	107.04
最大允许拉力(MAT) (40%RTS)	kN	42.816
年平均运行张力(EDS)(125%RTS)	kN	26.76
应变限量(60%RTS)	kN	64.224
直流电阻（20℃）	Ω/km	0.9718
短路热容量(I2t)(40～2000C)	kA2.s	34.56

　　从图1和表2可知：

　　● 该OPGW是一种层绞式结构，釆用了一根外径为2.5mm的不锈钢管，它通常可容纳24芯G.652D单模光纤；

　　● 采用48根外径为200μm的G.657A2光纤后光纤芯数比G.652光纤增加了一倍；48芯的OPGW仍保持了12.6mm的小直径和所有的机电性能。

B.OPGW的制造工艺及其在过程中的光学性能变化

　　用外径为200μm的G.657A2光纤，将48根光纤分为4组分别着色或加上色环，用通常的OPGW制造工艺，关键是钢管工序的余长控制和余长均匀性。

　　48根G.657A2光纤在工艺过程中的光学性能表现见图2。

图2 OPGW在工艺过程中的光学性能变化（dB/km 1550nm）

　　从图2可知：

　　● OPGW在各工艺过程中的光学性能变化在可控范围内；

　　● 成缆后48根G.657A2光纤在1550nm波长处的衰减均小于0.19dB/km。

C.OPGW拉伸性能

　　图3给出G.657A2光纤在OPGW中应力应变测量的结果。

图3 G.657A2光纤在OPGW中应力应变测量结果

　　可对图3结果小结如下：

　　● 当拉力在40%RTS（43kN）及以下时，光纤的应变≤0.05%、附加损耗≤0.03dB；

　　● 当拉力到60%RTS（64kN）时，光纤的应变≤0.12%、附加损耗≤0.03dB；

　　● 当拉力到70%RTS（75kN）时，光纤的应变≤0.19%、附加损耗≤0.04dB。

D.OPGW温度衰减性能

　　OPGW的温度循环试验以20℃时的光功率为基准，进行了双向测量，其结果见图4。

图4 OPGW的温度循环试验结果（dB/km 1550nm）

　　从图4可知：在整个过程中，光纤的附加损耗最大值为0.005dB/km。

Ⅵ.G.657A2光纤与其他光纤的接续和兼容性

　　通常认为模场直径的失配是导致光纤接续损耗增大的主要因素，G.657A2与G.652D模场直径几乎相同，但因折射率剖面不同，所以会在熔接机显示屏上会有所反应。

　　用G.657A2光纤与部分主流厂商（A-E）的G.652D光纤进行了熔接试验，部分接续损耗数据列于图5。

图5 G.657A2光纤与部分主流厂商的G.652D光纤接续损耗（ 1550nm）

　　从图5可见：G.657A2光纤与G.652D光纤在对接时OTDR显示出明显的方向性，即光从G.657A2注入到G.652D时出现正值，从G.652D注入到G.657A2时出现负值，然而双向平均值却并不大。

　　OTDR单向损耗值并不是真实衰减，在实际工程中应取OTDR双向损耗平均值。

　　G.657A2光纤与五个厂商（A-E）的G.652D光纤的对接损耗双向平均值≤0.05dB，所以，这两种光纤是可以兼容的。

Ⅶ.结论

　　如果不锈钢管光纤单元的内径不变，减小光纤外径和允许弯曲半径可以容纳更多的光纤，即增加OPGW内光纤的数量。

　　外径为200μm的G.657A2光纤主要性能与G.652光纤兼容，主要特征是光纤直径小和对弯曲不敏感，可以承受比G.652光纤小得多的弯曲半径而不增大传输衰减。

　　首次在直径为2.5mm的不锈钢管光纤单元内植入48根外径为200μm的G.657A2光纤，保持了OPGW外径为12.6mm的小直径。

　　成缆后，所有光纤在1550nm波长的光衰减均小于0.19dB/km；当拉力到70%RTS（75kN）时，光纤的应变≤0.19%和附加损耗≤0.04dB；在-40℃至65℃的温度范围，光纤的附加损耗最大值为0.005dB/km。

　　用小直径G.657A2光纤与五个厂商的G.652D光纤的接续损耗双向平均值≤0.05dB，这两种光纤在士程中是可以兼容的。

Ⅷ.致谢

　　作者非常感谢中国长飞光纤光缆有限公司提供了外径200μm的G.657A2光纤，并且对黄俊华先生，李晓琴女士和周峰先生对本文档原始版本作出的贡献致以衷心感谢。

Ⅸ.参考文献

　　［1］IEEE Standard for Testing and Performance for Optical Ground Wire(OPGW)for Use on Electric Utility Power Lines［S］.IEEE Std 1138TM-2009

　　［2］International Electrotechnical Commission.Optical fibre cables–Part 4-10:Family specification–Optical ground wires(OPGW)along electrical［S］.IEC 60794-4-10:2014

　　［3］Electric power industry standard of the people's Republic of China.Optical fiber composite overhead ground wires［S］.DL/T 832-2003

Ⅹ.作者简解

　　樊红君 1975年1月出生于中国江苏省海门市，1997年毕业于安徽工业大学的机械设计与制造专业。

　　他从2001年开始从事光缆行业，现任江苏通光光缆有限公司副总工程师，他特别感兴趣的领域包括OPGW光缆设计和制造工艺及生产装备。

　　张建明 1959年11月出生于中国上海市，1982年毕业于上海铁道学院的通信信号专业。

　　他的工作经历包括上海电缆厂，上海阿尔卡特光缆有限公司，中天日立光缆有限公司，2003年进入通光集团有限公司，现任通光集团有限公司技术总监，他特别感兴趣的领域是常规光缆和特种光缆的设计和研发。