引言
自上世纪八十年代发明了光纤架空复合地线光缆（ OPGW ）以来，即在*范围内得到了广泛的应用。 OPGW 光缆结构包括光单元和铠装层，光单元承担 OPGW 光纤通信功能，铠装单元承担地线功能。光单元是 OPGW 的核心组成部分，光单元的演变和发展促进了 OPGW 的改型换代，光单元的结构对光纤的受力状态、光信号的传输衰减及 OPGW 长期运行的可靠性和预期寿命有重大影响，因此，要根据使用条件，合理设计光单元结构。
目前 OPGW 有两种光纤结构型式：松套结构和紧套结构，紧套结构的光纤包覆张力元件，紧套光纤束在光纤结构单元中几乎没有余长，而松套结构中光纤一般置于有填充物的金属管中，不锈钢管中有较大的调整空间容纳光纤的余长，对光纤有一定的缓冲作用，保证光纤在各种恶劣条件下不受力，保证瞬间冲击和大载荷下光纤不受到任何影响，因此，我们优先选择松套结构形式的光缆。
为了预防由于 OPGW 不同金属线相互接触形成原电池效应而产生电化腐蚀，我们在不锈钢管与铝包钢或铝合金线之间的缝隙填满防腐油膏。但是在下暴雨的时候，防腐油膏会从缆体内渗出；在烈日下或干燥的大气条件下所涂的防腐油膏会凝固变硬，长期暴露在这种环境条件下会使油膏的抗腐蚀能力下降，尤其在严酷的环境条件下，这种现象会加剧。
针对上述情况，我们设计开发了一种新型的铝包不锈钢管光单元的 OPGW 光缆，这种光缆无需填充油膏来抗击电腐蚀。因为这种光缆不锈钢管表面的铝包层直接与其他的铝导线相接触，同种金属之间不会形成电位差，因而不存在由于金属电势而产生的腐蚀，即使应用在临海重工业污染区也有着优良的耐腐蚀性能。本文主要阐述这种新型 OPGW 光缆的设计理念、特性和试验结果。
铝包不锈钢管光单元
这种新型不锈钢管是在常规不锈钢管表面包覆铝层后而制成，它的总外径达 5.2mm ，比普通钢管大许多，它zui大可容纳 48 芯光纤，为避免套管中光纤受力，光纤余长要大于 0.4% ，该套管的详细技术规范在表 1 中列出，常规不锈钢管的技术规范也列出来以作比较。
表 1. OPGW 铝包不锈钢管和常规不锈钢管结构对比
钢铝复合管结构 OPGW 光缆
在表 2 中，将铝包不锈钢管 OPGW 和常规 OPGW 进行结构对比。常规 OPGW 通常有两层：内层铝包钢线和外层铝合金线，在不锈钢管与两种导线之间的间隙填满防腐油膏，在多数情况下，光单元常常不在中心，但仍处于内层，因此，普通的 OPGW 都有两层，以防止光缆在安装夹紧时光单元不受挤压及避免电腐蚀。这种常规 OPGW 有以下缺点：
• 常规 OPGW 光缆外层常常绞合铝合金线来满足短路电流容量的要求，然而，当雷击时，外层导线趋向于熔融并易于断裂（与铝包钢线相比较而言），这是因为铝合金线的熔融能量比铝包钢线小 2 ～ 3 倍。
• 在常规 OPGW 光缆中，光单元处于内层，必须要用双层结构来缓冲在光缆卡装期间作用在套管上的压缩力。这种双层的绞合结构增加了 OPGW 的尺寸，因为为了确保光缆有足够的抗雷击特性，导线的直径不能减小。此外，如果要求光纤的芯数增加，就必须增加光单元数。
• 常规 OPGW 一般是在不锈钢管与金属导线间的空隙填充油膏来防止电化腐蚀的，然而，光缆在恶劣的环境下长期运行后，防腐油膏的性能可能会越变越差，从而直接影响了常规 OPGW 光缆的耐腐蚀性能。
为了防止出现上述现象，光单元应采用铝包不锈钢管结构。我们开发的新型 OPGW 尺寸与常规 OPGW 相当，极限抗拉强度类似，标称重量轻、外径小。它的主要技术特性描述如下：
• 不锈钢管光单元位于光缆结构的中心，因此，新型 OPGW 仅有一层铝包钢线，zui多容纳 48 根光纤。
• 新型 OPGW 用铝包钢线取代铝合金线来改善光缆的抗雷击性能。然而，由于光单元套管中含有铝层，因而在光单元套管中允许有一部分电流通过，这就使光缆总的短路电流容量增加了 10% ～ 20% 。
• 新型 OPGW 光缆防止电化腐蚀无需采用防腐油膏，因为不锈钢管的铝包层直接同缆外层的铝包钢线相接触，同种金属不能形成电位差，组成不了原电池，对光缆也就不能构成电流、化学侵蚀。这一特点是新型 OPGW 光缆zui重要的优势。
表 2 铝包不锈钢管和常规不锈钢管 OPGW 光缆结构比较
光纤余长的确定
鉴于松套结构 OPGW 光缆中光纤的寿命和可靠性，重要的问题是要确定光单元中光纤合适的余长。为了获得所需的zui小余长值，首先要确定或估算出在整个光纤寿命期中预期的伸长量范围，在整个寿命期间 OPGW 的预期伸长量列入表 3 ，总的预期伸长“ E total ”是“ E installation ” 和“ E operation ” 之和。一般地，光纤不要被拉长，以避免静态疲劳。因此，要确定光纤的zui小余长值以保证光纤在安装和运行期间所受的应力达到zui小（尽管 OPGW 已被拉伸）。 OPGW 光缆和光纤的应力应变特性试验结果表明：当光缆的拉伸应变差不多等于光纤的余长时，光纤才开始受力，产生光纤应变。
表 3 OPGW 伸长率类型
另一方面，为了得到光纤zui大应变值，就需研究光纤低温时的特性，套管中光纤由于零各向异性一般假定呈螺旋形分布，理论上，这会使备用弹性能量（由于弯曲）zui小。当在室温下套管中光纤余长比较大时，则衰减的增加可能出现在低温（由于宏弯效应），这就是说：螺旋光纤的弯曲半径小于zui小弯曲极限（由于 OPGW 收缩），因此，必须要估算出 OPGW 光纤余长的zui大值，以便消除在低温时（如 -40 ℃ ）由“宏弯”所引起的衰减增加。
对于新型 OPGW ，合适的余长“ ε ”应服从以下关系式：
E total ＜ε＜ε macro-bending
在以上关系式中 ，ε macro-bending 为室温（ 20 ℃ ）下光纤的余长，并假定光纤在低温下没有宏弯附加衰减。因此，通过一系列的试验和计算。可以看出：对于新型铝包钢不锈钢管 OPGW 光缆，其合适的余长选择范围是 0.55 ～ 0.70% 。
新结构 OPGW 光缆型式试验
我们对新型铝包不锈钢管 OPGW （截面 90mm 2 ，含 24 芯单模光纤）光缆，按照标准进行设计指标试验，来检验它的一些基本特性，现将一些主要的试验结果描述如下：
• 压扁试验
试验样品安放在两块扁平的、可移动的钢板之间，钢板宽度 50mm ，压力载荷通过可移动的钢板逐渐加在试验光缆上，在 9.8KN 时光损耗开始急剧增加，这与常规不锈钢管 OPGW 光缆的试验结果相同，结果如图 1 所示。
图 1 新型 OPGW 压扁特性
• 冲击试验
试验样品置于冲击锤下，锤重 500g ，冲击高度： 1m ，冲击次数： 5 次，同时监测光功率，试验后光纤无明显附加衰减。
（ 3 ）扭转试验
样品长度： 20mm ，置于扭转试验机上，一端夹紧固定，另一端可旋转，试验样品在恒定的张力载荷作用下在旋紧和退扭两个方向（即正、反方向）进行扭转试验，同时监测光功率的变化。在旋紧方向，光损耗的增加出现在 1.3 turns/m, 而退扭时尽管旋转到 1.67 turns/m, 但仍然无附加衰减。因此，这种新型 OPGW 缆与普通 OPGW 缆一样，具有很高的抗扭转性能。在敷设期间，建议旋转度应zui小，通常规定zui小值为 0.1turns/m.
（4） 振动试验
振动试验是模拟高频率的风激振动现象，试验在下列条件下进行，同时监测光功率的变化 :
• 张力载荷： 20%UTS（16KN）
• 振动频率： 50Hz
• 振动次数： 10 7
试验期间没有观察到明显的附加衰减。
（5） 过滑轮试验
试验在下列条件下进行，并同时监测光功率的变化 :
1 、张力载荷： 20%UTS（16KN）
2 、滑轮直径： 450mm
3 、张力角： 30 o
4 、过滑轮次数： 20
试验期间没有观察到明显的附加衰减，试验后不锈钢管的变形极小，可忽略。
（6） 应力应变试验
取光纤余长为 0.60% 的光缆试样，并将其架设在拉力试验设备上，光纤的应变用相移法来测试。拉伸力逐渐施加到该 OPGW 的 65%UTS ，同时测量光纤、 OPGW 缆的应变量及传输光损耗的变化，试验结果如图 2 所示。
图 2 新型 OPGW 应力应变特性曲线
当 OPGW 光缆应变达到 0.55% 时，光纤才开始受力产生应变，而此时缆应变 0.55% 差不多相当于光纤余长的值，在试验期间光衰减也没有增加。考虑到在各种条件下 OPGW 预期的zui大应变量，应通过这些试验结果来zui终确定 OPGW 所需的余长值。
（7） 盐雾试验
盐雾试验是为了研究 OPGW 的耐腐蚀性能，分别将铝包不锈钢管和裸不锈钢管 OPGW 暴露在盐雾中一个月后观察，我们发现：当裸不锈钢管和铝包钢线绞合在一起时，铝包钢线表面部分地出现电化腐蚀，尽管已经在各导线的缝隙间填满了防腐油膏。与其相比较，由新型铝包不锈钢管与铝合金线绞合成的 OPGW ，具有非常高的抗腐蚀性能和可靠性，因而有很长的寿命。表 4 列出了各种形式的 OPGW 光缆在有腐蚀的环境条件下的适用性。
注： “A” 地区：无腐蚀
“B” 地区：轻微腐蚀
“C” 地区：有腐蚀
（8） 温度循环试验
复绕在木盘上的光缆放进温度循环试验箱，试验箱的温度从 -35 ℃ ～ 85 ℃ ，循环三次，同时监测衰减的变化。试验结果表明：在实际运行中光缆没问题。
（9） 温升试验
温升试验是检查光纤耐瞬时高温特性，通过提供一大电流，光缆样品被瞬时加热到 200 ℃ ，结果发现：在加热和冷却期间光纤衰减无变化。
结 论
我们新开发的铝钢复合不锈钢管 OPGW 光缆具有以下主要特点：
• 它可以消除电化腐蚀而无需填加防腐油脂，这是因为在 OPGW 缆中的不锈钢管外表面包覆了一铝层。
• 这种新型 OPGW 一般采用中心管光单元结构，目前zui大可容纳 48 芯光纤。
• 短路电流可以在钢管表面的铝层中流动，这会使光缆总的短路电流容量提高 10% 至 20%
• 光纤合适的余长范围是： 0.55% ～ 0.70%
• 光缆各项性能的试验结果令人满意。
因此，与常规 OPGW 相比，新型钢铝复合管结构 OPGW 光缆可靠性更高、长期运行稳定性更好。