摘要:本文通過現場調研，了解到中心束管式光纜在實際應用中的情況，對它的可靠性進行了研究，使人們進一步了解到中心束管式光纜結構，已成為構成中國通信網絡中不可或缺的光纜結構之一。
關鍵詞: 中心束管式光纜 現場使用 可靠性
背景介紹
中心束管式光纜是上個世紀80年代隨著光纖衰減水平的降低，光纖使用得以普及后，發展起來的一種新型光纜結構。光纜應用場所經歷了從核心網到城域網、接入網的發展過程，未來將繼續向著光纖到戶的發展。光纜的發展無論是從材料選擇、結構優化、制造工藝方面，還是從應用環境、鋪設方式等方面都得到了長足的發展。經過十多年的生產與現場應用，目前中心束管與層絞式和骨架式并列為三種主要的光纜結構形式。
中心束管式光纜九十年代初從美國進口在中國使用，1993年引進制造技術在北京建廠，至今有十多年的時間。為了考查中心束管式光纜在中國地區的使用情況，選擇了三個有代表性的地區，冬季寒冷的黑龍江地區，夏季炎熱潮濕的廣東沿海地區及高海拔的西藏地區，2003年秋季對這三個地區的中心束管式光纜使用情況進行了調研。
中心束管式光纜設計理念
1、產品設計簡介：
因為光纖質地纖細易斷，光纜的結構必須最大限度的滿足保護光纖的需求，并且易于施工。有別于由通訊電纜轉化而來的層絞式光纜，中心束管式光纜是專門根據光纖特性而設計的纜型，束管式光纜把光纖置于束管的中間，并在束管內注入油膏，使光纖自由的懸浮在纜芯的中間，光纖完全與空氣和水隔離，且光纖在芯管內的自由空間大，能很好地緩解光纖的應力及減少微彎損耗，對光纖保護最好。這種纜光纖密度極高，結構緊湊；具有抗壓抗拉性強、熱收縮性小的特點，有效避免纜中光纖受力，從而保證光纖具有良好的光學傳輸性能、機械和溫度性能等特點。這種光纜結構設計是美國貝爾試驗室的一項專利發明，1990年該光纜在美國榮獲工業界優秀設計獎，這表明了其設計的合理性和先進性(光纜結構如圖一示)。
圖一： 光纜結構圖
2、光纜應變，光纖應變，光纖余長及光纖損耗的關系
光纖光纜應變是指光纜的在一定拉力作用的伸長率，典型的光纖應變，光纜應變與拉力之間的關系如下圖：
圖二：光纜拉伸應變曲線
由于光纜在做拉伸試驗過程中光纜所有的構件包括光纖一同伸長，由于在允許應力下，光纜衣、及光纖應變在彈性范圍內，由上圖可知：光纖余長 efe (Fiber Excess Length ,%)=光纜應變 ec (Cable Strain, %)-光纖應變 ef (Fiber Strain,%) 或 efe = ec - ef
所以光纖的余長的確定可以根據光纜的抗拉性能及光纖允許的應變來確定。一般來說，光纖所光纖的允許應變一般可據光纜的應用場合定，其原則是光纖的應變不應引起光纖損耗的增加(小于0.05db為宜)同時不影響光纖的長期壽命及可靠性（光纖的最大應變小于0.2%~0.4%），如果光纜的抗拉性能越強，光纖的余長可以做到小些。反之，在光纜允許的應變預知的前提下(在知光纜可預期的光纜受力下，或已知的光纜系列產品中一般可知允許受力及光纜應變)，則由制程中光纖的余長控制可由允許的光纖應變而確定。當然,如果知道光纖允許的應變及光纖余長,便可知光纜的允許應變,據此便可設計光纜的結構與光纜加強單元。
實施調研
一、光纜的傳輸性能
隨著光傳送網向更高速率、更大容量、更長距離方向發展，光纖通信不同層次網絡對光纖要求不盡相同，如核心網光纖性能要求色散、色散斜率、非線性效應等；城域網光纖性能則更重視工作波長范圍；局域網光纖性能強調的是工作帶寬和接續成本。在工程驗收及實際運維時用戶比較關心和常做的測試是光纖的衰減系數，現場收集到的光纖衰減實測值如圖二示。
黑龍江直埋光纜的使用時間最長達7年，每年光纖都要經過嚴寒的冬天，再過渡到涼爽的夏天這樣溫度循環。從測試所得到的光纖衰減數據，光纜的測試數據非常好，包含接頭衰減。
廣東地區被測試管道光纜已使用3～10年，在整個使用過程中沒有出現過損耗異常的現象，所有數據均為包含熔接點的全程平均衰減。
西藏地區線路要求光纜衰減值不大于0.22 dB/km @ 1550nm，接頭衰減值不大于0.08 dB/km。西藏地區沒有看到不合格的線路測試運維記錄，如現場實測50KM的光纜衰減系數僅為0.195dB。
圖三：現場測試的光纖衰減值
從上圖中可以看到隨著使用年頭的增中，光纖的衰減增加的并不多，盡管有的光纖使用已超過10年，但是無論是散纖還是帶狀光纜，光纖的衰減值都滿足相關標準的要求：1310/1550nm ￡0.40/0.30 dB/km，而實測的平均值僅為：1310/1550nm= 0.337/0.197 dB/km，完全符合現場的應用。
二、光纜的機械環境性能
（一）芯管回縮
黑龍江1997年1月，光纜向接頭盒外縮出，盒內光纖從測試圖形出現陡彎，損耗系數高達3.98dB，系統有告警。現場查看光纖已從接頭盒露出，看不到纜皮及芯管。解決辦法：往接頭盒內送一部分長度的光纜，并將加強件固定。2001年冬天直埋光纜在接頭盒處回縮2公分，表現為測試時光纖衰減增大。現場查看為用錯接頭盒，光纜加強件在接頭盒中沒有固定。西藏地區2002年，架空光纜接頭盒在線桿上使用一段時間，接頭盒發生旋轉。打開接頭盒加強單元沒有固定，由于架空光纜在外力、太陽和雨水的影響下，光纜受力轉動，致使接頭盒受力跟著發生旋轉。
以上三例共同點是做接頭時，施工不夠規范，沒有將加強單元固定住，致使芯管縮出盒外，光纖受力，影響正常傳輸。現場改進后，光纜正常使用，沒有此類現象的再次出現。所以說施工時接頭盒內應留有一定余度的光纜，即使隨著溫度的驟升驟降芯管稍有回縮，不會影響正常傳輸性能。
中心束管式光纜克服芯管回縮現象，主要是由以下兩點決定的：1) 芯管材料聚丙烯PP，該材料是專門用于中心管式光纜的芯管制造，受溫度的變化較小。2) 中心管式光纜設計是一個整體的構造，光纖位于光纜的中間位置，整個光纜的保護層是緊緊地粘接到一起的（如圖一），受力時是保護層共同起作用，有效地抑制了光纜的芯管回縮。
（二）寒冷及高海拔地帶光纜使用情況
1、寒冷地帶直埋光纜使用情況
黑龍江地區光纜布放在水陸相接的地方，冰凍光纜損耗值增大，直致無法正常通信。將光纜挖出，發現光纜外面套了一個鐵管，該鐵管嚴重彎曲，光纜受力嚴重變形，造成阻斷故障。加熱將冰熔化，用力拉直鐵管，光纜同時也被拉直，此時光纜所受外力已去除，測試鏈路，光纖仍可恢復正常的通信水平。體現了中心束管式光纜的設計思想，對光纖起到了最好的保護作用。正確操作應將鐵管去除，在水陸交接處，加一些比較松軟的東西。
西藏地區凍斷光纖現象時有發生，而且冰層厚，施工較困難。挖開斷纖處的光纜，發現由于地殼運動凍土層S形伸縮。原因分析：由于土壤中的水份含量比較大，冰凍層與地壤層的膨脹系數不同，不同的地質受凍產生的應力不同，兩個層面發生位移，造成光纜受力不均勻嚴重變形，甚至形成剪切力，造成對光纜的損傷，表現為光纖損耗值增大直至斷纖。施工隊常用的解決辦法，將冰層解凍，光纖自然恢復傳輸性能。在施工時應在水份含量比較大的土壤中填些細砂子，避免凍土的變化。“鋪設過河線路一定要使鋼管延伸到壩外，并且鋼管連接處要做螺紋子母
口處理，凡是過河光纜均采用重型鎧裝，并要穿放塑料子管。”[注]
圖四：LT與CT的溫度循環曲線對比
光纜的溫度特性在-50C~+70C范圍內均可滿足要求，LT（層絞式光纜）光纖損耗變化較CT（中心束管式光纜）大。冬天直埋線路光纖有臺階，夏天臺階自動消失，此現象在沼澤地尤其嚴重，黑龍江和西藏地區都有此現象發生。西藏地區施工及運維部門，優選中心束管式光纜，如此復雜惡劣的沼澤地帶，該光纜的性能最穩定，如圖四所示。
除寒冷外，還有一個比較嚴重的問題是溫差大，尤其在冬季，有的地方受地理條件的限制，光纜只能埋下去20~30公分，夜晚時環境溫度可達零下三、四十度，第二天中午在艷陽高照時，溫度可升至零上一、二十度，也就是每一個晝夜該地區的光纜都要經歷一個在實驗室才會做的溫度循環實驗。
2、高海拔地區架空光纜的使用情況
高海拔西藏地區架空光纜需要面臨強烈的紫外線照射、大溫差（如戈壁灘）、嚴寒、風沙、狂風暴雨等惡劣氣候的影響。
高海拔地區對光纜的主要影響是強烈的紫外線照射，這會加快光纜外護層的老化，因此選擇性能好的護套材料尤為重要。采用性能穩定、可靠的聚乙烯材料，材料中的碳黑要分布均勻。中心束管式光纜采用美國陶氏化學共聚高密度聚乙烯材料，其耐老化性能試驗可達４０年，完全能滿足高海拔地區的應用。大溫差環境下，最能考察光纜中所采用的纖膏、芯管材料性能質量以及產品設計和生產工藝，好的纖膏在溫度劇烈變化下，仍然保持足夠的觸變性，保護芯管內的光纖不會產生損耗的變化影響傳輸性能。大溫差環境下，若芯管材料不好，設計不當或制造控制不好，會引起芯管回縮。也會造成芯管內光纖受影響，從而使光纖的傳輸性能劣化。低溫狀態主要是對纖膏的考驗，所采用的纖膏必須具有很好的低溫特性，在低溫下仍具有非常好的錐入特性。
(三)炎熱潮濕的廣東沿海地區使用情況
光纜外觀護套老化情況（酸堿鹽的腐蝕）：光纜外護層纜皮性能穩定（性能指標如表一所示），沒發現任何質量問題和相關的客戶記錄 。管道敷設光纜經過常年水的浸泡，有很多井內水深在50~60CM以上；水的PH值不同時期會呈現偏酸或偏堿情況。光纜外觀依然光亮如新，無任何老化現象出現。采用高密度聚乙烯材料耐磨和耐酸堿性能非常好，露天倉庫存放的光纜經過管道敷設后又收回，護套印字有些已經磨損掉，但是光纜護套整體無異樣。在現場對光纜樣品進行解剖分析，光纜結構完整，材料無肉眼可見的老化現象，油膏填充保滿，全色譜的光纖顏色無任何變化。
表一：光纜外護層材料聚乙烯性能指標
廣東地區接續時熔接損耗大。這是由于當地氣候潮熱，濕度很大，該地區環境因素造成的熔接損耗大。為了保證鏈路長期可靠性，需要嚴格按照正確的施工規范來操作。
三、光纜的敷設及安裝
圖五：機房內的光纜
中心束管式光纜敷設時，因為外徑小、重量輕，能充分利用管道資源，深受用戶歡迎。在兩段光纜全部熔接時，中心束管式光纜一次性開剝，使用起來方便、快捷；而層絞式要逐根開剝，用戶反映層絞式光纜子管的PBT材料很硬，開剝相當麻煩和困難。
西藏地區的用戶非常歡迎使用中心束管式光纜，因為他們主要是用在干線上，中心束管式光纜總體感覺好，光纜不僅質量好而且輕巧，分組、盤纖方便，接續不容易出錯，開剝及接續效率高。西藏地區中心束管式光纜與層絞式光纜對接做接頭時，層絞式光纜的加強件壓到子管，引起通信不暢。西藏地區光纜接續大比武，8芯中心束管式光纜，接續、裝箱、開剝、測試三個人，僅用18分鐘；36芯同種中心束管式光纜用時只需1小時。
現場采集樣品試驗
一、光纜樣品試驗結果
1、光纜滲水試驗和滴流試驗
盡管經過了現場的多年使用，所有測試樣品的滲水試驗結果都合格，完全滿足現場使用情況。從所剝開的樣品來看，油膏飽滿，顏色無變化，滴流試驗結果合格。
2、光纜護套及芯管的檢測
試驗結果如圖六所示，現場取樣的中心束管式光纜樣品全部通過了滲水、滴流、護層及芯管材料的相關試驗，完全滿足現場的使用。
圖六：光纜護層及芯管試驗
二、光纖樣品試驗結果
1、光纖外徑的測量：用顯微鏡測量的這些送檢著色光纖的外徑分布在248.41mm到262.42mm。不同品牌的光纖在這方面的性能并沒有明顯的差別。在IEC 60793中規范著色光纖的外徑應在250±15mm的范圍內。經過多年的實地使用，這些光纖仍然能夠滿足該項規范。
2、著色光纖表面檢查： 我們對著色光纖的表面用顯微鏡進行的檢查，在該項檢查中沒有發現光纖變形。
圖七：著色光纖表面檢查
3、涂覆層剝離力
測試所有送檢光纖的涂覆層剝離力，包括同一根光纜中的不同光纖。最大剝離力為4.8N，最小為2.6N。平均值為3.5N，滿足各種不同標準中對涂覆層剝離力的規范要求。我們比較了新光纖與老化光纖在該項性能上的差別，得到圖八。從圖中可以看出，光纖樣品處于較好的狀態，與新光纖的狀態接近。眾所周知，涂覆層剝離力表面涂覆層與光纖包層之間的連接力。
如果該力值過低，會導致涂覆層脫落。沒有涂覆層保護的情況下光纖的耐張性能將明顯下降。
4、50cm耐張力試驗：由于光纖的張力有限，對5根50cm長的光纖樣品進行張力測試。被測的樣品光纖的張力同樣處于較好的狀態，雖然他們的力值與新光纖相比略小，但這種差異并不明顯。
圖九：50cm光纖耐張力試驗
從以上對光纖樣品的分析測試，我們得到以下結論：這些著色光纖雖然已經實地使用了很長時間，但在光纖幾何特性和張力特性等方面仍具有很高的品質。
調研小結
從以上調查得到的資料分析，中芯束管式光纜在高寒地區可以穩定使用，光纜的機械性能，環境性能和抗老化性能均很好，但需要對光纜進行正確的使用，特殊地段要對光纜采取特殊的保護措施。調查中發現有些地方光纜出現一些隱患都是因為施工不當造成的，所以正確的施工是保證光纜使用壽命的第一步，應規范施工，按照相關的國家規定去操作。
從現場取得的樣品做的測試分析可以看出，光纖的剝離力及使用壽命在合理的使用范圍內，可以達到設計壽命25年以上。
光纜在沿海地區的使用，光纜采用的高密度聚乙烯材料，耐磨和耐酸堿性能非常好，克服了不良的使環境對光纜的浸蝕。由于該地區濕度很大，光纜宜采用100%芯管中油膏填充及全面阻水結構，從而保證光纜在該地區的可靠使用。
中國已加入WTO，經濟逐漸和世界融為一體，市場的開放與競爭給用戶帶來了更多的實惠和更周到的服務，這就要求從企業的利益出發，降低工程的建設成本，提高經濟效益。從有限的管道資源來看，要想敷設更多的光纜，發展趨勢是光纜制造商在確保光纜的基本光傳輸性能和機械性能的基礎上，減小光纜尺寸，降低光纜重量，節約光纜材料等措施來達到降低光纜成本，提高生產和施工速度，充分利用管道資源來以達到降低施工費用，中心束管式光纜恰恰體現了這些優勢。
注：引自參考文獻2
參考文獻
1.趙梓森等編著，《光纖通信工程》，人民郵電出版社（2002）
2.王振岳著，《高原高寒地帶光纜線路的調研及維護技術的研究》，2001年光纜電纜學術年會論文集 |
