摘要:本文通过现场调研，了解到中心束管式光缆在实际应用中的情况，对它的可靠性进行了研究，使人们进一步了解到中心束管式光缆结构，已成为构成中国通信网络中不可或缺的光缆结构之一。
关键词: 中心束管式光缆 现场使用 可靠性
背景介绍
中心束管式光缆是上个世纪80年代随着光纤衰减水平的降低，光纤使用得以普及后，发展起来的一种新型光缆结构。光缆应用场所经历了从核心网到城域网、接入网的发展过程，未来将继续向着光纤到户的发展。光缆的发展无论是从材料选择、结构优化、制造工艺方面，还是从应用环境、铺设方式等方面都得到了长足的发展。经过十多年的生产与现场应用，目前中心束管与层绞式和骨架式并列为三种主要的光缆结构形式。
中心束管式光缆九十年代初从美国进口在中国使用，1993年引进制造技术在北京建厂，至今有十多年的时间。为了考查中心束管式光缆在中国地区的使用情况，选择了三个有代表性的地区，冬季寒冷的黑龙江地区，夏季炎热潮湿的广东沿海地区及高海拔的西藏地区，2003年秋季对这三个地区的中心束管式光缆使用情况进行了调研。
中心束管式光缆设计理念
1、产品设计简介：
因为光纤质地纤细易断，光缆的结构必须最大限度的满足保护光纤的需求，并且易于施工。有别于由通讯电缆转化而来的层绞式光缆，中心束管式光缆是专门根据光纤特性而设计的缆型，束管式光缆把光纤置于束管的中间，并在束管内注入油膏，使光纤自由的悬浮在缆芯的中间，光纤完全与空气和水隔离，且光纤在芯管内的自由空间大，能很好地缓解光纤的应力及减少微弯损耗，对光纤保护最好。这种缆光纤密度极高，结构紧凑；具有抗压抗拉性强、热收缩性小的特点，有效避免缆中光纤受力，从而保证光纤具有良好的光学传输性能、机械和温度性能等特点。这种光缆结构设计是美国贝尔试验室的一项专利发明，1990年该光缆在美国荣获工业界优秀设计奖，这表明了其设计的合理性和先进性(光缆结构如图一示)。
图一： 光缆结构图
2、光缆应变，光纤应变，光纤余长及光纤损耗的关系
光纤光缆应变是指光缆的在一定拉力作用的伸长率，典型的光纤应变，光缆应变与拉力之间的关系如下图：
图二：光缆拉伸应变曲线
由于光缆在做拉伸试验过程中光缆所有的构件包括光纤一同伸长，由于在允许应力下，光缆衣、及光纤应变在弹性范围内，由上图可知：光纤余长 efe (Fiber Excess Length ,%)=光缆应变 ec (Cable Strain, %)-光纤应变 ef (Fiber Strain,%) 或 efe = ec - ef
所以光纤的余长的确定可以根据光缆的抗拉性能及光纤允许的应变来确定。一般来说，光纤所光纤的允许应变一般可据光缆的应用场合定，其原则是光纤的应变不应引起光纤损耗的增加(小于0.05db为宜)同时不影响光纤的长期寿命及可靠性（光纤的最大应变小于0.2%~0.4%），如果光缆的抗拉性能越强，光纤的余长可以做到小些。反之，在光缆允许的应变预知的前提下(在知光缆可预期的光缆受力下，或已知的光缆系列产品中一般可知允许受力及光缆应变)，则由制程中光纤的余长控制可由允许的光纤应变而确定。当然,如果知道光纤允许的应变及光纤余长,便可知光缆的允许应变,据此便可设计光缆的结构与光缆加强单元。
实施调研
一、光缆的传输性能
随着光传送网向更高速率、更大容量、更长距离方向发展，光纤通信不同层次网络对光纤要求不尽相同，如核心网光纤性能要求色散、色散斜率、非线性效应等；城域网光纤性能则更重视工作波长范围；局域网光纤性能强调的是工作带宽和接续成本。在工程验收及实际运维时用户比较关心和常做的测试是光纤的衰减系数，现场收集到的光纤衰减实测值如图二示。
黑龙江直埋光缆的使用时间最长达7年，每年光纤都要经过严寒的冬天，再过渡到凉爽的夏天这样温度循环。从测试所得到的光纤衰减数据，光缆的测试数据非常好，包含接头衰减。
广东地区被测试管道光缆已使用3～10年，在整个使用过程中没有出现过损耗异常的现象，所有数据均为包含熔接点的全程平均衰减。
西藏地区线路要求光缆衰减值不大于0.22 dB/km @ 1550nm，接头衰减值不大于0.08 dB/km。西藏地区没有看到不合格的线路测试运维记录，如现场实测50KM的光缆衰减系数仅为0.195dB。
图三：现场测试的光纤衰减值
从上图中可以看到随着使用年头的增中，光纤的衰减增加的并不多，尽管有的光纤使用已超过10年，但是无论是散纤还是带状光缆，光纤的衰减值都满足相关标准的要求：1310/1550nm ￡0.40/0.30 dB/km，而实测的平均值仅为：1310/1550nm= 0.337/0.197 dB/km，完全符合现场的应用。
二、光缆的机械环境性能
（一）芯管回缩
黑龙江1997年1月，光缆向接头盒外缩出，盒内光纤从测试图形出现陡弯，损耗系数高达3.98dB，系统有告警。现场查看光纤已从接头盒露出，看不到缆皮及芯管。解决办法：往接头盒内送一部分长度的光缆，并将加强件固定。2001年冬天直埋光缆在接头盒处回缩2公分，表现为测试时光纤衰减增大。现场查看为用错接头盒，光缆加强件在接头盒中没有固定。西藏地区2002年，架空光缆接头盒在线杆上使用一段时间，接头盒发生旋转。打开接头盒加强单元没有固定，由于架空光缆在外力、太阳和雨水的影响下，光缆受力转动，致使接头盒受力跟着发生旋转。
以上三例共同点是做接头时，施工不够规范，没有将加强单元固定住，致使芯管缩出盒外，光纤受力，影响正常传输。现场改进后，光缆正常使用，没有此类现象的再次出现。所以说施工时接头盒内应留有一定余度的光缆，即使随着温度的骤升骤降芯管稍有回缩，不会影响正常传输性能。
中心束管式光缆克服芯管回缩现象，主要是由以下两点决定的：1) 芯管材料聚丙烯PP，该材料是专门用于中心管式光缆的芯管制造，受温度的变化较小。2) 中心管式光缆设计是一个整体的构造，光纤位于光缆的中间位置，整个光缆的保护层是紧紧地粘接到一起的（如图一），受力时是保护层共同起作用，有效地抑制了光缆的芯管回缩。
（二）寒冷及高海拔地带光缆使用情况
1、寒冷地带直埋光缆使用情况
黑龙江地区光缆布放在水陆相接的地方，冰冻光缆损耗值增大，直致无法正常通信。将光缆挖出，发现光缆外面套了一个铁管，该铁管严重弯曲，光缆受力严重变形，造成阻断故障。加热将冰熔化，用力拉直铁管，光缆同时也被拉直，此时光缆所受外力已去除，测试链路，光纤仍可恢复正常的通信水平。体现了中心束管式光缆的设计思想，对光纤起到了最好的保护作用。正确操作应将铁管去除，在水陆交接处，加一些比较松软的东西。
西藏地区冻断光纤现象时有发生，而且冰层厚，施工较困难。挖开断纤处的光缆，发现由于地壳运动冻土层S形伸缩。原因分析：由于土壤中的水份含量比较大，冰冻层与地壤层的膨胀系数不同，不同的地质受冻产生的应力不同，两个层面发生位移，造成光缆受力不均匀严重变形，甚至形成剪切力，造成对光缆的损伤，表现为光纤损耗值增大直至断纤。施工队常用的解决办法，将冰层解冻，光纤自然恢复传输性能。在施工时应在水份含量比较大的土壤中填些细砂子，避免冻土的变化。“铺设过河线路一定要使钢管延伸到坝外，并且钢管连接处要做螺纹子母
口处理，凡是过河光缆均采用重型铠装，并要穿放塑料子管。”[注]
图四：LT与CT的温度循环曲线对比
光缆的温度特性在-50C~+70C范围内均可满足要求，LT（层绞式光缆）光纤损耗变化较CT（中心束管式光缆）大。冬天直埋线路光纤有台阶，夏天台阶自动消失，此现象在沼泽地尤其严重，黑龙江和西藏地区都有此现象发生。西藏地区施工及运维部门，优选中心束管式光缆，如此复杂恶劣的沼泽地带，该光缆的性能最稳定，如图四所示。
除寒冷外，还有一个比较严重的问题是温差大，尤其在冬季，有的地方受地理条件的限制，光缆只能埋下去20~30公分，夜晚时环境温度可达零下三、四十度，第二天中午在艳阳高照时，温度可升至零上一、二十度，也就是每一个昼夜该地区的光缆都要经历一个在实验室才会做的温度循环实验。
2、高海拔地区架空光缆的使用情况
高海拔西藏地区架空光缆需要面临强烈的紫外线照射、大温差（如戈壁滩）、严寒、风沙、狂风暴雨等恶劣气候的影响。
高海拔地区对光缆的主要影响是强烈的紫外线照射，这会加快光缆外护层的老化，因此选择性能好的护套材料尤为重要。采用性能稳定、可靠的聚乙烯材料，材料中的碳黑要分布均匀。中心束管式光缆采用美国陶氏化学共聚高密度聚乙烯材料，其耐老化性能试验可达４０年，完全能满足高海拔地区的应用。大温差环境下，最能考察光缆中所采用的纤膏、芯管材料性能质量以及产品设计和生产工艺，好的纤膏在温度剧烈变化下，仍然保持足够的触变性，保护芯管内的光纤不会产生损耗的变化影响传输性能。大温差环境下，若芯管材料不好，设计不当或制造控制不好，会引起芯管回缩。也会造成芯管内光纤受影响，从而使光纤的传输性能劣化。低温状态主要是对纤膏的考验，所采用的纤膏必须具有很好的低温特性，在低温下仍具有非常好的锥入特性。
(三)炎热潮湿的广东沿海地区使用情况
光缆外观护套老化情况（酸碱盐的腐蚀）：光缆外护层缆皮性能稳定（性能指标如表一所示），没发现任何质量问题和相关的客户记录 。管道敷设光缆经过常年水的浸泡，有很多井内水深在50~60CM以上；水的PH值不同时期会呈现偏酸或偏碱情况。光缆外观依然光亮如新，无任何老化现象出现。采用高密度聚乙烯材料耐磨和耐酸碱性能非常好，露天仓库存放的光缆经过管道敷设后又收回，护套印字有些已经磨损掉，但是光缆护套整体无异样。在现场对光缆样品进行解剖分析，光缆结构完整，材料无肉眼可见的老化现象，油膏填充保满，全色谱的光纤颜色无任何变化。
表一：光缆外护层材料聚乙烯性能指标
广东地区接续时熔接损耗大。这是由于当地气候潮热，湿度很大，该地区环境因素造成的熔接损耗大。为了保证链路长期可靠性，需要严格按照正确的施工规范来操作。
三、光缆的敷设及安装
图五：机房内的光缆
中心束管式光缆敷设时，因为外径小、重量轻，能充分利用管道资源，深受用户欢迎。在两段光缆全部熔接时，中心束管式光缆一次性开剥，使用起来方便、快捷；而层绞式要逐根开剥，用户反映层绞式光缆子管的PBT材料很硬，开剥相当麻烦和困难。
西藏地区的用户非常欢迎使用中心束管式光缆，因为他们主要是用在干线上，中心束管式光缆总体感觉好，光缆不仅质量好而且轻巧，分组、盘纤方便，接续不容易出错，开剥及接续效率高。西藏地区中心束管式光缆与层绞式光缆对接做接头时，层绞式光缆的加强件压到子管，引起通信不畅。西藏地区光缆接续大比武，8芯中心束管式光缆，接续、装箱、开剥、测试三个人，仅用18分钟；36芯同种中心束管式光缆用时只需1小时。
现场采集样品试验
一、光缆样品试验结果
1、光缆渗水试验和滴流试验
尽管经过了现场的多年使用，所有测试样品的渗水试验结果都合格，完全满足现场使用情况。从所剥开的样品来看，油膏饱满，颜色无变化，滴流试验结果合格。
2、光缆护套及芯管的检测
试验结果如图六所示，现场取样的中心束管式光缆样品全部通过了渗水、滴流、护层及芯管材料的相关试验，完全满足现场的使用。
图六：光缆护层及芯管试验
二、光纤样品试验结果
1、光纤外径的测量：用显微镜测量的这些送检着色光纤的外径分布在248.41mm到262.42mm。不同品牌的光纤在这方面的性能并没有明显的差别。在IEC 60793中规范着色光纤的外径应在250±15mm的范围内。经过多年的实地使用，这些光纤仍然能够满足该项规范。
2、着色光纤表面检查： 我们对着色光纤的表面用显微镜进行的检查，在该项检查中没有发现光纤变形。
图七：着色光纤表面检查
3、涂覆层剥离力
测试所有送检光纤的涂覆层剥离力，包括同一根光缆中的不同光纤。最大剥离力为4.8N，最小为2.6N。平均值为3.5N，满足各种不同标准中对涂覆层剥离力的规范要求。我们比较了新光纤与老化光纤在该项性能上的差别，得到图八。从图中可以看出，光纤样品处于较好的状态，与新光纤的状态接近。众所周知，涂覆层剥离力表面涂覆层与光纤包层之间的连接力。
如果该力值过低，会导致涂覆层脱落。没有涂覆层保护的情况下光纤的耐张性能将明显下降。
4、50cm耐张力试验：由于光纤的张力有限，对5根50cm长的光纤样品进行张力测试。被测的样品光纤的张力同样处于较好的状态，虽然他们的力值与新光纤相比略小，但这种差异并不明显。
图九：50cm光纤耐张力试验
从以上对光纤样品的分析测试，我们得到以下结论：这些着色光纤虽然已经实地使用了很长时间，但在光纤几何特性和张力特性等方面仍具有很高的品质。
调研小结
从以上调查得到的资料分析，中芯束管式光缆在高寒地区可以稳定使用，光缆的机械性能，环境性能和抗老化性能均很好，但需要对光缆进行正确的使用，特殊地段要对光缆采取特殊的保护措施。调查中发现有些地方光缆出现一些隐患都是因为施工不当造成的，所以正确的施工是保证光缆使用寿命的第一步，应规范施工，按照相关的国家规定去操作。
从现场取得的样品做的测试分析可以看出，光纤的剥离力及使用寿命在合理的使用范围内，可以达到设计寿命25年以上。
光缆在沿海地区的使用，光缆采用的高密度聚乙烯材料，耐磨和耐酸碱性能非常好，克服了不良的使环境对光缆的浸蚀。由于该地区湿度很大，光缆宜采用100%芯管中油膏填充及全面阻水结构，从而保证光缆在该地区的可靠使用。
中国已加入WTO，经济逐渐和世界融为一体，市场的开放与竞争给用户带来了更多的实惠和更周到的服务，这就要求从企业的利益出发，降低工程的建设成本，提高经济效益。从有限的管道资源来看，要想敷设更多的光缆，发展趋势是光缆制造商在确保光缆的基本光传输性能和机械性能的基础上，减小光缆尺寸，降低光缆重量，节约光缆材料等措施来达到降低光缆成本，提高生产和施工速度，充分利用管道资源来以达到降低施工费用，中心束管式光缆恰恰体现了这些优势。
注：引自参考文献2
参考文献
1.赵梓森等编著，《光纤通信工程》，人民邮电出版社（2002）
2.王振岳著，《高原高寒地带光缆线路的调研及维护技术的研究》，2001年光缆电缆学术年会论文集 |
