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光纜老化實(shí)例分析
光纜老化實(shí)例分析
摘要：光纜老化問(wèn)題具一定隱蔽性，但其對(duì)電信傳輸網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量與安全構(gòu)成巨大威脅，可能造成企業(yè)重大損失，需要我們高度重視。文章先選取湖南省干光纜兩則老化的實(shí)例詳細(xì)描述了其特征，然后介紹光纜老化的四方面的原因及特征：包括氫損、溫度特性劣化、外界應(yīng)力、進(jìn)潮。再通過(guò)特征比對(duì)的方式對(duì)兩則實(shí)例進(jìn)行分析，揭示其發(fā)生機(jī)制。最后筆者從光纜的選購(gòu)、應(yīng)用等方面提出因應(yīng)光纜老化的七項(xiàng)措施。
關(guān)鍵詞：光纜 老化 氫損 溫度特性
光纜的預(yù)期壽命一般在20-25年，在我省敷設(shè)的10-15年長(zhǎng)途光纜中已出現(xiàn)了光纜老化，損耗增加，達(dá)不到傳輸系統(tǒng)的要求的現(xiàn)象。個(gè)別光纜甚至敷設(shè)不到5年就出現(xiàn)老化。
實(shí)例一：
我省二級(jí)干線長(zhǎng)石光纜常德－益陽(yáng)段，光纜中繼段長(zhǎng)約100千米，為皺紋鋼帶鎧裝鋁聚乙烯粘接護(hù)套松套管層絞式金屬加強(qiáng)芯光纜（GYTA53）。于1997年建成投產(chǎn)，全程以埋式敷設(shè)為主。2001年初時(shí)就發(fā)現(xiàn)纖芯平均損耗出現(xiàn)異常，向廠商提出索賠。至2003年時(shí)已出現(xiàn)影響承載其上省干SDH系統(tǒng)情況。在歷年半年度測(cè)試過(guò)程中的損耗變化情況如圖一所示。
對(duì)光纜進(jìn)－步測(cè)試調(diào)查，還有以下特征：
（1）每根光纖損耗特性均不同程度出現(xiàn)劣化，個(gè)別纖芯個(gè)別段落出現(xiàn)嚴(yán)重劣化。
（2）同根光纖1550比1310損耗增加更明顯，直埋敷設(shè)部分與管道敷設(shè)部分損耗增加無(wú)顯著差別。
（3）光纜金屬護(hù)套對(duì)地絕緣與接頭盒絕緣測(cè)試均正常。
（4）光纜中纖芯無(wú)明顯變脆，自然斷纖增加現(xiàn)象。
實(shí)例二：
我省二級(jí)干線郴州－桂陽(yáng)、郴州－資興光纜等，光纜中繼段長(zhǎng)均約38千米，為細(xì)圓鋼絲鎧裝聚乙烯外護(hù)套松套管層絞式非金屬加強(qiáng)芯光纜，于1993年建成投產(chǎn)。2004年開(kāi)始，發(fā)現(xiàn)在秋末至夏初間，每當(dāng)氣溫突降（如太陽(yáng)落山）時(shí)，光纜的損耗發(fā)生突變，承載光纜上的波分系統(tǒng)出現(xiàn)收光功率低告警，嚴(yán)重時(shí)引起系統(tǒng)中斷。持續(xù)幾十分鐘至一二小時(shí)后，又自動(dòng)恢復(fù)正常，其損耗的變化如圖二所示。
用OTDR對(duì)光纜中纖芯進(jìn)行測(cè)試檢查出現(xiàn)如下結(jié)果：
異常時(shí)，測(cè)試光纜中纖芯，每根纖增加的損耗并不相同，波長(zhǎng)不同增加的損耗也不同，1550比1310損耗增加大。
異常時(shí)損耗增加不是因單點(diǎn)造成，而是一段段光纜損耗增加；主要是架空部分變化，而管道部分幾乎無(wú)變化。
損耗增加段每根光纖基本一致，但也不完全一致；每次異常時(shí)損耗變化較大段落位置進(jìn)行比較，基本相同，但又不完全相同。
正常情況下測(cè)試光纜中纖芯，曲線很好，與竣工時(shí)比光纖平均損耗幾乎沒(méi)有增加。
光纜老化的原因
光纜老化，特別是未達(dá)到預(yù)期壽命的傳輸性能嚴(yán)重劣化，全程損耗普遍增加的原因是多樣的。主要有以下四方面原因。
1、氫損
光纖的氫損，從本質(zhì)上講，是氫氣擴(kuò)散入光纖玻璃之中，同時(shí)和玻璃中的缺陷發(fā)生反應(yīng)，在一些特征波長(zhǎng)上造成光纖衰減增加的過(guò)程，這種過(guò)程包括物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程兩個(gè)方面。物理過(guò)程主要是指氫氣在光纖玻璃中的擴(kuò)散過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中，氫分子并未和玻璃的缺陷發(fā)生反應(yīng)，因此其造成的氫損也僅僅和滲透進(jìn)纖芯的氫分子的吸收光譜特性有關(guān)。試驗(yàn)表明氫分子造成的吸收損耗曲線如圖三。其附加損耗1550nm比1310nm大，在1240nm、1590nm 、1640nm等波長(zhǎng)處出現(xiàn)衰減峰。這類氫損大小只與光纖中氫分子濃度有關(guān)，溫度高時(shí)光纖玻璃中溶入的氫少，造成的氫損就小。其過(guò)程也是可逆的，當(dāng)外界不存在氫氛圍，光纖中的氫又可滲出，氫損消除。
?氫損的化學(xué)過(guò)程在于，氫分子在玻璃中擴(kuò)散的同時(shí)，氫將和玻璃中存在的缺陷發(fā)生反應(yīng)，形成某些特定的化學(xué)鍵，這些化學(xué)鍵的本征振動(dòng)或高次振動(dòng)模，同樣會(huì)在其特征波長(zhǎng)上造成衰減增加。研究表明，氫損的主要反應(yīng)機(jī)理為：
Si-O O-Si + H2 Si-O-H + H-O-Si （1）
Si-O-O Si + H2 Si-O-O-H + H-Si （2）
Si-O-O-H + H-Si Si-O-O-Si + H2 （3）
?上述反應(yīng)涉及光纖中兩種主要的結(jié)構(gòu)缺陷，即Si-O··O-Si，和Si-O-O··Si，分別被稱為非橋氧空心缺陷（NBOHCs）和Si-E’心缺陷。反應(yīng)（1）（2）的特征吸收峰分別在1 383 nm、1 530 nm波長(zhǎng)，也就是說(shuō)，上述氫損過(guò)程將使1 383 nm和1 530 nm的衰減增加。反應(yīng)式（3）實(shí)是反應(yīng)（2）的自愈反應(yīng)，即Si-O-O-H 與H-Si繼續(xù)反應(yīng)析出氫，同時(shí)原有的缺陷消失，但其反應(yīng)是有限的。而其中反應(yīng)（1）是單向的、永久性的。
光纖中還存在其它一些缺陷，氫與缺陷發(fā)生反應(yīng)同樣發(fā)生氫損，其波長(zhǎng)可涵蓋1350－1600nm范圍。氫損的物理和化學(xué)過(guò)程在光纖的氫損發(fā)生過(guò)程中同時(shí)存在。
2、溫度特性惡化
光纜溫度特性惡化可能由以下深層次原因引起： 1) 光纜在常溫時(shí)余長(zhǎng)偏大，低溫時(shí)余長(zhǎng)進(jìn)一步增加，造成較大宏彎損耗； 2) 光纜常溫余長(zhǎng)偏小，當(dāng)光纜處在高溫時(shí)，光纖呈負(fù)余長(zhǎng)，光纖下沉在PBT管管壁，導(dǎo)致光纖產(chǎn)生微彎損耗； 3) 由于護(hù)套和PBT管低溫收縮，“吃”掉接頭盒中的光纖余量，使接頭盒中光纖出現(xiàn)小彎曲，導(dǎo)致光纖損耗增加甚至斷裂； 4) 光纜整體性差，形成“活塞效應(yīng)”。即光纜中各元件耦合松緊的程度不高，通過(guò)多次溫度循環(huán)，光纜結(jié)構(gòu)松馳，光纜中的元件像活塞一樣隨溫度變化而明顯收縮與膨脹，引起光纖損耗。
5) 光纖油膏和光纜油膏質(zhì)量不好。如光纖油膏低溫錐入度小于200dmm時(shí)，纖膏變硬，其力可加于光纖產(chǎn)生微彎損耗。又如光纜油膏高溫滴流和油分離，均會(huì)在光纜中造成氣隙，致使潮氣浸入光纜，油膏含水量大也會(huì)使光纜水汽增加，這些水汽在低溫下結(jié)成微小冰粒，導(dǎo)致光纖受力彎曲，從而使光纜低溫?fù)p耗增加。
3、外界應(yīng)力
光纜中的光纖在纜化、敷設(shè)和使用過(guò)程中可能會(huì)受到拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)以及振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力，這些應(yīng)力作用于光纖會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加、光纖強(qiáng)度降低。
4、進(jìn)潮
光纜中光纖對(duì)水與潮氣產(chǎn)生的OH－離子極為敏感。水與潮氣會(huì)使光纖上的微裂紋擴(kuò)張，使光纖強(qiáng)度顯著降低。光纖長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境，其損耗將增加、光纖將變脆。這種情況下一般表現(xiàn)為光纖損耗增加同時(shí)，光纖自然斷裂也增加。
分析與對(duì)策
實(shí)例一中光纜的老化符合氫損的表現(xiàn)，因其所有光纜中光纖均有損耗增加，其1550波段比1310增加更多，而且損耗增加后還呈周期性緩慢回落，但總體上損耗呈現(xiàn)增高趨勢(shì)。我省9月份氣溫明顯高于3月份，光纖中氫分子濃度低，造成損耗每年9月低3月高現(xiàn)象。應(yīng)為光纜中纖膏或纜膏質(zhì)量差， “析氫”現(xiàn)象嚴(yán)重，光纜內(nèi)外護(hù)層又保持了氫氣氛，光纖氫損的物理與化學(xué)過(guò)程同時(shí)發(fā)生，光纖損耗增加。光纖質(zhì)量也存在一定問(wèn)題，光纖內(nèi)部缺陷較多，加速了氫損進(jìn)程，并導(dǎo)致?lián)p耗不斷呈增高趨勢(shì)。因其光纖無(wú)變脆，自然斷裂增加現(xiàn)象，光纜金屬護(hù)層絕緣正常，故可排除進(jìn)潮的原因。
實(shí)例二中光纜的老化是其溫度特性較差造成。對(duì)照上面溫度特性惡化的原因深究，應(yīng)是光纜余長(zhǎng)不當(dāng)與光纜中纖膏老化粘度變大所致。因石英光纖的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于PBT松套管的熱膨脹系數(shù)，當(dāng)溫度降低時(shí)，松套管收縮，光纖將向遠(yuǎn)離纜芯方向運(yùn)動(dòng)，而套管中纖膏粘度大，如溫度變化過(guò)快，一時(shí)光纖無(wú)法到位而形成宏彎，造成損耗增加。當(dāng)溫度升高時(shí)，松套管增長(zhǎng)，光纖受拉力，向靠近纜芯方向運(yùn)動(dòng)，不存在微彎問(wèn)題，故損耗正常。光纖在松套管中的運(yùn)動(dòng)如圖四。
光纜老化問(wèn)題具一定隱蔽性，但其對(duì)電信傳輸網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量與安全構(gòu)成巨大威脅，可能造成企業(yè)重大損失，需要我們高度重視。綜合以上問(wèn)題與分析，筆者提出以下應(yīng)對(duì)措施：
1．嚴(yán)把工程材料關(guān)。在光纜選購(gòu)時(shí)，必須要對(duì)光纜的結(jié)構(gòu)形式、選用原材料、生產(chǎn)工藝及技術(shù)指標(biāo)作深人了解，綜合考慮。不能簡(jiǎn)單的以幾芯價(jià)格多少來(lái)比較衡量。尤其要注意光纜中采用的光纖與纖膏的廠家與質(zhì)量，千萬(wàn)不要選用價(jià)格過(guò)于便宜但未經(jīng)嚴(yán)格檢測(cè)的產(chǎn)品。 2、加強(qiáng)合同管理。選用劣質(zhì)原材料或不當(dāng)工藝生產(chǎn)的光纜，往往在最初的產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)，很難檢出，因?yàn)槔匣枰欢螘r(shí)間。因此在采購(gòu)合同中要明確光纜未達(dá)預(yù)期壽命的責(zé)任與賠償事項(xiàng)，要求廠商提供相應(yīng)光纜選用的光纖、纖膏、松套管、加強(qiáng)芯、復(fù)合鋁帶、護(hù)套料等主要原材料的廠家與規(guī)格。因其追溯期較長(zhǎng)，一定要做好合同與相應(yīng)附件的保存與管理。
3．加強(qiáng)對(duì)光纜上承載系統(tǒng)光功率變化的分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。光纜的老化是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，早發(fā)現(xiàn)可以早處理早預(yù)防。因此要充分運(yùn)用設(shè)備時(shí)刻在線的優(yōu)勢(shì)，利用網(wǎng)管手段采集光性能參數(shù)，機(jī)線綜合分析。同時(shí)要做好線路的定期測(cè)試與分析工作。
4、對(duì)已出現(xiàn)老化的光纜降級(jí)使用或與正常光纜混合使用。光纜老化引起損耗增加量直接與長(zhǎng)度相關(guān)，通過(guò)對(duì)已老化光纜的介入長(zhǎng)度控制，可使起損耗變化在設(shè)備容許值內(nèi)，延長(zhǎng)光纜在網(wǎng)時(shí)間。如省干老化光纜降為短斷本地網(wǎng)用，又如在一個(gè)長(zhǎng)距再生段中，一段采用正常光纜另一段采用老化光纜。
5、把好施工質(zhì)量關(guān)。工程質(zhì)量對(duì)光纜老化也也有一定影響，需做好工程質(zhì)量管理。尤其是埋式光纜的絕緣合格率在施工時(shí)嚴(yán)格要求，防止接頭與光纜進(jìn)水。
6．光纜建設(shè)要分批平均進(jìn)行，最好不要集中在某幾年進(jìn)行，降低老化風(fēng)險(xiǎn)。
7、加強(qiáng)對(duì)光纜老化問(wèn)題的調(diào)查分析。目前，我省光纜網(wǎng)建設(shè)時(shí)間還不十分長(zhǎng)，老化問(wèn)題還不十分突出，有些問(wèn)題還未暴露，防范手段還未發(fā)現(xiàn)，需進(jìn)一步調(diào)查研究。
參考文獻(xiàn)：
1、胡光志等篇著《光纜及工程應(yīng)用》人民郵電出版社 1998.11
2、康寧公司技術(shù)白皮書(shū) WP9007《The Impact of Hydrogen on Optical Fibers》
3、武漢長(zhǎng)飛公司 汪洪洋 《光纖的氫損》
4、江蘇阿爾法光電科技有限公司 王德榮《光纜壽命分析》
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