光纜老化實例分析

時間：2024-06-15 16:05:12 通信工程畢業論文我要投稿

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光纜老化實例分析

摘要：光纜老化問題具一定隱蔽性，但其對電信傳輸網的運行質量與安全構成巨大威脅，可能造成企業重大損失，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例詳細描述了其特征，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、外界應力、進潮。再通過特征比對的方式對兩則實例進行分析，揭示其發生機制。最后筆者從光纜的選購、應用等方面提出因應光纜老化的七項措施。
關鍵詞：光纜老化氫損溫度特性

光纜的預期壽命一般在20-25年，在我省敷設的10-15年長途光纜中已出現了光纜老化，損耗增加，達不到傳輸系統的要求的現象。個別光纜甚至敷設不到5年就出現老化。
    實例一：
我省二級干線長石光纜常德－益陽段，光纜中繼段長約100千米，為皺紋鋼帶鎧裝鋁聚乙烯粘接護套松套管層絞式金屬加強芯光纜（GYTA53）。于1997年建成投產，全程以埋式敷設為主。2001年初時就發現纖芯平均損耗出現異常，向廠商提出索賠。至2003年時已出現影響承載其上省干SDH系統情況。在歷年半年度測試過程中的損耗變化情況如圖一所示。


對光纜進－步測試調查，還有以下特征：
（1）每根光纖損耗特性均不同程度出現劣化，個別纖芯個別段落出現嚴重劣化。
（2）同根光纖1550比1310損耗增加更明顯，直埋敷設部分與管道敷設部分損耗增加無顯著差別。
（3）光纜金屬護套對地絕緣與接頭盒絕緣測試均正常。
（4）光纜中纖芯無明顯變脆，自然斷纖增加現象。
   實例二：
我省二級干線郴州－桂陽、郴州－資興光纜等，光纜中繼段長均約38千米，為細圓鋼絲鎧裝聚乙烯外護套松套管層絞式非金屬加強芯光纜，于1993年建成投產。2004年開始，發現在秋末至夏初間，每當氣溫突降（如太陽落山）時，光纜的損耗發生突變，承載光纜上的波分系統出現收光功率低告警，嚴重時引起系統中斷。持續幾十分鐘至一二小時后，又自動恢復正常，其損耗的變化如圖二所示。

用OTDR對光纜中纖芯進行測試檢查出現如下結果：
異常時，測試光纜中纖芯，每根纖增加的損耗并不相同，波長不同增加的損耗也不同，1550比1310損耗增加大。
異常時損耗增加不是因單點造成，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；每次異常時損耗變化較大段落位置進行比較，基本相同，但又不完全相同。
正常情況下測試光纜中纖芯，曲線很好，與竣工時比光纖平均損耗幾乎沒有增加。

   光纜老化的原因
   光纜老化，特別是未達到預期壽命的傳輸性能嚴重劣化，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，從本質上講，是氫氣擴散入光纖玻璃之中，同時和玻璃中的缺陷發生反應，在一些特征波長上造成光纖衰減增加的過程，這種過程包括物理過程和化學過程兩個方面。物理過程主要是指氫氣在光纖玻璃中的擴散過程，這個過程中，氫分子并未和玻璃的缺陷發生反應，因此其造成的氫損也僅僅和滲透進纖芯的氫分子的吸收光譜特性有關。試驗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等波長處出現衰減峰。這類氫損大小只與光纖中氫分子濃度有關，溫度高時光纖玻璃中溶入的氫少，造成的氫損就小。其過程也是可逆的，當外界不存在氫氛圍，光纖中的氫又可滲出，氫損消除。

?氫損的化學過程在于，氫分子在玻璃中擴散的同時，氫將和玻璃中存在的缺陷發生反應，形成某些特定的化學鍵，這些化學鍵的本征振動或高次振動模，同樣會在其特征波長上造成衰減增加。研究表明，氫損的主要反應機理為：
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）
?上述反應涉及光纖中兩種主要的結構缺陷，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（1）（2）的特征吸收峰分別在1 383 nm、1 530 nm波長，也就是說，上述氫損過程將使1 383 nm和1 530 nm的衰減增加。反應式（3）實是反應（2）的自愈反應，即Si-O-O-H 與H-Si繼續反應析出氫，同時原有的缺陷消失，但其反應是有限的。而其中反應（1）是單向的、永久性的。
　光纖中還存在其它一些缺陷，氫與缺陷發生反應同樣發生氫損，其波長可涵蓋1350－1600nm范圍。氫損的物理和化學過程在光纖的氫損發生過程中同時存在。
   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) 光纜在常溫時余長偏大，低溫時余長進一步增加，造成較大宏彎損耗；　 2) 光纜常溫余長偏小，當光纜處在高溫時，光纖呈負余長，光纖下沉在PBT管管壁，導致光纖產生微彎損耗；　 3) 由于護套和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小彎曲，導致光纖損耗增加甚至斷裂；　 4) 光纜整體性差，形成“活塞效應”。即光纜中各元件耦合松緊的程度不高，通過多次溫度循環，光纜結構松馳，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量不好。如光纖油膏低溫錐入度小于200dmm時，纖膏變硬，其力可加于光纖產生微彎損耗。又如光纜油膏高溫滴流和油分離，均會在光纜中造成氣隙，致使潮氣浸入光纜，油膏含水量大也會使光纜水汽增加，這些水汽在低溫下結成微小冰粒，導致光纖受力彎曲，從而使光纜低溫損耗增加。
    3、外界應力
光纜中的光纖在纜化、敷設和使用過程中可能會受到拉伸、彎曲、扭轉以及振動產生的應力，這些應力作用于光纖會導致損耗增加、光纖強度降低。
4、進潮
光纜中光纖對水與潮氣產生的OH－離子極為敏感。水與潮氣會使光纖上的微裂紋擴張，使光纖強度顯著降低。光纖長期處于潮濕環境，其損耗將增加、光纖將變脆。這種情況下一般表現為光纖損耗增加同時，光纖自然斷裂也增加。

   分析與對策
實例一中光纜的老化符合氫損的表現，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，但總體上損耗呈現增高趨勢。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月高現象。應為光纜中纖膏或纜膏質量差， “析氫”現象嚴重，光纜內外護層又保持了氫氣氛，光纖氫損的物理與化學過程同時發生，光纖損耗增加。光纖質量也存在一定問題，光纖內部缺陷較多，加速了氫損進程，并導致損耗不斷呈增高趨勢。因其光纖無變脆，自然斷裂增加現象，光纜金屬護層絕緣正常，故可排除進潮的原因。
實例二中光纜的老化是其溫度特性較差造成。對照上面溫度特性惡化的原因深究，應是光纜余長不當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遠小于PBT松套管的熱膨脹系數，當溫度降低時，松套管收縮，光纖將向遠離纜芯方向運動，而套管中纖膏粘度大，如溫度變化過快，一時光纖無法到位而形成宏彎，造成損耗增加。當溫度升高時，松套管增長，光纖受拉力，向靠近纜芯方向運動，不存在微彎問題，故損耗正常。光纖在松套管中的運動如圖四。

  光纜老化問題具一定隱蔽性，但其對電信傳輸網的運行質量與安全構成巨大威脅，可能造成企業重大損失，需要我們高度重視。綜合以上問題與分析，筆者提出以下應對措施：
1．嚴把工程材料關。在光纜選購時，必須要對光纜的結構形式、選用原材料、生產工藝及技術指標作深人了解，綜合考慮。不能簡單的以幾芯價格多少來比較衡量。尤其要注意光纜中采用的光纖與纖膏的廠家與質量，千萬不要選用價格過于便宜但未經嚴格檢測的產品。    2、加強合同管理。選用劣質原材料或不當工藝生產的光纜，往往在最初的產品檢測時，很難檢出，因為老化需要一段時間。因此在采購合同中要明確光纜未達預期壽命的責任與賠償事項，要求廠商提供相應光纜選用的光纖、纖膏、松套管、加強芯、復合鋁帶、護套料等主要原材料的廠家與規格。因其追溯期較長，一定要做好合同與相應附件的保存與管理。
3．加強對光纜上承載系統光功率變化的分析，及時發現問題。光纜的老化是一個漸進的過程，早發現可以早處理早預防。因此要充分運用設備時刻在線的優勢，利用網管手段采集光性能參數，機線綜合分析。同時要做好線路的定期測試與分析工作。
4、對已出現老化的光纜降級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度相關，通過對已老化光纜的介入長度控制，可使起損耗變化在設備容許值內，延長光纜在網時間。如省干老化光纜降為短斷本地網用，又如在一個長距再生段中，一段采用正常光纜另一段采用老化光纜。
5、把好施工質量關。工程質量對光纜老化也也有一定影響，需做好工程質量管理。尤其是埋式光纜的絕緣合格率在施工時嚴格要求，防止接頭與光纜進水。
6．光纜建設要分批平均進行，最好不要集中在某幾年進行，降低老化風險。
7、加強對光纜老化問題的調查分析。目前，我省光纜網建設時間還不十分長，老化問題還不十分突出，有些問題還未暴露，防范手段還未發現，需進一步調查研究。

參考文獻：
1、胡光志等篇著《光纜及工程應用》人民郵電出版社 1998.11
2、康寧公司技術白皮書 WP9007《The Impact of Hydrogen on Optical Fibers》
3、武漢長飛公司汪洪洋《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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