高温环境对电力通信用光纤寿命的影响.pdf

2012 年第 4 期 No 42012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 8 月 Aug， 2012 高温环境对电力通信用光纤寿命的影响 栗鸣 1， 谢书鸿2 ( 1 中天日立光缆有限公司， 江苏 南通 226463; 2 江苏中天科技股份有限公司， 江苏 南通 226463) 摘要: 介绍了 Stolov 等人关于光纤涂层热老化失重、 使用温度与光纤使用寿命之间关系的试验研究结果。通 过此研究结果并结合电力通信光缆的实际应用情况研究证明: 当 OPGW、 OPPC 光缆的长期( 一般指 20 年) 使 用温度为 70 80时对光纤的传输性能和长期使用寿命不会产生影响。对于因雷击、 短路电流而使 OPGW、 OPPC 光缆产生的高温， 只要其承受较高温度的时间足够短， 也不会明显影响光纤的传输性能和长期使用寿 命。此研究成果可供电力设计人员和运管人员参考。 关键词:OPGW;OPPC;高温环境;电力通信;光纤寿命 中图分类号: TN818文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2012) 04- 0003- 05 Effects of High Temperature on Lifetime of Optical Fibers Used in Electric Power Telecommunication LI Ming1，XIE Shu- hong2 ( 1 Zhongtian Hitachi Optic Fiber Cable Co，Ltd，Nantong 226463，China; 2 Jiangsu Zhongtian Technology Co，Ltd，Nantong 226463，China) Abstract:This paper describes the relationships between the thermal aging related coating weight loss of optical fi- bers，the use temperature and the lifetime of optical fiber investigated by Stolov et al Based on the results of Stolov et al s study and the practical applications of optical fiber cables used in power transmission line，it was demonstrated that the optical fiber transmission performance and the lifetime in OPPC and OPGW cables would not be affected sig- nificantly，when the long- term ( in general 20 years)use temperature ranges from 70 to 80，or if the fibers work at higher temperatures caused by lightning or short- circuit current only for a very short duration These results provide reference to power transmisson line designers and operation supervisors Key words:OPGW;OPPC;high temperature;electric power telecommnication;lifetime 收稿日期: 2012- 02- 15 作者简介: 栗鸣( 1957 ) ， 男， 高级工程师， 总工程 师 作者地址: 江苏如东县河口镇中天路 1 号 226463 0引言 长期以来， 在通信、 交通等领域的长途干线网上 大规模应用常规通信光缆， 其使用温度均为大气环 境温度。例如， 直埋、 管道、 架空普通光缆的实际使 用温度变化范围约在 20 +40， 而电力系统通 信领域光纤复合架空地线( OPGW) 、 全介质自承式 光缆( ADSS) 等光缆的使用温度变化范围约在 40 +70。目前广泛认可的普通商用通信光纤的 20 年长期工作温度为 85 。因此， 对光缆中光纤 使用寿命( 或衰减增加) 的影响因素研究较多集中 在如应力、 弯曲、 氢损、 潮气、 溶剂等方面， 而对于光 纤处在一个相对较高的温度下( 高于 85) 的长期 使用寿命研究相对缺乏。当然， 特殊场合使用的致 密涂层光纤( hermetic optical fibers 如金属涂层光 纤、 涂炭光纤等) 除外。 近来， 随着光纤复合相线( OPPC) 光缆的应用 逐渐推广， 以及光纤温度传感、 光纤应力传感等应用 逐步扩大， 人们开始关注普通商用通信光纤的耐温 性能和长期使用寿命。通信光纤可能的高温使用场 合有: 用于电力电缆和电力设备监测的分布式光纤 测温系统( DTS) ;OPGW 和 OPPC 光缆; 光纤复合电 力电缆; 油井测温光缆; 耐火光缆等。如果有各种原 因使得光纤承受了短时的更高温度环境冲击， 那么 对于光纤的使用寿命会产生多大的影响呢?或者说 光纤可以在多高的温度下承受多长时间而不影响其 传输性能呢?目前国内外对这个课题的研究还不是 很多， 其中多为对不同涂层材料的光纤进行耐温性 能比较 1- 2 ， 而没有进行寿命分析。据悉， 美国 OFS 公司对普通商用光纤涂层热老化与光纤使用寿命之 间的关系进行了较为深入的研究3- 4 。因此， 本文将 重点结合 OFS 公司 Andrei A Stolov， Debra A Simoff 等人的研究成果进行介绍。考虑到电力运管人员的 工作性质， 我们仅介绍其主要研究结果。若对整个 研究过程和方法有兴趣的话， 可阅读原文。 1光纤涂料热老化试验 1 1假设条件与研究方法 早期的光纤一次涂覆料为热固化硅树脂。尽管 它有较高的使用温度， 但由于其价格高， 尤其是固化 速度较慢， 光纤拉丝速度也不能提高， 大大增加了光 纤成本， 所以在 80 年代后期逐步被光固化丙烯酸酯 类涂料所代替。目前光纤涂覆层均由两层组成: 第 一层模量较低(5 MPa) ， 与光纤包层紧密粘结， 防 止光纤表面微裂纹扩大并可减轻光纤的微弯损耗; 第二层模量较高( 800 MPa) ， 可提高光纤的耐磨 性能和机械强度。此双涂层结构具有固化快、 易剥 离、 成本低等优点， 但缺点是耐温等级不高， 常规涂 料的长期使用温度为 85。 对于光纤所受应力与其使用寿命之间的关系， 康宁公司 Glaesemann 给出的假设是 5 : 当光纤裂纹 扩展到其原始裂纹深度的 1% 时， 即为光纤失效。 在此假设下， 以 100 kpsi 筛选应力为参考应力 p， 推算出不同 p% 下的光纤使用寿命。这一假设条 件已被各光纤厂家所接受并用于指导实际生产。 对于光纤涂层热老化性能与其使用寿命之间的 关系， 也必须有一个假设条件， 即首先应确认涂层的 热失重( weight loss) 与光纤强度之间有着必然联 系 4 ， 这是一个基本前提。在此前提下， 假定光纤 涂层在达到某一失重百分率( 如 5%、 10% 或 25% 等) 时即可认为光纤失效， 这一失重百分率即作为 光纤失效判据( failure criterion) 。在这个假定下， 利 用 TGA( thermo gravimetric analysis 热失重分析) 方 法， 推断出光纤涂层在某一环境温度下达到某一失 重百分率所需要的时间， 这个时间值即为光纤在这 一温度下的使用寿命。 高分子材料在老化过程中其性能会发生改变， 如重量、 延伸率、 拉伸强度、 硬度、 颜色等。用重量改 变来分析材料的老化性能只是研究手段之一。由于 TGA 方法具有设备体积小、 试验时间短、 分析速度 快、 所需试样少( 几个毫克) 、 易改变试验环境( 如空 气、 氮气、 氧气等) 等优点， 因此被广泛用于研究各 种材料的老化性能。 1 2Stolov 的试验研究结果 1 2 1光纤试样 涂料 A: 常规光固化丙烯酸酯涂料， 双涂层。芯 径 50 m 阶跃多模光纤， 包层外径 125 m， 涂层外 径分别为 190 m 和 245 m。 1 2 2涂料 A 在空气环境下不同加热速率的动态 TGA( Dynamic TGA) 曲线 涂料 A 在空气环境下不同加热速率的动态 TGA( Dynamic TGA) 曲线如图 1 所示。从图 1 中可 以看出， 随着加热速率的增加， TGA 曲线向高温侧 偏移。在残余重量大于 90% 时， 曲线呈现平坦状， 一般认为这只是涂层中未反应物( 如添加剂、 水分 等) 的挥发。在温度超过 200时， 光纤涂层的热降 解反应为主要反应。在残余重量小于 40% 时， 失重 速率与加热速率不再保持一致， 这说明涂层的热降 解过程已经不稳定了。 图 1不同加热速率下( 空气环境) 涂料 A 的 TGA 曲线 1 2 3利用阿累尼乌斯( Arrhnius) 公式推算光纤 涂层寿命 如何利用阿累尼乌斯公式推算光纤涂层的使用 寿命， 有兴趣的读者可参阅 GB/T 200282005/ISO 113461997硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿累尼 乌斯图推算寿命和最高使用温度 以及原文 3- 4 。 表 1 给出的是在不同失效判据下， 涂料 A 光纤 在不同温度下的使用时间。TGA 试验升温速度为 0 5 /min。 表 1空气环境中不同失效判据下涂料 A 光纤的使用时间和温度 使用时间 使用温度/ 失重 5%失重 10% 失重 25%失重 50% 20 年 85 +13 5 87 +9 5 93 +6 4 107 +6 4 1 年 111 +10 5 114 +8 4 122 +5 3 139 +5 4 1 月 135 +8 5 140 +7 4 150 +4 3 170 +4 3 1 d174 +5 4 181 +4 3 195 +3 2 221 +3 2 1 h217 +3 2 229 +2 2 247 +1 1 279 +1 1 1 min288 +4 3 306 +4 3 333 +4 3 379 +4 3 从表 1 可以看出， 光纤的使用时间或者说“光 纤寿命” 与两个参数有关: 失重失效和使用温度。 4 2012 年第 4 期 No 42012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 8 月 Aug， 2012 假定在光纤涂层失重 25% 时光纤的光学性能和机 械性能全部失效， 那么这种光纤在 93可以承受 20 年。当然也可以在更高的温度使用， 但寿命将缩短， 如在 122 可以使用 1 年， 在 155 可以使用 1 个 月。如果使用 10%失重作为失效判据， 它的使用温 度将向低温处偏移: 在 87 使用时间为 20 年， 在 114使用时间为 1 年。相反， 如果在 50% 失效判 据下， 在 107使用时间为 20 年， 在 139使用时间 为 1 年， 在 170使用时间为 1 个月。 作为比较， 图 2 是康宁公司提供的对常规商用 CPC6 光纤在空气环境中的光纤涂层失重与温度的 关系曲线。从图 2 可以看出， CPC6 光纤在 85 环 境中近 10 000 h 涂层体积减少不超过 10%。虽然 10 000 h 的试验时间( 14 个月) 已经很长， 可与光纤 的整个寿命周期相比也只是一个短期老化试验。尽 管如此， 我们还是可以看到在 1 000 h 直至 10 000 h 后已呈一条水平线， 即不再有热失重继续发生。如 果将前期的失重归结为涂层中未反应物或添加剂的 挥发、 水分蒸发等因素， 可以认为在 85、 10 000 h 试验条件下光纤涂层的各项性能还是稳定的。在这 一点上， 康宁公司的试验结果与 OFS 公司 stolov 等 人的研究结果一致， 即普通商用光纤可以在 85长 期使用。 图 2 CPC6 光纤在空气环境中的光纤涂层 体积变化与温度的关系曲线 1 2 4不同气体环境下的使用寿命 Simof D A 等人的研究结果表明 6- 7 ， 在氧气存 在的环境下， 光纤丙烯酸涂层的热降解反应主要为 热氧化裂解反应。吴经玲等人的研究结果表明8 ， 在氦气保护的试验条件下， 丙烯酸酯的热降解反应 主要为解聚反应。由于光纤在实际使用中光纤套管 中充满了光纤膏， 光纤涂层被光纤膏所包围， 没有机 会与空气或氧气接触， 应该说后一种降解机理更符 合实际情况。当然， 在光纤的实际使用中并没有必 要去了解光纤涂层的热降解机理， 我们只需了解什 么样的环境对光纤影响更大。 图 3 为在不同气体环境下涂料 A 的 TGA 曲线， 所得曲线的加热速率均为 0 5 /min。 图 3涂料 A 热降解的环境效应 从图 3 可以看出， 在不同的气体环境下， 光纤涂 层的热稳定性依次如下排序: 氮气 空气 氧气。 这个结果也提醒我们在光纤的使用中， 应尽可能地 避免光纤与空气接触， 具体在光缆生产中表现为应 尽可能地提高光纤二次被覆时光纤膏的填充度。表 2 为在失重 25% 的失效判据下， 涂料 A 光纤在不同 气体环境下的使用时间。 表 2涂料 A 光纤( 25%失重判据) 在氮气、 空气和氧气中的使用时间 使用时间 使用温度/ 氮气空气氧气 20 年 112 +27 7 93 +6 4 89 +12 5 1 年 141 +20 7 122 +5 3 117 +10 5 1 月 168 +15 7 150 +4 3 144 +8 5 1 d213 +8 5 195 +3 2 188 +5 4 1 h264 +3 3 247 +1 1 238 +2 2 1 min348 +11 8 333 +4 3 321 +6 4 1 2 5光纤衰减与光纤热老化的关系 将涂料 A 光纤做成两个试样( 试样 1 和试样 2) ， 每个试样长约 1 km， 绕成圈放入试验箱。光纤 表面涂上滑石粉， 在整个试验过程对光纤衰减 ( 850nm) 进行监测。试验过程如下: 先将光纤在室 温下搁置， 然后将温度降至 55， 目的是确认光纤 未老化前的光纤衰减; 然后将温度快速升至 175， 保温 1 个星期; 再将温度降至 55记录光纤衰减， 测好后同样将温度快速升至 175 保温 1 个星期; 接着将光纤先自然冷却至室温， 再降至 55测量 光纤衰减。图 4 为光纤衰减随老化时间的变化 曲线。 5 2012 年第 4 期 No 42012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 8 月 Aug， 2012 图 4涂料 A 光纤衰减( 850 nm) 随热老化时间变化 由图 4 可以看出， 涂料 A 多模光纤在整个试验 过程其衰减变化不超过 0 2 dB/km。在多数应用场 合下， 这个衰减附加值还是可以令人接受的。从 TGA 数据推算， 经历了 175 两个星期的高温老化 后， 光纤涂层的重量损失大约在 30% 38%。由此 可以得知， 光纤涂层的重量损失并不一定意味着同 时带来光纤传输性能的降低。 2OPPC 和 OPGW 光纤高温应用分析 Stolov 等人的研究结果， 有助我们对光纤所经 受温度与光纤涂层性能改变、 光纤使用寿命之间的 关系有一个较为清晰的认识。OPGW 和 OPPC 等电 力特种光缆中的光纤在生产与使用过程中有多个承 受高温环境的场合。 2 1OPGW 承受高温的场合 ( 1) 激光焊接钢管光单元过程中， 钢带激光焊 接温度高达 1 450以上， 但由于经历时间短， 焊接 过程并未对光纤的使用寿命产生任何影响， 这一点 已被钢管光单元十几年的良好应用历史证明。 ( 2) 实际工程应用中的 OPGW 和 OPPC 光缆有 可能承受几十次或几百次时间不等的电气高温环 境。如 OPGW 在经受了雷击或大短路电流冲击之 后， 光纤仍能正常通信， 极少见光纤损坏的报道。 OPGW 遭受雷击引起断股案例较多， 但引起光纤通 信异常的极少。通过实验室模拟雷电冲击， 雷电流 持续时间为 0 5 s， 但几乎监测不到光纤衰减发生明 显变化。 所有这些均表明， 尽管常规通信光纤的耐温等 级被认为是 85， 只要其承受较高温度的时间足够 短， 并不会明显影响其使用寿命。图 5 为中国电力 科学研究院光缆实验室对某型号 OPGW 进行的短 路电流试验温升曲线。 从图 5 可以看出， 短路大电流冲击后， OPGW 温 度迅速上升到最高的 145， 随后缓慢下降至 85， 图 5某型号 OPGW 短路电流试验温升曲线 此过程需 8 10 min。即使我们将这一时间段的平 均温度假定为 135， 经历了三次试验标准规定的 短路电流冲击后， 光纤在 135 高温的承受时间合 计为 24 min。参照表 1， 5% 失效判据下 135使用 温度下光纤的使用时间约为 1 个月。因此可以认 为， 24 min 与1 个月相比， 短路电流冲击所产生的短 时高温并不会影响到光纤的使用寿命。 图 6 OPPC 及金具附件系统的载流量试验曲线 2 2OPPC 承受高温的场合 OPPC 光缆在长期运行过程中处于持续通流发 热状态， 而且也可能受到如单相对地短路电流、 绕击 雷或直击雷、 直流融冰电流等短时大电流， 使导体温 度过热。我们委托上海电缆研究所实验室对 OPPC 及金具附件、 接续盒系统进行了模拟 220 kV 线路挂 网试验。监测 OPPC 及配套接头盒( 光电分离装 置) 在施加额定电压并且通额定电流情况下各项性 能指标， 包括电压、 电流、 温度、 光纤附加衰耗、 接续 盒绝缘性能等， 以此论证 OPPC 及金具附件、 接续盒 系统在 220 kV 线路中高温运行的可行性及安全性。 图 6 是恒温恒压阶段、 热循环阶段、 加速老化阶段 三个试验阶段全过程的温升和光衰减变化曲线。在 OPPC 缆温为 80 时， 跳线温度为 45， 接头盒温 度为 30， 而光纤附加衰减变化很小。当施加电流 使 OPPC 缆温升到近 170进行加速老化持续时间 6 2012 年第 4 期 No 42012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 8 月 Aug， 2012 近 10 h， 光纤衰减开始迅速增加。当 OPPC 回复到 常温状态时， 光纤衰减未能恢复到可接受值， 此时可 认为光纤传输性能已失效。对于此光纤传输性能失 效的原因， 由于我们还没有做更深一步研究， 所以不 能轻率地给出具体结论。但可以根据试验结果得 知， OPPC 在正常通流温度为 70时， 光纤长期使用 寿命不受任何影响。 对于重冰区来说， OPPC 光缆可能会承受直流 融冰电流。直流融冰系统施加在 OPPC 光缆的大电 流低电压， 仅需将温度升到 30 40 即可融冰， 因 此， 并不会影响光纤使用性能和长期寿命。 3结束语 由于影响因素众多， 事实上光纤使用寿命与光 纤使用温度之间的关系非常复杂。Stolov 等人的研 究只是方法之一， 还有一些疑问有待做更深一步的 研究。比如: ( 1) Stolov 等人试验的前提是光纤涂层 热老化将影响光纤的使用寿命， 但这两者之间的关 联度有多大?是否受外界环境影响?( 2) 目前使用 中光纤外都涂有一层油膏用于防潮、 缓冲等目的， 在 这层油膏的覆盖下， 光纤涂层的热失重速率可能与 实验室 TGA 试验时的失重速率并不一致。( 3) 在图 4 试验中 Stolov 等人得出的结论是即使是在失重 38%的情况下， 光纤涂层热失重与光纤的光学性能 关系并不大。这只是一个方面， 需要指出的是: 他们 的试验是在试验箱中进行的， 光纤处于静止状态。 实际上， 在失重 38% 以后， 光纤涂层的机械性能如 伸长率将大大降低。失去了涂层的缓冲保护， 当 OPPC 或 OPGW 在受到风激振动、 热胀冷缩或覆冰 时， 很容易将外力传导至光纤包层表面微裂纹导致 光纤失效。( 4) Stolov 等人的研究仅针对光纤涂层 的热老化。实际上， 在光纤膏生产时， 为了提高粘 度， 常会在基础油中加入诸如聚甲基丙烯酸酯、 聚异 丁烯、 烯烃共聚物、 聚烷基苯乙烯等高分子化合物作 为增稠剂。这些高分子化合物在长期高温情况下， 同样会发生热降解反应， 降低光纤膏的性能， 对光纤 使用寿命产生影响。 总之， 对于 OPGW、 OPPC 等电力通信特种光缆 来说， 正常的长期使用温度为 70 80， 对光纤的 传输性能和长期使用寿命不会产生影响。即使 OPGW、 OPPC 经受雷击或短路电流引起短时高温， 只要其承受较高温度的时间足够短， 也并不会明显 影响光纤使用寿命和光纤衰减。 参考文献: 1Araki S， Shimomichi T， Susuki H A new heat resistant optical fi- ber with special coatingJ International wire cable symposium proceedings， 1988: 556- 561 2Daniel A Wilson，Matthew M Ellison，Zhang xiaoyan Designing UV- curable materials for high- temperature optical fiber applications J Radtech Report， 2007 September/October， 24- 30 3Debra A Simoff，Andrei A Stolov，Catherine R Ciardiello New optical fiber coating designed for high- temperature applications J Proceedings of the 58th IWCS/IICIT， 83- 89 4Andrei A Stolov，Debra A Simoff，Jie Li Thermal stability of specialty optical fibersJJournal of lightwave technology， 2008， 26( 20) : 3443- 3451 5陈炳炎 光纤光缆的设计和制造M 浙江:浙江大学出版 社 6Chan M G，Simoff D A，Heywad I P Thermo- oxidative degration and stabilization of UC- cured coatingsJ in Proc ACS Div Polym Mat Sci Eng， 1988， 58: 144- 149 7Simoff D A， Chan M G，Chapin J T，et al Thermooxidative aging of a primary coating in films and dual coated fibersJ Polym Eng Sci， 1989， 29: 236- 240 8吴经玲， 张桂香， 薛树满， 等 裂解- 气相色谱- 质谱联用技术研 究: 丙烯酸酯类聚合物热解机理J 高分子材料科学与工程， 1987， 5( 10) : 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 78- 83 ( 上接第 2 页)测得其 20 时直流电阻约为 399 / km。再考虑到接地电阻， 光单元中的感应电流不大 于 35 mA。这样， 感应电势和电流都可忽略不计。 3结束语 光纤复合电力电缆中， 光单元使用非磁性金属 材料结构， 如不锈钢束管或纵包铝塑复合带， 其感应 电势较小， 影响可忽略。因此， 在光纤复合电力电缆 结构设计时 ， “光单元应选用非金属结构， 否则， 如 果使用金属材料， 由于交变电场作用， 会产生感应电 势” 的说法不完全正确。光单元除可以使用全介质 结构外， 也可以使用非磁性金属材料结构， 可根据具 体的应用场合选用。当然， 如果光单元选择磁性材 料， 如在光单元外施加磁性的镀锌钢丝作加强件， 由 于涡流损耗等原因， 应慎用。 参考文献: 1郑肇骥， 王琨明， 高压电缆线路M 北京: 水利电力出版社， 1983 2王国忠 海底光纤复合电力电缆的开发J 电线电缆， 2005 ( 6) : 12- 14 7 2012 年第 4 期 No 42012 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2012 年 8 月 Aug， 2012