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G.655光纤在ADSS光缆中应用的可靠性分析
北京康宁光缆公司 研发部高级工程师
近年来电力通信光纤网得到迅速发展，随着中国加入WTO，电力通信网除了满足原有的电力系统通信需求外，还可以对外开放与运营，而目前Internet及IP的迅猛发展对通信系统的高速率传输及带宽的提出更高的要求，在电力长途通信线路中,
由于G.655光纤(非零色散位移光纤NZDSF)的ADSS光缆以其在1550nm附近低色散及损耗优势可以满足DWDM的高速率及高带宽的传输要求，因此替代原来普遍使用G652光纤NDSF,非色散位移光纤)的ADSS光缆将是发展趋势。本文主要概述G.655光纤在ADSS光缆中应用的可靠性测试的方法及结果。
一、概述
目前在通信系统中已广泛使用的G.652光纤(非色散位移光纤NDSF,简称)主要用于1310nm区域，在1550nm区域尽管有较小的衰减但其色散值较大，在传输速率达10G/s的长距离时，需要进行色散补偿；而G.655光纤(非零色散位移光纤NZDSF,简称)是将零色散点移至1530nm~1565nm以外，同时使这一区域的色散值在2.6~6.0ps/nm.km之间(True
Wave RS fiber )，可以抑制四波混频现象。这种光纤还可用于密集波分复用(DWDM),在传输速率达10G/s的长400km距离内基本无需色散补偿。由于ADSS(全介质非金属自承式光缆)光缆是沿着电力高压输电线的路由来架设的，所以对G.655光纤ADSS光缆的产品性能的可靠性进行评估与试验项目设计时，既要考虑到G.655光纤性能特点，又要考虑ADSS光缆的使用特点。在试验过程中对光纤传输指标除原有对光纤损耗变化要求外,还应考虑在环境变化对光纤偏振模色散(PMD)的影响.
二、ADSS光缆简介与光缆结构
电力通信作为行业性的专用通信网，是随电力系统的发展需要而逐步形成和发展的,它主要是对公网发展不均衡而造成一些地区的通信能力不足,并填补公网难以满足一些电力部门特殊通信需求的矛盾，以保证电力专业化生产正常高效地进行。是电力市场运营商业化的保障，是实现电力系统现代化管理的重要前提，也是非电产业经营多样化的基础。
光纤通信-- 由于光纤通信具有抗电磁干扰能力强、传输容量大、频带宽、传输衰耗小等诸多优点，它一问世便首先在电力部门得到应用并迅速发展。随着电网改造，旧电网更新，新电网大量建立，电力调度显得更为重要，因此对电力通信提出了更高的要求。过去的电力通信网远远不能满足要求，亦必须采用光纤光缆进行传输。除城市内的电力调度及通信可采用普通光缆外，城间联网，一般要采用特种专用光缆即在国际上通常采用的全介质自承式架空光缆（ADSS）和光纤复合架空地线（OPGW），前者适合已有电力线路上加挂，后者适用新建电力线路。
其中ADSS(全介质非金属自承式光缆)光缆以其重量轻，易施工，可充分利用现有的杆塔系统等优点受到了用户的欢迎，发展较快．北京康宁光缆有限公司致力于领先于市场的光缆技术，从1999年开始研究和开发ADSS光缆的设计和生产，并进行了大量的试验验证．该光缆缆芯中心采用玻璃纤维中心加强材料，其周围绞合一定数量的套管和填充绳，再用扎纱绳捆绑而成缆芯外有内护层,在内护层上缠绕纺纶,在纺纶外挤出护套,外套材料采用耐电痕材料.每根套管中有光纤6-12根．光缆的直径：14.8mm,试验光缆的总长度为3.5
km. 光缆中光纤共三组，每组12根光纤，其中二组为G.655光纤，选用的新一代的低色散斜率光纤,这种光纤专为DWDM设计，光纤不仅在C波段(1530nm~1565nm)具有良好的色散性能，而且在L
波段(1565nm~1625nm)具有较低的色散，为波分复用及今后的系统扩容提供了较宽的波带。ADSS光缆性能的试验与评估的光缆结构图如下：
为了比较这种光纤与G.652光纤的性能，我们在试验光缆中的另一根套管(Buffer Tube)中加12根为G652光纤。
三、ADSS光缆性能评估
ADSS光缆的性能主要从光纤传输性能、环境性能、机械性能和光缆电性能四方面进行评估。
1.光纤的传输性能评估
由于G.655主要用于高速率，大容量的密集波分复用(DWDM)传输系统中，对于光缆中光纤的色散及偏振模色散(PMD)必须进行测试。
1.1光纤损耗
对于光纤的损耗主要对1550nm及1625nm两个窗口进行测试，采用‘截断法’或’四波长OTDR‘对其进行测试。其结果如表1及图2:
表1表明：G.655光纤与G652光纤成缆后损耗基本相同，G655光纤在1625nm波长损耗均值为0.22db/km，也能很好满足L波传输的要求。
| |
G655和G652光纤1550nm损耗比较(db/km) |
| |
Max |
Min |
Mean |
Sigma |
| G652 |
0.22 |
0.18 |
0.20 |
0.005 |
| G655 |
0.22 |
0.18 |
0.21 |
0.006 |
| 光缆中光纤色散系数(ps/nm2.km) |
| λ |
Max |
Min |
Mean |
Sigma |
| 1530nm |
5.821 |
2.654 |
3.432 |
0.376 |
| 1565nm |
8.312 |
4.094 |
5.543 |
0.351 |
| 1625nm |
8.312 |
7.458 |
7.864 |
0.303 |
光纤色散主要采用EG&G光纤色散测试系统来测试，其采用‘微分相移法’原理对色散进行直接测量，其中典型的G655光纤色散系数数值与曲线如表2和图3，说明光纤在1530nm~1565nm波长区域内色散值在2.6ps/nm.km－5.8ps/nm.km有较佳的色散范围,能有效抑制四波混频现象,同时由于这种光纤色散斜率较低(典型值约为0.045),使该光纤在L波段工作窗口(1565nm~1625nm)具有较低的色散(5.3~8.2ps/nm.km)而降低色散补偿的费用.
1.2光纤偏振模色散(PMD)测试
对于长距离的DWDM的传输中，光纤的PMD参数将是系统传输的一个重要指标。由于ADSS是架空光缆，长期在野外且在一定的受力状态下工作，而ADSS光缆会在不同的温度环境下工作，所以在进行PMD测试时不只时测试常温下的光缆中光纤的PMD值，而且在光缆进行400C与+700C的高低温试验时测量光纤损耗的同时进行PMD测试。光纤PMD主要采用‘干涉法’原理来计算光纤的PMD值。
表3:两种类型光纤PMD变化统计数据
| |
G652光纤 |
G655光纤 |
| MAX |
-0.003 |
0.030 |
| AVG |
-0.017 |
-0.002 |
| MIN |
-0.036 |
-0.052 |
| Sigma |
0.00941 |
0.02065 |
表3与图4为G652和G655光纤在温度循环试验结果．表明:光缆中G655光纤及G.652光纤的PMD值在常温下基本上都小于0.1ps/0km，环境温度从400C到+700C变化时，光缆中光纤的PMD的基本无变化；经过高低温老化试验后，光纤PMD略有降低；G655光纤对于温度变化较G652光纤略大。
2.ADSS光缆的机械性能评估
ADSS光缆机械性能评估的项目依据主要是IEEEP1222“用于架空的全介质自承式光缆ADSS的标准”中规定的各项要求。各项试验均在ADSS光缆的全性能试验系统上进行，该系统由北京康宁光缆公司与北京邮电大学率先在国内共同合作开发.该系统可完成ADSS光缆的拉伸试验,应力应变试验,风振及舞动试验,光缆破断试验,光缆蠕变等试验,所有的试验条件及过程控制由工业控制机自动完成,试验过程的光纤损耗可进行全程自动监测.试验光缆可采用金具或滑轮两种方法夹持.在ADSS光缆作机械性能评估时需对光缆中光纤的PMD及损耗进行同时监测。
2.1光缆的应力应变试验(Stain/Stress)
ADSS光缆的应力应变试验是十分重要的，因它通过这项试验可以了解光缆中的光纤损耗及应变随光缆受力变化的情况，可以了解应力应变基本模型，可以验证光缆的设计是否合理，光缆生产过程的光纤余长控制及芳纶节距及放线张力是否均匀及合理。试验时对光缆循环施加从0%至100%的光缆额定张力50次,再在最大张力时维持5小时,其光缆拉伸结果如图5光纤的应力应变曲线如图6.试验结果表明，在经过50次反复拉伸后，基本没有光纤附加损耗；在最大拉力时光纤基本无应变(小于0.02%)，光缆伸长小于0.4%.均满足设计及使用要求。
舞动是指光缆的振动频率与光缆跨距的单环频率(SingleLoopResonantFrequency,基频)相同时，光缆产生的大幅振动。光缆舞动试验主要评估光缆低频高幅振动时光缆的疲劳性能及光缆中光纤特性的变化。
试验装置原理图如图8：
在试验中为了不使光缆中的光纤串动，先采用滑轮将光缆固定，再用专用金具或其它夹具将光缆固定。加力装置由工控机自动控制来完成，光缆舞动的振幅采用传感器来采集并进行反馈至控制系统来纠正试验频率从而保证试验过程中光缆振幅基本恒定，试验过程中光纤损耗通过光功率系统来监测，光功率系统有一路是参考功率，另一路将被测试光纤首尾相接成1km左右的光纤接入构成监测环路，试验过程中通过监测被测光纤与参考光纤的光功率差来评估光缆中光纤损耗的变化，这样可以消除由于光源长时间运行造成的本身系统误差。试验时根据光缆外径及受振长度,逐步调整激振器的频率使光缆作大幅单环振动.振动100万次,其光纤功率变化曲线结果上图7。
试验结果表明，ADSS光缆在进行100万次大幅舞动后(舞动时间约9小时)，光缆无断纤现象且光纤损耗变化小于0.02db.
2.3光缆风振试验( Aeolian Vibration)
风振试验主要评估微风引起的光缆高频低幅振动时光缆的疲劳性能及光缆中光纤特性的变化。试验装置与舞动基本一样,在试验振动频率按公式F=82.92/光缆外径(以CM为单位)来设定,振动1亿次.
其试验结果如下:
| 试验结果 |
光纤损耗变化 (dB/测试光纤长度 km) (1550 NM) |
G655光纤 |
| 开绐试验时 |
0.0 |
0 |
| 1亿次振动后 |
-0.017 |
11000 |
结果表明,经过1亿次,约22天的振动后,光纤的传输性能基本无变化.
2.4光缆蠕变
由于ADSS光缆架设及使用特点使用过程中绐终受一定的应力，光缆此长期应力作用下护套的伸长量就是蠕变。试验时将光缆试样加50%的最大额定张力维持1000小时,测试光缆残余的伸长量.其试验结果如下:
| 试验时间(小时) |
光缆蠕变% |
| 1 |
0.0 |
| 10 |
-0.017 |
| 100 |
0.06 |
| 1,000 |
1,000 0.08 |
结果表明：经过长时间将光缆进行试验后，其光缆护套材料的蠕变量很小，小于0.08%.
2.5机械性能试验过程中光纤PMD的变化,
在对PMD进行监测时，为保证保PMD测量系统的测试精度及重复性，将被试验光纤进行熔接成4km的光纤长度进行监测。
| 项目 |
试验条件 |
试验前PMD |
试验中PMD |
试验后PMD |
光纤损耗及光缆试验结果 |
| 拉伸试验 |
试验长度为64m,加11000N 保持1分钟 |
0.03 |
0.03 |
0.02 |
在最大拉力时1550nm光纤损耗变化不大于0.02db |
| 扭转试验 |
20Kg重力,1m试样长度,±180°，10次 |
0.02 |
0.03 |
0.02 |
试验后光纤损耗变化不大于0.02db,光缆护套无可见损伤 |
| 反复弯曲试验 |
20Kg重力,1m试样长度 ,±90°，50次 |
0.03 |
0.03 |
0.02 |
试验后光纤损耗变化不大于0.03db,光缆护套无可见损伤 |
| 压扁试验 |
最大允许压力保持1分钟 |
0.02 |
0.02 |
0.02 |
光纤损耗变化小于0.02db |
| 冲击试验 |
450g 重物1m落差,冲击5次 |
0.02 |
0.03 |
0.02 |
光纤损耗变化小于0.03db |
| 蠕变试验 |
参上 |
0.02 |
0.03 |
0.02 |
参上 |
| 风振试验 |
参上 |
0.04 |
NA |
0.04 |
参上 |
| 舞动试验 |
参上 |
0.03 |
NA |
0.03 |
参上
|
注：上述表中PMD的单位为ps/√km.
试验结果表明在ADSS经受规定的机械外力作用下，ADSS光缆中光纤的PMD值基本无变化。
3.ADSS光缆电性能评估
ADSS光缆的电性能试验主要是盐雾试验。盐雾试验主要是为了评估ADSS光缆在污秽地区和特别潮湿环境中在强电场下运行下寿命和可靠性的一种模拟试验.由于ADSS光缆是利用电力输变线的路由来安装的,光缆会受到在导线与地线之间形成的耦合电容的影响,在光缆表面产生感应电压.这种感应电压对于环境条件是很非常敏感的.当电缆非常干燥时,护套的高电阻将限制任何电流通过,因此不会产生的显著的老化.当护套潮湿或被污染时,其电阻降低,电流将流过光缆表面的水膜.电流的流动会产生加热效应,并造成连续水膜的蒸发并可能产生干带放电现象.从而导致光缆护套材料水性消失而产生电痕腐蚀.盐雾试验就是在试验中对被试验光缆施加安装张力,同时将样品置于浓度为1%的盐雾箱中对样品直接加高压进行模拟试验.该试验在北京康宁光缆公司光缆盐雾试验室进行，试验结果表明光缆护套在经受1000小时的高压试验后,光缆护套电痕的深度不超过光缆护套厚度的20%.
4.ADSS光缆的环境性能评估
光缆的环境性能主要评估光缆的防水及温度老化性能。
4.1高低温循环试验
对光缆进行从-40度至+70度的温度循环试验，其1550nm光纤损耗变化如下图9:
从上图可知：G655光纤与G652光纤经过温度循环试验后，其光纤附加损耗均小于0.03db/km.
4.2其它环境性能试验
对光缆进行的其它的性能试验项目及其结果如下:
| 项目 |
试验条件 |
试验结果 |
| 渗水试验 |
1m水柱高,1m光缆试样保持1小时 |
无渗水 |
| 热老化试验 |
经温度循环后的试验样品放在850的试验箱中保持120小时 |
光缆护套,印字,光纤及松套管颜色无明显变化 |
四、结论
采用G.655光纤的ADSS光缆，能够满足高速率(大于10G/s)长距离的密集波分复用(DWDN)传输网络系统的要求。光纤的偏振模色散(PMD)作为限制DWDM高速传输的重要指标，在环境变化如温度及光缆使用过程中的机械张力作用下(ADSS光缆安装后由于光缆自重、跨距、弧垂及外界力如风速的作用会使光缆长期受力)，光缆中的光纤偏振模色散(PMD)并没有发生显著变化；G.655光纤ADSS光缆在光纤传输性能、机械性能试验、环境试验及电性能方面评估与试验结果也表明此种类型及结构的ADSS光缆完全能够应用于电力系统长途通信线路中以满足不断增长的高速率及带宽的需求。
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