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大温差环境用光缆制造
摘要：
通过理论分析和试验得出高寒和温差大地区光缆余长的设计依据，初步探讨了高寒和温差大地区的特殊光缆结构。介绍了一种特殊设计、适用于高寒和温差大地区的光缆。
关键词：
光缆松套管层绞式中心管式结晶回缩
西南、西北、东北等地区，属于相对高寒地区，昼夜温差远大于其它地区，温差可达50~70C。目前，随着国民经济的高速增长，各种光通信网络越来越多，重要性不断提高，线路中断造成的经济损失也越来越大，这就为高寒、温差大地区的光缆设计提出了新的挑战。按照国家、行业目前光缆相关标准中规定光缆工作环境温度-40～+70C，但是有不少用户特别要求工作温度低至-50C、甚至-60C，要求光缆材料和光缆结构必须适应极低温环境，对光缆结构设计提出了新的挑战。本文简要介绍了这类光缆（以下简称低温光缆）的套管材料，主要介绍其结构特点。通过理论分析得出低温光缆的工艺控制要点，样缆生产验证了设计的可行性，初步探讨了低温光缆的结构设计，最后介绍了一种温度特性十分优异光缆的结构特征和实验测试结果。
我们已知，已经敷设完成、正运行的光缆受环境气候影响主要是随着气温变化导致光缆余长不断变化【1】【2】，从而影响光纤衰减变化。因此，有必要对光缆余长的相关知识做一定的了解。
光缆余长的理论分析
光缆的成缆方式主要有：层绞式、中心管式、骨架式三种。大量的文献【1】【2】对束管式光缆的低温回缩现象作了充分的阐述。本文主要介绍层绞式光缆，通过理论分析和试验来确定低温光缆的结构。
层绞式光缆的余长主要由两部分组成：套管余长、成缆绞合余长。这里，分别对这两种余长的理论公式作出相应的阐述。由于套管余长与套管材料/结构有一定的关系，因此，有必要了解套管材料/结构的基本知识。
1.1套管材料和结构
目前光缆生产中，比较常用的套管材料的是：聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）这三种，比较常见的套管结构：PBT、PP单层套管，PC/PP、PC/PBT双层套管。国内常见的套管是PBT、PP、PC/PP。其中PC是一种热膨胀系数很小的工程塑料，机械、温度性能都优于PP、PBT，但是它主要缺点是价格昂贵，且耐水解性能较差，不能单独用作套管材料；PBT是光缆常用的套管材料，但由于有二次结晶导致的后收缩现象，单层PBT套管光缆的低温特性一般。
1.2套管余长
套管的余长主要有生产时形成的余长，及永久性后收缩产生的余长【3】【4】。套管生产时形成的余长与以下因素有关：放纤张力、前后段冷却水的水温差、张力轮直径、生产线速度、阻水油膏的温度和填充压力。一般来说，层绞式光缆套管生产时的余长中心值控制在0‰、0.5‰、1.0‰。
相关公式如下：
1.2.1放纤张力【3】

在光纤张力作用下，光纤的拉伸应变：

前后段冷却水的水温差【3】

张力轮直径

注：1张力轮直径产生的光纤余长为负，牵引轮直径D越大，就越小，松套管直径越大，越大。
生产线和光缆结构确定后，也确定。
生产线速度、阻水油膏的温度和填充压力
生产线速度与套塑生产线前后牵引轮之间的张力有关系，阻水油膏的温度和填充压力会间接影响光纤的放纤张力！
光缆的绞合余长【3】

光缆拉伸要求的余长

温差要求光缆余长

光缆结构设计步骤
2.1根据光纤芯数、每管芯数要求，确定光缆结构
2.2根据结构计算光缆窗口；
2.3根据窗口、拉力选择加强元件；
2.4核算力值要求

特殊的低温光缆结构
室外光缆的敷设方式有：管道、直埋、架空等；常见的光缆型号：GYTA、GYTS、GYTA53等。由于光缆常用的磷化钢丝的温度线膨胀系数较大，而复合纤维玻璃棒（GRP）的温度线膨胀系数小一个数量级，因此对于特殊耐寒光缆可选择GRP作加强件。光缆型号、结构如下：GYFTA、GYFTS、GYFTA53等。
特殊设计的低温光缆如下：

图1GYFTA光缆示意图
套管材料选用双层PC/PBT复合结构，这种结构套管具有良好的温度性能，并且机械性能优异，可使光缆满足高寒和温差大地区极为恶劣的运行环境。

套管的实验验证
4.1套管高低温试验
参照【4】的试验方法，测试套管的回缩率-温度曲线，温度范围-60C～+60C试样回缩率的变化范围是-2‰～+3‰，回缩率的绝对值最大不超过3‰，定义室温以上的部分为高温部分，分为升温和降温2个阶段，两阶段曲线基本重合为一条直线。定义室温以下的部分为低温部分，也分为升温和降温2个阶段，两阶段曲线基本重合。PC/PBT套管回到20C的回缩率为0.4‰，即可认为PC/PBT套管的永久形变为0.4‰。这远远小于【4】中的PBT套管永久形变3.5‰和PP套管永久形变0.7‰
4.2试验结果分析
在二次套塑生产过程中，PC几乎不存在二次结晶现象，后收缩几乎为零；在适当的工艺条