高温环境对电力通信用光纤寿命的影响

栗 鸣，谢书鸿

(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)

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σp，推算出不同σp%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。

1.2 Stolov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50μm阶跃多模光纤，包层外径125μm，涂层外径分别为190μm和245μm。

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 20028—2005/ISO 11346—1997《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

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。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

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。

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。

2 OPPC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。

2.1 OPGW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。

图5 某型号OPGW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℃，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

2.2 OPPC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。

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