OPGW结构及其应用

OPGW的基本结构由含光纤的缆芯（或称光单元）和金属单丝绞合而成。其中，光纤提供通信通道；金属线材通常为铝包钢线、硬铝线或铝合金线，具有机械、电气和雷电保护等功能，对光单元也起到一定的保护作用。

金属单丝与地线所用材料接近，所以OPGW结构主要是依据光单元的不同类型进行区分，市场上主流的结构有铝骨架型、铝管型和无缝不锈钢管型等三种。铝管结构和无缝不锈钢管结构在国内都有应用。铝骨架型OPGW早期从日本进口，国内一直没有生产。

5.3.1.1　铝骨架型

跟普通通信光缆一样，日本在OPGW设计方面也沿用其成熟的通信光缆骨架制造经验，继续推出OPGW铝骨架光单元缆芯。

铝骨架就是铝在500℃左右热熔融状态下挤压后，通过特制旋转模具，在线材上形成一定规律的旋转槽道制作而成。骨架槽一般为U形或梯形，其中可置放紧套光纤（束）或光纤松套管。骨架槽具有良好的抗侧压能力，好的导电性能和抗拉强度，但骨架槽不能防水，所以在骨架槽外面最好是包覆铝管，以保护其中的光纤。虽然有报道紧套光纤采用尼龙（PA）紧包材料，但一旦出现导线短路事故，OPGW会存在短期过高的温升，导致光纤之间粘连以及性能的劣化。铝管通常以挤出、拉拔或氩弧焊的方式完成包覆。早期也有C形纵包方式，但因密封性差，早已无人采用。该部分统称为光单元，如图5.3.1所示。

图5.3.1　骨架式光单元

铝骨架式OPGW光单元，须考虑光纤余长的设计和对光纤的保护，特别是紧套光纤。松套光纤因为有一定的自由空间，光纤在套管内有一定的余长，外加骨架槽螺旋状态类似于层绞式绞合的缆芯，同样产生“绞合”余长。而紧套光纤外径比裸光纤大，有一定刚性，在骨架槽内空间有限，虽然也能产生“绞合”余长和槽内自然余长，但其过大和过小的余长对温度变化非常敏感，控制难度大。

不管是紧套光纤还是松套光纤，其外保护层均为高分子聚合物，耐热性能较差。当在骨架缆芯外焊接或压出铝管时，温度较高，会直接伤害光纤保护套。因此在骨架缆芯外层一般会包覆隔热层。

根据设计要求，在铝管外可绞合铝丝、铝合金丝或铝包钢丝，如图5.3.2所示。

铝骨架OPGW含有较大截面的铝，其电气性能相对较好。但在短路电流冲击时，铝管和铝骨架会产生相对较高的温度且向内部扩散，其散热性能比其他结构的差，严重时会影响光纤传输甚至发生断纤现象。

5.3.1.2　无缝不锈钢管型（SST）OPGW

无缝不锈钢管型（Seamless Stainless Steel Tube，SST）OPGW类似于塑料松套管光缆的结构，将光纤置于无缝不锈钢管中，同时填充油膏。不锈钢管一般为304牌号材质。

图5.3.2　铝骨架式OPGW典型结构

①—铝合金丝；②—铝管；③—光单元；④—铝骨架；⑤—铝包钢丝

因不锈钢材质性能优良，形成的无缝钢管结构对光纤可以起到很好的保护作用，而且钢的线膨胀系数与石英光纤非常接近，这种结构在中国推出便受到了广泛的欢迎。

与塑料管相比，不锈钢管内空充足，容纳的光纤数量较多，在原来地线基础上增加的截面积和重量有限，特别是钢管金属有效截面也很小，很容易设计出与对侧地线匹配的OPGW结构。同时，也可以很好地设计光纤余长。

SST型OPGW设计的优越性还在于铝包钢单丝的使用，有时根据需要再配合使用铝合金丝，形成外径、机械性能接近对侧镀锌钢丝材质的地线，电气性能优于该地线的状况。

对单层绞线来说，SST管一般处于中心位置，结构紧凑，生产效率高，常用于老线路、规格、尺寸较小的地线，以及更换或匹配小尺寸地线用的OPGW。最大的缺点是因没有绞合产生额外的附加余长，且SST管及其中的光纤会随OPGW受力伸长而同等伸长，导致光纤余长小的SST管难以使用。因此，在生产中要求SST管光纤余长比层绞式SST管略大。(www.xing528.com)

非中心管式结构，即使外径或抗拉强度受限，也可以通过调节金属截面的钢／铝比，设计出接近对侧地线指标的OPGW，设计腾挪的空间较大。

正是由于SST型OPGW设计灵活性大，对客户或线路的同一要求，不同的制造商或不同的设计人员就会设计出各种不同的光缆结构，缺乏统一的标准。经过多年实践，行业内总结出了一些代表性结构，形成了SST型OPGW产品标准型谱加以推广。该型谱既对设计人员和制造厂家起到一定的指导作用，也起到约束作用。

图5.3.3给出了几种代表性的OPGW结构。有全铝包钢结构，如图5.3.3（a）及图5.3.3（c）所示，外层铝包钢与铝合金混杂结构，如图5.3.3（b）所示，外层全铝合金结构，如图5.3.3（d）所示。中心管式也会存在铝合金和铝包钢混杂的机构。SST管数量会根据光纤数量改变而调整。作为层绞式结构，一般一管不超过24芯，根据需要，也有做到48芯的。中心管式结构最大可以做到96芯。再增大管径，从结构和单丝的匹配性来说，是不经济的。

为起到良好的防雷作用，从后面设计分析可以得知，OPGW外层单丝尽量不采用铝合金丝，而采用较大直径，且导电率低的铝包钢丝，这样的防雷效果会更好。

图5.3.3　代表性的不锈钢管型OPGW

①—铝包钢丝；②—不锈钢管；③—光纤；④—铝合金丝

5.3.1.3　铝管型

铝管型光单元结构分两种，一种缆芯为非金属松套层绞式；另一种是中心管式。中心管式又分塑料松套管和不锈钢管两种。铝骨架缆芯虽然也用铝管包覆，但原理和作用是一样的，所以没有单独纳入分析。

非金属光单元在包铝生产过程中，需在缆芯外增加耐高温层，以防止氩弧焊或挤包产生的高温引起塑料融化及软化变形，还可防止雷击或短路时大电流通过，导致热量向缆芯传导而融化塑料。通常情况下，保持缆芯与挤铝管模一定的间隙，可以有效减少缆芯烫伤风险。铝管起到良好导电的作用，提高了短路电流的承载能力。其典型结构如图5.3.4所示。

铝管外绞线也可以采用两层及以上的结构。这种情况下，一般内层为铝包钢（AS）线，外层为铝合金（AA）线。但有时为了兼顾直径、重量、强度和短路电流等设计要求，不得不采用铝包钢、铝合金单丝间隔混合绞的结构。

在光单元中，除了铝管外，除了加包覆隔热材料，缆芯与通信光缆的缆芯并无多大区别，因此，光纤余长的计算和控制采用通信光缆的相关技术即可。

铝管包覆非金属松套层绞结构或非金属中心管式结构在中国属于过渡性的产品。OPGW开始应用时，国内还不具备无缝焊接不锈钢管光单元的生产能力。由于铝管在挤出、拉拔过程中常常会因为缆芯放线张力不稳，隔热保护不好，拉拔模具配合不佳，导致质量事故的发生，如断纤，套管融化变形，缆芯收缩等。另外，也由于铝管制造能力有限，效率低下，大芯数光缆缆芯直径较大等缺陷，在SST技术引进后，铝管型光单元便迅速淡出了国内市场。目前，这种结构在印度、埃塞俄比亚等国家还是有较为普遍的应用。

图5.3.4　铝管型OPGW结构

①—铝包钢；②—松套管；③—光纤；④—铝管；⑤—铝合金

SST管虽然性能优越，但也不是十全十美。由于钢管壁厚有限，一般为0.2mm左右，也有些厂家为省成本，采用了更薄的钢带，如0.18mm，0.15mm等。在污染严重的地区，以及经常性地发生短路或雷击的区域，不锈钢管仍有被快速腐蚀的可能，严重影响光纤的寿命，并影响OPGW结构的稳定性。

另外，在SST焊接生产环节，会存在漏焊及虚焊的可能，如果未采取措施将导致雨水渗入SST的风险，影响光缆寿命。

铝和钢（不锈钢）属于两种不同性质的金属材料，当OPGW上长期积存污染物，特别是富含盐分的湿气，钢和铝之间将形成电化学腐蚀。根据理论，导电性越好的液体腐蚀的危险性越大。如果金属本身是干燥的，双金属的电化学腐蚀就不会发生，但在电解质溶液中的腐蚀风险就大得多。

综合以上几种情况，为防止事故的发生，有必要在SST管外再包覆一层薄铝管。这样既保护了SST，又能增加了SST管的电气、机械性能。该结构预计是未来OPGW光单位的最佳选择。