各种金具的性能、特点和应用介绍

10.6.2.1　自承式电力架空光缆金具

电力系统使用的架空光缆主要有全介质自承式光缆（ADSS）、光纤复合地线（OPGW），光纤复合相线（OPPC）三种，当然还有前面介绍的其他各种电力光缆，但这些光缆的使用并不普遍，所以不单独介绍其配套的金具。

本章之所以将电力光缆与通信光缆区分开来，是与电力光缆具有的独特性和独立性有关，特别是光缆使用的环境带有较强的感应电，施工及维护存在较大难度。虽然越来越多的通信运营商借助电力杆塔架设各种自承式光缆（如ADSS光缆），但仍然需要遵从电力光缆的施工规范。

1）耐张金具

耐张金具又称锚固金具、紧固金具或静端金具，主要用来紧固线缆，承担光缆、电缆、避雷线等的全部张力，使其固定在杆塔上，也用于其他线缆终端的固定及拉线的锚固。耐张金具一般用于耐张杆塔或终端杆塔，转角杆塔亦属于耐张杆塔。

（1）预绞式金具

预绞式光缆金具属于架空通信线路金具中的一个分支。自承式电力架空光缆不管是ADSS光缆，还是OPGW和OPPC，都采用预绞式结构的金具。

传统导线耐张金具一般有两种方式：一是用螺栓将导线压紧固定；二是采用液压机或爆压方式将导线的铝股、钢芯与线夹的铝管、钢锚压在一起。避雷线或称地线用金具按结构也分两类，即楔形和压缩型，楔形线夹一般适合于安装GJ－70及以下的钢绞线，GJ－70以上的钢绞线则用压缩型的耐张线夹。

以上除了采用楔形线夹外，通过压缩形式将导线或避雷线与线夹压接在一起时，在导线或避雷线上会产生巨大的侧压力，导体的各个单丝会变形。而电力光缆中含有光纤，并且采用的都是松套管结构，采用液压方式将直接压扁套管，或压断光纤，所以光缆都会采用预绞式金具或楔形金具。

预绞式金具受力的机理类似于弹簧的拉伸过程。在弹簧弹性形变范围内受力拉伸，弹簧的节距变长时，其形成的内孔将缩小。当弹簧内填充了与内孔直径相匹配物体时，此时抽拉填充物，弹簧内壁因节距的伸长出现的径向压力会在填充物上形成摩擦力，弹簧拉伸越长，作用在填充物上的摩擦力也越大，该摩擦力也就是常说的握着力。握着力（摩擦力）大于牵拉力时，弹簧随受夹持物体的伸长而伸长，整体不产生相对滑移，从而箍紧物体。牵引力大于握着力时，意味着摩擦力不足以抵抗填充物的拉伸力，弹簧将产生滑移或局部变形，如图10.6.1所示。弹簧即使长期受拉，由于其形变局限于弹性范围内，所以不会随时间的推移，钢丝产生蠕变或塑性变形。预绞丝金具就类似于多根弹簧编组而成的结构。

图10.6.1　弹簧受力形变示意图

F—填充物受力；f—摩擦力；P—握紧力（压力）；m1，m2—弹簧受力前后的节距；d1，d2—弹簧受力前后的内径

当然，实际在预绞式金具设计时，不可能设计出绞丝内径比光缆缆径大的金具，也就是不能靠绞丝的拉伸变形来握紧光缆的，而是设计出比光缆外径略小的内径。为了增大摩擦力，往往在绞丝内壁还铺有金刚砂。

众所周知，与传统压接式金具相比，预绞式金具上有以下的优点：

①重量轻，结构简单；

②耐张预绞丝线夹有极强的抗张力，其强度不小于95%线缆计算拉断力；

③线夹作用在光缆上的应力分布均匀，无集中受力点，不损伤光缆；

④无需任何专用工具，在杆塔上一人即可完成操作，安装简单，便于施工，大大缩短了施工时间；

⑤用肉眼可检视安装质量，金具的安装情况直观明了；

⑥材质一般采用铝包钢丝或镀锌钢丝，耐环境腐蚀性好；

⑦电晕非常小，也不存在压接导致的电阻增大、线路发热现象，有效降低了电磁损耗。

预绞式金具设计中，主要是耐张线夹的设计。不管是预绞式耐张线夹还是预绞式悬垂线夹，其基本的设计原理都是相同的（图10.6.2）。

图10.6.2　预绞式金具的设计

·预绞式金具根数的计算。

根据光电缆外径，可以计算线夹中绞丝的根数N，如图10.6.2（a）所示。

式中：D——线缆的外径；

d——单丝的外径，其与材料、力值要求等紧密相关；

κ——绞丝横截面上绞丝内径与线缆外径的比值，也称为绞丝的压缩比，一般取0.80～0.85，根据材料特性不同，略有变化；

M——间隙根数，即线缆横截面一周所需的绞丝理论根数与实际根数之间的差。因线缆受力拉伸时，绞丝的节距会伸长，线缆外径缩小。为保证绞丝不会因线缆外径缩小产生拱桥现象而特意余留的空隙。对耐张线夹，一般取1～3，悬垂线夹可以取0～2。

注意：耐张外层根数N为偶数，实际生产时根数则为N／2。

·单根单丝一个螺旋节距内的长度L计算，如图10.6.2（b）所示。

式中：PL——螺距（节距）；

，其中din为绞丝成型后内径，din＝（D＋d）×κ。

·一个节距单根单丝质量m的计算公式。

式中，ρ为材料密度，铝包钢（20.3%导电率，AS）：6.59g／cm3；铝合金丝（AA）：2.71g／cm3

耐张金具在线路上起主要的受力作用，耐张预绞丝缠绕在光缆上，通过连接金具和必需的附件固定在杆塔上。根据设计要求和力值的大小，耐张预绞丝通常有两层。内层［图10.6.3（a）］有多组绞丝组成一套，与光缆直接接触，起到分散受力以及辅助增加外层拉力的作用。外层绞丝［图10.6.3（b）］为弯折后的一套绞丝，弯折后形成的两条腿紧密缠绕在内层绞丝上（图10.6.4），然后通过必要的连接金具与杆塔相连。力值小，跨距短的光缆，也可以是单层结构，即只有外层单丝，没有内层单丝的结构。

图10.6.3　预绞式金具实物图

图10.6.4　预绞式金具应用示意图

对于极大张力的线缆，则可能需要设计成双耐张线夹，这时在光缆上将会有三层绞丝（图10.6.5）。

预绞式耐张金具的基本要求：

①预绞丝有效长度不宜少于5个节距；

②当光缆达到规定的最大工作张力MAT（40%RTS）时，金具对光缆不应有任何损伤，不应影响光信号传输；

图10.6.5　双耐张结构预绞式光缆金具应用示意图

③线夹破坏荷载不应小于光缆额定拉断力的95%。

这只是一个最基本的要求，更高的要求需要依据实际线路和光缆特性进行设计。

预绞式耐张线夹，不管是内层还是外层，都有起始安装标记。根据设计要求，先安装内层，再安装外层，不可图省事内外层绞丝同步或并行安装。不管内层有几组绞丝，在起始安装点分别缠绕一两个螺距起固定作用，此后各组绞丝同步缠绕，不可一组组（或一根根）安装结束后再从头安装另一组（或另一根），否则会导致光缆变形或无法按照设计要求缠满。外层绞丝也必须据此两条腿并行安装。

绞丝在安装过程中，不应使绞丝变形。安装绞丝的尾端时，不要划伤光缆，尾端如果不能成组安装或缠绕，可以将编组的绞丝分拆开一根根安装，这样才能更好贴合光缆。

悬垂绞丝以及其他的绞丝安装也是一样的方法。

（2）楔形金具

ADSS光缆不是只能选用预绞式金具，当光缆受力不大，也可以使用楔形金具。一般不超过200m档距，且无重负荷时，可以选用塑料楔形金具。

楔形金具的设计思路源于楔子。生活中见到的楔子，其原理是将向尖端前行的力量转化为对侧面横向的压力，而楔形金具也就是将前进的牵引力转化成对物件横向的挤压力，如图10.6.6所示。

楔形金具施加在光缆上的最大力值，也就是侧向挤压力作用在光缆上产生的最大摩擦力。此处排除光缆受挤压变形后在端面所受的阻力。

根据力学方法计算，摩擦角φ与摩擦因数μ有关，μ＝tanφ。当楔形加紧结构的斜楔角α小于摩擦角φ时，则施加在光缆上的拉力及冲击的振动力都不会使得光缆从楔形夹块中拉脱或松动。

楔形金具可产生较大的增力比，楔形夹紧力P＝τF，其中F为预作用力。

当然，为了增大摩擦力，一般会在楔形夹块上想方设法增加摩擦因数μ，加大与光缆接触部分的粗糙度。

图10.6.6　楔形金具原理示意图

注：F—光缆的预拉伸力；f—光缆在楔形夹块中间的摩擦力；P—楔形斜面的反向弹力（等于侧面挤压力）；α—斜楔角；φ—摩擦角

根据线缆材质不同，楔形金具的本体外套有金属型的，也有非金属型的。夹持的滑块有金属型的，也有非金属型的。长度根据规格、型号，有长有短。

楔形金具对光缆缆径的要求不像预绞式金具那么严格，但是为保证较好的使用效果，达到最大的摩擦角，还是存在最佳缆径夹持范围。

楔形金具一个好处就是很方便退出，当楔形滑块向相反方向用力时，便可松开。如跨距内弧垂不合适，可以重复多次调节和使用。典型的可用于ADSS光缆的楔形金具实物，如图10.6.7所示。

图10.6.7　用于自承式架空光缆（ADSS）的塑料楔形线夹

实际线路使用楔形金具时，建议在直线杆塔上间隔搭配一些悬垂线夹，以避免楔形金具出现质量等问题导致大范围脱落的现象。同时，也附带地节省了总体施工成本。

不管是预绞式金具还是楔形金具，都有不破坏光缆或其他线缆结构的优点，可以保证线缆的完整性。特别是电缆，如果破坏了外皮，绝缘性能将严重受损，就必须采取增加绝缘子隔离的方法弥补，这样不仅施工成本高，线缆寿命受影响，而且还存在一定的安全隐患。采用以上的两种金具，则无须考虑这种因素。

2）悬垂金具

悬垂线夹悬挂线缆时，需承受档距内线缆的全部垂直荷载。国内电力部门对导线和地线悬垂线夹规定，在线缆断线或承受不平衡张力时不允许其在线夹内滑动。但这个要求有利有弊，如果夹持力太大，当出现不平衡荷载或有断线情况发生时，线夹不能滑动，将有可能拉倒杆塔，产生沿线杆塔连锁倒塌的反应，类似于多米诺骨牌。所以有些国家则是规定荷载的上下限，即低于某种荷载或拉力时，线缆在线夹内不得滑动，而一旦超过该力值，就必须产生滑移，实际上这增加了悬垂线夹的设计难度。近年对电力光缆悬垂线夹的要求进行了完善，规定当不平衡荷载超过设计值时，线夹应当滑动。

悬垂线夹不需承受档距内光缆的全部张力，只是垂直方向的荷载。相对于耐张线夹，其力值会小很多，于是就有很多种类的悬垂线夹。根据基本结构，分为预绞式金具和非预绞式金具两大类。预绞式金具长度较长，可分散光缆长度方向上的垂直荷载，而非预绞式金具应力相对集中，在设计时需考虑光缆的弯曲半径和抗侧压力。

（1）预绞式悬垂金具(www.xing528.com)

预绞式悬垂线夹主要起分散过于集中的压应力作用，其优点亦如预绞式耐张金具。在满足垂直荷载的前提下，其握力一般为线缆额定拉断力的10%～18%。悬垂线夹一般用于直线杆塔。单悬垂线夹的双侧悬垂角之和应小于30°，否则应考虑使用耐张线夹或双悬垂线夹。

根据线路档距，杆塔上光缆的受力状况、悬垂角等因素，悬垂线夹设计有多种结构。

·双层绞丝结构

这是最常见的一种结构。因为电力光缆的跨距相对较大，为了保证有较大的负荷能力，并且不使光缆过度弯曲，所以基本都是采用双层预绞丝结构（图10.6.8）。

图10.6.8　双层绞丝悬垂线夹

但对高落差以及档距大于800m或线路角度大于30°时的直线塔的悬挂或支撑，一般采用双悬挂头线夹，如图10.6.9所示，它由内外层绞丝和双悬垂线夹组成。

图10.6.9　双悬垂夹的预绞式悬垂金具

·单层绞丝结构

如果是ADSS光缆，当杆塔跨距在200m以内时，由于其重量轻，一般也采用单层预绞丝结构的悬垂线夹，如图10.6.10所示。200m以上跨距的，不建议采用这种结构。

·O形环结构

当线路跨距在100m以内，特别是电信杆路架设ADSS光缆时，为节省成本，往往采用O形环结构悬垂线夹，如图10.6.11所示。与之配套的则用穿杆猪尾螺栓。

图10.6.10　单层绞丝的悬垂线夹

图10.6.11　O形环结构的悬垂线夹

后两种单绞丝结构悬垂线夹因结构简单，成本相对较低，是电信营运商使用ADSS光缆的最佳选择。

（2）非预绞式悬垂金具

图10.6.12　J形线夹

自承式光缆施工方式有很多，特别是悬垂线夹，如垂直荷载不是很大，光缆线路平坦，高差较小，光缆的弯曲半径在规定范围，不会因此而导致断纤事故的发生，运营商会根据线路实际进行有针对性的设计。ADSS光缆不一定都使用预绞丝产品。

·J形线夹

图10.6.12为一种简易直线杆塔承载光缆所用的金具，跨距一般在50～70m。

·切线线夹

与J形线夹相比，切线线夹（图10.6.13）夹持光缆部分的长度稍长，使用的光缆跨距可以达到200m。这种结构在短跨距光缆线路使用比较多。

图10.6.13　切线线夹

以上只列举两个常见的悬垂结构，各个国家和地区有其偏好以及使用习惯，形状和结构上有一些差别，但起到的作用和功能是一样的。

从这两种非预绞式悬垂金具的结构和配置可以明显看出与预绞式结构的差异，悬挂点垂直荷载的力值相对集中，如果线路档距过大，垂直荷载的力值相应加大，将有可能导致光缆的弯曲半径小，压扁套管，甚至光纤断。所以建议这种类型的结构用于小档距或电信运营商架空线路。

悬垂金具各项指标和工艺设计不做过多论述，悬垂线夹的垂直荷载能力是最重要的指标。

10.6.2.2　自承式非电力架空光缆金具

本节所述非电力架空光缆，是指电信运营商所使用的架空光缆，按此分类主要是从电磁感应的角度进行一个简单的区分。其对应的金具完全可以用电力光缆金具替代，只不过电力线路档距大，没有附挂的支撑件（如钢绞线），荷载大，强度要求高，质量标准高了很多，金具的成本自然也较高，没有竞争优势。

自承式非电力架空光缆是指利用光缆自身的元件承担光缆重量、风载和冰载等负荷。从结构上分，有金属型结构和非金属型结构；从缆的形状分，典型的有“8”字形光缆（Figure 8，以下简称F8）和ADSS光缆。此处ADSS光缆不仅仅是指通过芳纶纱加强的全介质光缆，还包含玻纤及其他高强度纤维、编织带、纤维管等非金属加强元件所设计成的自承式架空光缆。

按电信设计规范，线路杆塔间距一般不会太大，50～70m居多，最大120m左右。杆塔高度，直线非跨越杆一般为7m标准杆，也有一些配置杆，高度8～12m，所以电信用光缆的抗拉强度不像电力光缆那么大，额定抗拉强度（RTS）一般小于5kN。当然，还需要根据光缆的结构，重量，杆塔间距，设计弧垂，气候条件等决定。

1）金属楔形金具

由金属外壳、楔形滑块和拉绳组成。金属型“8”字形（F8）光缆主要由钢绞线作为承重吊线，非金属型的“8”字形光缆吊线一般采用玻璃纤维增强塑料（FPR），如图10.6.14（a）和图10.6.14（b）。F8光缆的吊线可以使用楔形金具进行夹持。

图10.6.14　“8”字形（F8）光缆

F8光缆不是一个新产品，但却是一个好产品，可节约一次工程施工的费用。以前没有专门的F8金具，在杆上固定时，人们习惯于把缆芯部分和吊线部分分割开来，然后将吊线采用三眼夹板固定。然而，在野外施工是很难准确地从吊带的中间把光缆和吊线均匀分开。这样就存在两种可能的质量风险：要么不小心把吊线的外皮割开，要么不小心把缆芯护套划开了。如果吊线裸露，钢丝在自然环境中是很容易生锈断掉，从而失去了自承式光缆的承重功能；如果缆芯裸露，雨水渗入光缆缆芯，光纤的性能也将很快变坏。还有更恶劣的施工方法，就是在杆上用铁丝将光缆简单绑上，认为只要固定住了就算施工完毕。铁丝是非常容易生锈的，一旦铁丝锈断，光缆必将坠落。20世纪末光缆价格高，也比较稀缺，而且还可能是一条重要的通信线路，哪能容忍这种断纤断缆事故经常性地发生呢。更何况断缆发生后，有可能影响交通，存在其他的重大安全隐患。发生多次该类型事故后，运营商就很少设计及使用F8光缆了。若干年前F8光缆也没有合适的光缆金具，使得自承式光缆无法有效发挥自承式的作用，反而出现了大量潜在的质量隐患。在日本，将F8光缆的吊线割开，采用预绞丝金具加以固定的方法，大大延长了光缆的寿命，也能被客户接受。

现在人们发明了如图10.6.15所示的楔形金具，F8光缆的安装效率大大提高。中间一对带牙的滑块在收紧过程中，不断施加侧向压力，最后把吊线压紧。滑块牙齿设计是一个关键，不能切断吊线的外皮，但是也不能无法夹紧吊线而导致滑动。其设计原理如同本节前面介绍过的ADSS光缆塑料楔形线夹。

图10.6.15　金属楔形金具实物图及夹紧原理

2）非金属楔形金具

与金属楔形金具的使用原理一样，人们设计了一种全塑料结构的非金属楔形金具（线夹），如图10.6.16所示，以适用于某些特殊场合或特殊要求的线缆。ADSS光缆是其中的一种，塑料楔形线夹大多用于非金属F8光缆。一般非金属楔形线夹的夹持长度比金属的线夹夹持长度长，增加了光缆的受力面积，相对分散了集中的应力。但塑料材料受环境影响大，寿命有限，特别是作为长期受力金具，一旦老化，将很快失去作用。

图10.6.16　非金属楔形线夹实物图

3）预绞式金具

对一些自承式F8光缆，由于跨距较长、光缆重量较大，无法采用楔形金具，这时也可以用预绞式金具，即把吊线部分与光缆分开，在吊线上缠绕预绞丝金具以固定、牵拉光缆，这种施工方法在日本比较常见。前提是吊线部分的钢丝绳镀锌层厚度要达到B级以上，且锌层没有磨损、脱落，否则雨水浸入带护套的吊线后很容易生锈拉断。预绞式金具在前面已经做了介绍，此处不再赘述。

与预绞式金具相比，楔形金具的优点如下：

（1）安装及拆卸方便，可多次重复使用；

（2）施工效率极高；

（3）光缆外径变化的适应性强；

（4）作用在光缆上的应力分布均匀，不损伤光缆，如夹在F8光缆吊线部分，则完全不会伤害到光缆缆芯。

缺点是承受的力值不会太高，也就是线路杆塔间的跨距不能太大，一般200m以内比较合适。

10.6.2.3　FTTH室外架空光缆金具

图10.6.17　蝶形光缆示意图

此处FTTH光缆主要指蝶形缆（图10.6.17），其特点是芯数小，光缆外径和重量也小，使用场所和环境千变万化，从最近的杆塔到住户之间或者两座建筑之间的距离一般小于30m。为节约成本，FTTH光缆一般设计成细圆形或扁形自承式结构，与大芯数室外通信光缆比，结构大为简化。这些特点使得FTTH光缆自成一体。

图10.6.18　蝶形光缆用楔形金具

针对该结构光缆的施工，有多种金具或夹具的解决方案。如小楔形卡具，S形卡具、锚接件以及偏心轮型卡具等，形态各异。下面仅就市场上常见的几种做简单的介绍。

（1）楔形金具

与前面ADSS光缆和F8光缆一样，蝶形光缆也可以利用楔形结构的原理，把蝶形缆放入楔形滑块（夹板）中，通过牵引，滑块与外壳卡紧，从而把光缆固定在金具中。蝶形光缆的楔形金具形状与前两种不一样，但原理和效果是一致的，如图10.6.18所示。

（2）S形卡具

通过绑扎自承式蝶形光缆的钢丝吊线，将光缆挂在墙体挂钩或杆路抱箍上。S形卡具原理就是通过光缆与挂件中心圆柱体S形走向增加的摩擦力固定住光缆，如图10.6.19所示。

图10.6.19　蝶形光缆S形卡具

（3）偏心轮夹具

其原理与楔形金具的设计有异曲同工之妙，通过偏心轮的转动卡住光缆，比S形卡具的使用更加方便。但其缺点是偏心轮与光缆的接触面太小，接近于线接触，容易折断光纤，如图10.6.20所示。

（4）锚接件

其使用原理类似于S形卡具。实际使用时会根据芯数大小，选择单层钢丝锚接件、双层钢丝锚接件和多层钢丝锚接件，如图10.6.21所示。

图10.6.20　蝶形光缆偏心轮夹具

图10.6.21　蝶形光缆锚接件

FTTH光缆金具在安装过程中，还配套有大量的小附件，这些小附件也可以统称为金具。如C形挂钩、理线圈、钢带抱箍等，这些小附件随着现场环境不同，千变万化，在此不做描述。但万变不离其宗的是，任何金具的使用，都是为了保证光纤性能的稳定和光纤的使用寿命。