高溫環(huán)境對電力通信用光纖壽命的影響

栗 鳴，謝書鴻

(1.中天日立光纜有限公司，江蘇 南通226463;2.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 南通226463)

0 引言

長期以來，在通信、交通等領(lǐng)域的長途干線網(wǎng)上大規(guī)模應(yīng)用常規(guī)通信光纜，其使用溫度均為大氣環(huán)境溫度。例如，直埋、管道、架空普通光纜的實(shí)際使用溫度變化范圍約在－20～+40℃，而電力系統(tǒng)通信領(lǐng)域光纖復(fù)合架空地線(OPGW)、全介質(zhì)自承式光纜(ADSS)等光纜的使用溫度變化范圍約在－40～+70℃。目前廣泛認(rèn)可的普通商用通信光纖的20年長期工作溫度為85℃。因此，對光纜中光纖使用壽命(或衰減增加)的影響因素研究較多集中在如應(yīng)力、彎曲、氫損、潮氣、溶劑等方面，而對于光纖處在一個(gè)相對較高的溫度下(高于85℃)的長期使用壽命研究相對缺乏。當(dāng)然，特殊場合使用的致密涂層光纖(hermetic optical fibers如金屬涂層光纖、涂炭光纖等)除外。

近來，隨著光纖復(fù)合相線(OPPC)光纜的應(yīng)用逐漸推廣，以及光纖溫度傳感、光纖應(yīng)力傳感等應(yīng)用逐步擴(kuò)大，人們開始關(guān)注普通商用通信光纖的耐溫性能和長期使用壽命。通信光纖可能的高溫使用場合有:用于電力電纜和電力設(shè)備監(jiān)測的分布式光纖測溫系統(tǒng)(DTS);OPGW和OPPC光纜;光纖復(fù)合電力電纜;油井測溫光纜;耐火光纜等。如果有各種原因使得光纖承受了短時(shí)的更高溫度環(huán)境沖擊，那么對于光纖的使用壽命會產(chǎn)生多大的影響呢?或者說光纖可以在多高的溫度下承受多長時(shí)間而不影響其傳輸性能呢?目前國內(nèi)外對這個(gè)課題的研究還不是很多，其中多為對不同涂層材料的光纖進(jìn)行耐溫性能比較［1-2］，而沒有進(jìn)行壽命分析。據(jù)悉，美國OFS公司對普通商用光纖涂層熱老化與光纖使用壽命之間的關(guān)系進(jìn)行了較為深入的研究［3-4］。因此，本文將重點(diǎn)結(jié)合OFS公司Andrei A Stolov，Debra A Simoff等人的研究成果進(jìn)行介紹?？紤]到電力運(yùn)管人員的工作性質(zhì)，我們僅介紹其主要研究結(jié)果。若對整個(gè)研究過程和方法有興趣的話，可閱讀原文。

1 光纖涂料熱老化試驗(yàn)

1.1 假設(shè)條件與研究方法

早期的光纖一次涂覆料為熱固化硅樹脂。盡管它有較高的使用溫度，但由于其價(jià)格高，尤其是固化速度較慢，光纖拉絲速度也不能提高，大大增加了光纖成本，所以在80年代后期逐步被光固化丙烯酸酯類涂料所代替。目前光纖涂覆層均由兩層組成:第一層模量較低(＜5 MPa)，與光纖包層緊密粘結(jié)，防止光纖表面微裂紋擴(kuò)大并可減輕光纖的微彎損耗;第二層模量較高(＞800 MPa)，可提高光纖的耐磨性能和機(jī)械強(qiáng)度。此雙涂層結(jié)構(gòu)具有固化快、易剝離、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是耐溫等級不高，常規(guī)涂料的長期使用溫度為85℃。

對于光纖所受應(yīng)力與其使用壽命之間的關(guān)系，康寧公司Glaesemann給出的假設(shè)是［5］:當(dāng)光纖裂紋擴(kuò)展到其原始裂紋深度的1%時(shí)，即為光纖失效。在此假設(shè)下，以100 kpsi篩選應(yīng)力為參考應(yīng)力σp，推算出不同σp%下的光纖使用壽命。這一假設(shè)條件已被各光纖廠家所接受并用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

對于光纖涂層熱老化性能與其使用壽命之間的關(guān)系，也必須有一個(gè)假設(shè)條件，即首先應(yīng)確認(rèn)涂層的熱失重(weight loss)與光纖強(qiáng)度之間有著必然聯(lián)系［4］，這是一個(gè)基本前提。在此前提下，假定光纖涂層在達(dá)到某一失重百分率(如5%、10%或25%等)時(shí)即可認(rèn)為光纖失效，這一失重百分率即作為光纖失效判據(jù)(failure criterion)。在這個(gè)假定下，利用TGA(thermo gravimetric analysis熱失重分析)方法，推斷出光纖涂層在某一環(huán)境溫度下達(dá)到某一失重百分率所需要的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間值即為光纖在這一溫度下的使用壽命。

高分子材料在老化過程中其性能會發(fā)生改變，如重量、延伸率、拉伸強(qiáng)度、硬度、顏色等。用重量改變來分析材料的老化性能只是研究手段之一。由于TGA方法具有設(shè)備體積小、試驗(yàn)時(shí)間短、分析速度快、所需試樣少(幾個(gè)毫克)、易改變試驗(yàn)環(huán)境(如空氣、氮?dú)狻⒀鯕獾?等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于研究各種材料的老化性能。

1.2 Stolov的試驗(yàn)研究結(jié)果

1.2.1 光纖試樣

涂料A:常規(guī)光固化丙烯酸酯涂料，雙涂層。芯徑50μm階躍多模光纖，包層外徑125μm，涂層外徑分別為190μm和245μm。

1.2.2 涂料A在空氣環(huán)境下不同加熱速率的動態(tài)TGA(Dynamic TGA)曲線

涂料A在空氣環(huán)境下不同加熱速率的動態(tài)TGA(Dynamic TGA)曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著加熱速率的增加，TGA曲線向高溫側(cè)偏移。在殘余重量大于90%時(shí)，曲線呈現(xiàn)平坦?fàn)?，一般認(rèn)為這只是涂層中未反應(yīng)物(如添加劑、水分等)的揮發(fā)。在溫度超過200℃時(shí)，光纖涂層的熱降解反應(yīng)為主要反應(yīng)。在殘余重量小于40%時(shí)，失重速率與加熱速率不再保持一致，這說明涂層的熱降解過程已經(jīng)不穩(wěn)定了。

圖1 不同加熱速率下(空氣環(huán)境)涂料A的TGA曲線

1.2.3 利用阿累尼烏斯(Arrhnius)公式推算光纖涂層壽命

如何利用阿累尼烏斯公式推算光纖涂層的使用壽命，有興趣的讀者可參閱GB/T 20028—2005/ISO 11346—1997《硫化橡膠或熱塑性橡膠 應(yīng)用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》以及原文［3-4］。

表1給出的是在不同失效判據(jù)下，涂料A光纖在不同溫度下的使用時(shí)間。TGA試驗(yàn)升溫速度為0.5℃/min。

表1 空氣環(huán)境中不同失效判據(jù)下涂料A光纖的使用時(shí)間和溫度

從表1可以看出，光纖的使用時(shí)間或者說“光纖壽命”與兩個(gè)參數(shù)有關(guān):失重失效和使用溫度。假定在光纖涂層失重25%時(shí)光纖的光學(xué)性能和機(jī)械性能全部失效，那么這種光纖在93℃可以承受20年。當(dāng)然也可以在更高的溫度使用，但壽命將縮短，如在122℃可以使用1年，在155℃可以使用1個(gè)月。如果使用10%失重作為失效判據(jù)，它的使用溫度將向低溫處偏移:在87℃使用時(shí)間為20年，在114℃使用時(shí)間為1年。相反，如果在50%失效判據(jù)下，在107℃使用時(shí)間為20年，在139℃使用時(shí)間為1年，在170℃使用時(shí)間為1個(gè)月。

作為比較，圖2是康寧公司提供的對常規(guī)商用CPC6光纖在空氣環(huán)境中的光纖涂層失重與溫度的關(guān)系曲線。從圖2可以看出，CPC6光纖在85℃環(huán)境中近10 000 h涂層體積減少不超過10%。雖然10 000 h的試驗(yàn)時(shí)間(14個(gè)月)已經(jīng)很長，可與光纖的整個(gè)壽命周期相比也只是一個(gè)短期老化試驗(yàn)。盡管如此，我們還是可以看到在1 000 h直至10 000 h后已呈一條水平線，即不再有熱失重繼續(xù)發(fā)生。如果將前期的失重歸結(jié)為涂層中未反應(yīng)物或添加劑的揮發(fā)、水分蒸發(fā)等因素，可以認(rèn)為在85℃、10 000 h試驗(yàn)條件下光纖涂層的各項(xiàng)性能還是穩(wěn)定的。在這一點(diǎn)上，康寧公司的試驗(yàn)結(jié)果與OFS公司stolov等人的研究結(jié)果一致，即普通商用光纖可以在85℃長期使用。

圖2 CPC6光纖在空氣環(huán)境中的光纖涂層體積變化與溫度的關(guān)系曲線

1.2.4 不同氣體環(huán)境下的使用壽命

Simof D.A.等人的研究結(jié)果表明［6-7］，在氧氣存在的環(huán)境下，光纖丙烯酸涂層的熱降解反應(yīng)主要為熱氧化裂解反應(yīng)。吳經(jīng)玲等人的研究結(jié)果表明［8］，在氦氣保護(hù)的試驗(yàn)條件下，丙烯酸酯的熱降解反應(yīng)主要為解聚反應(yīng)。由于光纖在實(shí)際使用中光纖套管中充滿了光纖膏，光纖涂層被光纖膏所包圍，沒有機(jī)會與空氣或氧氣接觸，應(yīng)該說后一種降解機(jī)理更符合實(shí)際情況。當(dāng)然，在光纖的實(shí)際使用中并沒有必要去了解光纖涂層的熱降解機(jī)理，我們只需了解什么樣的環(huán)境對光纖影響更大。

圖3為在不同氣體環(huán)境下涂料A的TGA曲線，所得曲線的加熱速率均為0.5℃/min。

圖3 涂料A熱降解的環(huán)境效應(yīng)

從圖3可以看出，在不同的氣體環(huán)境下，光纖涂層的熱穩(wěn)定性依次如下排序:氮?dú)猓究諝猓狙鯕?。這個(gè)結(jié)果也提醒我們在光纖的使用中，應(yīng)盡可能地避免光纖與空氣接觸，具體在光纜生產(chǎn)中表現(xiàn)為應(yīng)盡可能地提高光纖二次被覆時(shí)光纖膏的填充度。表2為在失重25%的失效判據(jù)下，涂料A光纖在不同氣體環(huán)境下的使用時(shí)間。

表2 涂料A光纖(25%失重判據(jù))在氮?dú)?、空氣和氧氣中的使用時(shí)間

1.2.5 光纖衰減與光纖熱老化的關(guān)系

將涂料A光纖做成兩個(gè)試樣(試樣1和試樣2)，每個(gè)試樣長約1 km，繞成圈放入試驗(yàn)箱。光纖表面涂上滑石粉，在整個(gè)試驗(yàn)過程對光纖衰減(850nm)進(jìn)行監(jiān)測。試驗(yàn)過程如下:先將光纖在室溫下擱置，然后將溫度降至－55℃，目的是確認(rèn)光纖未老化前的光纖衰減;然后將溫度快速升至175℃，保溫1個(gè)星期;再將溫度降至－55℃記錄光纖衰減，測好后同樣將溫度快速升至175℃保溫1個(gè)星期;接著將光纖先自然冷卻至室溫，再降至－55℃測量光纖衰減。圖4為光纖衰減隨老化時(shí)間的變化曲線。

圖4 涂料A光纖衰減(850 nm)隨熱老化時(shí)間變化

由圖4可以看出，涂料A多模光纖在整個(gè)試驗(yàn)過程其衰減變化不超過0.2 dB/km。在多數(shù)應(yīng)用場合下，這個(gè)衰減附加值還是可以令人接受的。從TGA數(shù)據(jù)推算，經(jīng)歷了175℃兩個(gè)星期的高溫老化后，光纖涂層的重量損失大約在30%～38%。由此可以得知，光纖涂層的重量損失并不一定意味著同時(shí)帶來光纖傳輸性能的降低。

2 OPPC和OPGW光纖高溫應(yīng)用分析

Stolov等人的研究結(jié)果，有助我們對光纖所經(jīng)受溫度與光纖涂層性能改變、光纖使用壽命之間的關(guān)系有一個(gè)較為清晰的認(rèn)識。OPGW和OPPC等電力特種光纜中的光纖在生產(chǎn)與使用過程中有多個(gè)承受高溫環(huán)境的場合。

2.1 OPGW承受高溫的場合

(1)激光焊接鋼管光單元過程中，鋼帶激光焊接溫度高達(dá)1 450℃以上，但由于經(jīng)歷時(shí)間短，焊接過程并未對光纖的使用壽命產(chǎn)生任何影響，這一點(diǎn)已被鋼管光單元十幾年的良好應(yīng)用歷史證明。

(2)實(shí)際工程應(yīng)用中的OPGW和OPPC光纜有可能承受幾十次或幾百次時(shí)間不等的電氣高溫環(huán)境。如OPGW在經(jīng)受了雷擊或大短路電流沖擊之后，光纖仍能正常通信，極少見光纖損壞的報(bào)道。OPGW遭受雷擊引起斷股案例較多，但引起光纖通信異常的極少。通過實(shí)驗(yàn)室模擬雷電沖擊，雷電流持續(xù)時(shí)間為0.5 s，但幾乎監(jiān)測不到光纖衰減發(fā)生明顯變化。

所有這些均表明，盡管常規(guī)通信光纖的耐溫等級被認(rèn)為是85℃，只要其承受較高溫度的時(shí)間足夠短，并不會明顯影響其使用壽命。圖5為中國電力科學(xué)研究院光纜實(shí)驗(yàn)室對某型號OPGW進(jìn)行的短路電流試驗(yàn)溫升曲線。

圖5 某型號OPGW短路電流試驗(yàn)溫升曲線

從圖5可以看出，短路大電流沖擊后，OPGW溫度迅速上升到最高的145℃，隨后緩慢下降至85℃，此過程需8～10 min。即使我們將這一時(shí)間段的平均溫度假定為135℃，經(jīng)歷了三次試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的短路電流沖擊后，光纖在135℃高溫的承受時(shí)間合計(jì)為24 min。參照表1，5%失效判據(jù)下135℃使用溫度下光纖的使用時(shí)間約為1個(gè)月。因此可以認(rèn)為，24 min與1個(gè)月相比，短路電流沖擊所產(chǎn)生的短時(shí)高溫并不會影響到光纖的使用壽命。

圖6 OPPC及金具附件系統(tǒng)的載流量試驗(yàn)曲線

2.2 OPPC承受高溫的場合

OPPC光纜在長期運(yùn)行過程中處于持續(xù)通流發(fā)熱狀態(tài)，而且也可能受到如單相對地短路電流、繞擊雷或直擊雷、直流融冰電流等短時(shí)大電流，使導(dǎo)體溫度過熱。我們委托上海電纜研究所實(shí)驗(yàn)室對OPPC及金具附件、接續(xù)盒系統(tǒng)進(jìn)行了模擬220 kV線路掛網(wǎng)試驗(yàn)。監(jiān)測OPPC及配套接頭盒(光電分離裝置)在施加額定電壓并且通額定電流情況下各項(xiàng)性能指標(biāo)，包括電壓、電流、溫度、光纖附加衰耗、接續(xù)盒絕緣性能等，以此論證OPPC及金具附件、接續(xù)盒系統(tǒng)在220 kV線路中高溫運(yùn)行的可行性及安全性。圖6是恒溫恒壓階段、熱循環(huán)階段、加速老化階段三個(gè)試驗(yàn)階段全過程的溫升和光衰減變化曲線。在OPPC纜溫為80℃時(shí)，跳線溫度為45℃，接頭盒溫度為30℃，而光纖附加衰減變化很小。當(dāng)施加電流使OPPC纜溫升到近170℃進(jìn)行加速老化持續(xù)時(shí)間近10 h，光纖衰減開始迅速增加。當(dāng)OPPC回復(fù)到常溫狀態(tài)時(shí)，光纖衰減未能恢復(fù)到可接受值，此時(shí)可認(rèn)為光纖傳輸性能已失效。對于此光纖傳輸性能失效的原因，由于我們還沒有做更深一步研究，所以不能輕率地給出具體結(jié)論。但可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得知，OPPC在正常通流溫度為70℃時(shí)，光纖長期使用壽命不受任何影響。

對于重冰區(qū)來說，OPPC光纜可能會承受直流融冰電流。直流融冰系統(tǒng)施加在OPPC光纜的大電流低電壓，僅需將溫度升到30～40℃即可融冰，因此，并不會影響光纖使用性能和長期壽命。

3 結(jié)束語

由于影響因素眾多，事實(shí)上光纖使用壽命與光纖使用溫度之間的關(guān)系非常復(fù)雜。Stolov等人的研究只是方法之一，還有一些疑問有待做更深一步的研究。比如:(1)Stolov等人試驗(yàn)的前提是光纖涂層熱老化將影響光纖的使用壽命，但這兩者之間的關(guān)聯(lián)度有多大?是否受外界環(huán)境影響?(2)目前使用中光纖外都涂有一層油膏用于防潮、緩沖等目的，在這層油膏的覆蓋下，光纖涂層的熱失重速率可能與實(shí)驗(yàn)室TGA試驗(yàn)時(shí)的失重速率并不一致。(3)在圖4試驗(yàn)中Stolov等人得出的結(jié)論是即使是在失重38%的情況下，光纖涂層熱失重與光纖的光學(xué)性能關(guān)系并不大。這只是一個(gè)方面，需要指出的是:他們的試驗(yàn)是在試驗(yàn)箱中進(jìn)行的，光纖處于靜止?fàn)顟B(tài)。實(shí)際上，在失重38%以后，光纖涂層的機(jī)械性能如伸長率將大大降低。失去了涂層的緩沖保護(hù)，當(dāng)OPPC或OPGW在受到風(fēng)激振動、熱脹冷縮或覆冰時(shí)，很容易將外力傳導(dǎo)至光纖包層表面微裂紋導(dǎo)致光纖失效。(4)Stolov等人的研究僅針對光纖涂層的熱老化。實(shí)際上，在光纖膏生產(chǎn)時(shí)，為了提高粘度，常會在基礎(chǔ)油中加入諸如聚甲基丙烯酸酯、聚異丁烯、烯烴共聚物、聚烷基苯乙烯等高分子化合物作為增稠劑。這些高分子化合物在長期高溫情況下，同樣會發(fā)生熱降解反應(yīng)，降低光纖膏的性能，對光纖使用壽命產(chǎn)生影響。

總之，對于OPGW、OPPC等電力通信特種光纜來說，正常的長期使用溫度為70～80℃，對光纖的傳輸性能和長期使用壽命不會產(chǎn)生影響。即使OPGW、OPPC經(jīng)受雷擊或短路電流引起短時(shí)高溫，只要其承受較高溫度的時(shí)間足夠短，也并不會明顯影響光纖使用壽命和光纖衰減。

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