新疆光纤光缆老化问题分析及其解决途径

admin

自1990年乌鲁木齐至吐鲁番的光缆开通后，在新疆，光缆已经有了17年的实际应用。但随着使用年限的增长，这些光缆的质量已呈不断下降的趋势，光纤老化现象有所加重。
　　一、光纤、光缆相关老化现象
　　新疆的光缆老化现象多表现在以下几个方面。
　　1．接头盒：防水密封胶老化，热缩套管老化破裂，致使接头盒内出现湿气及渗水现象；光纤涂敷层老化，致使光纤变形，柔韧性降低；光缆加强芯锈断。
　　2．纤芯：纤芯涂覆层老化脱落、辨别困难，出现制作光纤端面时不易切割、切割不齐等现象。由于新疆无人中继站温差较大，造成尾纤外皮老化僵硬形成衰减。纤芯质量劣化，割接或抢修时接续困难、接续损耗大（甚至在0.5dB以上）。线路光纤衰减逐年增加，部分上世纪90年代的光缆衰减比当初竣工时要大0.05～0.08dB/km。光纤变脆，近年来自然断纤造成系统中断的次数有增加的趋势。
　　3．光缆：部分地区的高盐碱对光缆金属外护套腐蚀严重，造成金属护套对地绝缘电阻不合格。缆内加强芯伸长/缩短、塑料束管收缩、光纤收缩；外护套表层变硬、收缩，尺码部分模糊不清，填充油成膏状凝固，利用纵向开剥器进行外护套开剥时出现开打滑、外皮脱落等老化现象。
　　二、光纤老化的决定因素
　　新疆在用光缆线路使用的都是单模光纤，以下就单模光纤的几何、光学、传输、机械、温度5类实时特性参数进行归类分析。
　　1．光纤的几何、光学特性。包层直径、不圆度、模场直径等主要是在光纤设计及制造工艺中确定，在光缆使用及维护过程中这些性能一般不会发生变化。
　　2．光纤传输特性包括损耗、材料色散、极化模式色散等。单模光纤材料色散指标由光纤材料、生产工艺决定（注：新疆在1994年以前投产的早期光纤材料色散不能保证，1995年以后投产的光纤在使用过程中一般不会有很大的色散改变），材料色散也可以通过色散补偿技术进行一定的克服。
　　3．光纤机械特性与光纤长期使用的稳定性和寿命有关。
　　4．光纤温度特性指不同温、湿度环境下，光纤质量变化情况。在生产环节，光纤的性能要有高度的温度稳定性，在一定的温度范围内损耗的变化应能保持在要求的范围内。潮湿的环境对光纤的影响也同样不可忽视，在光纤传输的1310nm窗口和1550nm传输窗口之间存在着一个羟基吸收峰。“羟基”即氢氧基，水的长期浸入会使光缆中的光纤衰耗明显增大，在1550nm波长上的衰耗表现尤其明显。具体如图1所示。


　　5．光纤的机械特性、温度特性会随着光纤应力变化、温湿度环境等不同而发生改变。这些因素变化又直接影响着光纤传输特性的变化，从而影响光纤的业务承载能力。我们在对新疆已影响业务的接头（大衰耗）进行传输特性的整治中，多次发现接头盒进水的现象，不仅光纤涂覆层多有脱落，而且光纤纤芯脆化，即使轻微的动作也容易使其脆折。
　　三、光缆质量的影响因素
　　光缆的性能主要由其传输、机械和温度性能构成，衰耗、色散、极化模式色散等是光缆可用性的衡量指标。光缆传输性能取决于光纤的传输特性；光缆的机械性能、温度性能取决于光缆所选结构和材料的好坏，这些将直接决定着光缆的使用寿命。同时，成缆时光缆中光纤余长的控制，塑料束管、涂覆层、PE内外护套等成缆基本材料可靠的线膨胀系数，光缆结构的紧凑性等都可能受到温度的影响继而影响到光缆的质量及使用寿命。
　　影响光缆长期使用的因素可以分为内部因素和外部因素。如图2所示。


　　由图可以看出，光缆自身的结构、材料的长期质量特性是影响光缆老化的主要内部因素，这些可以通过光缆机械特性和温度特性的改变体现出来。
　　光缆的外部因素是指光缆使用的自然环境和维护状况，外部环境对光缆质量的影响是长期且动态变化的积累过程，最终以光缆使用状态的改变体现出来，如衰耗增大、断纤等。在实际的使用过程中，外部因素对光缆的实际业务提供能力、使用寿命有着重要的影响。
　　对光缆长期特性产生影响的外部因素主要有自然环境和维护状况两方面。自然因素可大致分成敷设方式（直埋、架空、管道）、防潮防水、温差变化、环境（土壤、水）腐蚀性、虫蚁鼠害、雷击灾害等。而新疆地区的气候恰恰属于比较极端的气候条件，冬夏地面温差可高达70～80℃，因此，维护中不得不考虑由于温度的大幅度变化而造成的对光纤不当的侧压力，以免影响光纤的损耗。从维护角度看，影响光缆质量的主要因素为外力损伤、接头质量等。此外，日常维护组织、线路巡查、外力施工盯防等工作也是保证光缆质量的重要措施。
　　四、新疆光缆现状分析
　　为获取光缆的具体运行状态信息，我们对乌鲁木齐至吐鲁番、兰州至乌鲁木齐（新疆段）、乌鲁木齐至霍尔果斯、第二出疆（新疆段）、南疆环路以及建成较早的部分本地网段落共计2000余公里光缆进行了现场摸底调研和测试。测试内容包括光缆衰耗、衰耗系数、极化模式色散三个指标。并对光缆质量、常见故障记录、故障多发段落的自然环境等进行了数据收集。
　　1．外界环境因素依然是造成光缆故障的最主要原因，光缆故障中老化故障所占比重各不相同，常见老化引起的故障现象也有明显差异。如表1所示。


　　虽然直接由光缆老化引起的故障所占比重不大，但不可忽视的是光缆老化是故障的长期诱因之一，且故障带来的光缆熔接点增多。
　　2．以乌鲁木齐至霍尔果斯、第二出疆、南疆三条光缆为例，三条光缆均为澳大利亚澳利公司进口光缆，建设年代分别为：南疆1996年，第二出疆1998年、乌鲁木齐至霍尔果斯1995年（均为G.652纤芯）。我们在这三条电缆中各选择了有代表性的一个中继段落，将1999年到2005年纤芯衰耗的测试数据进行了分析。分析结果显示，衰耗系数随使用时间的延长，呈明显的增大趋势。
　　3．对测试段落中所有的G.652纤芯光缆按照使用时间排序，其衰耗、PMD（偏振模色散）测试指标如图3所示，可以看出衰耗系数随着光缆使用年限的降低存在明显的下降趋势，平均熔接损耗也呈下降趋势，PMD指标则无趋势可循。通过对新疆大部分具有代表性光缆线路PMD的测试分析，我们发现1995年以后投产的光缆线路基本可满足10Gbit/s及其以上系统的传输要求，1995年以前投产的部分国产光缆线路情况则不太乐观。


　　4．对处于不同衰耗系数等级的干线段落的使用年限进行分析发现：大部分光缆衰耗小于0.25dB/km，84％段落衰耗小于0.275dB/km。0.275～0.4dB/km的段落占12％，均为使用8年以上光缆线路。衰耗系数大于0.4dB/km的段落占4％，均为使用10年以上光缆。这些测试纤芯基本处于不可用闲置状态，只能开通低速率SDH传输设备，线路处在待报废状态。
　　从上述资料和数据分析可以看出，材料、环境、维护三方面的因素共同影响光缆、纤芯的质量特性，并最终体现在光纤的传输特性上面。光缆的传输指标可以通过现场测试得到，但材料、环境和维护的因素就很难定量衡量，只能通过维护经验的积累进行考察。
　　五、如何应对光缆老化
　　1．建立光缆老化程度评估指标体系
　　光缆质量变化是一个长期的、动态的、渐变的过程。根据系统分析的原理和层次分析方法，结合光缆的运行现状进行摸底、调研、分析，并结合光纤、光缆自身特性和现场维护实际工作建立光缆老化程度评价指标体系是必要的。
　　通过对新疆光缆的分析，我们得出影响光缆特性的因素。如图4所示。


　　（1）光缆材料指标
　　光缆的材料指标可分成机械和环境性能指标，其验收测试是光缆工程的重要直接测试内容。考虑到光缆材料指标可衡量的要求，老化特性也可以直接通过对光缆的机械、环境性能测试反应出来。
　　（2）光缆环境指标
　　环境腐蚀性：因外界化学、电化学等的作用而造成的光缆腐蚀。地下光缆腐蚀程度可用土壤电阻率、土壤PH值等衡量。新疆的土壤盐碱度较大，因此不建议采用铝护套结构光缆，而推荐钢护套结构光缆。
　　自然灾害：新疆气候条件、地质环境复杂多样，不同地区常见自然灾害情况各不相同。这里将不同地区常见自然灾害危害定性分为高、中、低三级。表2对不同地质环境下常见自然灾害进行了简单列举。
　　鼠蚁等危害：新疆多年来未发生鼠蚁等直接危害光缆的现象。根据维护经验，新疆境内一般只有旱獭能打洞到80cm以下，野外光缆埋深一般均在100cm以下。但我们对旱獭打洞对光缆啃咬的可能性仍然需要防范。
　　（3）光缆维护指标
　　光缆使用年限。光缆使用年限是一个非常重要的指标。参照现场测试数据分布情况，我们将不同使用年限光缆老化的可能性分为高、中、低三个档次：使用年限在8年以下为低；年限在8～10年为中；使用年限大于10年则为高。
　　光缆接头熔接质量。一般光缆厂商都要求所供光缆中的任意两根光纤在工厂条件下1550nm波长的熔接损耗应满足：平均值≤0.05dB，最大值≤0.10dB。在考察光缆接头熔接质量时，通常以光缆平均熔接损耗来衡量。我们将光缆平均熔接损耗分为高、中、低三档：平均熔接损耗≤0.05dB为低；0.05～0.1dB为中；大于0.1dB为高。
　　光缆接头盒质量。光缆接头盒是对光纤熔接点进行保护的重要设施。接头盒张力、压力、密封、冲击、工作温度、光纤盘留、对地绝缘是决定接头盒质量的主要因素。
　　光缆维护状况。光缆维护状况是光缆老化中的“人”为因素。高水平的维护能力可以延缓光缆质量的劣化趋势，通过接头改造、线路优化等主动维护工作还可以提高光缆线路质量。维护能力可以从维护队伍建设、维护管理制度是否完善、维护作业规范化程度、光缆维护等级、维护队伍技术水平等方面进行衡量。
　　（4）建议使用的光缆老化程度评估方法
　　通过多年的维护和摸索调研，我们提出一个光缆老化程度评估模型（OFAEMOpticalFiberAging Evaluation Model）。OFAEM由光缆评估维度、评估指标权值分配及老化程度计算方法三部分内容组成。
　　①评估维度
　　铺设方式：直埋、架空、管道、水底、海底。
　　地理环境：沙漠戈壁、高寒高原（冻土）、强风地带、普通山地（山麓边缘）、普通平原、其他。
　　纤芯类型：G652、G655、G653。
　　光缆型号：GYTA、GYTS等。
　　②评估指标权值分配
　　根据光缆型号、自然环境、纤芯类型、敷设方式进行评估分类，对不同评估类型采用不同权值分配方案。光缆老化程度评价指标体系中，各指标权值之和为1，最终评价值范围为0～3。具体等级划分为：0～1为轻微老化；1～2为中度老化；2～3为严重老化。对于不同老化等级的段落，光缆维护部门可采取相应维护措施，延续光缆寿命。
　　轻微老化：根据光缆段落指标情况，分析光缆老化主要因素，通过路由优化、接头质量整治等措施改善光缆传输指标，延缓光缆老化趋势。
　　中度老化：针对光缆老化的具体情况，改善老化引起的传输质量劣化现状，做好承载光缆线路的保护调度方案。
　　严重老化：视光缆具体情况进行重点段落维护，提高光缆质量监控等级，保证业务的第二路由保护，必要时可以考虑退网处理。
　　③老化程度评估计算方法
　　A．按照评估维度划分对待评估的光缆进行归类，选用不同评估维度指标权值分配方案。
　　B．对待评估光缆线路现场取样，进行光缆机械特性、环境特性的定量测试，根据测试结果评定指标老化等级。
　　C．对待评估光缆段落进行调研和衰耗测试，对光缆线路用自然环境、熔接衰耗、接头盒质量等进行评定，确定自然环境、维护状况指标老化程度等级。
　　D．对所定级别分别计分，老化程度高、中、低分别记作3、2、1分。
　　E．由下式计算光缆老化程度分值:N=∑XiWi/∑Wi
　　式中：N—光缆老化程度综合分值；Xi—各评估指标老化分值；Wi为与Xi相应的权重值。
　　2．光缆老化的解决途径
　　对于光缆老化，可以通过严格的技术、维护管理来减缓其老化速度。
　　（1）合理的替换、迁改光缆线路
　　对于受洪水、地震、山体滑坡、冻土涌动、土壤环境腐蚀性严重的线路，在适当考虑温度环境、风力因素的情况下可以考虑直埋改架空；对于部分老化严重段落可以考虑更换光缆；通过光缆金属外护套对地绝缘测试指标以及对比光缆熔接损耗，分析接头盒密闭情况，及时改造或者更换接头盒。
　　（2）日常维护数据收集对比指导日常维护作业
　　日常维护数据收集包括光缆段落名称、光缆建设年份、纤芯类型、生产厂家、光缆型号、竣工测试记录、业务开通测试记录、历年维护测试记录及光缆障碍排查历史记录等。在割接、迁改施工时尽量根据以上的日常维护数据采用同厂同型号甚至同批次光缆，以避免光纤不匹配的现象发生，同时也可以降低熔接损耗。
　　（3）建立光缆老化预警机制
　　通过已发现的光缆老化现象及原因，对所维护的光缆建立预警机制，以指导日常维护工作。
　　（4）实验室测试验证
　　根据光缆维护现场及摸底取样情况，积极联系国内大型生产厂家安排进行光缆机械性能和环境性能的实验室测试，判定每个测试项目的老化等级，并据此得出相应的维护意见以及建设建议。