面向电力通信业务的超低损耗光纤应用

面向电力通信业务的超低损耗光纤应用

阴丽虹

国网山西省电力公司太原供电公司 山西 太原 030012

摘要：我们文章所述的超低损耗光纤所指的就是一种低衰减的新型光纤，在传输设备配置不变情况下可以比常规光纤传输距离远数十千米。因此，研究这种新型光纤在电力通信网中的应用，将为特高压电网、直流输电工程中的光纤通信不设中继站或减少中继站提出全新的解决方案，对进一步提高电网的安全稳定性具有非常重要的意义。

关键词：电力通信业务；超低损耗光纤；应用

1超低损耗光纤的优势

现阶段，随着时光荏苒，科技不断创新，光纤制造技术业已相当成熟，光纤的损耗主要来自于光纤材料的瑞利散射损耗和吸收损耗。一般G.652光纤通过在纤芯中掺锗的方式来提高纤芯的折射率，但掺锗引起了较高的光纤瑞利散射，导致光纤的衰减无法降低。采用纯硅纤芯技术可减小瑞利散射引起的衰减，实现光纤损耗进一步降低。2009年，光纤厂家推出了满足G.652规范的SMF-28®ULL纯硅芯光纤，其在1 550 nm附近典型衰减为0.165 dB/km，是衰减最低的G.652光纤。ULL光纤能有效地提高传输系统光信噪比（Optical SignalNoise Ratio，OSNR），支持更长的传输距离，减少中继站使用，为电网的安全优质、经济高效运行提供可靠支撑。

2电力通信业务的超低损耗光纤应用

2.1超低损耗G.652光纤OPGW成缆性能

2.1.1缆型结构

为验证国产超低损耗G.652光纤性能，对其进行了OPGW成缆实验，并对上述OPGW光缆进行了温度循环测试和强度验证试验，监测了成缆各道工序以及相关环境和强度测试过程中光纤衰减系数变化。OPGW成缆流程为着色—光纤单元制作—OPGW成缆。光纤的着色色谱按照电力行业DL/T 832-2016标准执行，OPGW光缆的成缆光纤为36芯，成缆技术参数参照IEC和DL/T 832-2016标准，光缆型号为OPGW-36ULL-128［163.2；86.2］，缆长1.8 km。成缆试验的OPGW光缆结构为常规的双层结构，光缆为全铝包钢线结构。中心层采用20.3%AS铝包钢线（直径d=3.20 mm），第一层绞合为5根20.3%AS铝包钢线（直径d=3.00 mm）+1根24芯不锈钢管光纤单元，第二层绞合为12根20.3%AS铝包钢线（直径d=2.90 mm）。为统一光纤的复测和各工序的光纤检测，光纤损耗检测仪表采用同一台OTDR检测，其OTDR型号为PK8000I。

2.1.2 OPGW成缆过程中光纤衰减变化

成缆后1 310 nm波长处衰减为0.275dB/km，1 550 nm波长处衰减为0.163 dB/km。由图2可以看出成缆后1 310 nm和1 550 nm波长处衰减变化幅度均不超过0.002 dB/km。由此表明超低损耗G.652光纤在OPGW成缆过程中光纤性能稳定可靠，成缆后光纤衰减性能满足相关电力领域实际使用标准。OPGW光缆环境性能测试参照标准DL/T 832-2016《光纤复合架空地线》对OPGW光缆进行温度循环试验，1 310 nm和1 550 nm波长位置处衰减波动在合理范围，试验结果符合电力行业标准规定的要求。

2.1.3 OPGW光缆机械性能测试

为进一步验证国产超低损耗G.652光纤制作的OPGW光缆性能，参照电力行业DL/T 832-2016《光纤复合架空地线》对OPGW光缆进行了强度试验。该OPGW光缆通过了应力-应变性能、过滑轮性能、破断性能测试，其结果均优于标准要求。a）应力-应变试验情况：OPGW在承受40%RTS张力时，光纤应变为0.001%，附加衰减0.019 dB，在承受60%RTS张力时，光纤应变为0.001%，附加衰减0.025dB，符合电力行业标准。b）过滑轮、破断试验情况：OPGW经过滑轮试验，附加衰减0.04 dB/km，试验结果符合行业标准规定的要求，破断力的值为175.7 kN。该国产超低损耗G.652光纤具有超低损耗、优异的抗弯性能，OPGW光缆在机械、环境等多项测试中表现优异，性能稳定可靠，可有力地支撑超长距光传输，该光纤已规模量产，可完全取代国外进口产品。

2.2超低损耗光纤简化放大设备

在特高压线路的建设中存在很多跨段，其传输距离小于300 km。目前常用的解决方案是普通单模光纤结合拉曼放大器的方式。拉曼放大器具有较低的噪声系数和宽的光谱范围，提供6~8 dB等效光功率预算，可延长系统传输距离。但拉曼放大器需要较高的泵浦功率，因此存在安装维护麻烦、功率消耗较大、设备成本较高等缺点。超低损耗光纤出现后，为这种应用提供了一种新的解决方案，在250~300 km的跨段上，超低损耗光纤的损耗比普通光纤低6~9 dB，对应于6~9 dB的光功率预算。因此在传输距离上可以等效于拉曼放大器的作用。而超低损耗光纤是一种无源解决方案，敷设完成后，不需要后续的维护投入，故障率低，因此是一种绿色环保、性能可靠的解决方案。从初期投资成本看，光纤是一次性投资，而拉曼放大器是随着业务量的需要而逐步开通，因此在计算投资成本时，既要考虑线路开通拉曼放大器的数量，也要考虑后续扩容的可能开通数量，以及采用拉曼放大器带来的维护费用。在文献3中，提出了在跨段距离为250~300 km的项目中，用高性能光纤来实现替代拉曼放大器的传输方案。以新建线路（24芯OPGW光纤）为例，如果前期开通2对拉曼放大器，采用超低损耗光纤的初期投资成本和采用拉曼放大器的成本接近，考虑后期的运行和维护成本，超低损耗光纤的实际成本更低。如果线路业务需要开通3对或以上的拉曼放大器，使用超低损耗光纤可以节约可观的初期建设成本，如果12对全部开通，单跨段将可节约投资成本近400万元，且低维护成本及高可靠性也会在工程投运后进一步产生经济效益。

2.3超低损耗光纤的多种制造方法

传统的超低损耗光纤制作方法包括锗氟共掺，纯硅外包等。它们的共同之处在于需要用深掺氟的套管作为内包层。锗氟共掺法通过在芯层同时掺入少量的锗和氟，在保证折射率的同时尽可能优化芯包层的粘度匹配。纯硅外包则意在替芯层分担拉丝张力，减少芯部因拉丝而产生的玻璃缺陷。这些方法的缺点在于，虽然能在一定程度上降低衰减，但难以从根本上解决无锗、低锗光纤芯层粘度大，芯包层粘度失匹的问题。目前更主流的解决方案为，在芯层中掺杂一定量的碱金属元素，包括钠、钾、铯等。这可以有效降低芯部的粘度，使芯包间的粘度得以匹配。同时芯层二氧化硅的网状结构会变得松弛，假想温度会下降，从而降＾５光纤的衰减。如果芯层的粘度略小于包层，则在拉丝过程中，包层会承受大部分的拉丝张力，而芯层受到的拉力则相对较小。这可以有效减少拉丝过程中芯部产生的玻璃缺陷，避免衰减增大。尽管碱金属有降低光纤衰减的功用，但如果含量过大也会因为增大浓度波动而使衰减上升。但只要控制得当，可以使光纤1550ｎｍ衰减降低到0.160ｄＢ／ｋｍ以下，相比传统方法要更有效。

结语

随着电力光纤通信工程超长距传输情况的逐步增多，传输距离逐步增长，对光缆损耗、兼容性提出了更高要求，同时对光缆测试范围、测量精度、测试项目也提出了新的要求。只有在工程实践中认真思考，全面测试才能保证好的工程质量，在确保工程长期稳定运行的同时，继续开创超长距传输新的里程碑。

参考文献

［1]邓黎，刘琦，陈皓，等.超长距电力光通信中的超低损耗光纤应用及测试技术［J］.电力信息与通信技术，2015（12）：83-90.

［2]余少华，杨奇，薛道均，等.超高速超大容量超长距离光传输基础理论与关键技术研究［J］.电信科学，2014，30（10）：52-63.