非金属光缆加强芯锚固方法的研究

谢明海，谢琪超

（1.国网浙江电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000；2.宁夏大学，银川 750021）

非金属光缆加强芯锚固方法的研究

谢明海1，谢琪超2

（1.国网浙江电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000；2.宁夏大学，银川 750021）

针对非金属光缆加强芯的RFP材料的特性，设计了一种新的楔形锚固夹具，通过对这种新夹具的受力分析，得到了楔形角、楔块长度、加强芯抗剪强度、加强芯直径、预应力、材料间摩擦系数等因素之间的关系，确定了非金属光缆加强芯夹具的基本结构。设计的非金属加强芯夹具可应用于金属光缆、非金属光缆在各种场合的接续和端部固定，对提高光缆运行可靠性有较大的帮助。

非金属光缆；光缆接头盒；FRP加强芯；锚固

0 引言

近年来，随着电力系统对通信要求的提高以及光缆和光电通信设备价格的下降，光缆通信已经成为电力系统最主要的通信方式。

电力通信光缆的种类很多，有各种特种光缆和普通光缆。普通光缆中的非金属光缆无金属构件具有良好的电绝缘性能，变电站的引入光缆、与高压线平行的光缆、多雷地区的光缆及变电站间的通信光缆普遍采用非金属光缆。实际使用中，非金属光缆的接续采用与带金属普通光缆同样的方法，即光缆加强芯用螺栓压紧固定。非金属加强芯纵向抗拉强度比较高，但抗剪切强度比金属加强芯差得多，因此用螺栓压紧时可能会造成加强芯切削、开裂，给光缆的运行埋下了安全隐患。

目前还没有一种专用的非金属光缆加强芯固定方法或金具，非金属光缆的接续和端部固定成为一个难题。研究非金属光缆加强芯锚固方法有利于光缆的安全稳定运行，对提高光缆通信可靠性有重要意义。

1 普通光缆的接续方式

光缆一般由外护套、光纤、加强芯等组成。普通光缆外护套、光纤不能承受拉力，施工和正常运行时，外部拉力应作用在光缆加强芯上。光缆加强芯分为金属和非金属2种材料。带金属光缆中心加强构件采用高强度单圆钢丝或由高强度钢丝构成的1×7单股钢丝绳，材料为不锈钢丝或磷化钢丝。而非金属光缆中心加强构件采用FRP（纤维增强塑料）圆杆。

光缆是以盘为单位供货的，一盘光缆通常为2～4 km，一条较长的光缆线路由多段光缆通过成品的光缆接头盒接续，包括：光纤接续、护层和加强芯的连接、接头损耗的测量、接头盒的封装以及接头保护的安装。光缆接续时，把进、出光缆的加强芯分别固定在接头盒预留的螺栓压接装置上，再通过接头盒的盒体接续，由加强构件（加强芯）、接头盒盒体共同承受施工和运行时的拉力。光缆加强芯用螺栓压接的方法如图1所示。这种方法具有结构简单、占用空间小、操作简便的优点，在光缆接头盒、光缆终端盒或机架上广泛采用。

图1 常规光缆加强芯的固定

2 非金属光缆接续方式及接续故障原因分析

2.1 非金属光缆加强芯的特点

FRP光缆加强芯是以玻璃纤维为增强材料，树脂体系为基础，在特定温度下固化拉挤出的制品。玻璃纤维无捻粗纱是光缆加强芯的支撑骨架，从根本上决定了光缆加强芯的机械性能。复合材料中的树脂基体将增强材料填充粘结成一个整体，起着传递和均衡载荷的作用，使增加材料能充分发挥力学性能优势。树腊基体决定了复合材料的耐热性、耐化学腐蚀性能、耐候性、电绝缘性、电磁性等。

与磷化钢丝材料相比较，FRP加强芯有下列优点：轻质高强；耐腐蚀性能好；电绝缘性能好；热导率低、热性能良好；可设计性好，工艺性优良，可以使产品有很好的整体性，工艺简单，可以一次成型，经济效果突出。磷化钢丝和FRP光缆加强芯的性能比较见表1。

表1 磷化钢丝和FRP加强芯的性能

2.2 非金属光缆加强芯接续故障原因分析

非金属光缆加强芯用螺栓压接固定，在压接处发生断裂、逃脱的概率很高，这是由FRP加强芯的力学特性和锚固装置不适配造成的。

技术标准YD/T 901-2009《层绞式通信用室外光缆》和YD/T 1181.3-2011《光缆用非金属加强件的特性》中都对光缆加强芯的抗拉强度和杨氏模量作出了规定，但没有对光缆加强芯抗剪切强度的要求。FRP是各向异性体，横向抗剪切强度很低，玻璃纤维加强复合材料的横向抗剪切强度仅为24.5 MPa，碳纤维加强复合材料的横向抗剪切强度为71 MPa，因此FRP材料使用时应尽量避免横向受剪。

用螺栓压接，要求光缆加强芯有足够大的抗剪切强度。24芯非金属光缆加强芯直径为 2.6 mm，当采用M4螺栓压接时，由于螺栓与加强芯的接触面积很难计算，因此采用假定值，取图2中阴影面积的1/2，约为4.81 mm2。按FRP抗剪强度 24.5 MPa，则最大允许压接力为 117.7N，FRP与钢的摩擦系数为0.3，可知最大拉力F=2× 117.7×0.3=70.6 N，远小于光缆接头盒的允许接力800 N。而采用同直径的磷化钢丝加强芯，拉力可以达到2 114.2 N。非金属光缆加强芯除了抗剪强度低外，还存在应力松弛和徐变，使非金属加强芯的固定更加困难。

图2 加强芯螺栓压接

目前还没有能用于非金属光缆的接头盒。不论国内还是国外的普通光缆接头盒都只是用于金属加强芯光缆，当用于非金属光缆的接续时，极易造成光缆加强芯的开裂、松脱直至断开。运行中的非金属光缆端部加强芯处于不受力状态，在外力作用，光缆外护套就会被拉出，造成光缆进水、纤芯拉断等故障。

3 非金属加强芯夹具的研制

FRP加强芯采用螺栓压接的端部锚固方式无法满足工程的需要，应寻找新的锚固方法，因此研制一种RFP加强芯夹具，该夹具能安全夹紧加强芯，加强芯上的拉力通过夹具传递到接头盒上，可满足工程需要。

3.1 FRP加强芯夹具的一般要求

加强芯夹具作为光缆连接器的一部分，性能要求除了应满足GB/T 12507.1-2000《光纤光缆连接器 第1部分：总规范》和YD/T 814.1-2013《光缆接头盒 第一部分：室外光缆接头盒》的规定外，还应满足当拉力为800 N时，夹具对加强芯的横向压强小于24.5 MPa；外形尺寸应满足通用性的要求，安装在普通的光缆接头盒内不影响原接头盒的功能和光缆接续施工。

3.2 FRP加强芯夹具的受力分析

按照上述要求，遵循简单可靠的原则，提出FRP加强芯夹具采用2片楔块式锚具，由滑动楔块、套筒等组成。由于FRP材料的横向强度低，可能承受不了滑动楔块直接作用下的横向挤压力，从而导致FRP加强芯在压接区损伤，使用时应在滑动楔块与加强芯之间垫一层软金属套管作为缓冲层。楔块式锚具的夹持性能主要受楔块顶角角度、楔块长度以及楔块所受水平力的影响。防止拉力过小或为负时加强芯松脱，应对锚具中的楔块施加一定的预应力。

在光缆接头盒安装完成并承受最大拉力的工况下，设夹具中单个滑动楔块施加的预应力J为100 N，滑动楔块的角度为α，套筒壁与滑动楔块的摩擦系数为μ1，滑动楔块与铝套管的摩擦系数为μ2，光缆加强芯与铝套管的摩擦系数为μ3，滑动楔块受到光缆加强芯的拉力F、套筒壁对楔块压力M和摩擦力W、光缆加强芯对楔块压力Q，如图3所示。

图3 滑动楔块的受力示意

F为接头盒中光缆加强芯所受最大拉力的一半，即400 N；μ1在有润滑剂时为0.1；μ2为0.30；μ3为0.28。因μ2〉μ3，不考虑滑动楔块与铝套管间的滑动，滑动楔块与加强芯无相对滑动，则有以下关系式：

且应满足：F≤μ3Q

选取不同的α值进行计算，根据计算结果，α和楔块对光缆加强芯压力Q的关系如图4所示。Q随着α的增大而减小，α过小时，加强芯所受的横向挤压力很大，可能会超过加强芯的横向抗压极限；α超过13.58°，在最大拉力时加强芯与铝套管会相对滑动。

图4 α和Q的关系

光缆加强芯的横向压强P与α和滑动楔块的长度L有关，光缆加强芯的横向压强P与α关系见图5。在同样的拉力作用下，增大角度α和增加滑动楔块的长度L可减小光缆加强芯的横向压强P。

图5中，竖虚线的右边为滑动区，水平虚线的上部区为破坏区，此区域内光缆加强芯的横向压强P大于24.5 MPa，可能造成加强芯损坏。只有2条虚线交叉的左下区域为可用区域。

图5 α和压强P的关系

根据计算结果，可以得出：

（1）在光缆加强芯的拉力作用下，滑动楔块会对光缆加强芯产生很大的横向挤压力。

（2）滑动楔块的长度L和角度α是2个关键参数，过小的α会使加强芯受到很大的横向挤压力，增大α可减小挤压力，α超过13.58°时因挤压力过小而无法夹持加强芯；增加滑动楔块的长度L可减小加强芯所受的横向压强。在拉力不变时，楔块的长度L与加强芯所受的横向压强Q成反比关系。

（3）长度L=30 mm的夹具无法满足Φ2.0 mm以下的光缆加强芯的锚固要求，因此在非金属光缆光缆订货时，应对加强芯提出最小直径不小于2.2 mm的要求。

（4）受接头盒尺寸的限制只能取L=30 mm时，楔块的顶角α取10°～11°比较合适。

FRP材料除了外力引起的形变，还存在应力松弛和徐变现象，会影响加强芯夹具的长期稳定性。FRP加强芯在最大允许的剪切强度24.5 MPa作用下，依据FRP材料的剪切模量4.1 GPa，可计算出形变量为24.5×106/4.1×109=5.98×10-3，对于直径2.6 mm的光缆加强芯，其形变量不足16 μm，因此在设计光缆加强芯夹具时，可以将加强芯作为刚体对待。应力松弛和徐变现象可通过对楔块施加预应力和附加楔块顶进装置解决。

3.3 FRP加强芯夹具的结构与使用

FRP加强芯固定夹具包括夹具外套、滑动楔块、旋紧盖、平垫、膜形弹圈。夹具外套为圆柱形，在中间开有1个楔形孔，滑动楔块装于夹具外套的楔形孔内，夹具外套尾端有外螺纹，旋紧盖通过螺纹安装在夹具外套上。FRP光缆加强芯穿入专用夹具内2块滑动楔块中间的圆形槽内，滑动楔块在夹具外套的楔形孔内向前滑动压紧光缆的加强芯。通过拧进旋紧盖对滑动楔块施加预应力，夹紧光缆加强芯。旋紧盖与滑动楔块之间垫有平垫和膜形弹垫，防止旋紧盖和滑动楔块的松动，也可防止非金属光缆加强芯的应力松弛和徐变现象。夹具外套外壁上有2个对称的圆孔，用于专用工具的夹持。FRP加强芯夹具的结构见图6、图7。

图6 光缆加强芯夹具结构

图7 滑动楔块加工示意

FRP加强芯夹具利用楔块原理，把滑动楔块顶进套筒，在横向压力和摩擦力的作用下夹紧光缆加强芯。在滑动楔块与加强芯之间垫一层0.2～ 0.3 mm的铝套管作为缓冲层，铝套管的长度应超过滑动楔块的两端。滑动楔块与夹具套筒的接触面上涂润滑剂，以减小摩擦。

用于光缆接头盒的光缆接续时，将FRP加强芯夹具安装在接头盒内，代替原来的螺栓压接装置，如图8所示，安装时取下原来的压接螺栓，在加强芯固定座的后面用夹具锚固加强芯即可。光缆端部在机架上的固定采用同样的安装方法。

图8 加强芯夹具安装示意

4 结论

非金属光缆中心加强芯的材料特性要求非金属光缆加强芯的锚固需要采用专用的夹具。非金属光缆加强芯夹具对加强芯的剪切力小、夹持力大，能较好地解决非金属光缆接续中加强芯开裂、滑脱的问题，可广泛应用于金属光缆、非金属光缆在各种场合（首尾端机柜、中间接头盒、光缆交接箱等）的接续和端部固定，可显著提高光缆运行的可靠性。

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（本文编辑：赵晓明）

Discussion on the Anchoring Technique of Reinforced Core in Non-metal Optical Cable

XIE Minghai1，XIE Qichao2

（1.State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang 312000，China；2.Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

According to the characteristics of the RFP material of the reinforced core of the non-metal optic cable，a new kind of wedge anchor clamp is designed.Through stress analysis of the new clamp，the relationship among many factors is obtained，including the wedge angle，length of the wedge block，shear strength of the reinforced core，diameter of the core，prestressing force，friction coefficient between materials，and the basic structure of the wedge anchor clamp for non-metal optical cable reinforced core is determined.The reinforced core clamp can be used for connection and termination fixation of metal cables and non-metal cables in various applications，which can improve operation reliability of optical cables.

non-metal optical cable；optical cable splice case；FRP reinforced core；anchoring

TM757

B

1007-1881（2016）10-0084-05

2016-05-19

谢明海（1967），男，高级工程师，从事变电工程、通信工程设计工作。