一种全介质高强度防生物啮咬光缆设计与研发

2016-04-27詹朗朗吴俊雄薄驰帆王真真江苏亨通光电股份有限公司江苏吴江215234

现代传输 2016年1期

■詹朗朗吴俊雄薄驰帆王真真　　（江苏亨通光电股份有限公司江苏吴江 215234）

■詹朗朗吴俊雄薄驰帆王真真（江苏亨通光电股份有限公司江苏吴江 215234）

摘要：随着4G/LTE、FTTH、数据中心等业务的快速发展，光纤光缆市场的细分和研究工作正在不断深入。在某些区域，光缆敷设后经常会受到当地外界生物的干扰和破坏。这不仅会影响光缆线路的正常运行，严重时甚至导致线路通信中断，同时也降低了光缆的使用寿命。因此对运营商而言，在这些区域进行光网建设时，选用一款安全可靠、满足环境要求的光缆产品是十分必要的。本文介绍了一种全介质高强度防生物啮咬光缆，通过采用多层防护措施，提高光缆安全等级，可有效防止光缆受到啮咬生物的破坏，且具有全介质、高强度、应用范围广等特点，可广泛应用于光缆受生物破坏严重的通信线路。

关键词：防生物啮咬全介质高强度

1 前言

数据业务的快速增长加快了光纤通信网络的建设，从骨干网到接入网、从城市到农村、从FTTB+ADSL到FTTH，光纤光缆大量应用于网络布线。但由于其敷设场景各不相同，光缆的选择也应有特殊考虑。在线路经过一些植被覆盖丰富的区域，光缆敷设后经常会受到自然界生物的破坏。根据调查，对光缆造成破坏的生物主要有老鼠、啄木鸟、白蚁等几种，其分别通过噬咬、啄击、蛀蚀等方式破坏光缆的结构，影响通信线路的正常运行，进而降低光缆的使用寿命。目前，国内的光纤网络大多由运营商进行主导建设，而运营商全部采用集中采购体系。在一些特殊区域，光缆线路建设过程中并没有考虑当地的环境因素，依然按照常规思路采用普通型号的光缆，从而导致因鼠咬、鸟啄、蚁蚀等造成通信异常或中断的情况时有发生。据不完全统计，每年全国由于鼠咬、鸟啄、蚁蚀等原因造成通信线路故障引起的损失高达几千万。

2 生物啮咬的原因分析

防生物啮咬光缆的目的就是防止或降低外界生物对光缆结构的破坏，延长光缆的使用寿命，保证线路的正常运行。本文提到的啮咬类生物，主要指老鼠、啄木鸟和白蚁三种，如需设计的光缆达到防护目的，我们先要对光缆受到这几类生物啮咬破坏的原因进行分析。

老鼠是属于啮齿类动物，作为一种繁殖力和生存力很强的啮齿类动物广泛生活在世界上各个地区。由于其门齿很发达且会不断生长，所以鼠类有啃咬物体以保持其牙齿锋利的习性。塑料特有的气味使其成为鼠类啃咬对象，因此光缆经常受到老鼠啮咬。图1为被老鼠啮咬的光缆。

图1 鼠咬后光缆照片

啄木鸟是属于鴷形目的一种，它具有坚硬的嘴巴和锋利的爪子，因消灭树干中的害虫而被人们称为“森林医生”。目前，光缆受到啄木鸟损害的原因仍处于探索阶段，行业内有很多种解释，如啄木鸟生性喜啄，啄光缆可以说是为了磨嘴；光缆内部松套管颜色各异且采用SZ绞合方式，因此被误认为树干中的虫子而遭到啄木鸟的破坏；还有解释说，由于光缆表面一般为黑色，且长距离架空敷设，当啄木鸟于高空俯瞰时，黑色光缆相当于外物入侵自己的领地，因排斥而对光缆进行报复性破坏。图2为被啄木鸟啄坏的光缆。

图2 鸟啄后光缆照片

白蚁是一种等翅目昆虫，它主要嗜食木料和天然纤维织物，然而塑料、金属复合带等光缆原材料并不是它的食料，却经常受到了白蚁蛀蚀，究其原因，是由于白蚁具有咬啃的习性。若当光缆从蚁巢附近通过或挡住白蚁的通道，就很容易阻塞蚁路，白蚁便会突破前进，光缆就会被啃咬损坏。白蚁的蛀蚀，降低了光缆金属铠装层对地绝缘强度，破坏了光缆强度和性能而影响光缆使用寿命，严重时，白蚁甚至会顺着光缆外护套，直接进入接头盒内，咬断光纤造成通信中断。图3为被白蚁蛀蚀的光缆。

图3 蚁蚀后光缆照片

3 防生物啮咬方式的探讨

目前，市场上的防鼠光缆、防鸟光缆及防蚁光缆的型号有很多种，其采用方式各不相同，达到的防护效果也各有差异，下面对防护方式进行重点说明。

(1) 防鼠方式

关于光缆防鼠，现主要有三种方式，一种是化学防鼠，即通过在光缆护套料中添加一些防鼠剂来达到防鼠的效果，防鼠剂一般为辣味素，它产生强烈的刺激性气味，会大大降低老鼠啃咬光缆的欲望，从而实现防鼠功能。该种光缆防鼠方式简单高效，对光缆成本影响较小。但是辣味剂在生产及施工时会带来一定的麻烦，如在光缆护套加工过程中，辣味剂会释放刺激性气味会严重污染生产车间的工作环境，影响工人的健康。另外，在施工过程中，人直接接触添加辣味剂的光缆护套会产生灼热感，因此施工前需戴好防护手套并避免人体与光缆直接接触，从而给施工增加了一定难度。另外，分散于护套料中的辣味剂，会随着时间的推移发生水溶和迁移，其时效性相对较短。由于采用该种方式的光缆不能通过ROHS、CE等环境安全性认证，因此在环保要求较严的欧美国家很难推广应用。

另一种防鼠方式是物理防鼠，通过提高光缆材料的硬度，让老鼠难以咬动从而实现防鼠效果。目前业界多采用抗腐蚀不锈钢带铠装或镀锌钢丝铠装结构。扎纹钢带铠装层或细密钢丝铠装层具有超高的硬度，即使老鼠咬穿外护套，也无法咬透铠装层，不会破坏缆芯部分；另外，由于采用不锈钢带或镀锌钢丝具有防锈效果，即使长期暴露在外界环境中，也无法腐蚀，可达到长期高效的防鼠效果。但是不锈钢带或钢丝铠装会造成光缆成本大幅提升，同时由于光缆外径、重量增大，安装施工和后期维护的难度也大为增加。

第三种方式为生物防鼠，即通过选用新型材料实现防鼠。玻璃纤维纱是玻璃纤维经拉丝后涂覆树脂而成，其本身极细且脆，在光缆生产过程中，一般于缆芯外绕包多股玻璃纤维纱，进而形成一定厚度的铠装保护层，老鼠噬咬光缆时，其呈粉碎状的细小玻璃颗粒将伤及鼠类的口腔，使之对光缆产生畏惧感。而鼠群之间存在生物传递性，从而达到群体畏惧感，实现防鼠效果。该种防鼠方式新颖环保，且光缆可做成全介质结构，安全性高，因此在国外大量应用。但根据我司前期所做的防鼠试验结论，玻璃纤维铠装层最小厚度达到1.0mm才可具有防鼠效果，因此玻纤纱用量带来成本大幅增加，且玻纤纱防鼠的时效性也有待考证。

(2) 防鸟方式

光缆的防鸟啄措施也有两种，一种为物理方式，其原理与防鼠光缆类似，也是通过提高材料的硬度来实现防鸟啄功能，例如，采用不锈钢带铠装或镀锌钢丝铠装可以有效保护里面缆芯免受进一步侵害，达到防鸟啄的要求。

另外一种是生物方式，利用动物的警戒色进行防护，即在光缆外护套采用特殊颜色，使啄木鸟等鸟类看到光缆具有畏惧心理，从而远离光缆，起到防护的效果，根据市场调研，红色、橙色等鲜艳颜色会对啄木鸟产生强烈的视觉冲击而引起畏惧感，因此在防鸟啄光缆设计时建议外护套采用红色或橙色等鲜亮的颜色。

(3) 防蚁方式

实现光缆防蚁效果，目前也有两种方式，一种是化学方式，其原理与防鼠光缆类似，也是通过在护套料中添加防蚁剂来实现防蚁功能，利用防蚁剂对白蚁的刺激性达到防蚁功能，但同样由于防蚁剂的挥发性，其时效性相对较短。

另一种方式为物理方式，在光缆最外层挤制一层尼龙护套（聚酰胺护套）。白蚁主要是通过其分泌的蚁酸来实现对光缆的腐蚀，蚁酸即甲酸，属于有机酸，是一种弱酸，普通的PE护套或LSZH护套并无防护效果，而尼龙具有耐弱酸特性，能够防止蚁酸的腐蚀，且具有长效性。

4 全介质高强度防生物啮咬光缆的设计思路与实现原理

目前，市场上单独具备防鼠、防鸟或防蚁功能的光缆型号很多，但能够实现多种生物防护的光缆型号基本没有。根据上述防鼠、防鸟、防蚁的思路，我们设计了一种全介质高强度防生物啮咬光缆，其同时具有防鼠、防鸟和防蚁三重功效，且防护等级高、安全环保、施工简便。

为实现上述功能，我们在结构设计优化、新型材料选用、工艺流程控制等方面进行综合考虑。图4为全介质高强度防生物啮咬光缆结构图，图5为全介质高强度防生物啮咬光缆实物图。

(1) 结构设计

（1）层绞式多护套结构

防生物啮咬光缆一般敷设于野外，安装和运行环境较差，对光缆的机械性能、环境性能要求也更为苛刻，因此采用层绞式结构，其成缆过程中形成的光纤绞合余长，使光缆具有很好的抗拉性能和温度特性，另外，多护套的结构设计，在提升光缆防啮咬性能的同时，也增强了光缆的抗侧压性能和防水性能，从而使得光缆能够承受恶劣的安装施工条件和不断变化的外界环境。

（2）FRP铠装防护层

在防生物啮咬方式的探讨部分中，从防护效果和寿命来看，物理方式最为可靠，因此我们考虑采用增加铠装层来提高光缆的硬度。玻璃纤维增强复合塑料杆（FRP）具有质量轻、模量高、抗腐蚀等优越性能，在光缆设计过程中经常用来替代磷化钢丝作为光缆加强件。全介质高强度防生物啮咬光缆设计时，在内护外采用多根细圆FRP以螺旋绞方式进行密集绞合，形成一层坚硬致密的铠装层，即使老鼠或啄木鸟破坏了外层护套部分，也无法突破铠装层影响缆芯部分，其对防鼠和防鸟啄无疑是最有效方式之一。铠装FRP性能指标见表1。

表1 铠装FRP性能指标

（3）尼龙防护层

尼龙材料独特的特性对防蚁来说无疑是最有效的方法，因此在设计结构时我们在光缆聚乙烯护套外围再加挤一层透明的尼龙护套，为了保证防蚁可靠性，我们控制尼龙护套厚度在0.5 mm±0.1 mm。当客户对光缆有防鸟的额外需求时，可选用红色尼龙护套。且尼龙的硬度很高，是聚乙烯的两倍，对防鼠和放鸟啄本身具有一定防护效果。

（4）警戒色设计

根据特殊地域的防鸟需求，我们可利用生物警戒色的原理，在光缆制造过程中采用红色或橙色尼龙12作为外护套，通过鸟类对这类颜色的恐惧心理降低鸟类飞落光缆的概率，进而减轻鸟类对光缆的破坏。

图4 全介质高强度防生物啮咬光缆结构图

图5 全介质高强度防生物啮咬光缆实物图

(2) 材料选用

全介质高强度防生物啮咬光缆采用全介质环保型材料，如FRP、尼龙，其具有高模量、高强度、安全环保的特点，使得光缆具有极优异的机械性能，能够长期耐受恶劣的外界环境影响。

另外，全介质高强度防生物啮咬光缆整体截面为全介质结构，不含任何金属材料，对强电具有天然屏蔽，可避免雷电引入造成人员和设备财产损失。

为保证应用可靠性，我们在材料选用上精益求精，目前国内应用于防蚁的尼龙牌号有尼龙6和尼龙12，但经过我们测试，尼龙6虽然成本低廉，但耐环境应力开裂性能相对较差，长期应用于恶劣环境中易导致开裂而失去防护效果，因此在全介质高强度防生物啮咬光缆的设计过程中我们选用了性能较好的尼龙12。

(3) 工艺控制

全介质高强度防生物啮咬光缆在制造过程中，除了常规工艺控制以外，需重点关注以下两道工序：

（1）铠装工序

①FRP铠装后抗拉强度主要由铠装FRP提供，所以必须正确选择铠装FRP的性能、数量、直径和绞合节距，以保证装铠光缆在短期施工拉力下，光缆中的光纤应变不超过规定值。

②因FRP相对钢丝而言，强度较低且脆，因此对FRP放线张力需重点控制，张力的大小根据缆芯结构和FRP规格调整，并需保证张力恒定，放线稳定。

③缆芯经过定径模用无纺布以一定张力绕包后，必须在张力牵引轮上绕若干圈后，以恒定的收线张力将缆芯平整的收在盘具上，并保证收线盘的尺寸大于缆芯最小允许弯曲半径。

④正确的选用模具是生产出合格产品的关键，FRP铠装工序使用的模具有定径模和过线模，不同规格的缆芯应选用相应的模具，如模具过大会导致FRP错位，FRP与缆芯接触不紧密；如过小则会导致缆芯受力吃掉光纤余长，导致光纤衰减偏大，严重时甚至会将缆芯拉断。

（2）尼龙护套工序

①尼龙12是极性分子材料，易吸潮，高温时易氧化，当含水量大于0.3%时就无法挤出。为保证产品质量，已开封尼龙料需在生产前进行干燥处理，通常控制在110℃、6小时，未开封料则无需处理。

②尼龙12是温度突变型材料，熔点高，挤出温度范围窄，其熔点约为180℃，若挤塑温度过高会导致焦粒，影响光缆外表，温度过低则会因冷凝固导致磨具堵塞，因此对尼龙12的挤出温度需严格控制。

③为使尼龙护套挤包紧密，降低光缆尼龙在挤塑过程中受到应力，生产时应采用抽真空装置，避免护套层间出现气泡和杂质。

④由于尼龙护套硬度较高，对光缆弯曲半径有所限制，因此在选择收线盘具时需特别注意，保证筒体直径不小于30倍光缆外径，以保证安全。

5 产品机械性能及环境性能

为保证全介质防生物啮咬光缆应用可靠性，我们依据GB/T 7424.2-2008标准对其进行了全性能测试，含机械性能和环境性能，测试结果均为合格，表2为具体测试方法及结果。

表2 全介质防生物啮咬光缆机械环境性能测试方法及结果

关于防鼠性能测试，国内外均有成熟的测试标准，国内主要依据GB/T 29199-2012《光缆防鼠性能测试方法》，国外则依据Bellcore GR-20-CORE 《Generic Requirements for Optical Fiber and Optical Fiber Cable》Appendix A。因全介质高强度防生物啮咬光缆主要为国外客户开发，我们委托上海复旦大学依据Bellcore GR-20-CORE标准对全介质高强度防生物啮咬光缆的防鼠性能进行了试验测试。经过14天鼠咬试验测试，取出测试后的样品并解剖测量，白鼠只在某几点咬穿了尼龙外护套，但均未突破FRP铠装层破坏内护，按照该标准防鼠验收条件，本款光缆的防鼠等级达到2级，该试验证明了全介质高强度防生物啮咬光缆具有显著的防鼠效果。图6 为全介质高强度防生物啮咬光缆鼠咬试验前后对比图。

图6 全介质高强度防生物啮咬光缆鼠咬试验前后对比图

关于防蚁性能测试，光缆行业主要依据JB/T 10696.9-2011《电线电缆机械和理化性能试验方法》第9部分：白蚁试验，该标准规定了击倒法、实验群体法和蚁巢法三种白蚁试验方法来验证光缆的耐白蚁蛀蚀性能。目前，我们正在联系国内有相关资质的测试机构对全介质高强度防生物啮咬光缆进行防蚁性能测试。但基于尼龙12的材料特性，我们相信该款光缆具有优良的防蚁性能。

防鸟光缆的研究还处于摸索阶段，国内还没有颁布关于电线电缆防鸟试验的标准。但是物理防鸟和添加警戒色防鸟的设计思路均经过实地应用，其可行性也得到有效验证，而且，我司开发的采用红色尼龙外护套的全介质高强度防生物啮咬光缆已在江苏宿迁投入试点应用，暂未收到客户质量反馈。此外，我们期待国家或行业内能够尽快发布防鸟光缆的相关测试标准，以通过标准测试来提高产品可信度。