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www.read-wca.comWire & Cable ASIA – May/June 2015
纤性能提升可能向终端用户掩盖张力
问题，而该问题可能导致长期机械可
靠性风险。
2.4
通过使电缆中使用材料最少化和
降低设计余量来缩减成本
很多架空电缆采用光纤零张力设计。
随着成本压力增大，设计工程师被迫
降低材料成本。随着光纤周围的强度
成分被移除，光纤开始承担部分通常
由电缆中强力构件承担的轴向应变。
设计工程师可能求助于各种电缆标
准，发现长期最大允许张力为验证测试水平的
20%
。
实际上，行业内就这些电缆的设计实践正在从通常安装后光
纤不承担任何负荷向允许光纤承担不超过验证测试水平的
20%
的方向转变。在此负荷水平上电缆可靠性的长期历史表
明这似乎是一项合理的决定。
2.5
目前可采用
1.38
京帕 （
200
千磅平方英寸）的更强验证测
试纤维
前面一节中表明，通过允许光纤承担张力可以节省材料成
本。传统光纤验证测试强度为
0.69
京帕(
100
千磅平方英寸)，
按
20%
上限计算，纤维最大允许张力为
0.14
京帕。设计工程
师可以选择使用更强的验证测试纤维，比如
1.38
京帕(
200
千
磅平方英寸)纤维，按
20%
上限计算，纤维最大允许张力可以
增加到
0.28
京帕。通过允许电缆承受更大张力，使光纤分担
的张力加倍，从而进一步缩减光学电缆所用材料。最终结果
是使光学电缆成本更低。
2.6
调整后的光学电缆设计标准的联合效应
所有这些趋势合起来可能导致对服务提供商不太理想的局
面。虽然通用标准允许的纤维张力更强，但是由于使用的是
G.657
纤维，张力并不影响衰减。最终结果可能是对光学电缆
的光纤施加了高达
0.28
京帕的长期张力。同时，人们仍然预
期这些纤维能够使用
30
年以上而不破损。这种情况考验可靠
性理论的极限，在其实施前应当加以更仔细的考量。
3
现行允许张力标准的来源
电缆设计的现行经验法则是最大允许张力不超过验证测试水
平的
20%
。这条标准来源于二十世纪九十年代
[2,3]
所做的可靠
性工作。
在那些研究中，作者表明长期性能与验证测试压力有关，但
这假定存在一定的验证测试失败可能性。后来，他们观察多
个应力腐蚀参数，用
50
千磅平方英寸和
100
千磅平方英寸验证
测试纤维，以表明它们的近似值是确保长期可靠性的一个合
理的、保守的方法。这项工作使光纤行业向前迈出了重要的
一步，为向目前的验证测试水平转变提供了支持。
不幸的是，这项研究有一个关于光纤缺陷分布（具体来讲就
是验证测试时纤维断裂的可能性）的关键假定。这种可能性
不稳定，对于不同条件下或采用不同原材料生产的光纤有很
大区别。图
1
显示了作者的某工厂生产的石英纤维的失效概率
曲线，采用
10
米的计量长度来图解光纤缺陷范围。
该图显示有两个区域：区域
1
（内在强度）和区域
2
（外力强
度）。这条曲线说明了为预测长期纤维可靠性需要刻画的主
要区域。区域
1
为高内在强度区域。被测纤维的玻璃内在强度
为
~4.6
京帕，明显高于卓讯
GR-20
推荐的
3.1
京帕的上限。该
区域中的短期计量长度强度测试可以用于决定
n
值，被测纤维
的
n
值高于
20
。为了确保电缆的长期可靠性，内在强度和
n
值
通常由终端用户指定。
不幸的是，区域
2
所示的外在部分在定义光缆的长期可靠性
方面起着重要作用。这个区域包含的缺陷更接近验证测试水
平，这些缺陷可能隔数公里出现一次。
随着时间的推移，如果电缆持续受到压力，这些缺陷就可能
变成纤维断裂。要理解这个区域需要的信息，只有通过测量
很长公里数的纤维才能收集到。更高的验证测试水平能够避
免光纤中出现一些更严重的缺陷。
然而，由于缺乏更多关于光纤整体缺陷分布的信息，对已架
设电缆中光纤可靠性的精准效应很难测定。阐明这一点的途
径之一是用比光纤内在强度稍低的水平，或者约
3.8
京帕(
550
千磅平方英寸)进行光缆验证测试。
如果将实验中截取的一条
1,000
米光纤样本置于
110
千磅平方
英寸的恒定应力环境中，这条光纤很可能在一天之内就会断
裂，或者远远早于
40
年的预期寿命。虽然这个例子是极端情
况，但突出表现了掌握决定可靠性的复杂等式是何等重要。
4
国际电工技术委员会(
IEC
)技术报告关于
可靠性的指南
国际电工技术委员会
[4]
公布的可靠性模型是目前公认的可靠
性模型之一。该组织报告中提出了一个预测光纤寿命的公
式——经过验证测试的光纤的寿命等式。该等式可以表示为
下列表达式：
其中：
t
f
代表失效时间（寿命）
t
p
代表验证测试时间
σ
p
代表验证测试应力
σ
a
代表作用应力
F
代表失效概率
N
p
代表验证测试破损率
L
代表张力作用下的长度
m
d
代表威布尔动态疲劳m参数
n
代表应力腐蚀参数
这个表达式很复杂，但是我们可以得到几个观测值。
图
1
表明作用应力越强，失效概率越高。因此，
F
等式中失效
概率变量与作用应力变量
σ
a
直接相关。由验证应力的
20%
推
导出长期最大允许负荷的传统经验法则假定这两个变量是独
立的，与图
1
不一致。为了充分掌握失效概率和作用应力之间
的关系，必须检测长达数百公里的光纤。
表
1
给出了三种场景的对比结果。第一种是
0.69
京帕验证测试
纤维，长期负荷为验证测试负荷的
20%
。
我们用下列生成的数值代入等式
1
中：
n
d
=20
m
d
= 2.5
t
p
= 0.05
秒
N
p
=
每
250
公里
1
处破损
1
公里光纤的失效概率
20%
长期负荷、
0.69
京帕验证测
试纤维
40%
长期负荷、
0.69
京帕验证测
试纤维
20%
长期负荷、
1.38
京帕验证测
试纤维
每公里
1.0
百万分之一
1,600
年
0.0
年
530
年
*
每
100
公里
1.0
百万分之一
16
年
0.0
年
5.3
年
*
*
验证测试水平从
0.69
京帕升至
1.38
京帕，失效率有很大差异
❍
表
1
:
失效概率对比（一百万分之一寿命）