CN103052903A

CN103052903A - 光纤架空地线线缆及其制造方法

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Publication number: CN103052903A
Application number: CN2010800680772A
Authority: CN
Inventors: J·马丁瑞格拉多; J·M·巴特利菲尔瑞尔; J·O·维德拉卡萨纳斯; V·格赫纳格拉; L-R·萨雷斯卡撒拉斯
Original assignee: Prysmian SpA
Current assignee: Prysmian SpA
Priority date: 2010-07-19
Filing date: 2010-07-19
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2030-07-19
Also published as: EP2596397A1; AU2010357835B2; WO2012010191A1; US9207419B2; BR112013001169A2; AU2010357835A1; CN103052903B; US20130183013A1

Abstract

公开了一种用于制造光纤架空地线线缆的方法。该方法包括以下步骤：提供具有缓冲管（3）和光纤（4）的光芯（2）；在光芯上提供由至少一层丝线（50）构成的加强结构，所述丝线的至少一部分被第一金属材料包覆；把外层（6）挤压到加强结构上，所述外层由第二金属材料制成，第二金属材料具有与所述第一金属材料的软化点基本类似的软化点；及在挤压之后立即冷却外层。

Description

光纤架空地线线缆及其制造方法

技术领域

本发明涉及光学通信网络领域。特别地，本发明涉及光纤架空地线（简称为OPGW）线缆及其制造方法。

背景技术

光纤架空地线（简称为OPGW）是适于在电力输送或配电线路中采用的高空线缆。例如，OPGW线缆可以在电力输送或配电线路的高压塔的顶部之间延伸，并且同时执行两种截然不同的功能：接地功能（即，它把高空线路连接到地，用于保护电力输送或配电线路不受雷击）和通信功能（即，它支持数据的传输）。

OPGW线缆的构造一般包括在内管中包含光纤的光芯——其中内管通常是由不锈钢、铝或聚合物材料制成的——该内管被一层或多层金属丝包围，所述金属丝又被外部的铝层环绕。光纤执行通信功能，而金属层执行接地功能同时保护光芯不受机械应力。

EP 0 092 980公开了一种架空电导体。特别地，柔性细长主体包括：基本上沿圆周刚性而且基本上沿圆周连续的铝或铝基合金的中央芯部，该芯部具有位于其中而且延伸通过其整个长度的细长隔室；松散地封装所述细长隔室中的至少一根光纤；围绕所述中央芯部的至少一层裸钢细长元件；及至少一个基本上沿圆周连续的铝或铝基合金的外层，该外层围绕裸钢细长元件的层，中央芯部的和/或外层的铝或铝基合金至少部分地填充裸钢细长元件之间的空隙。铝或铝基合金的沿圆周连续的外层最初是基本C形横截面的单个压出物，C的一个或每个分支都向内合拢，使得分支的自由端之间的间隙闭合。另选地，铝或铝基合金的沿圆周连续的外层可以是下拉式管。

US5,787,217公开了与架空电力输送线路一起使用的地线线缆。特别地，单个的光纤芯部结构被高张力金属或金属合金加强件（优选地是钢丝）包围。径向地向外移动，又被包在金属或金属合金管中，所述金属或金属合金管密封地封住光纤芯部结构并约束高张力丝。在地面接地线的情况下，管子可以是例如铝的。

GB2101505公开了一种制造水下使用的光纤线缆的方法。光纤线缆芯部包括围绕加强件保持到一起的多根光纤，包括光纤预制件。该预制件布置在铝管中。一层高张力钢丝螺旋形地绞合在该铝管之上，由此形成绞合的加强件。然后，通过连续的挤压处理直接在绞合的加强件之上同轴挤出一个超尺寸的铝管。随后，这个铝管被拉下并旋到绞合的加强件上，使得管子的材料填充至少丝线之间的空隙空间并且与绞合丝线层紧密接触。

发明内容

本申请人已经注意到，以上已知的线缆在其结构中所包括的丝线周围呈现出空的空隙。由于填充空隙的空气的导电率比在这种线缆中提供接地功能的金属材料的导电率低得多，因此这种空隙降低了线缆的导电率（因此也降低了其短路容量，即，其接地效率）。原理上，线缆的导电率可以通过增大线缆的外直径来增大，使得提供接地功能的金属材料的横截面积也可以增加。但是，这种解决方案意味着成本的增加和更大的线缆尺寸。

鉴于以上所述，本申请人已经解决了提供包括增强结构的光纤架空地线（简称为OPGW）线缆的问题，该增强结构由至少一层丝线构成，所述线缆具有增大的传导率而且使得线缆中可能存在的基本上全部空隙都被金属填充，尤其是丝线与内管之间的空隙，在现有技术的线缆中这种空隙是没有填充的。

另外，本申请人已经解决了提供用于制造包括增强结构的OPGW线缆的方法的问题，该增强结构由至少一层在光芯上绞合的丝线构成，所述方法允许基本上完全填充丝线与内层和外层之间的空隙，所述方法是尽可能简单的而且具有损坏线缆中所包含的光纤的最小风险。

这个问题是通过提供具有增强结构的OPGW线缆来解决的，该增强结构由至少一层丝线构成，所述丝线的至少一部分用第一金属材料包覆，并且在第二金属材料的外层中嵌入所述丝线，其中第二金属材料具有与丝线包层的第一金属材料的软化点基本类似的软化点。嵌入步骤是通过挤压外层并在挤压之后马上对其冷却来执行的。

在本说明书中和权利要求中，表述“丝线的至少一部分被包覆”意味着，如果R是线缆中所包含的丝线数量，则有K根丝线被包覆，K小于或者等于R，而且使得线缆不包括两根相邻的未包覆丝线。

在本说明书中和权利要求中，“金属材料的软化点”意味着金属材料可以被挤压的温度，这种温度在金属材料熔点的50%至75%的范围内。

在本说明书中和权利要求中，一种金属材料具有与另一种金属材料基本类似的软化点的概念意味着，所讨论的金属材料的软化温度范围至少部分重叠。

在外层的挤压过程中，丝线的包层软化而且基本上完全地填充丝线之间的空隙以及丝线和下面层的外表面之间的空隙。

为了方便用包层的金属填充空隙，对外层的挤压有利地是在压力之下执行的。

软化的包层的金属材料与软化的外层被挤出的金属材料熔合到一起，使得丝线与外层让位于基本上固态的结构，这从机械和电气的角度来说都是有利的。

基本上没有空隙的整体丝线/外层有利地充当单个导体，其（在给定某个外直径的情况下）具有增加的横截面积，并因此具有增加的传导率。这有利地增大了OPGW线缆的短路容量，而不用增加其外直径。

在挤压之后马上冷却外层的步骤有利地允许防止对光芯——例如对光纤以及对安放它们的内管——的可能损害。

与已知的方法不同，根据本发明的方法通过单个制造步骤（例如，挤压外层），有利地允许填充所有空隙，基本上不留下任何自由的空间，并且防止在丝线与外层之间形成空隙。

根据第一方面，本发明涉及一种用于制造光纤架空地线线缆的方法，所述方法包括以下步骤：

a）提供光芯；

b）在所述光芯上提供由至少一层丝线构成的加强结构，所述丝线的至少一部分被第一金属材料包覆；

c）把外层挤压到由至少一层丝线构成的所述加强结构上，所述外层由第二金属材料制成，第二金属材料具有与所述第一金属材料的软化点基本类似的软化点；及

d）在挤压之后立即冷却外层。

优选地，第一金属材料选自：铝、铝合金、铜、铜合金。

优选地，第二金属材料选自：铝、铝合金、铜、铜合金。

有益地，第一金属材料和第二金属材料基本上是相同的材料。

有利地，把外层挤压到加强结构上的步骤是在压力之下执行的。挤压压力有利地高于500巴，优选地是从600巴到700巴。挤压过程中施加压力便于填充空隙并且使处理加速，由此最小化在挤压过程中所施加的热量对光缆的影响。

优选地，把外层挤压到加强结构上的步骤是在400°C到500°C的挤压温度下执行的。有利地，施加420°C到480°C的挤压温度。

优选地，把外层挤压到加强结构上的步骤是以高于20m/min的挤压速度执行的，更优选地是高于25m/min。挤压速度可以高达60m/min。

优选地，把外层挤压到加强结构上的步骤是由包括阳模和阴模的挤压机执行的，其中阳模和阴模处于并排关系。

优选地，阳模是无颈部的。

优选地，阳模定位成其下游端离阴模的上游端有几毫米远，例如3-8mm。

根据另一方面，本发明涉及包括光芯和加强结构的光纤架空地线线缆，光芯包括封装在内管中的多根光纤，加强结构由绞合在所述光芯之上的至少一层丝线构成，所述丝线的至少一部分被第一金属材料包覆，所述加强结构由嵌入到第二金属材料的外层中的至少一层丝线构成，所述线缆在丝线与内管之间基本没有空隙。

优选地，内管是由金属材料制成的。用于内管的优选金属材料是不锈钢和铝，更优选地是铝。

另选地，内管可以由聚合物材料制成，优选地是聚乙烯。

优选地，线缆包括由一层丝线构成的加强结构。由于嵌入到了外层中，单层丝线提供了至少所要求的机械强度，而不需要附加的层。

优选地，第一金属材料选自：铝、铝合金、铜、铜合金。

优选地，第二金属材料选自：铝、铝合金、铜、铜合金。

每根被包覆的丝线都包括内芯和包层，内芯由第三金属材料制成，该第三金属材料具有比包层的第一金属材料的软化点高得多的软化点。优选的第三金属材料是钢。

附图说明

通过阅读以下具体实施方式，本发明将变得完全清晰，具体实施方式要参照附图来阅读，附图中：

图1是根据本发明的OPGW线缆的截面图；

图2是图1线缆中所包括的丝线的截面图；

图3是用于制造图1的OPGW线缆的装置的示意性表示；及

图4是根据本发明一种优选实施方式的阴/阳挤压模具配置的示意性例示。

具体实施方式

对于本说明书和所附权利要求书来说，除非另外指出，否则所有表达数量、量、百分比等的数字都应当理解为在所有情况下都可以通过术语“大约”来修改。而且，所有范围都包括所公开的最大与最小点的任意组合而且包括其中的任意中间范围，这可能或者可能没有在这里具体列出。

图1示出了根据本发明的OPGW线缆1。线缆1包括光芯2。光芯2又包括安放多根光纤4的内管3。仅仅是作为例子，图1中所示出的线缆1包括六根光纤4。

光纤4可以是适于长距离应用的任何已知类型。例如，光纤4可以是与ITU-T建议G.652（06/2005）兼容的标准单模光纤。另选地，光纤4可以是与ITU-T建议G.655兼容的NZDS（非零色散位移）光纤。光纤4优选地是松散地排列在内管3中，具有一定的过量长度。

内管3还可以包含填充化合物4a，例如氢吸收胶状物，用以保护光纤4不受氢侵蚀。

优选地，内管3的管状侧壁的厚度是0.20mm到0.30mm。

内管3可以由聚合物材料制成，例如聚乙烯，象高密度聚乙烯（HDPE），或者由金属材料制成，例如钢，象例如AISI304或AISI316的不锈钢，或者铝。

作为例子，在考虑不锈钢管的情况下，内管3的侧壁厚度可以是0.2mm到0.3mm。对于铝或者HDPE管，厚度应当更大。例如，所述厚度可以包括在1.0mm和2.5mm之间。

线缆1还包括多根丝线5。丝线5绞合到内管3上，从而形成包围光芯2的一个或多个同心加强层。优选地，本发明的线缆具有由单个层构成的加强结构。作为例子，图1中所示出的线缆1包括形成包围光芯2的加强结构的六根丝线5。

丝线5是金属丝。特别地，参考图2，每根丝线5都包括芯部50和包层51。芯部50由第三金属材料制成，而包层51由与第三金属材料不同的第一金属材料制成。第三金属材料的软化点优选地比第一金属材料的软化点高得多。例如，每根丝线都是由ACS（包铝钢）制成的，即，每个芯部50都是由钢制成而且相关的包层51由铝制成。ACS丝线可以是标准的ACS丝线，如由IEC61232Ed.1.0,09.06.1993定义的（即，20SA、27SA、30SA或者40SA），或者是其钢/铝之比具有非标准值的非标准ACS丝线。另选地，芯部50可以由镀锌钢或者铝合金制成。

尽管在附图所示的实施方式中所有丝线5都包括包层51，但这仅仅是一个例子。更一般地说，丝线5的至少一部分是被包覆的。例如，如果线缆包括R根丝线（例如，R是偶数），那么R/2根丝线可以被包覆，而R/2根丝线可以不被包覆。在那种情况下，丝线优选地排列成包覆丝线与未包覆丝线交替。

每根丝线5的外直径优选地是1mm到5mm，更优选地是2mm到3.5mm。

线缆1还包括包围一层或多层丝线5的加强结构的外层6。外层6的外直径优选地是10mm到20mm，更优选地是12mm到18mm。

外层6由第二金属材料制成。特别地，外层6由具有与包层51的第一金属材料的软化点基本类似的软化点的第二金属材料制成。例如，第二金属材料可以选自铝、铝合金、铜、铜合金。

第一金属材料和第二金属材料可以是相同的材料。

如以下将更具体描述的，外层6直接挤压到由至少一层丝线5构成的加强结构上。在挤压处理中所达到的温度和压力导致丝线5的包层51的第一金属材料软化。软化的第一金属材料流动，有利地填充了丝线5之间的空隙以及丝线5和内管3的外表面之间的空隙。另外，包层51的第一金属材料有利地在挤压过程中与外层6的第二金属材料混合或熔合到一起，并相应地形成基本上固态的结构，这从机械和电气的角度看都是有利的。

在本发明的线缆1中，丝线5嵌入到第一和第二金属材料中。在丝线5周围基本没有空隙。整体的丝线5/外层6有利地充当单个导体，用以提供接地功能。另外，所述整体有利地给线缆1赋予改进的机械属性。

现在参考图3，将描述根据本发明一种优选实施方式的用于制造线缆1的装置。

装置10优选地包括光纤展开工具11、捆扎工具12、胶状物注入工具13、第一挤压机14、丝线展开工具15、缠绕工具16、第二挤压机17、冷却工具18和收集工具20。装置10的各个部分（工具和挤压机）彼此链接，从而形成连续的生产线（或者车间）。

光纤展开工具11优选地包括N轴光纤（在图3中示意性地由圆圈表示），N等于要包括在线缆1中的光纤4的数量。类似地，丝线展开工具15优选地包括M轴丝线（在图3中也示意性地由圆圈表示），M等于要包括在线缆1中的丝线5的数量。

通过光纤展开工具11，N根光纤4从对应的线轴展开，然后通过捆扎工具12，形成光纤束。

光纤束通过提供填充化合物4a的胶状物注入工具13。这是个可选步骤。

然后，光纤束通过第一挤压机14，其中第一挤压机14优选地通过挤压在光纤束周围提供内管3。代替第一挤压机14，装置10可以包括一种工具，这种工具提供连续的金属条、以光纤束周围以C截面的形式成形该金属条并且最终通过沿金属条的纵向端熔合焊接（weld）或填料焊接（solder）来密封地将其封住，由此提供金属内管3。这种备选方案不是优选的。

其中封装了光纤4的内管3通过缠绕工具16。缠绕工具16优选地接收从丝线展开工具15的线轴展开的M根丝线5，并且优选地根据开放螺旋形（或者“S-Z”）模式把它们缠绕到内管3上，由此形成一层或多层丝线5。

然后，其中封装了光纤4而且有丝线5缠绕在其上的内管3通过第二挤压机17。第二挤压机17把外层6挤压到丝线5层上。特别地，外层6优选地是通过挤压金属材料获得的，如以上所提到的，这种金属材料具有与制成丝线5的包层51的金属材料的软化点基本类似的软化点。挤压处理优选地是以足够高的速度执行的，以防止这个处理的热量把外层6中所包围的元件（特别是光芯2）的温度升高到可能损坏内管3、光纤4或者填充化合物4a（如果有的话）的值。特别地，挤压处理优选地是以高于20m/min的速度执行的，更优选地是高于25m/min。例如，挤压处理的速度可以高达60m/min。

第二挤压机17中的压力优选地高于500巴，更优选地是600巴到700巴。挤压温度优选地在400°C和500°C之间，更优选地在420°C和480°C之间。如对于本领域技术人员将显而易见的，温度的选择依赖于第一和第二金属材料而且依赖于制造光芯2所采用的材料。

如图4中所示出的，第二挤压机17包括阳模170和阴模171。阳模170是无颈部的。阳模170和阴模171优选地处于并排关系。特别地，阳模170放置成离阴模171几毫米远。有利地，阳模170放置成离阴模171有4-6mm远。对图4中所示模具配置所执行的挤压有利地是在压力之下执行的。

如以上所提到的，在第二挤压机17中，在挤压处理中所达到的温度与压力引起包层51的软化。还由于在第二挤压机17中所施加的压力值（高于500巴），软化的包层51的金属材料有利地填充丝线5之间的空隙以及丝线5和内管3的外表面之间的空隙。包层51的金属材料有利地与外层6的金属材料基本上熔合到一起，从而形成基本上固态的结构，这从机械和电气的角度看都是有利的。因此，丝线5的芯部50嵌入到金属材料中。

在挤压之后就马上通过冷却工具18冷却外层6，其中温度和压力优选地分别降低到室温和大气压力。优选地，冷却工具18包括水浴，外层6通过该水浴。水浴使得在水浴中通过几米之后（即，几秒钟之后，假定把外层6提供给水浴的速度高于25m/min），外层6及其中所嵌入的元件（即，光芯2和丝线5）的温度达到室温。在挤压之后马上在这么短的时间内冷却外层6有利地允许防止对光芯的可能损坏，因为在挤压过程中提供给外层6的热量在挤压之后立即被快速除去了，由此防止所述热量到达光芯2并把其温度升高到危险的值。

线缆1最终在收集阶段20中收集在一个或多个收集鼓上。

对这样产生的线缆进行了测试。特别地，制造出了包括光芯的OPGW线缆，光芯又包括嵌入到氢吸收胶状物中的48根光纤，光纤被由不锈钢制成并且具有大约3.5mm内直径和大约4.0外直径的内管包围。光芯被由ACS20AS制成的八根丝线包围，形成一个加强层。每根丝线都具有大约2.42mm的直径。铝外层在600-700巴的压力下在460±20°C挤压到丝线上。结果产生的OPGW线缆的总直径是16.2mm。结果产生的线缆的实测重量是690kg/km而且实测额定抗拉强度（RTS）是5700kg。结果产生的线缆在丝线周围以及在丝线和内管之间基本上没有显现出空隙。

线缆的短路容量是根据IEC60724（1984）评估的而且在40°C得到305KA²s的值。另外，对线缆还执行了机械测试（特别地，测量了应力应变、极限抗拉强度、挤压（crush）和过滑轮（sheave））。得到包括在如缓冲管中0.5%和0.6%之间的应变限量。在应力应变、挤压和过滑轮测试中没有发现光纤的衰减。极限抗拉强度（UTS）的测量结果是大约7000Kg（RTS的123%）。

与具有相同外直径的已知OPGW线缆相比，根据本发明的OPGW线缆具有增大的导电率并且由此具有增大的高短路容量。

这种线缆制造起来很容易而且安全。

挤压之后就马上冷却外层有利地允许防止对光芯的光纤的可能损坏。

处理是在单个制造步骤中执行的。

Claims

1.一种用于制造光纤架空地线线缆（1）的方法，所述方法包括以下步骤：

a）提供光芯（2）；

b）在所述光芯（2）上提供由至少一层丝线（5）构成的加强结构，所述丝线（5）的至少一部分被第一金属材料包覆；

c）把外层（6）挤压到由至少一层丝线（5）构成的所述加强结构上，所述外层（6）由第二金属材料制成，第二金属材料具有与所述第一金属材料的软化点基本类似的软化点；及

d）在挤压之后立即冷却外层（6）。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述第一金属材料选自：铝、铝合金、铜、铜合金。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述第二金属材料选自：铝、铝合金、铜、铜合金。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一金属材料和所述第二金属材料是基本相同的材料。

5.如权利要求1所述的方法，其中步骤c）是在压力之下执行的。

6.如权利要求5所述的方法，其中步骤c）是在高于500巴的压力之下执行的。

7.如权利要求1所述的方法，其中步骤c）是在400°C到500°C的挤压温度下执行的。

8.如权利要求1所述的方法，其中步骤c）是以高于20m/min的挤压速度执行的。

9.一种光纤架空地线线缆（1），包括光芯（2）和加强结构，其中光芯（2）包括封装在内管（3）中的多根光纤（4），加强结构由绞合到所述光芯（2）上的至少一层丝线（5）构成，所述丝线（5）的至少一部分被第一金属材料包覆，所述加强结构由嵌入到第二金属材料的外层（6）中的至少一层丝线（5）构成，其中第二金属材料具有与所述第一金属材料的软化点基本类似的软化点，所述线缆在丝线（5）与内管（3）之间基本没有空隙。

10.如权利要求9所述的光纤架空地线线缆（1），其中内管（3）由聚合物材料制成。

11.如权利要求9所述的光纤架空地线线缆（1），其中内管（3）由金属材料制成。

12.如权利要求9所述的光纤架空地线线缆（1），其中加强结构由一层丝线（5）构成。

13.如权利要求9所述的光纤架空地线线缆（1），其中所述第一金属材料选自：铝、铝合金、铜、铜合金。

14.如权利要求9所述的光纤架空地线线缆（1），其中所述第二金属材料选自：铝、铝合金、铜、铜合金。

15.如权利要求9所述的光纤架空地线线缆（1），其中被包覆的所述丝线（5）中的每一根都包括芯部（50）和包层（51），所述芯部（50）由第三金属材料制成，该第三金属材料具有比所述第一金属材料的软化点高得多的软化点。