电力光纤损耗及测试方法研究

朱淑云，谢芳娟，陈艳

（南昌大学科学技术学院，江西南昌 330029）

电力光纤损耗及测试方法研究

朱淑云，谢芳娟，陈艳

（南昌大学科学技术学院，江西南昌 330029）

目前，电力传输网络与信息传输网络融合，电力特种光纤的应用更加广泛，同时对传输稳定性的要求也更高。针对电力光纤网络在传输中出现的衰减和损耗问题，通过分析与研究光纤内部材质和外界环境所带来的信息传输中的衰减与干扰，同时根据理论对电力特种光纤的衰减设计测试方案进行测试，通过对测试结果进行分析及对比来寻找造成损耗的因素影响和最理想的测试方法。

电力光纤；损耗；熔接；测试方法

近年来，电力需求日益增多，电力通讯网络成为电力公司发展的主要对象，通过结合传统的输电设施资源优势，将专用于电力的特种光缆进行广泛铺设。在建设通信量较大的光纤传输骨干网时，其对光缆的稳定性要求较高，因此电力光纤的性能损耗是制造商和运营商所广泛关注的[1]。光纤损耗极大地影响着电力通信的距离以及wdm、SDH等通信设施的性能。在电力光纤到户、信息技术蓬勃发展的当下，各行各业均对光纤的性能极为关注，由此可知，如何降低光纤的损耗对光纤通信系统有着重要意义。

本文经过分析比较，研究了目前经常使用的一些电力特种光纤，并分析了其的使用场景。同时，研究了在电力光缆传输的现有理论基础下的光纤损耗因素，尤其是对一些光缆如光纤符合低压电缆的研究，通过研究其损耗因素及测试方法，进行实际的测试方案设计，并对比不同测试方案的结果，对其影响因素在不同指标中进行计算分析，尤为关注信息和电力同时传输过程中对光缆指标所产生的影响[2]。

1 电力光纤分类及其环境分析

当前主要应用于电力的特种光缆包括光纤复合架空地线（OPGW）、金属自承式光缆（MASS）、光纤复合低压电缆（OPLC）以及全介质自承式光缆（ADSS）。其中，光纤复合架空地线的设计是在架空输电线的地线中内置光纤单元，其不仅在电路传输中充当防雷地线，同时又具有通信光缆的作用。光纤复合架空地线的经典结构包括铝管式结构、钢管式结构以及铝骨式架构。金属自承式光缆和光纤复合式架空地线中的一种在结构上极其相似，由于其金属绞线常采用镀锌的钢线，所以拥有结构简单且价格低廉的特点[3]。

MASS的弧垂和强度及导线、地线间相邻间距的安全性是金属自承式光缆在进行使用中备受关注的一面。OPLC通过在低压电缆中加入符合电缆的一种兼具电力和光通信双重功能的电缆，其更多地使用在为用户网提供先进的、低压配网及可靠的通信介质的场景中。ADSS为通过芳纶纱担负自身的负重而进行悬挂的光缆通信，其采用全非金属材料，中心管及缆芯外均缠有芳纶纱，外部覆盖有黑色的聚烯烃护套，使得其可以被挂载在电线塔的电源框中。

2 光纤衰减及损耗因素

2.1 衰减

电力光缆中光的功率减少程度即为其衰减，电力光缆的长度和其性质决定该衰减，且测量条件也具有一定的影响，也可被称为衰减系数。将OPLC的两端切开，并将光纤部分剥开，设距离为L的光纤两端的截面C1和C2间在波长λ处的衰减A（λ）为

式中：C1（λ）和C2（λ）分别为截面C1和C2中通过的光功率。可通过加入可控的稳态条件来更合理地表现光缆的衰减与长度间的比例变化。由此可将每个衰减系数线性相加，得出串接光纤的总衰减系数。令匀质的光纤处于稳态下，则通过以下公式可得到单位长度衰减α（λ）为

式中：L为光纤长度，km。

2.2 物质本征吸收损耗

在纯粹的介质材料中均存在本证吸收，这是固有吸收损耗。通常这些介质材料的中心波长约为16 μm，其在震荡时的吸收波长范围是8～12 μm，而这2个阶段便是吸收最严重的部分。为了将其避开，在使用的过程中，通常会将光缆的波长范围设定在0.8～1.6 μm。其间，损耗最少的范围是1.2～1.6 μm。

2.3 掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗

由于在光纤材料中常不可避免的掺杂有一些杂质离子，这些离子可以造成其中的杂质吸收，包括二价铜离子、二价铁离子、二价铬离子以及二价钴离子，这些离子在光波的激励作用下，经常会产生振动，导致电子在能级间发生跃迁或是离子间的电荷产生转移[4]。这些现象均会造成光能的吸收，并引起损耗存在。通常通过提取金属杂质以及优化光纤制作的环境空间来降低这些损耗，一般应使其在光纤中的含量不超过10-9。

2.4 光纤的散射损耗

在光纤中，由于每处的折射率并不能完全一致造成的损耗通常称为散射损耗，一般在制作生产中，通过提升工艺将这种缺陷降低到合理值。当光的波长大于不匀称的折射率的限度时会产生Rayleigh散射，瑞利散射的特征是与光的波长的4次方成反比。在条件合理的情况下，Rayleigh散射及本征吸收一并构成光缆材料的本征损耗。

2.5 光纤的接续损耗

在光纤的接续过程中会产生接续损耗，造成这种损耗的原因众多，主要是非本征因素和其他因素。光纤接续过程中会产生光缆轴心的倾斜、错位以及与端面分离连接器连接不佳等问题，这些问题会导致非本征因素的损耗[5]。其他因素主要是指光纤的两端截面的质量、平整度等问题，当然技术人员的操作能力水平及步骤甚至融接机器的清洁程度造成的损耗也均可被归于此类因素。

3 电力光纤损耗的主要测试方法

3.1 剪断法

在实验研究中，通常使用的一个测试电力光纤损耗的办法是剪断法，顾名思义其测试方式会将光纤进行剪断，因此测试结果相对准确度较高，但会造成对光纤的破坏。在对电力光纤损耗的精确测量过程中[6]，可考虑使用该种办法。具体方式如图1所示，图1中将需要测量的光纤与测试装备相连接，同时将光源输出的功率P2调至最大。

图1 剪断法测量损耗Fig.1 Measurement of loss by shear method

保持光源的输出功率不变，在距其2～3 m处将电力光缆剪断，此时对短的光缆所输出的功率P1重新进行测试。对比两次测试的结果，能得到光缆的衰减功率如下式所示。

其中，对应的衰减常数为

3.2 后向散射法

将通过采用光在时域的反射仪（optical time domain reflectmeter，OTDR）进行测试的办法称为后向散射法。该种方法的原理是根据Fresnel反射原理和光纤中光线的后向散射现象来设计的，如图2所示。

图2 后向散射法测量光纤损耗Fig.2 Measurement of the fiber loss by backscattering method

激光在进入到分光板后，要测量的电力光纤便进入了入射光。由于其散射作用，光纤自身内部的一些缺点会造成Fresnel反射，而后向散射光则向着光线进入的方向传播，在光线通过了分光板部件之后，往后方向的散射光便抵达了接收部分，文中使用固定的采样速度给这些散射后的信号进行采样，然后将得到的信号进行量化编码，便可获取到后续散射光的光强，继而能够得出光缆的损耗值[7]。

3.3 插入法

图3为使用插入法来测量光源的功率原理图，此处测出的功率为P1。

图3 插入法原理图Fig.3 Schematic of the interpolation method

首先加工出待测光缆两端的端面，然后将其一端放进连接器1的右边，另一端放入连接器2的左边，如图4中就是插入法测光缆的损耗示意图。

图4 插入法测量光纤损耗Fig.4 Interpolation method to measure fiber loss

此时，光缆衰减的功率P为

光缆的衰减常量为

式中，将仅有一个连接器存在时的光线的损耗用P1来标记，P2则代表有2个这样的部件串入时所产生的损耗。通常在计算光缆的衰减因子和损耗的过程中，连接器自身并不包含在其中。

4 对电力光缆的损耗进行的实验研究

4.1 电力光缆的吸收损耗和散射损耗特性的实验研究

电力光缆对光的频率吸收关系，如图5和图6所示，这2幅图分别是在波长为513.5 nm和633 nm时光纤对光的吸收和调频的关系图。

图5 513.5 nm的波长下，光纤对信号的吸收与调频间的关系Fig.5 Relationship between the optical fiber signal absorption and FM in 513.5 nm wavelength

图6 633 nm的波长下，光纤对信号的吸收与调频间的关系Fig.6 Relationship between the optical fiber signal absorption and FM in 663 nm wavelength

根据图5和图6所示结果，可得出光纤对光信号的吸收与其调制频率成反比。

4.2 电力光纤散射光声频率特性

图7中的关系说明在631.9 nm波长时，光缆散射信号与其调频的负0.8次方成正比例关系。

图7 在631.9 nm波长下光纤散射光声信号和频率之间的关系Fig.7 Relationship between the optical fiber signal absorption and FM in 613.9 nm wavelength

根据该图的测试可知，被测试的光缆在621.9 nm处的吸收损耗为9.29×10-4cm，约为406 dB/km。

4.3 电力光纤连续损耗的实验研究

在试验和日常应用中，造成光纤接续损耗的主要原因包括以下几点。

4.3.1 本征因素

造成光缆的接续损耗中最大的本征原因就是模场直径的失配，一条融接良好的10 μm光缆，接头中存在的实际衰减其实远大于在理论计算中的0.2 dB，二者的关系如图8所示。

图8 模场直径失配时产生差值和熔接损耗间的关系Fig.8 Relationship between the difference cause by the mode field diameter mismatch and fusion loss

4.3.2 非本征因素

由于操作过程中的人为原因，熔接品质及使用仪器的误差造成的光纤损耗统称为非本征因素，由于光缆截面并不完整所造成的衰减，如在对其进行切断时，角度大于4°，便会产生0.5 dB的熔接衰减，其他的诸如清洁程度、技术人员水准等也均会影响到光纤的接续损耗[8]。

4.3.3 其他因素

造成光纤的接续损耗还含有以下原因：熔接的工作流程、对光纤进行盘转的情况、光缆的接续程度、机械设备的状况和在处理过程中对各项参数的设定以及外部的环境等[9-10]。

4.4 2种方法测试光纤接头损耗

使用以下的2种方法来测试上述的损耗。

4.4.1 两点近似法

使用两点近似法时，若光时域反射仪采样的分辨率较低或测量曲线的线性程度不高时，得到的结果有可能产生较大误差[11]。文中在此处使用两点近似法来测试的光缆损耗为0.18 dB，如图9所示。

图9 两点近似法测试结果Fig.9 Test results of the two-point approximation

4.4.2 最小二乘近似法

使用最小二乘近似法测量出的接续损耗为0.17 dB，其结果如图10所示。

图10 最小二乘法测试结果Fig.10 Least square test results

该方法的原理是若所有标记到某条直线间距的偏差的平方和到达最小时，则该条直线就是所要的结果。在上图中，直线L的方程是y=a+bx，n个数据采样点（xi，yi）到达这条直线距离的偏差为最短即可，通过计算各点与该线的差的平方和，并使其最小，便可得到L[12]，具体计算如下：

式中，要使平方和E达到最小的充要条件为

对该方程进行代数求解，能够得出直线L的2个参数a和b的具体表达式为

其中

5 结语

首先对现有使用较多的电力光缆的分类结构及其应用场合特点进行了分析，随后研究了电力光纤衰减的因素和原理，得出不同的影响因子对电力光缆所造成的衰减影响。研究了光纤复合低压电缆的情况，对该种使用广泛的光缆传输特点及其原理进行了分析，在上述研究的基础之上，进行测试方案的设计，最终对比分析测试结果。电力光纤的损耗中仍有众多因素需进一步研究与探讨，寻找光电结合中问题的更多解决方案。

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（编辑 张晓娟）

Study of Electric Power Optical Fiber Loss and Its Test Methods

ZHU Shuyun，XIE Fangjuan，CHEN Yan
（College of Science and Technology，Nanchang University，Nanchang 330029，Jiangxi，China）

With ever-increasing of convergence of the electricity transmission network and information transmission network at present，application of special power optical fiber becomes more extensive，and the same time，the requirements for the transmission stability are more strict.In view of the attenuation and loss of the power optical fiber in transmission，this paper studies the attenuation and interference occurred during the information transmission and caused by the internal material and external environment of the optical fiber，and according to the theory，tests are performed on the designed attenuation scheme of the special power optical fiber.The test results are then analyzed to find the factor causing the loss and the most ideal testing method.

power fiber；signal loss；weld link；test method

2016-07-03。

朱淑云（1985—），女，硕士，讲师，研究方向为自动化技术；

谢芳娟（1985—），女，硕士，讲师，研究方向为通信技术、信号处理；

陈 艳（1982—），女，硕士，讲师，研究方向为电力电子技术及嵌入式系统。

江西省科技计划项目（20133BBE50030）；江西省教改课题（JXJG-14-28-1）。

Project Supported by the Science and Technology Program of Jiangxi Province（20133BBE50030）；Education Reform Program of Jiangxi Province（JXJG-14-28-1）.

1674-3814（2016）12-0034-05

TN915.853

A