非金屬光纜加強芯錨固方法的研究

謝明海，謝琪超

（1.國網浙江電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.寧夏大學，銀川 750021）

非金屬光纜加強芯錨固方法的研究

謝明海1，謝琪超2

（1.國網浙江電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.寧夏大學，銀川 750021）

針對非金屬光纜加強芯的RFP材料的特性，設計了一種新的楔形錨固夾具，通過對這種新夾具的受力分析，得到了楔形角、楔塊長度、加強芯抗剪強度、加強芯直徑、預應力、材料間摩擦系數等因素之間的關系，確定了非金屬光纜加強芯夾具的基本結構。設計的非金屬加強芯夾具可應用于金屬光纜、非金屬光纜在各種場合的接續和端部固定，對提高光纜運行可靠性有較大的幫助。

非金屬光纜；光纜接頭盒；FRP加強芯；錨固

0 引言

近年來，隨著電力系統對通信要求的提高以及光纜和光電通信設備價格的下降，光纜通信已經成為電力系統最主要的通信方式。

電力通信光纜的種類很多，有各種特種光纜和普通光纜。普通光纜中的非金屬光纜無金屬構件具有良好的電絕緣性能，變電站的引入光纜、與高壓線平行的光纜、多雷地區的光纜及變電站間的通信光纜普遍采用非金屬光纜。實際使用中，非金屬光纜的接續采用與帶金屬普通光纜同樣的方法，即光纜加強芯用螺栓壓緊固定。非金屬加強芯縱向抗拉強度比較高，但抗剪切強度比金屬加強芯差得多，因此用螺栓壓緊時可能會造成加強芯切削、開裂，給光纜的運行埋下了安全隱患。

目前還沒有一種專用的非金屬光纜加強芯固定方法或金具，非金屬光纜的接續和端部固定成為一個難題。研究非金屬光纜加強芯錨固方法有利于光纜的安全穩定運行，對提高光纜通信可靠性有重要意義。

1 普通光纜的接續方式

光纜一般由外護套、光纖、加強芯等組成。普通光纜外護套、光纖不能承受拉力，施工和正常運行時，外部拉力應作用在光纜加強芯上。光纜加強芯分為金屬和非金屬2種材料。帶金屬光纜中心加強構件采用高強度單圓鋼絲或由高強度鋼絲構成的1×7單股鋼絲繩，材料為不銹鋼絲或磷化鋼絲。而非金屬光纜中心加強構件采用FRP（纖維增強塑料）圓桿。

光纜是以盤為單位供貨的，一盤光纜通常為2～4 km，一條較長的光纜線路由多段光纜通過成品的光纜接頭盒接續，包括：光纖接續、護層和加強芯的連接、接頭損耗的測量、接頭盒的封裝以及接頭保護的安裝。光纜接續時，把進、出光纜的加強芯分別固定在接頭盒預留的螺栓壓接裝置上，再通過接頭盒的盒體接續，由加強構件（加強芯）、接頭盒盒體共同承受施工和運行時的拉力。光纜加強芯用螺栓壓接的方法如圖1所示。這種方法具有結構簡單、占用空間小、操作簡便的優點，在光纜接頭盒、光纜終端盒或機架上廣泛采用。

圖1 常規光纜加強芯的固定

2 非金屬光纜接續方式及接續故障原因分析

2.1 非金屬光纜加強芯的特點

FRP光纜加強芯是以玻璃纖維為增強材料，樹脂體系為基礎，在特定溫度下固化拉擠出的制品。玻璃纖維無捻粗紗是光纜加強芯的支撐骨架，從根本上決定了光纜加強芯的機械性能。復合材料中的樹脂基體將增強材料填充粘結成一個整體，起著傳遞和均衡載荷的作用，使增加材料能充分發揮力學性能優勢。樹臘基體決定了復合材料的耐熱性、耐化學腐蝕性能、耐候性、電絕緣性、電磁性等。

與磷化鋼絲材料相比較，FRP加強芯有下列優點：輕質高強；耐腐蝕性能好；電絕緣性能好；熱導率低、熱性能良好；可設計性好，工藝性優良，可以使產品有很好的整體性，工藝簡單，可以一次成型，經濟效果突出。磷化鋼絲和FRP光纜加強芯的性能比較見表1。

表1 磷化鋼絲和FRP加強芯的性能

2.2 非金屬光纜加強芯接續故障原因分析

非金屬光纜加強芯用螺栓壓接固定，在壓接處發生斷裂、逃脫的概率很高，這是由FRP加強芯的力學特性和錨固裝置不適配造成的。

技術標準YD/T 901-2009《層絞式通信用室外光纜》和YD/T 1181.3-2011《光纜用非金屬加強件的特性》中都對光纜加強芯的抗拉強度和楊氏模量作出了規定，但沒有對光纜加強芯抗剪切強度的要求。FRP是各向異性體，橫向抗剪切強度很低，玻璃纖維加強復合材料的橫向抗剪切強度僅為24.5 MPa，碳纖維加強復合材料的橫向抗剪切強度為71 MPa，因此FRP材料使用時應盡量避免橫向受剪。

用螺栓壓接，要求光纜加強芯有足夠大的抗剪切強度。24芯非金屬光纜加強芯直徑為 2.6 mm，當采用M4螺栓壓接時，由于螺栓與加強芯的接觸面積很難計算，因此采用假定值，取圖2中陰影面積的1/2，約為4.81 mm2。按FRP抗剪強度 24.5 MPa，則最大允許壓接力為 117.7N，FRP與鋼的摩擦系數為0.3，可知最大拉力F=2× 117.7×0.3=70.6 N，遠小于光纜接頭盒的允許接力800 N。而采用同直徑的磷化鋼絲加強芯，拉力可以達到2 114.2 N。非金屬光纜加強芯除了抗剪強度低外，還存在應力松弛和徐變，使非金屬加強芯的固定更加困難。

圖2 加強芯螺栓壓接

目前還沒有能用于非金屬光纜的接頭盒。不論國內還是國外的普通光纜接頭盒都只是用于金屬加強芯光纜，當用于非金屬光纜的接續時，極易造成光纜加強芯的開裂、松脫直至斷開。運行中的非金屬光纜端部加強芯處于不受力狀態，在外力作用，光纜外護套就會被拉出，造成光纜進水、纖芯拉斷等故障。

3 非金屬加強芯夾具的研制

FRP加強芯采用螺栓壓接的端部錨固方式無法滿足工程的需要，應尋找新的錨固方法，因此研制一種RFP加強芯夾具，該夾具能安全夾緊加強芯，加強芯上的拉力通過夾具傳遞到接頭盒上，可滿足工程需要。

3.1 FRP加強芯夾具的一般要求

加強芯夾具作為光纜連接器的一部分，性能要求除了應滿足GB/T 12507.1-2000《光纖光纜連接器 第1部分：總規范》和YD/T 814.1-2013《光纜接頭盒 第一部分：室外光纜接頭盒》的規定外，還應滿足當拉力為800 N時，夾具對加強芯的橫向壓強小于24.5 MPa；外形尺寸應滿足通用性的要求，安裝在普通的光纜接頭盒內不影響原接頭盒的功能和光纜接續施工。

3.2 FRP加強芯夾具的受力分析

按照上述要求，遵循簡單可靠的原則，提出FRP加強芯夾具采用2片楔塊式錨具，由滑動楔塊、套筒等組成。由于FRP材料的橫向強度低，可能承受不了滑動楔塊直接作用下的橫向擠壓力，從而導致FRP加強芯在壓接區損傷，使用時應在滑動楔塊與加強芯之間墊一層軟金屬套管作為緩沖層。楔塊式錨具的夾持性能主要受楔塊頂角角度、楔塊長度以及楔塊所受水平力的影響。防止拉力過小或為負時加強芯松脫，應對錨具中的楔塊施加一定的預應力。

在光纜接頭盒安裝完成并承受最大拉力的工況下，設夾具中單個滑動楔塊施加的預應力J為100 N，滑動楔塊的角度為α，套筒壁與滑動楔塊的摩擦系數為μ1，滑動楔塊與鋁套管的摩擦系數為μ2，光纜加強芯與鋁套管的摩擦系數為μ3，滑動楔塊受到光纜加強芯的拉力F、套筒壁對楔塊壓力M和摩擦力W、光纜加強芯對楔塊壓力Q，如圖3所示。

圖3 滑動楔塊的受力示意

F為接頭盒中光纜加強芯所受最大拉力的一半，即400 N；μ1在有潤滑劑時為0.1；μ2為0.30；μ3為0.28。因μ2〉μ3，不考慮滑動楔塊與鋁套管間的滑動，滑動楔塊與加強芯無相對滑動，則有以下關系式：

且應滿足：F≤μ3Q

選取不同的α值進行計算，根據計算結果，α和楔塊對光纜加強芯壓力Q的關系如圖4所示。Q隨著α的增大而減小，α過小時，加強芯所受的橫向擠壓力很大，可能會超過加強芯的橫向抗壓極限；α超過13.58°，在最大拉力時加強芯與鋁套管會相對滑動。

圖4 α和Q的關系

光纜加強芯的橫向壓強P與α和滑動楔塊的長度L有關，光纜加強芯的橫向壓強P與α關系見圖5。在同樣的拉力作用下，增大角度α和增加滑動楔塊的長度L可減小光纜加強芯的橫向壓強P。

圖5中，豎虛線的右邊為滑動區，水平虛線的上部區為破壞區，此區域內光纜加強芯的橫向壓強P大于24.5 MPa，可能造成加強芯損壞。只有2條虛線交叉的左下區域為可用區域。

圖5 α和壓強P的關系

根據計算結果，可以得出：

（1）在光纜加強芯的拉力作用下，滑動楔塊會對光纜加強芯產生很大的橫向擠壓力。

（2）滑動楔塊的長度L和角度α是2個關鍵參數，過小的α會使加強芯受到很大的橫向擠壓力，增大α可減小擠壓力，α超過13.58°時因擠壓力過小而無法夾持加強芯；增加滑動楔塊的長度L可減小加強芯所受的橫向壓強。在拉力不變時，楔塊的長度L與加強芯所受的橫向壓強Q成反比關系。

（3）長度L=30 mm的夾具無法滿足Φ2.0 mm以下的光纜加強芯的錨固要求，因此在非金屬光纜光纜訂貨時，應對加強芯提出最小直徑不小于2.2 mm的要求。

（4）受接頭盒尺寸的限制只能取L=30 mm時，楔塊的頂角α取10°～11°比較合適。

FRP材料除了外力引起的形變，還存在應力松弛和徐變現象，會影響加強芯夾具的長期穩定性。FRP加強芯在最大允許的剪切強度24.5 MPa作用下，依據FRP材料的剪切模量4.1 GPa，可計算出形變量為24.5×106/4.1×109=5.98×10-3，對于直徑2.6 mm的光纜加強芯，其形變量不足16 μm，因此在設計光纜加強芯夾具時，可以將加強芯作為剛體對待。應力松弛和徐變現象可通過對楔塊施加預應力和附加楔塊頂進裝置解決。

3.3 FRP加強芯夾具的結構與使用

FRP加強芯固定夾具包括夾具外套、滑動楔塊、旋緊蓋、平墊、膜形彈圈。夾具外套為圓柱形，在中間開有1個楔形孔，滑動楔塊裝于夾具外套的楔形孔內，夾具外套尾端有外螺紋，旋緊蓋通過螺紋安裝在夾具外套上。FRP光纜加強芯穿入專用夾具內2塊滑動楔塊中間的圓形槽內，滑動楔塊在夾具外套的楔形孔內向前滑動壓緊光纜的加強芯。通過擰進旋緊蓋對滑動楔塊施加預應力，夾緊光纜加強芯。旋緊蓋與滑動楔塊之間墊有平墊和膜形彈墊，防止旋緊蓋和滑動楔塊的松動，也可防止非金屬光纜加強芯的應力松弛和徐變現象。夾具外套外壁上有2個對稱的圓孔，用于專用工具的夾持。FRP加強芯夾具的結構見圖6、圖7。

圖6 光纜加強芯夾具結構

圖7 滑動楔塊加工示意

FRP加強芯夾具利用楔塊原理，把滑動楔塊頂進套筒，在橫向壓力和摩擦力的作用下夾緊光纜加強芯。在滑動楔塊與加強芯之間墊一層0.2～ 0.3 mm的鋁套管作為緩沖層，鋁套管的長度應超過滑動楔塊的兩端。滑動楔塊與夾具套筒的接觸面上涂潤滑劑，以減小摩擦。

用于光纜接頭盒的光纜接續時，將FRP加強芯夾具安裝在接頭盒內，代替原來的螺栓壓接裝置，如圖8所示，安裝時取下原來的壓接螺栓，在加強芯固定座的后面用夾具錨固加強芯即可。光纜端部在機架上的固定采用同樣的安裝方法。

圖8 加強芯夾具安裝示意

4 結論

非金屬光纜中心加強芯的材料特性要求非金屬光纜加強芯的錨固需要采用專用的夾具。非金屬光纜加強芯夾具對加強芯的剪切力小、夾持力大，能較好地解決非金屬光纜接續中加強芯開裂、滑脫的問題，可廣泛應用于金屬光纜、非金屬光纜在各種場合（首尾端機柜、中間接頭盒、光纜交接箱等）的接續和端部固定，可顯著提高光纜運行的可靠性。

[1]趙渠森.先進復合材料手冊[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]YD/T 901-2009層絞式通信用室外光纜[S].北京：人民郵電出版社，2009.

[3]王蘭彩.纖維增強復合材料（FRP）特性[J].山西建筑，2011，37（8）∶106-107.

[4]GB/T 12507.1-2000光纖光纜連接器 第1部分：總規范[S].北京：中國標準出版社，2000.

[5]虞建宏,明志光.FRP光纜加強芯的生產和質量控制[C]//光纜電纜學術年會論文集，2002.

[6]楊偉，虞建宏，明志光.光纜加強芯的生產和質量控制[C] //全國第二屆光纖光纜用材料技術研討會論文集，2007.

[7]YD/T 1181.1-2015光纜用非金屬加強件的特性 第1部分：玻璃纖維增強塑料桿[S].北京：人民郵電出版社，2015.

[8]YD/T 1181.3-2011光纜用非金屬加強件的特性 第3部分：芳綸增強塑料桿[S].北京：人民郵電出版社，2011.

[9]郭范波.碳纖維預應力筋夾片式錨具的研究及開發[D].南京：東南大學，2006.

[10]GB/T 16529.2-1997光纖光纜接頭 第2部分：分規范光纖光纜接頭盒和集纖盤[S].北京：中國標準出版社，1997.

[11]YD/T 814.1-2013光纜接頭盒 第一部分：室外光纜接頭盒[S].北京：人民郵電出版社，2013.

（本文編輯：趙曉明）

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

謝明海（1967），男，高級工程師，從事變電工程、通信工程設計工作。