3.4.2. Основные элементы волоконно-оптического кабеля

Рис. 3.18. Конструкция волоконно-оптического кабеля

Рис. 3.18. Конструкция волоконно-оптического кабеля

Для любого кабеля важными характеристиками являются предел его прочности на разрыв, устойчивость к сжимающим и изгибающим усилиям, гибкость, защищенность от внешних воздействий, диапазон рабочих температур, срок службы и т.д. Величина этих характеристик зависит от конкретного применения кабеля. Так, ОК для наружного применения находится в экстремальных условиях. Он противостоит изменяющимся температурным условиям, налипанию льда, сильному ветру и грызунам, повреждающим его при подземной прокладке. Очевидно, что он должен быть прочнее кабеля, соединяющего оборудование внутри здания и работающего в контролируемых условиях. Кабель, прокладываемый под ковром в офисе, по которому ходят люди, двигают кресла, должен выдерживать дополнительную нагрузку по сравнению с кабелем внутри стен того же офиса.

Остановимся на основных элементах волоконно-оптического кабеля. На рис. 3.18 предоставлены основные компоненты простого оптического кабеля с одним волокном. Конструкция кабеля может быть достаточно разнообразной, но общими являются следующие компоненты:

  • оптическое волокно;
  • буферная оболочка (ПЗО);
  • силовой элемент;
  • внешняя оболочка.

Конструкция сердечника оптического кабеля. Как правило, сердечник оптического кабеля образуется из одного или нескольких элементов, в состав которых входят оптические волокна. Чтобы определить конструкцию сердечника кабеля или выбрать конструкцию элемента с оптическими волокнами, необходимо учитывать требования прокладки кабеля и монтажа волокон. Требуемое количество волокон в рассматриваемом кабеле и его применение определяют выбор типа конструкции элемента с оптическими волокнами.

Конструкция волоконно-оптических кабелей подразделяется на:

  • кабели с одним элементом, в состав которых входит только один элемент с оптическими волокнами;
  • кабели с несколькими элементами, в состав которых входит несколько элементов с оптическими волокнами.

Конструкция сердечника в кабелях с одним элементом соответствует элементам из оптических волокон, рассматриваемых на рис. 3.19.

Кабели с несколькими элементами конструируются посредством наматывания на центральный силовой элемент (СЭ) нескольких элементов с оптическими волокнами или свободного размещения нескольких объединенных элементов с оптическими волокнами в одной трубке, которая имеет оболочку с силовыми элементами. Если центральный силовой элемент в ОК не обеспечивает достаточной прочности конструкции, то поверх сердечника кабеля могут быть наложены дополнительные силовые элементы. При наличии в ОК двух слоев наружного СЭ, каждый из них накладывается в своем направлении, что препятствует возникновению крутящего момента при прокладке кабеля.

Примеры конструкций кабеля с несколькими элементами с оптическими волокнами представлены на рис. 3.20.

Рис. 3.19. Конструкции элементов сердечника

Рис. 3.19. Конструкции элементов сердечника:
а-с одной трубкой; б-многослойная; в-с использованием профилированного сердечника:
1-оптическое волокно; 2-гидрофобный заполнитель; 3-полимерная трубка;
4- оптическое волокно в плотном защитном покрытии; 5-лента с волокнами;
6-силовой элемент; 7-защитная оболочка; 8-профилированный сердечник

Силовые элементы волоконно-оптического кабеля. Для выбора силовых элементов, в первую очередь, следует определить необходимую нагрузку на растяжение, учитывая вес кабеля, его конструкцию, диапазон температур окружающей среды и условия прокладки кабеля (прокладывается ли кабель в кабельной канализации, непосредственно в грунте, подвергается ли он изгибаниям и т. п.). Силовые элементы должны обеспечивать достаточную прочность кабеля, чтобы деформация волокон не превышала допустимого предела с учетом динамической деформации, вносимой в процессе работы с кабелем. При максимальной нагрузке силовые элементы должны оставаться эластичными, позволяя при уменьшении растяжения кабеля сохранить длительную остаточную деформацию ниже допустимой [15].

Выбор силовых (армирующих) элементов и их расположение является важной проблемой, во многом определяющей надежность оптических кабелей.

В обычных кабелях медные проводники являются одновременно и силовыми элементами, способными сохранять работоспособность при относительном удлинении в продольном направлении до 10 %. В ОК эту функцию должен выполнять армирующий элемент или группа армирующих элементов. Как правило, относительное удлинение оптических волокон в ОК составляет около 0,5 %, поэтому они могут быть разрушены уже при незначительных удлинениях кабеля. Остаточное рабочее механическое напряжение в кабеле должно быть значительно ниже напряжений, вызывающих разрушение ОВ..В некоторых конструкциях роль армирующих элементов в кабеле играют гладкие или гофрированные традиционные оболочки из алюминия или стали.

В процессе конструирования ОК необходимо учитывать взаимное расположение упрочняющих элементов и ОВ. Существует два основных варианта такого взаимного расположения. В первом из них упрочняющий элемент располагают в центре ОК, а волокна — концентрически относительно центрального элемента. Во втором ОВ располагают в центре, а вокруг них — силовые элементы. При центральном расположении армирующих элементов гибкость кабеля в большей степени зависит от качества ОВ, его стойкости к изгибающим нагрузкам, однако конструкция эффективнее противостоит растягивающим нагрузкам. При концентрическом (внешнем) расположении армирующих элементов жесткость конструкции увеличивается, но возрастает стойкость кабеля к раздавливающим нагрузкам, обеспечивается лучшая защита от сил трения и срезающих сил (поперечный сдвиг).

Армирующие элементы могут влиять и на процесс изготовления кабеля. Стальные упрочняющие элементы эффективно предотвращают продольное сжатие волокна полимером при его охлаждении после нанесения оболочки методом экструзии. В то же время нить из графита или высокопрочной синтетической нити не способна предотвратить продольное сжатие волокна, поскольку сама изгибается под сжимающей нагрузкой, возникающей при охлаждении полимера. Это приводит к возникновению дополнительных потерь на микроизгибах в процессе изготовления ОК или во время эксплуатации при пониженных температурах. Изгиб упрочняющих элементов кабеля уменьшает его жесткость при растяжении.

Рис. 3.20. Конструкции ОК с несколькими элементами с ОВ

Рис. 3.20. Конструкции ОК с несколькими элементами с ОВ

Некоторые требования к прокладке ОК могут определять, где именно должны размещаться силовые элементы внутри кабеля, например: подготовка кабеля и сращивание волокон; сращивание оболочки; устройства для протяжки кабеля; геометрические размеры кабеля.

До тех пор, пока деформация волокна удерживается в допустимых пределах, можно применять силовые элементы любых типов. Поскольку жесткость сплошного провода пропорциональна величине его диаметра в четвертой степени, то при больших диаметрах необходимо использовать скрученные провода, или неметаллические силовые элементы.

Металлический силовой элемент может располагаться в центре сердечника или на периферии ОК. В качестве центрального силового элемента (ЦСЭ) может использоваться стальной провод или трос диаметром от 2 до 3,5 мм. На периферии кабеля металлический силовой элемент располагается в виде проволок, вмонтированных в оболочку. Металлический силовой элемент может располагаться и вне кабеля. Силовой элемент и кабель могут соединяться в процессе наложения оболочки и образовывать конструкцию в виде восьмерки.

В качестве ЦСЭ кабеля используется также стеклопластиковый прут. В будущем различные виды сложных материалов, например арамидные волокна, усиленные пластиком, будут вероятно шире использоваться, как альтернатива стальному проводу.

В кабелях, которые используются в условиях, требующих большую гибкость и прочность, обычно применяются арамидные нити в качестве силового элемента. Арамидные нити располагаются параллельно одному или нескольким волокнам в плотной укладке, образуя простой, но прочный силовой элемент. Арамидные нити имеют исключительно высокую прочность и гибкость и таким образом создают превосходную защиту против продольных силовых напряжений. Арамидные нити используются также как силовой элемент в воздушных кабелях и кабелях для прокладки в трубах. Нити накладываются слоем вокруг сердечника кабеля или между внутренней оболочкой и внешним защитным шлангом.

В последнее время в некоторых конструкциях ОК стал применяться концентрически пустой силовой элемент. Для воздушных кабелей, используемых при подвеске на больших пролетах между опорами, были разработаны специальные виды силовых элементов. В полой трубке из стеклопластика с номинальным диаметром 10 мм размещаются от 1 до 6 волокон. Эта конструкция позволяет подвешивать кабель при расстоянии между опорами до 800 м без учета потенциальной нагрузки из-за образования льда и ветра. Использование стеклопластикового силового элемента дает относительно легкий, полностью диэлектрический кабель, подвешиваемый на высоковольтных линиях передачи без каких-либо дополнительных мер защиты. Этот вид силового элемента обеспечивает эффективную радиальную защиту волокна.

Известны случаи использования для силовых элементов меди, армированной вольфрамом [13].

Оболочка, броня и защитный шланг оптического кабеля. Оболочка защищает сердечник кабеля от механических повреждений и повреждений, возникающих под воздействием окружающей среды. Поэтому при конструировании кабеля тип оболочки выбирается исходя из учета: образования водорода; климатических факторов; герметичности; влагостойкости; механической прочности (изгиб, кручение, радиальное усилие, растяжение, истирание и т.п.); химической устойчивости; диаметра; веса; пожароустойчивости; защиты от грызунов.

В конструкциях ОК, применяемых для внешней и внутренней прокладок, было использовано большое количество разных типов оболочки кабеля. Они подразделяются на оболочки: металлопластмассовые с металлическими лентами или металлическим слоем; пластмассе; пластмассовые с силовыми элементами; пластмассовые с впрессоваными силовыми элементами, комбинированные, со стальной гофрированной лентой; бронированные.

Типы оболочек, используемых в ОК для различных условий прокладки [15], представлены в табл. 3.7.

Таблица 3.7. Типы оболочек ОК для различных условий прокладки

Тип оболочек ОК

Воздушная подвеска

Прокладка в

грунте

канализации

туннеле

под водой

зданиях

Металлопластмассовая с металлическими лентами или с металлическим слоем

А

А

А

А

В

В

Пластмассовая

А

В

А

А

В

А

Пластмассовая с силовыми элементами

А

А

А

А

В

А

Пластмассовая с впрессоваными силовыми элементами

А

А

А

А

В

В

Бронированная

А

А

В

В

А

В

Примечание. А — обычно применяемый тип, В — редко применяемый тип

Металлопластмассовые оболочки. Рассмотрим несколько разновидностей металлопластмассовых оболочек для ОК.

Металлопластмассовая оболочка с металлическими лентами или с металлическим слоем содержит металлическую ленту, образующую влагонепроницаемый барьер. В некоторых конструкциях достигается полная водонепроницаемость. Металлическая лента может быть гофрированной для улучшения гибкости и сопротивления раздавливанию кабеля.

Металлопластмассовая сварная оболочка с алюминиевой ламинированой лентой включает алюминиевую ленту, которая, как правило, с одной стороны имеет ламинированное покрытие из тонкой полиолефиновой или сополимерной пленки. Алюминиевая лента с покрытием накладывается в продольном направлении поверх сердечника кабеля. Причем сторона, на которую нанесено покрытие, находится сверху, образуя, таким образом, трубку с нахлестом. Таким образом, полиолефиновый слой спрессовывается поверх ленты и сплавляется с опрессованным шлангом ОК, обеспечивая прочную связь между ней и алюминиевой лентой. Алюминиевая лента, имеющая покрытие с обеих сторон, может применяться в случае необходимости для заделки места прехлеста с целью улучшения влагонепроницаемого барьера или во избежание циркулирования токов в оболочке.

Металлопластмассовая оболочка со стальной лентой с ламинированным покрытием включает стальную ленту, которая с обеих сторон имеет покрытие из тонкой сополимерной пленки. Эта лента гофрируется и накладывается в продольном направлении поверх сердечника кабеля, образуя трубку с нахлестом, вдоль которой оплавляется сополимер, благодаря чему обеспечивается прочный сварной шов. В этом случае поверх ленты опрессовывается пластмассовый шланг, например, из полиэтилена.

Металлопластмассовая оболочка с алюминиевой лентой и лентой из луженой стали включает алюминиевую ленту, накладываемую в продольном направлении и образующую трубку, поверх которой надевается аналогичная и соприкасающаяся с ней трубка из луженой стали. Края ленты из луженой стали укладываются внахлест и пропаиваются. Для кабелей больших диаметров обе ленты гофрируются, что улучшает их гибкость. Поверх трубки из луженой стали наносится слой компаунда, а затем для защиты от коррозии она опрессовывается пластмассовой оболочкой. Такая оболочка представляет собой прекрасный влагонепроницаемый барьер.

Металлоппастмассовая оболочка со сваренной стальной лентой включает стальную ленту, накладываемую в продольном направлении и образующую трубку, края которой свариваются. Затем эта трубка гофрируется вокруг сердечника кабеля. Поверх стали наносится слой компаунда, а затем для защиты от коррозии она опрессовывается пластмассовой оболочкой. Такая оболочка является также прекрасным влагонепроницаемым барьером.

Метаплопластмассовая оболочка со свинцовой оболочкой, наносимой методом опрессовки включает водонепроницаемый слой в виде свинцовой оболочки, наносимой методом опрессовки. Для защиты сердечника кабеля от воздействия высокой температуры в процессе опрессовки свинцом необходимо использовать соответствующий теплоотводящий барьер между сердечником кабеля и его свинцовой оболочкой. В качестве этого барьера используются пластмассовые скрепляющие ленты сердечника ОК.

Пластмассовая оболочка. Оболочка этого типа наносится методом опрессовки пластмассовым материалом (полиэтилен или поливинилхлорид и т.п. ) и не является влагонепроницаемой.

Пластмассовая оболочка с силовыми элементами. Оболочка этого типа содержит силовые элементы, накладываемые в продольном или в поперечном направлении, которые могут быть металлическими и неметаллическими.

Пластмассовая оболочка с силовыми элементами, накладываемыми в поперечном направлении двумя слоями, имеет силовые элементы, намотанные по спирали двумя слоями, которые сбалансированы по крутящему моменту в противоположных направлениях. Поверх этих элементов наносится методом опрессовки пластмассовая оболочка. Рассматриваемые силовые элементы могут быть выполнены из стали или из пластмассы с упрочняющими стекловолокнами.

Пластмассовая оболочка с приваренными силовыми элементами имеет силовые элементы из арамидных нитей; помимо этого может включать стеклопластиковые силовые элементы, привариваемые к оболочке кабеля. При использовании в оболочке кабеля силовых элементов из арамидной нити можно применять центральный силовой элемент, препятствующий образованию петель. Рассматриваемая оболочка может содержать влагонепроницаемый барьер.

Пластмассовая оболочка, в которую впрессованы силовые элементы, комбинированная со стальной гофрированной лентой, включает два параллельных стальных силовых элемента, которые впрессованы в пластмассовую оболочку, наносимую поверх гофрированной стальной ленты с помощью опрессовки. Стальная лента размещается поверх сердечника кабеля и создает влагонепроницаемый барьер.

Бронированная оболочка кабеля. В качестве дополнительной защиты оптического кабеля, позволяющей удовлетворять конкретным условиям окружающей среды, используются несколько слоев брони, наносимых поверх оболочки кабеля. Дополнительная защита оболочки кабеля необходима при переходах через озера и реки, так как позволяет противостоять водному потоку и механическим повреждениям. Для бронирования оболочки может применяться спирально накладываемая одним или несколькими слоями стальная проволока с цинковым покрытием или проволока из нержавеющей стали, поверх которых накладываются защитные слои компаунда и пластмассовый шланг, наносимый методом опрессовки. При выборе проволоки для использования в качестве брони необходимо учитывать возможность образования водорода под воздействием коррозии. В качестве защиты от древоточцев может применяться медная лента.

Поверх пластмассовой оболочки можно накладывать свинцовую оболочку для кабеля, подвергающегося сильному воздействию нефтехимических веществ.

Для защиты от грызунов поверх оболочки кабеля может использоваться металлопластмассовая сварная оболочка с гофрированным покрытием из стальной ленты или из ленты из нержавеющей стали с покрытием с обеих сторон.

Внешний защитный шланг ОК, подобно изоляции провода, обеспечивает защиту кабеля от механического трения, масла, озона, кислот, щелочей, растворителей и т.д. Выбор защитного шланга ОК зависит от степени необходимой защиты и стоимости.

Волоконно-оптические кабели и линии связи


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.