3.4.6. Конструкции волоконно-оптических кабелей

Классификация ОК. Все существующие волоконно-оптические кабели можно разделить на кабели внутренней прокладки, кабели внешней прокладки и кабели специального назначения. По конструктивным особенностям все ОК можно разделить по виду вторичного защитного покрытия (ВЗП) или оптического модуля на кабели с плотной, свободной и ленточной укладкой волокна. Выбор конкретной конструкции кабеля определяется его назначением и требованиями, предъявляемыми к его характеристикам.

Плотное защитное покрытие применяется, как правило, во внутриобъектовых кабелях с высокой плотностью заполнения, гибкостью и простотой изготовления, низкими растягивающими нагрузками и ограниченным рабочим диапазоном температур. В качестве материала для плотного буферного покрытия применяются термопластические материалы, имеющие низкий ТКЛР, близкий к ТКЛР стекла, и обладающие высокой гибкостью, прочностью и высоким сопротивлением истиранию. Волокна, имеющие плотное ВЗП, могут использоваться индивидуально, образовывать пучки, связки волокон или повивную конструкцию. При повивной скрутке ОВ скручиваются вокруг центрального силового элемента (ЦСЭ).

В ОК, к которым предъявляются жесткие требования по растягивающим и раздавливающим нагрузкам в широком температурном диапазоне, используется свободная укладка ОВ в защитном покрытии в виде трубки из полимерного материала, алюминия или нержавеющей стали. В таких кабелях ОВ или пучки ОВ размещаются внутри трубки с избыточной длиной для обеспечения стойкости к растягивающим напряжениям. Такой способ укладки ОВ используется, как правило, в кабелях наружной прокладки. При этом существуют многомодульные конструкции кабелей, в которых оптические модули скручиваются вокруг ЦСЭ. Иногда сердечник таких ОК состоит из ОМ и корделей (заполнителей) или ОМ и жил дистанционного питания. В кабелях наружной прокладки ОМ иногда располагаются в пазах профилированного сердечника, который представляет собой цилиндрический пластмассовый стержень с прямоугольными или Ч-образными пазами. Расположение трубок или канавок по спирали придает ОВ дополнительную степень свободы. В центре профилированного сердечника размещается обычно силовой элемент. Если необходима дополнительная защита от влаги оптический модуль может быть заполнен гидрофобным заполнителем.

Укладка ОВ в ленту используется в кабелях с большим количеством волокон, при этом ОВ в первичном покрытии располагаются в один ряд и соединяются в ленту при помощи, например, связывающего материала ультрафиолетового отверждения. Несколько плоских лент могут соединяться в матрицу, что увеличивает количество волокон в десятки раз, существенно не изменяя конструктивных размеров кабеля.

Кабель внешней прокладки в зависимости от условий их применения можно разделить на кабели для прокладки в трубах, кабельной канализации, коллекторах, непосредственно в грунт, подвесные и подводные. Кабели этой категории подвержены значительным механическим нагрузкам, возникающим в процессе их прокладки и эксплуатации. Температурные изменения окружающей среды, в которой находится кабель, также приводят к дополнительным механическим нагрузкам. Вредное влияние оказывают различные химически агрессивные вещества и влага. Воздействие грызунов на кабель может привести к ухудшению его рабочих характеристик или полному выходу из строя.

Все эти факторы определяют основные конструктивные элементы, характерные для этой категории кабелей. К таким элементам относятся трубки со свободной укладкой оптических волокон, скрученные вокруг металлического или диэлектрического ЦСЭ или одна центральная трубка для укладки большого числа ОВ; заполнение свободного пространства ОК ГЗ или водоблокирующие ленты для обеспечения продольной водонепроницаемости; силовые элементы в виде слоев армидных нитей, стеклопластиковых стержней или стальной проволоки; защитная броня либо в виде стальной (чаще гофрированной) ленты для защиты от механических повреждений и грызунов, либо в виде крученых стальных нержавеющих или оцинкованных проволок, наложенных слоями для придания нужных механических защитных свойств; защитный шланг из полиэтилена черного цвета.

Кабели для наружной прокладки. Кабели для прокладки в земле эксплуатируются, в основном, при изменении температурного режима от – 60оС до +55оС, при воздействии на них воды, льда, гидростатического давления воды, агрессивных жидкостей, ударов твердых пород и пр. ОК данного типа прокладывают с помощью обычного оборудования, используемого для прокладки магистральных кабелей связи [20). Примеры конструкции ОК для прокладки в земле представлены на рис. 3.29.

Рассмотрим более подробно конструкцию кабеля изображенную на этом рисунке. Оболочка из полиэтилена служит защитой от проникновения влаги. Гофрированная стальная оболочка защищает кабель от повреждения при прокладке и грызунов. Наружный слой из полиэтилена уменьшает трение кабеля при его прокладке. Гидрофобный заполнитель кабеля препятствует проникновению внутрь влаги. При этом оптические характеристики ОВ при эксплуатации не ухудшаются. Общий диаметр кабеля (Дн) составляет 14 ... 25 мм.

Рис. 3.29. Конструкция кабеля для прокладки в земле

Рис. 3.29. Конструкция кабеля для прокладки в земле:

1-ОВ; 2-заполнитель ОМ; 4-ЦСЭ; 5-кордель; 6-ГЗ сердечника; 7-скрепляющая обмотка; 8-армирующий слой; 9-оболочка; 10(1)-гофрированная броня; 10(2)-подушка под броню; 11-ГЗ брони; 12-ленточная броня; 13-шланг

Свободное размещение ОВ без натяжения и бокового давления в ОМ сердечника, подвижность волокон при изгибе кабеля и растяжении, высокая прочность, стойкость к удару и сжатию (вследствие применения алюминиевой или стальной гофрированной оболочек), экранирование и защита от удара молнии, возможное наличие токопроводящих жил питания, герметичность конструкции обеспечивают высокие эксплуатационные свойства данной конструкции и ее надежность.

Минимальный радиус изгиба кабеля 20ДН, максимально допустимое усилие растяжения от 2,5 до 4,0 кН.

Кабели для прокладки в каналах кабельной канализации, трубах и коллекторах должны иметь высокую механическую стойкость к растягивающим и изгибающим нагрузкам, продавливанию, кручению, влаге. Прокладку этих кабелей осуществляют протяжкой строительной длины в трубы, выполненны из полиэтилена, асбестоцемента или бетона. Длина участков для прокладки ОК может составлять от 100 до 500 м.

Конструкция кабеля (рис. 3.30 а) содержит сердечник с армирующим элементом в виде стального троса или стеклопластикового стержня, вокруг которого скручены ОВ в полимерной оболочке, наложенной в виде трубки. Герметизация ОВ достигается через заполнение трубок желеобразным составом. Количество ОВ может достигать от 2 до 72 и более.

Поверх сердечника ОК накладывают скрепляющий элемент из полимерной пленки или алюмополиэтилена, полимерную оболочку, армирующий элемент и наружный защитный шланг. Предел прочности на разрыв составляет не менее 1500 Н при относительном удлинении ОК не более 0,5%. Кабель выдерживает изгиб, как правило, радиусом 150 мм, воздействие вибраций при частоте 10 Гц, стоек к закручиванию на угол 360о.

На рисунке 3.30 б в качестве примера приведена многопрофильная конструкция ОК с большим числом ОВ фирмы Alcatel. В пазах профильного модуля применяется, как укладка одного ОВ, так и многоволоконная укладка. Причем в последнем случае укладка ОВ может быть ленточной. На рис. 3.30 в приведена конструкция так называемых легких ОК фирмы Lucent Technologies (США). Эти ОК имеют сердечник в виде пластмассовой трубки с ленточной укладкой (до 96) ОВ. Трубка заполнена гидрофобным заполнителем. В качестве силового элемента используются две группы периферийно расположенных стеклопластиковых стержней. Для прокладки таких кабелей в кабельную канализацию нашел достойное место метод вдувания [29].

Кабели для воздушной подвески делятся на самонесущие диэлектрические, самонесущие с несущим тросом, навивные и встроенные в грозозащитный трос или провод высоковольтных линий электропередачи.

Рис.3.30. Конструкция ОК для прокладки в трубах и коллекторах

Рис.3.30. Конструкция ОК для прокладки в трубах и коллекторах:

а-модульная; б-с профильным сердечником; в-с центрально расположенным модулем:

1-ОВ; 2-трубка модуля; 3-силовой элемент; 4-заполняющий компаунд; 5-пластиковая пленка; 6-защитный шланг из ПЭ; 7-профилированный сердечник; 8-водоблокирующая лента; 9-ленты с волокнами

Самонесущие кабели используются при подвеске на опорах воздушных линий связи и высоковольтных ЛЭП, контактной сети железнодорожного транспорта, а также на стойках воздушных линий городской телефонной сети. Диэлектрическая конструкция таких ОК имеет круглую форму, что снижает нагрузки, создаваемые ветром и льдом, и позволяет использовать кабель при больших расстояниях между опорами (до 100 метров и более). В качестве силового элемента таких ОК используется ЦСЭ из стеклопластика и пряжа из арамидных нитей, заключенная между полиэтиленовой оболочкой и полиэтиленовым защитным шлангом (рис. 3.31 а).

Рис. 3.31. Конструкции подвесных кабелей

Рис. 3.31. Конструкции подвесных кабелей:

а – диэлектрический самонесущий кабель; б – самонесущий кабель с тросом:

1-ОВ; 2-трубка модуля; 3-центральный силовой элемент; 4-оболочка ЦСЭ; 5-гидрофобный заполнитель; 6-ПЭ оболочка; 7-стальная гофрированная лента; 8-защитный шланг; 9-стальной трос; 10-арамидная пряжа

Для прокладки в сельских районах, а также для устройства переходов от одного здания к другому могут применяться ОК с несущим тросом (рис. 3.31 б). Конструкция самонесущих кабелей с металлическим тросом имеет форму восьмерки; несущий трос вынесен отдельно от оптического сердечника и скрепляется с ним в единую конструкцию ПЭ оболочкой. В обоих видах кабелей свободное пространство заполнено ГЗ, но возможно использование водоблокирующих нитей и лент для уменьшения веса и ускорения процесса монтажа.

Кабель может эксплуатироваться при температуре от –40оС до +50оС, максимальное растягивающее усилие при установке 50 кН, минимальный радиус изгиба 300 мм, количество ОВ от 4 до 72.

Рис. 3.32. Конструкция ОК с несущим тросом из неметаллических элементов для воздушной подвески

Рис. 3.32. Конструкция ОК с несущим тросом из неметаллических элементов для воздушной подвески:
1- защитный шланг; 2-кевлар; 3-оболочка из полиэтилена; 4-ОВ; 5-сердечник из полимерного материала

Фирмы Felten&Guilleaume (ФРГ), и Phillips (Голландия) разработали оригинальную конструкцию ОК [20], в которой несущий трос выполнен распределенным равномерно по сечению кабеля из неметаллических элементов, что позволяет устанавливать кабель непосредственно на опорах высоковольтных линий передач (рис. 3.32). Два ОВ расположены вдоль сердечника из полимерного материала, являющегося одновременно армирующим элементом. Вторичная защитная полимерная оболочка ОВ выполнена трубчатой. Сердечник и ОВ скреплены с помощью полимерной ленты и помещены внутрь оболочки из полиэтилена. Поверх этой оболочки накладывают слой из высокопрочных синтетических нитей типа кевлар, внешний защитный шланг из полиэтилена, внутри которого размещены армирующие элементы из стекловолокна. Максимальное расстояние между точками подвеса кабеля 200 м, масса ОК 100 кг/км.

На воздушных линиях связи для подвески на опорах используются также конструкции ОК, представленные на рис. 3.31 Эти конструкции подвесных ОК крепятся к несущему проводу с помощью диэлектрических шнуров или лент, или же с помощью специальных зажимов, или спиралевидных отрезков металлической проволоки.

Навивные кабели подвешиваются методом навивки вокруг несущего, например, фазового провода или провода заземления (грозотроса) на высоковольтных ЛЭП (рис. 3.33).

Рис. 3.33. Расположение навивного кабеля на грозозащитном тросе

Рис. 3.33. Расположение навивного кабеля на грозозащитном тросе

Для пролетов большой длины и при существовании риска внешних повреждений, например, белками, охотниками и пр., ОК встраивают в качестве центрального элемента в заземляющий трос или фазовый провод (рис. 3.34).

Особое внимание следует уделить оптическим кабелям, встроенным в грозозащитный трос. При разработке конструкций таких кабелей следует учитывать, что кабель должен обеспечивать стабильность характеристик ОВ в течение длительного периода времени (не менее 25 лет); обеспечивать надежную защиту линий от ударов молнии; выдерживать значительные токи короткого замыкания.

По конструктивным особенностям ОК, встроенные в грозозащитный трос, можно разделить на несколько основных групп [30].

Первая группа кабелей. Оптический сердечник заключен в трубку из алюминия или из алюминиевого сплава, которая может быть герметичной и негерметичной. Она обеспечивает механическую защиту оптического сердечника, имеет низкое электрическое сопротивление. Поверх трубки наложены повивы из проволок, определяющие механическую прочность кабеля и его электрические параметры (рис. 3.34).

Рис.3.34. Типовые конструкции кабелей первой группы

Рис.3.34. Типовые конструкции кабелей первой группы:

а-кабель фирмы Alkoa Fujikura LTD; б-кабель фирмы Сables Pirelli S.A.

Рис. 3.35. Типовая конструкция оптического кабеля второй группы фирмы AEG

Рис. 3.35. Типовая конструкция оптического кабеля второй группы фирмы AEG

Вторая группа кабелей. Оптические волокна находятся в герметичной сварной трубке из нержавеющей стали (оптическом модуле), свободное пространство трубки заполнено гидрофобным заполнителем. В зависимости от требуемого количества ОВ изготавливаются кабели с различным диаметром и количеством таких ОМ. Как правило, один или несколько таких модулей скручены вокруг центральной проволоки, образуя первый повив кабеля. Поверх накладывается еще один или два повива проволок, в зависимости от требуемой механической' прочности и электрического сопротивления кабеля (рис. 3.35). Также встречаются конструкции с центральным расположением ОМ.

Третья группа кабелей. В центрально расположенной трубке из полимера находятся ОВ, свободное пространство трубки заполнено гидрофобом. Поверх нее могут накладываться арамидные нити для упрочнения оптического сердечника. На нити может быть наложена оболочка, служащая для термоизоляции и компенсации раздавливающих усилий со стороны одного или нескольких слоев проволок, скрученных поверх нее. На рис. 3.36 приведена конструкция ОК третьей группы, разработанная фирмой Siemens [30].

Рис. 3.36. Конструкция кабеля третьей группы фирмы Siemens

Рис. 3.36. Конструкция кабеля третьей группы фирмы Siemens

У кабелей этой группы производства фирмы Nokia внутреннее отверстие в трубке выполнено в виде геликоиды. Фирменное название этой трубки — Spiral Space (рис. 3.37). Такое конструктивное решение, по мнению разработчиков, позволяет иметь избыточную длину ОВ в кабеле до 0,5...0,6%.

Рис. 3.37. Конструкция ОК третьей группы фирмы Nokiaс ОМ в виде геликоиды

Рис. 3.37. Конструкция ОК третьей группы фирмы Nokiaс ОМ в виде геликоиды

В ОК, встроенных в грозозащитный или фазовый трос, используется проволока из алюминия или его сплавов, а также стальная проволока, плакированная алюминием.

В большинстве случаев сечение алюминиевых проволок от 25 до 95 мм2 обеспечивает передачу тока 160 А. Диаметр провода 28,2 мм, номинальная масса 690 кг/км. Поверх проводов может быть наложена оболочка из сшитого полиэтилена. Подобные конструкции проводов эксплуатируются в Англии с 1979 г., причем вставка из такого провода длиной 1 км работает с 1981 г. в линии напряжением 735 кВ. Введение только двух ОВ в конструкцию проводов для высоковольтных линий передач позволяет обеспечить 2000 телефонных каналов, что заменяет 30 обычных телефонных кабелей [20].

В ОК, встроенных в грозозащитные и фазные тросы, ОВ заключаются как в полимерные, так и металлические (нержавеющая сталь, алюминий) трубки. При применении стальных трубок может возникать водород из-за электрохимической коррозии, что приводит к скоплению водорода и его влиянию на ОВ.

Алюминий, согласно зарубежным источникам, пропускает водород, который выделяется из полимерных материалов при эксплуатации кабеля и может привести к увеличению затухания ОВ. Поэтому в таких кабелях необходимо свести к минимуму полимерные материалы (акрилатные покрытия волокон, гидрофобные заполнители, полимерные материалы оптических модулей) в замкнутом пространстве кабеля. В них применяют гидрофобные заполнители, нейтрализующие водород, и волокна с пониженной чувствительностью к водороду. Однако трубки из алюминия и проволока из алюминиевого сплава в повиве со стальными оцинкованными проволоками ограничивает срок службы кабеля из-за возникновения электрохимической коррозии. Для увеличения срока службы кабеля применяют специальные антикоррозионные смазки и покрытия стальных проволок. Наилучшим решением является покрытие стальных проволок алюминием. Это значительно повышает защиту стальной проволоки и проволоки из алюминия или алюминиевого сплава от коррозии.

Кабели для подводной прокладки имеют конструкцию, зависящую от места их прокладки. Так например, глубоководный ОК для прокладки на дне морей и океанов имеет защиту от гидростатического давления, а кабель для прокладки на мелководье или в прибрежной полосе обеспечивается защитой от сетей и якорей. Также учитывается гибкость, нагрузки на кабель при его прокладке и извлечении со дна. Для защиты ОК от воздействия морской воды, которая под высоким давлением легко проникает через пластмассу, сердечник кабеля обычно защищается медной алюминиевой или свинцовой трубкой, а свободное пространство заполняется гидрофобом. Для необходимой механической прочности используется, как правило, двухслойная проволочная броня из гальванизированной стали. Слои проволоки скручиваются в противоположных направлениях для исключения возможности образования петель.

Одна из возможных конструкций ОК для прокладки через водоемы представлена на рис. 3.38.

Рис. 3.35. Оптический кабель для прокладки через озера и реки

Рис. 3.35. Оптический кабель для прокладки через озера и реки:
1 – ОВ в первичном покрытии; 2 – трубка модуля; 3 –ЦСЭ; 4 – гидрофобное заполнение; 5 – внутренняя оболочка из ПЭ, наложенная поверх скрепляющей пластиковой пленки; 6 – стальная гофрированная лента; 7 – внутренняя оболочка из ПЭ; 8 – подушка под броню; 9 – броня из стальной проволоки; 10 – защитный шланг из ПЭ

Рис. 3.39. Конструкция морского ОК без регенераторов

Рис. 3.39. Конструкция морского  ОК без регенераторов:
1 – внешний слой армирующих проволок; 2 – внутренний слой армирующих проволок; 3 – оболочка;
 4 – медная трубка; 5 – полиэтилен; 6 – ОВ; 7 - внутренний проводник

Конструкция морских ОК — одна из наиболее сложных, поэтому остановимся на ней более подробно с иллюстрациями поведения кабеля при тех или иных внешних воздействиях [20]. Морские ОК разделяют на кабели с регенераторами и без них.

Морской ОК без регенераторов (рис. 3.39) предназначен для прокладки между островами, для преодоления небольших водных преград (рек, озер, каналов и пр.). Предполагаемая длина такого ОК не превышает 50 км. В его конструкцию входит броня, поскольку он предназначен для прокладки по мелководью, а ОВ имеет трехслойное покрытие (первичное, буферное, вторичное защитное).

Подводный ОК с регенераторами используется для больших расстояний и может прокладываться как на глубине, так и на мелководье (рис. 3.40).

Оптический морской кабель связи должен обеспечивать постоянство своих характеристик при воздействии значительных гидростатических давлений; перемещении по дну моря под влиянием течений и волн; взаимодействии с тралами, якорями, сетями и пр. предметами.

Рис. 3.40. Конструкция морского ОК с регенераторами

Рис. 3.40. Конструкция морского ОК с регенераторами:

а-ОВ скручены и помещены в общую силиконовую оболочку; б-ОВ в профилированном сердечнике:

1-оболочка; 2-полиэтиоеновая оболочка; 3-армирующие элементы, скрученные в разные

стороны; 4-медная трубка; 5-нейлоновая оболочка; 6-ОВ; 7-внутренний проводник;

8-медный профилированный сердечник; 9-полиэтиленовая лента

Рис. 3.41. Зависимость допустимого гидростатического давления для медной трубки морского ОК от соотношения ее радиуса к толщине

Рис. 3.41. Зависимость допустимого гидростатического давления для медной трубки морского ОК от соотношения ее радиуса к толщине

ОВ от гидростатического давления защищается сплошной металлической трубкой (медной или алюминиевой) или металлическим профилированным сердечником. Металлическая трубка наиболее устойчива к воздействию гидростатическо го давления и поперечного сдавливания. На рис. 3.41 приведена зависимость допустимого гидростатического давления для медной трубки от соотношения ее радиуса к толщине.

Морские ОК в ходе прокладки многократно подвергаются изгибу, поэтому способность противостоять гидростатическому давлению этих кабелей может ухудшиться. На рис. 3.42 приведен график испытаний кабелей этого типа на стойкость к гидростатическому давлению в зависимости от количества циклических изгибов. Peзультаты испытаний показывают, что стойкость пустотелой трубки значительно хуже, чем у заполненной.

Рис. 3.42. Зависимость допустимого гидростатического давления и элипсовидности трубки от количества циклических изгибов

Рис. 3.42. Зависимость допустимого гидростатического давления и элипсовидности трубки от количества циклических изгибов:
1 – элипсовидность заполненной трубки; 2 – стойкость к гидростатическому давлению заполненной трубки; 3 - элипсовидность пустой трубки; 4 - стойкость к гидростатическому давлению пустой трубки

Изменение затухания в ОК без peгенератора, вызванное деформацией медной трубки, показано на рис. 3.43.

Влияние температуры на характеристики ОК незначительно.

Рис. 3.43. Зависимость дополнительных потерь в морском ОК без регенераторов от гидростатического давления (длина волны 0,85 мкм)

Рис. 3.43. Зависимость дополнительных потерь в морском ОК без регенераторов от гидростатического давления (длина волны 0,85 мкм):
1 – внутренний слой ОВ; 2 – внешний слой ОВ

Морские ОК при прокладке или ремонте испытывают значительные усилия растяжения. Применение комбинации армирующих элементов обеспечивает не только целостность ОВ, но и стабильность их оптических характеристик при усилиях до 12 т., относительное удлинение ОК без регенераторов не превышает при этом 0,4 % (рис. 3.44) [20].

Относительное удлинение конструкций оптических кабелей при извлечении из воды с глубины 1,5 км не превышает 0,65%. Замена медной трубки на алюминиевую в конструкциях с регенераторами уменьшает эту величину до 0,50%. Таким образом, использование алюминия предпочтительно, так как при этом относительное удлинение кабеля не превышает относительного удлинения ОВ.

Рис. 3.44. Зависимость относительного удлинения и закручивания морского ОК от растягивающего усилия

Рис. 3.44. Зависимость относительного удлинения и закручивания морского ОК от растягивающего усилия:
1 – относительное удлинение; 2 – кручение

Если сопротивление трубки не превышает 2 Ом/км, то при напряжении 1000 В максимальная длина между регенераторами может достигать 500 км; при 5 Ом/км и напряжении 3000 В — 2000 км, а при 12 Ом/км и напряжении 6000 В — 5000 км.

Полевые оптические кабели используются в геологоразведке, в военной технике, а также в качестве кабелей для временных вставок на магистралях связи. В процессе эксплуатации полевые ОК подвергаются всевозможным механическим и тепловым воздействиям. Это, прежде всего, размотка, изгибы, кручение, поперечное сжатие, действие солнечного излучения и широкого интервала температур (от -60оС до +80оС). Как правило, в зависимости от конструкции эти кабели имеют: стойкость к циклическим изгибам и перемоткам от сотен до тысячи раз; растягивающие усилия от 1500 до 3000 Н; стойкость к гидростатическому давлению от 1 атмосферы и выше; стойкость к многократным ударам до 10000 и более раз. Кроме того, полевые ОК должны иметь минимальные габариты и массу. Все это определяет жесткие требования к конструкции и применяемым кабельным материалам [32].

Механические и оптические характеристики полевых ОК подробно рассмотрены в [33, 34, 35], а некоторые варианты конструкции представлены на рис. 3.45.

Полевые ОК обычно не содержат металлических элементов. В качестве силовых и армирующих элементов применяется одноосно-ориентированный волокнистый пластик. Комбинация стеклопластиковых элементов с нитями кевлар (рис. 3.45 б) обеспечивает высокую устойчивость ОК к сжимающим и растягивающим нагрузкам. В конструкции на рис. 3.45 в армирующие стеклопластиковые элементы симметрично расположены по периферии ОК. Оптические волокна в полимерном защитном покрытии скручены и обмотаны нитями арамид.

Рис. 3.45. Конструкции полевых ОК

Рис. 3.45. Конструкции полевых ОК:

а-с опорным пластмассовым стержнем; б- с опорным пластмассовым стержнем и нитями кевлар; в-с симметричным расположением стеклопластиковых элементов; г-со свободной укладкой ОВ и пористым заполнителем:

1-армирующий стеклопластиковый элемент; 2-ОВ; 3-опорн7ый пластмассовый стержень; 4-пластмассовая оболочка; 5-наружная полимерная оболочка; 6-нити кевлар; 7-полимерное защитное покрытие; 8-волокно типа арамид; 9-поддерживающие нити; 10-пористый материал

Кабели для внутренней прокладки. Межэтажная и поэтажная разводка внутри зданий осуществляется внутриобъектовым оптическим кабелем, отличающимся от кабеля внешней прокладки повышенной гибкостью и улучшенными массогабаритными показателями за счет использования в конструкции облегченных упрочняющих покрытий, а также отсутствием элементов защиты от влаги. Световоды в кабелях этого класса снабжаются буферным покрытием 0,9 мм, которое позволяет осуществлять непосредственную установку коннекторов (рис. 3.46). Некоторое увеличение затухания, вызываемое оболочкой ПЗО (tight buffer), не имеет принципиального значения из-за небольших длин кабельных трасс в пределах объектов и зданий. Максимальное число волокон серийных внутриобъектовых кабелей, как правило, не превышает 12.

Рис.3.46. Конструкция одно- и двухволоконного оптического кабеля

Рис.3.46. Конструкция одно- и двухволоконного оптического кабеля:

1-оптическое волокно; 2-плотное защитное покрытие; 3-арамидные нити; 4-защитная оболочка; 5-миникабель; 6-общий защитный шланг

В случае необходимости создания внутриобъектовых кабелей с большим числом волокон применяют конструкцию, аналогичную кабелям внешней прокладки. Вокруг центрального силового элемента укладывают несколько (в большинстве случаев шесть, реже двенадцать) обычных микро- или миникабелей и полученный сердечник закрывают сверху общей защитной оболочкой. Для получения в рассматриваемой структуре более мелкого дискрета по числу волокон, некоторые из таких модулей могут заменяться упрочняющими прутками.

Кабели такой конструкции обычно изготавливаются на заказ.

Основными элементами конструкции любого кабеля внутренней прокладки являются:

  • оптическое волокно в первичном защитном покрытии;
  • вторичное плотное или полуплотное полимерное защитное покрытие внутри которого располагается оптическое волокно;
  • силовой элемент: центральный (стеклопластиковый стержень или пучок высокопрочных арамидных нитей типа кевлар или тварон) или внешний — один или несколько повивов высокопрочных арамидных нитей;
  • защитные покровы.

Значительное влияние на характеристики ОВ оказывает конструкция защитного полимерного покрытия. Плотное защитное покрытие более устойчиво к ударам и воздействию раздавливающих нагрузок без повреждения оптического волокна [13]. Такая конструкция обладает высокой гибкостью, возможностью изгиба с небольшим радиусом, однако не предохраняет волокно от напряжений при изменении температуры. В помещениях колебания температур минимальны, а высокая гибкость конструкции желательна для поворотов на стенах.

Полуплотное защитное покрытие разработано на основе комбинации основных принципов построения ОВ в полой оболочке и ОВ в плотном защитном покрытии. Пространство между покрытием ОВ и твердой защитной оболочкой уменьшено настолько, что световод располагается в скользящем слое с радиальным зазором от 50 до 100 мкм. Наружный размер волокна в полуплотном защитном покрытии 0,9 мм, что значительно экономичнее по сравнению с полой оболочкой, имеющей диаметр от 1,4 мм до 3,5 мм. Характеристики растяжения ОВ в полуплотном защитном покрытии и ОВ в плотном защитном покрытии одинаковые [36].

Силовые элементы кабеля для внутренней прокладки предохраняют оптическое волокно от нежелательных механических нагрузок, вследствие которых могут возникнуть нежелательные изменения характеристик ОВ. Превышение нормальных нагрузок на этот кабель приводит ОВ к растяжению. Уровни механического напряжения могут вызывать потери на микроизгибах, что приводит к увеличению затухания и возможным эффектам усталости. Запас по растяжению у кабелей небольшой до момента обрыва волокна, поэтому силовые элементы должны обладать низкой степенью растяжения при ожидаемых растягивающих нагрузках. Во время и после инсталляции силовые элементы выдерживают усилия натяжения, приложенные к кабелю, и предохраняют волокно от разрушения.

Наружные защитные покрытия защищают кабель внутренней прокладки от атмосферных явлений, воздействия озона, кислот, растворителей, химических веществ и т.п. Выбор защитного покрытия определяется степенью устойчивости к воздействиям и стоимостью. Иногда используют несколько слоев оболочки. Защитные покрытия изготавливаются преимущественно из полимерных материалов, таких как полиэтилен, ПВХ и фторопласт.

Для кабелей внутренней прокладки предъявляются комплексные требования по пожаробезопасности, включающие не только нераспространение пламени, но и пониженное выделение дыма, токсичных и коррозионно-активных продуктов горения. В некоторых конструкциях кабелей в качестве материала для защитных покрытий применяют полиуретан. Этот материал обладает отличной стойкостью к воздействию озона, кислорода, нефтепродуктов и химических веществ. Некоторые виды полиуретана являются огнестойкими. Полиуретан довольно жесткий трудноснашиваемый материал. Он отлично сохраняет геометрическую форму, что делает его в некоторых случаях идеальным защитным покрытием для кабеля.

Существуют три основных типа кабелей внутренней прокладки:

  • пэтч-кордовый кабель (patch-cord) или миникабель с одним или двумя оптическими волокнами;
  • многоволоконный распределительный (distribution) кабель для монтажа внутри зданий;
  • композитивный многоволоконный (breakout или fan-out).

Пэтч-кордовый волоконно-оптический кабель или миникабель имеет три основных типа конструкции — одноволоконную (simplex), двухволоконную без оболочки (zip-cord) и двухволоконную в оболочке (duplex). Конструкции выше названных кабелей представлены на рис. 3.46.

Основным назначением миникабелей является: изготовление соединительных шнуров; создание кабельной разводки в технических помещениях локальных сетей; формирование горизонтальных магистралей в структурированных кабельных системах с прокладкой в декоративных коробах до рабочего места.

Наружный диаметр одноволоконных миникабелей составляет от 2,4 мм до 3,0 мм. Однако в последнее время появились конструкции с наружным диаметром 1,6 мм (Lucent Technologies) [37].

Для изготовления монтажных шнуров (пигтейлов — от англ. pig-tail), присоединяемым к магистральным кабелям в процессе сборки оконечных распределительных устройств, используется одинарное волокно в буферном покрытии 900 мкм. Такую конструкцию называют микрокабелем (рис. 3.46).

Многоволоконные распределительные кабели содержат более двух волокон (число волокон должно быть кратно двум) и построены на основе обычной буферной конструкции (микрокабеля) 900 мкм. Микрокабели могут быть скручены между собой или вокруг центрального силового элемента. Скрутка обеспечивает безопасную деформацию кабеля при изгибе. Поверх скрученных микрокабелей накладывается слой арамидных нитей и защитное покрытие (рис. 3.47 а).

Рис. 3.47. Конструкция распределительного волоконно – оптического кабеля на базе

Рис. 3.47. Конструкция распределительного волоконно – оптического кабеля на базе:
1 – центральный элемент; 2 – микрокабель; 3 – арамидные нити; 4 – защитный шланг; 5 – защитная оболочка

Некоторые конструкции такого типа кабелей предусматривают скрутку микрокабелей (с количеством волокон от 16 до 72) в несколько жгутов (Superior cable LTD) с числом жгутов от 4 до 12, каждый из которых обматывается арамидными нитями и заключается в оболочку [38]. Несколько таких жгутов объединяются в один или несколько повивов и покрываются одним общим шлангом (рис. 3.47 б). Световоды каждого жгута различаются цветом оболочки, что позволяет легко находить нужный, особенно, при большой длине кабеля и избегать ошибок при соединении. Такие кабели применяются для разводки сигнала по разным помещениям.

Распределительные кабели позволяют устанавливать коннекторы непосредственно на волокна с плотным буфером. При этом следует выбирать тип коннектора и его размеры, предназначенные только для волокон с плотным буфером.

Композитивные кабели — это многоволоконные кабели для оконечной разводки. Так как каждое отдельное его волокно в буферном покрытии обмотано арамидными нитями и заключено в защитную оболочку, и представляет собой отдельный кабель, то его концы могут прокладываться самостоятельно и присоединяться к тому оборудованию, для которого предназначается передаваемый сигнал, т.е. они используются для передачи сигнала непосредственно, без использования панелей соединения (рис. 3.48). В этих кабелях применяется цветовая маркировка волокон в буферном покрытии для облегчения поиска требуемого ОВ.

Рис. 3.48. Конструкция композитивного волоконно-оптического кабеля

Рис. 3.48. Конструкция композитивного волоконно-оптического кабеля:
1 – центральный элемент; 2 – миникабель;
3 – наружный защитный шланг

Из-за необходимости использования более мощных защитных покрытий и арамидных нитей эти кабели, как правило, тяжелее и имеют большие размеры, чем распределительные кабели с тем же количеством оптических волокон. Они полностью соответствуют требованиям пожаробезопасности и могут использоваться как в помещениях, так и для внешней прокладки в защищенных каналах.

В зависимости от условий прокладки все вышеперечисленные кабели можно разделить на кабели скрытой проводки (plenum), используемые при организации горизонтальных участков структурированных кабельных систем; кабели вертикальной прокладки или кабели снижения (riser) для вертикальных магистралей.

Прокладка кабеля в обычной оболочке недопустима. Такой кабель должен прокладываться в пожаробезопасном кабелепроводе, или должен быть обмотан негорючим или недымящим материалом. Поэтому выделяют особый тип кабелей — кабели скрытой проводки или plenum cable, оболочка которых выполняется из негорючего или малогорючего пластика. При наличии особо жестких требований используют кабели с защитным покрытием типа LSF0H (low smoke and fume and zero halogen — низкая способность к горению и дымогазообразованию), при термическом разложении которого не выделяются ядовитые вещества. Кабели скрытой проводки прокладываются в пространствах между стенами, под фальшполом и над фальшпотолком. Здесь размещают кабели питания, телефонные кабели и кабели для передачи данных. Однако при пожаре именно через эти пространства огонь распространяется по зданию.

Кабели вертикальной прокладки или кабели снижения — кабели, которые прокладываются между этажами здания. Они не должны служить путем распространения огня по зданию.

Рабочая температура внутриобъектовых кабелей лежит в диапазоне от – 20oС до +70oС. Некоторые конструкции кабелей могут нормально функционировать в температурном диапазоне от -40оС до +85оС. Такие конструкции можно применить для внешней прокладки на линиях небольшой протяженности при условии обеспечения защиты от попадания влаги (обычно в защитных трубах).

Подавляющее большинство внутриобъектовых кабелей имеют многомодовые световоды. Одномодовые внутриобъектовые кабели применяют в ограниченном объеме главным образом для соединения входного коммутационного распределительного устройства кабеля внешней подсистемы с полкой или муфтой административной точки. Конструктивно такие кабели не отличаются от многомодовых.

Комбинированные кабели некоторые фирмы производят для внутриобъектовой прокладки. В конструкциях таких кабелей предусматриваются две или три скрепленные друг с другом конструкции кабелей разного назначения. В первой укладываются два или четыре световода, две другие содержат 4-парный элемент витой пары категории 5 (рис. 3.49).

Рис. 3.49. Конструкция комбинированного кабеля

Рис. 3.49. Конструкция комбинированного кабеля:
1 – LAN-кабель; 2 – волоконно-оптический кабель; 3 – общая оболочка

В табл. 3.23, составленной на основе фирменных каталогов Lucent Technologies, Superior cable, Optical Cable Corporation, Corning, Eriсsson, Brugg Telecom, Alcatel, «Электропровод», «Оптэл» и ряда других источников, приведены параметры кабелей внутренней прокладки, их предельные значения, обеспечиваемые производителями [37 — 45].

На основании анализа конструкций можно сделать следующие выводы: все кабели внутренней прокладки выполнены, в основном, с одномодовым стандартным ОВ, одномодовым ОВ с ненулевой смещенной дисперсией, одномодовым ОВ с депресированной и согласованной оболочкой, а также многомодовыми ОВ с диаметрами сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм в плотной или полуплотной защитной оболочке диаметром 0,9 мм и 1,1 мм. В качестве силового элемента кабелей внутренней прокладки используются арамидные нити, а в некоторых конструкциях стеклопластиковый стержень и стальной трос. В качестве материалов для защитных покрытий кабелей внутренней прокладки используются ПВХ, ПЭ, ПУ, безгалогенные и малодымящие материалы. Наружные диаметры кабелей внутренней прокладки находятся в пределах от 1,6 мм до 18 мм при количестве волокон от 1 до 12. Коэффициент затухания, коэффициент хроматической дисперсии, коэффициент широкополосности соответствует IЕС 60793-2 и рекомендациям ITU TG.651, ITU — TG.652, ITU-TG.655. Рабочие температуры находится в диапазоне от – 20oС до +70oС. Некоторые конструкции могут нормально функционировать при температуре от 10oС до +85oС. Диапазон растягивающих нагрузок для кабелей с количеством волокон от 1 до 24 составляет 200...5000 Н. Раздавливающие нагрузки, которые способны выдерживать кабели внутренней прокладки, составляют 300...3000 Н/см. Минимальный короткосрочный радиус изгиба — не менее 10 номинальных диаметров кабеля.

Рис. 3.50. Конструкция спирального шнура

Рис. 3.50. Конструкция спирального шнура
1 – ОВ; 2 – армирующие высокопрочные синтетические нити; 3 – внутренняя оболочка ОК;
4 – защитный шланг; 5 - соединитель:

Оптические шнуры и кабели для специальных целей согласно [13] в виде цилиндрической пружины изготовляют из одноволоконного ОК (рис. 3.50). Длина ОК составляет 3 м, диаметр 5 мм, внешний диаметр спирали 20 мм, масса 3 м кабеля с неметаллическими соединителями 70 г, с металлическими соединителями 90 г. ОК выдерживает до 100000 циклов продольных растяжений-сжатий цилиндрической пружины без ухудшения оптических характеристик. Кабели можно применять в робототехнике, для ЭВМ, телефонии, соединения с подвижными устройствами (графопостроители, устройства лазерной резки и пр.).

К конструкциям специальных ОК предъявляются весьма жесткие требования: минимальные геометрические размеры, высокая гибкость и устойчивость к многочисленным операциям разматывания и сматывания, возможность эксплуатации при значительных изменениях температуры. Растягивающие усилия могут достигать (2,5 ... 3,0) кН при длине кабеля до 10 км. Поставленные задачи решаются путем введения дополнительных армирующих элементов.

В качестве примера на рис. 3.51 показаны конструкции специальных ОК фирмы «Хелкама» (Финляндия) и фирмы Condugel (Бразилия) [32].

Рис. 3.51. Конструкция специальных ОК

Рис. 3.51. Конструкция специальных ОК:

1-ОВ с полимерным защитным покрытием; 2-армирующие высокопрочные синтетические нити; 3-пластмассовая оболочка; 4-силовой элемент (стекловолокно); 5-защитный шланг из поливинилхлорида

Таблица 3.23. Параметры кабелей внутренней прокладки

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.