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 – 60^оС до +55^оС, 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 (Д_н) составляет 14 ... 25 мм.

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)-по-

душка 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 20Д_Н, 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 360^о.

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:

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

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

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

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:

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

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].

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%.

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.

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:

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

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.

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

Влияние температуры на характеристики ОК незначительно.

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.

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 -60^оС до +80^оС). 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:

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