4.3. Трубчатый сердечник
Другим особым типом оптического кабеля является кабель с центральной трубкой или, другими словами, - с трубчатым сердечником. В нем нет ЦСЭ. Световоды скручиваются между собой внутри полой оболочки.
Такая конструкция отличается простотой и компактностью. Она применяется в кабелях, для которых малые геометрические размеры существенны.
Как правило, трубчатый сердечник представляет собой двухслойную пластиковую трубку, заполненную гидрофобным компаундом, в которой находятся оптические волокна. Окраска волокон обеспечивает цветовую идентификацию. Волокна группируются в пучки, скрепленные цветной нитью. По сути, трубчатый сердечник является укрупненным аналогом оптического модуля со свободной укладкой волокон (см. Рис.10).
Технология производства позволяет создать в трубке избыточную длину волокна, необходимую для защиты волокон от механических напряжений при климатических и механических воздействиях на кабель. Избыточная длина непрерывно контролируется в процессе производства трубки. Двухслойная стенка трубки формируется двумя экструдерами, подающими материалы в общую экструзионную головку. Диаметр трубки в двух проекциях непрерывно контролируется в процессе производства. Внутренний слой трубки выполняется из высококачественной полиамидной композиции, имеющей высокую химическую и климатическую стойкость, низкие показатели старения, высококачественную внутреннюю поверхность, контактирующую с оптическим волокном, высокую стойкость к раздавливанию. Наружный слой трубки выполняется из полибутилентерефталатных композиций, которые традиционно применяются в изготовлении оптических модулей. Они имеют более низкую стоимость по сравнению с полиамидом. Такая конструкция трубки наиболее экономична и обеспечивает большой срок службы кабеля при надежной защите волокна от механических воздействий. При малых размерах и невысоких требованиях к раздавливающим усилиям трубка может быть однослойной.
Проектирование кабеля с таким сердечником сложнее, нежели сердечника модульной скрутки. Здесь нет шага скрутки, за счет которого образуются избыток длины волокна, и удается оставить волокна ненагруженными при относительно большом удлинении кабеля. Поэтому допуски на удлинение такого кабеля ниже, а рабочий диапазон температур уже. Применение такого сердечника для подвесных кабелей в России требует особенно тщательного проектирования и соблюдения технологии при монтаже, а потому нежелательно. Накоплен значительный отрицательный опыт использования в наших условиях импортных подвесных кабелей с подобной конструкцией сердечника.
Рисунок 10. Трубчатый сердечник оптического кабеля
4.4. Заполнение сердечника
Для обеспечения водонепроницаемости сердечника оптического кабеля по всей длине свободное пространство между модулями или волокнами заполняется специальным компаундом, состав которого не должен оказывать влияния на характеристики остальных элементов сердечника. Компаунд почти не вызывает набухания полимерной оболочки и имеет относительно малый коэффициент линейного расширения. Предохранительный слой из устойчивого к нефтепродуктам расплавленного связующего вещества, которое наносится вокруг сердечника экструзионным способом, служит, во-первых, дополнительным барьером для компаунда, а, во-вторых, как бесшовное соединение между устойчивой к нагрузке на растяжение защитной оболочкой или обмоткой сердечника и оболочкой кабеля, не уменьшая, при этом, ее гибкости.
Если продольная водонепроницаемость не требуется, например, для кабелей внутренней прокладки, то необходимость в заполнении сердечника компаундом отпадает. Чтобы защитить элементы сердечника от повреждений во время дальнейших технологических операций, а также, чтобы изолировать наполнители сердечника от силовых элементов кабеля, предотвращающих нагрузку на растяжение, и от материала оболочки, скручиваемые элементы покрываются одним или несколькими слоями тонкой полимерной пленки.
Для обозначения фирмы-производителя кабеля непосредственно поверх скручиваемых элементов, обычно параллельно оси кабеля, укладывается фирменная опознавательная нитка. Эта операция выполняется, как правило, во время наложения оболочки. По желанию заказчика дополнительно к опознавательной нитке можно добавить ленту для определения длины, которая представляет собой бумажную полоску шириной 6 мм с нанесенными метровыми метками.
Защитные покровы должны предохранять сердечник оптического кабеля от:
5.1. Силовые элементы защитных покровов
Силовые элементы повышают механическую прочность кабеля. В ходе прокладки и после нее силовые элементы принимают на себя растягивающие напряжения, защищая от них волокно.
В качестве силовых элементов для оптических кабелей могут использоваться следующие материалы:
При этом защита от механических воздействий, в частности от продольных механических усилий, возникающих при прокладке и в процессе эксплуатации (особенно для воздушных самонесущих кабелей), обеспечивается силовыми элементами, а защита от тепловых и химических воздействий, влаги, а также от ряда механических воздействий, например, истирания или грызунов, обеспечивают внешняя и промежуточные оболочки.
Как правило, силовые элементы и металлические ленты (для защиты от грызунов) не рекомендуется накладывать непосредственно на оптический сердечник и в качестве промежуточного слоя накладывается промежуточная полимерная оболочка.
5.1.1. Стальная проволока
Стальная проволока навивается поверх сердечника кабеля. Преимущество состоит в том, что кабель, усиленный таким образом, может выдерживать большие поперечные и продольные нагрузки, так как сталь характеризуется лучшей механической устойчивостью, по сравнению с другими материалами. Однако сталь является проводником, что представляет опасность при попадании грозовой молнии.
Круглая оцинкованная проволока используется, например, для бронирования кабелей с трубчатым сердечником. В процессе бронирования повив заполняется гидрофобным компаундом для предотвращения попадания воды в пустоты бронеповива.
5.1.2. Медная, алюминиевая или свинцовая трубка
Внутренняя часть кабеля, прокладываемого под водой или в очень влажном грунте, должна быть полностью заключена в герметизирующую металлическую трубку. Это вызвано тем, что вода с течением времени просачивается сквозь все обычно используемые для оболочки виды пластмасс. Внутренняя часть кабеля заключается в герметичную металлическую трубку. Затем подводный кабель армируется одним или несколькими слоями стальной проволоки. Сверху наносятся несколько слоев полипропиленовых нитей и антикоррозийного состава.
5.1.3. Арамидные нити
Арамидные нити используются в качестве силовых элементов воздушных оптических кабелей. Отдельный слой из таких нитей располагают между первым и вторым слоем оболочки. Защищенный таким образом кабель может выдерживать большие продольные нагрузки. Обычно таким способом усиливаются кабели, подвешиваемые в пролетах длиной до 1000 м.
Кроме того, арамидные нити, хотя и менее устойчивы к механическим нагрузкам, чем стальные, являются диэлектрическими, и не представляют опасность в случае попадания электрического разряда молнии.
5.1.4. Поддерживающий силовой элемент
На Рис.11 показан способ усиления волоконно-оптических кабелей с профилированным сердечником, подтвердивший свою эффективность по отношению к медным кабелям. Этот способ предполагает заключение стальной проволоки в отдельную оболочку, которая вместе с собственно кабелем образует «восьмерку». Такой кабель обычно используется для подвески в пролетах длиной 50 ÷ 70 м. Такая конструкция кабеля очень экономична, однако, данный тип кабеля нельзя использовать на линиях электропередачи.
Рисунок 11. Поддерживающий силовой элемент («восьмерка»)
5.1.5. Оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос (ОКГТ)
Оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос (ОКГТ), является предметом отдельной статьи. Здесь же отметим, что в настоящее время запущены в серийное производство следующие конструкции ОКГТ:
сердечник в виде модулей со свободной укладкой волокон, заключенный в алюминиевую центральную трубку;
модули со свободной укладкой волокон в профилированном алюминиевом сердечнике со спирально расположенными пазами;
модули из нержавеющей стали с оптическими волокнами в повиве вместо проволок;
и аналогичные конструкции с плотной укладкой волокон.
Другие конструкции на сегодняшний день широкого распространения не получили. Все модули ОКГТ, выполненные из пластика, сделаны из специального сорта полибутилентерефталата (ПБТ), сочетающего в себе исключительно высокую механическую прочность и стойкость к вредному воздействию влаги. Этот материал, температура плавления которого 225ºC, достаточно прочен для того, чтобы выдерживать кратковременное воздействие высоких температур.
5.2. Наружная оболочка
Наружная оболочка кабеля состоит из одного или двух слоев полимера. Обычно для изготовления оболочки применяют следующие виды полимеров:
Применяемые виды полимеров обладают различными термическими, механическими и электрическими свойствами. Прочность, стойкость к воздействию химикатов и воспламеняемость у них также различная.
Таким образом, правильный выбор материала для каждого конкретного изделия имеет большое значение.
5.2.1. Материалы, идущие на изготовление кабельных оболочек
Полиэтилен
Полиэтилен – полимерный материал, являющийся продуктом полимеризации этилена. Имеет низкую диэлектрическую проницаемость. Обладает почти постоянными диэлектрическими свойствами в широком диапазоне температур. Удовлетворяет основным механическим и химическим требованиям и применяется, прежде всего, для кабелей наружной прокладки.
Существует много разновидностей полиэтилена для широкого диапазона областей применения в кабельной технике ВОЛС. Например, благодаря низкой плотности, высокой вязкости, удлинению при разрыве и хорошей обрабатываемости он используется для производства оболочек сердечников оптических кабелей. Для различных видов оболочек оптических кабелей обычно используют полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). Однако, при необходимости обеспечения большей прочности и сопротивления деформации при высоких температурах, применяют и более твердые разновидности полиэтилена – полиэтилен средней плотности (ПЭСП) и высокой плотности (ПЭВП). Это повышает стоимость кабеля, однако ПЭВП существенно увеличивает износостойкость оболочки, делает ее менее восприимчивой к задирам. Также низкий (в 1000 раз меньше чем у ПЭСП) коэффициент диффузии молекул воды через ПЭВП обеспечивает изоляцию металлических силовых элементов свыше 2000 МОм/км. Известно, что именно по сопротивлению изоляции можно судить о нарушении оболочки линий дальней связи. Для этого должна быть высокая защита кабеля от проникновения влаги, что способствует дальности обнаружения нарушения оболочки.
Кроме того, в случае больших нагрузок на оболочку кабеля используют специальные материалы из полиэтилена, имеющие линейную молекулярную структуру. К ним относятся линейный полиэтилен низкой плотности и линейный полиэтилен средней плотности.
Иногда используется многослойная оболочка из ламинированного алюминием полиэтилена, известная по технологии изготовления медных кабелей.
Полиэтиленовая оболочка, которая должна плотно облегать сердечник кабеля, наносится методом экструзии.
Диапазон температур, рекомендуемый для использования полиэтилена, составляет от -60 до 79ºС; при этом допускается кратковременное нагревание до 90ºС при условии, что в этом случае кабель не будет подвергаться повышенному давлению. Точка плавления полиэтилена находится в диапазоне температур от 110 до 130ºС. Как и остальные полимеры, при понижении температуры полиэтилен становится более твердым. При температуре около –65ºС полиэтилен становится хрупким.
Напряжение, вызывающее разрушение, при 20ºС равно 10 МПа. Полиэтилен, применяемый для изоляции, можно растянуть на 400%, прежде чем он порвется, а полиэтилен, используемый для изготовления кабельных оболочек, - на 500%; его разрушающее напряжение составляет не менее 12 МПа.
При использовании в помещениях и обеспечении защиты от прямых солнечных лучей срок службы полиэтилена практически неограничен. Однако ультрафиолетовое излучение приводит к образованию в нем трещин. Для их предотвращения в состав полиэтилена вводят УФ-стабилизатор. В качестве такого вещества обычно используется сажа. Поэтому полиэтилен, предназначенный для использования на открытом воздухе, обычно черного цвета.
При комнатной температуре полиэтилен обладает большой стойкостью к воздействию большинства химикатов, масел и других растворителей. Также у полиэтилена очень высокая влагонепроницаемость.
Это значит, что оболочка из полиэтилена обеспечивает высокоэффективную защиту кабелей от попадания в них влаги, особенно при использовании ПЭВП, и от химических воздействий. Кабели с такой оболочкой можно использовать в условиях повышенной влажности и при наличии химических веществ в окружающем пространстве.
В полиэтилене нет никаких пластификаторов, которые могли бы мигрировать в другие материалы. Однако при постоянном соприкосновении с поливинилхлоридом (ПВХ), резиной и т.п. в полиэтилен могут проникать небольшие количества пластификаторов. Поэтому в некоторых случаях полиэтилен нужно защищать от миграции пластификаторов.
Полиэтилен является воспламеняемым материалом. Для придания ему огнестойкости нужно использовать специальные присадки.
Поливинилхлорид (ПВХ)
Оболочки из поливинилхлорида (ПВХ) в основном применяются для кабелей внутренней прокладки. Цвет оболочки обычно серый.
Путем добавления разных специальных присадок, ПВХ могут быть приданы различные свойства, в соответствии с его назначением. Например, можно добавить в качестве присадки вещества, смесь которых является стойкой к воздействию масел и нефти. Приготовленный таким образом ПВХ может использоваться для оболочки кабелей наружной прокладки в случаях, когда в грунте могут быть химически активные отложения.
Как и полиэтилен, ПВХ является термопластическим материалом, т.е. он размягчается при нагревании и становится более твердым при охлаждении. Степень его мягкости при различных температурах зависит, в основном, от вида и количества введенного в его состав пластификатора. Из-за жесткости материала при низких температурах прокладку кабеля с поливинилхлоридной оболочкой рекомендуется осуществлять при температуре не ниже –10ºС. Обычно кабель с ПВХ-изоляцией можно использовать при температуре окружающей среды до 70ºС.
У ПВХ очень хорошая прочность на растяжение и высокое сопротивление разрыву. Твердость материала можно регулировать с помощью изменения вида и количества пластификатора, делая его пригодным для того или иного конкретного способа применения.
При использовании ПВХ внутри помещений срок его службы практически не ограничен. Самым подходящим для использования в наружных установках является ПВХ черного цвета; однако и смесь с ПВХ серого цвета может быть вполне стойкой к атмосферным воздействиям. Отличительным свойством ПВХ является его высокое сопротивление воздействию озона.
Также ПВХ характеризуется повышенным сопротивлением воздействию кислот и щелочей, а также моторного масла и большого числа растворителей. Однако воздействие некоторых растворителей и масел может привести к выходу из ПВХ пластификатора и тем самым сделать его более твердым. Сопротивление воздействию этих масел и растворителей можно усилить введением в ПВХ более стойких пластификаторов.
Длительное соприкосновение с лакированными поверхностями или с пластмассами может привести к выведению пластификатора из ПВХ. При соприкосновении с такими материалами ПВХ обычно немного затвердевает.
В чистом ПВХ содержится 57% химически связанного хлора, что затрудняет его горение. Поэтому оболочка из ПВХ применяется, если требуется невоспламеняемость.
Присадки и пластификаторы, добавляемые в состав используемого в кабелях ПВХ, являются горючими и увеличивают его воспламеняемость. Ситуацию можно значительно улучшить, если добавить в материал различные жаростойкие химикаты. Однако их дозировку нельзя превышать, так как требующиеся от материала механические свойства в этом случае не будут обеспечены.
Степень сопротивления ПВХ горению можно установить путем лабораторных измерений содержания в нем кислорода и температуры самовоспламенения, а также путем проведения элементарных испытаний на огнестойкость.
Следует отметить, что ПВХ все более вытесняется невоспламеняющимися полимерами, в состав которых не входят галогены. Дело в том, что ПВХ при горении выделяет галогены (Cl2) опасные для жизни людей. Таким образом, при прокладке кабеля оболочкой внутри объектов есть риск удушения людей продуктами сгорания ПВХ. Поэтому в случае такой опасности, например, в метро или в супермаркетах, применение кабелей с оболочкой из ПВХ не желательно.
Полиамид
При изготовлении волоконно-оптического кабеля используются несколько различных модификаций полиамида. Полиамид РА 6 обычно применяется в качестве защитного покрытия полиэтиленовых или ПВХ оболочек кабелей, подвергающихся сильным механическим напряжениям. Полиамид РА 12 используется для оболочек модулей.
Полиамид может использоваться в широком температурном диапазоне, сохраняет свои свойства при постоянной рабочей температуре 90ºС, размягчается при температуре около 150ºС и сохраняет гибкость при понижении температуры до –40ºС. Хрупкость полиамида при низких температурах (ниже –30ºC) не позволяет применять его в качестве оболочки в кабелях для прокладки на ВСС России, кроме, пожалуй, кабелей специальных применений и внутриобъектовых кабелей.
Полиамид – более прочный материал, чем ПВХ и полиэтилен. Его прочность на растяжение при 20ºС составляет около 50 МПа. Его удлинение до обрыва по меньшей мере 100%.
Полиамид обладает высоким сопротивлением старению, а также является стойким к воздействию атмосферы. Он характеризуется хорошим сопротивлением воздействию большинства масел и химикатов.
Полиамид не содержит в себе никаких пластификаторов, так что при соприкосновении с другими материалами никаких взаимных воздействий не оказывается.
Фторопласты
В качестве материала для изготовления оболочки волоконно-оптических кабелей используются также различные термопластические материалы, содержащие галогены - фтор и хлор - в различных концентрациях. Механические свойства этих материалов очень хорошие, что позволяет уменьшать размеры изделий. Термические свойства фторопластов, их долговечность, а также сопротивление старению, воздействию масел и различных химикатов, и огнестойкость очень хорошие.
Это означает, что их можно использовать в широком диапазоне температур и в различных условиях окружающей среды, в которых использование других изоляционных материалов оказывается невозможным.
