АБН: Оптические кабели для прокладки в полевых условиях

Оптические кабели для прокладки в полевых условиях

Ларин Ю.Т., кандидат технических наук

Овчинникова И.А., кандидат технических наук

г. Москва, ОАО "ВНИИКП"

Полевые оптические кабели применяются для прокладки в полевых условиях на поверхности грунта, в самом грунте, через водные преграды, при подвеске на местных предметах, а также в стационарных условиях. Кабель может использоваться многократно, обычно содержит от 1 до 12 оптических волокон.

Требования, предъявляемые к полевому кабелю, очень жестки. При легкости и малом диаметре он должен обладать стойкостью к многочисленным внешним воздействиям, например, таким, как раздавливающие нагрузки до 600 Н/см, растяжение с усилием до 10 кН, 100 циклов изгибов на диаметр, равный 10 внешним диаметрам кабеля; перемотки с барабана на барабан, закручивания, а также быть устойчивым к воздействию влаги, грызунов, агрессивных сред, бензина, керосина, дизельного топлива, отрицательным и повышенным температурам в диапазоне от -60 до +700°С. Кроме того, полевой кабель не должен распространять горение.

Одна из наиболее трудно решаемых задач для полевых оптических кабелей - задача одновременной устойчивости к раздавливающим и растягивающим нагрузкам. Проблема защиты оптического волокна от растяжения разрешается, в основном, путем его свободной укладки в трубке модуля (обеспечение небольшой дополнительной длины волокна ). Стойкость к воздействию растягивающего усилия определяется бездеформационным (то есть только за счет распрямления) перемещением волокна внутри модуля: где - продольная деформация осевой линии трубки модуля.

Случай соответствует полному распрямлению волокна. Однако наличие дополнительной длины может привести к появлению изгибов, способствующих увеличению затухания сигнала в волокне при воздействии на кабель внешнего давления и низких температур.

Необходимо определить оптимальное значение запасной длины волокна.

Критерий стойкости ОК к воздействию рассматриваемых нагрузок выглядит следующим образом:

где - - допустимое значение увеличения затухания;

- допустимый запас волокна, соответствующий допустимому радиусу его кривизны , при котором увеличение затухания равно .

Путем сложных вычислений была получена формула для расчета допустимого запаса волокна, при котором не происходит прирост затухания при одновременном воздействии внешнего давления и растягивающей нагрузки:

На рис. 1-3 показаны различные варианты конструкции полевых оптических кабелей, разработанных зарубежными фирмами, а на рис. 4 - конструкция полевого кабеля, разработанного ОАО "ВНИИКП".

В настоящее время заметна тенденция к дальнейшему снижению массогабаритных характеристик полевых кабелей. Необходимость выполнения этих требований заставляет разработчиков отказываться от использования металлических армирующих элементов. Для защиты от растягивающих нагрузок в конструкциях применяются арамидные нити. Нами были проведены исследования арамидных нитей марки "Русар", линейной плотностью 58,8 текс, скрученных в жгуты.

Измерения физико-механических характеристик нитей проводились с помощью разрывной машины фирмы Zwick. Для проведения испытаний было отобрано по 10 образцов каждого типа жгута. Концы образцов проклеивались клеем ПВА. После просушивания образцы крепились к испытательной машине с помощью тисочных зажимов. Проскальзывание и повреждение нитей в зажимах во время испытаний исключалось.

При измерении величины нагрузки до превышения заданного удлинения и модуля упругости жгутов длина нагружаемой части образцов составляла 500 мм, а скорость растяжения 50 мм/мин.

При измерении разрывной нагрузки длина нагружаемой части образцов была 100 мм, а скорость растяжения 100 мм/мин. Эксперименты показали, что в среднем модуль упругости Е для жгутов из крученых нитей составляет 129,7 Гпа, для некрученых - 123,0 Гпа.

На графике (рис. 5) показана зависимость растягивающей нагрузки от относительного удлинения для жгутов из различного числа нитей. Сплошной линией обозначены значения для скрученных нитей, пунктирной - для нескрученных.

На другом графике (рис. 6) можно видеть зависимость разрывной нагрузки от количества нитей в жгуте. Относительное удлинение при разрыве в среднем составило 2,7%. Анализ испытаний жгутов РУСАР® позволяет сделать вывод, что показатели скрученных жгутов немного лучше, чем из свободных нитей.

Замена металлических армирующих элементов на арамидные нити позволяет значительно улучшить характеристики полевых кабелей. Так, например, нами была изготовлена и испытана конструкция полевого электрического кабеля П-274МM, в которой стальные проволоки были заменены нитями марки "Русар".

Из данных таблицы 1 видно, что при сохранении требуемых электрических характеристик, стойкость к растягивающим нагрузкам увеличилась более чем в 5 раз, а масса провода стала меньше в 1,5 раза.

В полевых кабелях в качестве армирующих также используются стеклопластики.

Стеклопластиковые прутки так же, как и стальные проволоки, предотвращают продольное сжатие сердечника ОК во время эксплуатации при пониженных температурах, а также в процессе изготовления кабеля, поскольку обладают малым температурным коэффициентом линейного расширения (у стали - 10-5 град^-1, у стеклопластика - 0,6*10^-5 град^-1).

В таблице 2 приведены экспериментальные данные для нескольких видов стеклопластиков.

Стеклопластиковый элемент не выделяет вредных веществ. Материал горюч, хотя трудно воспламеняем: температура воспламенения в пределах 380 - 4100С. Благодаря своим механическим характеристикам, небольшой массе, диэлектрическим свойствам стеклопластики наиболее часто применяются в качестве центрального упрочняющего элемента в полевых кабелях.

Обязательным требованием для полевых ОК является стойкость к воздействию гидростатического давления и влагостойкость. Влагостойкость подразумевает, что при прокладке в воде в течение всего срока службы воздействие влаги не приведет к значительному ухудшению передаточных характеристик ОК. Проникновение влаги в неповрежденный кабель происходит за счет диффузии через элементы конструкции. Расчеты конструкций полевых ОК, проведенные по разработанной нами методике показывают, что можно гарантировать устойчивость кабеля к воздействию радиального проникновения влаги в течение 20 - 25 лет. Наличие гидрофобного заполнения практически не влияет на процесс диффузии и может продлить его всего на несколько месяцев.

Стойкость к воздействию гидростатического давления предполагает, что в течение 10 суток при воздействии гидростатического давления величиной в 1 атмосферу не произойдет распространение воды вдоль оси кабеля. Выполнение этого требования необходимо для предотвращения попадания воды в приемопередающую аппаратуру по поврежденному кабелю, расположенному в воде, в течение некоторого периода времени, необходимого для удаления и замены кабеля.

Проектирование специальных кабелей связи всегда индивидуально. Набор требований может быть столь специфичен, что для сохранения основных функциональных характеристик оптического кабеля продольная герметизация будет противопоказана. Проблема предотвращения проникновения воды внутрь оборудования может быть решена герметизацией соответствующих узлов или принудительным удалением воды из объекта. Следует обратить особое внимание на тот факт, что режим работы ОК при повреждении оболочки и других конструктивных элементов является аварийным. Такой кабель подлежит замене, однако, в течение некоторого времени еще может выполнять функцию передачи. Поэтому необходимо проводить для каждой разрабатываемой конструкции расчет длины продольного проникновения в кабель без специальной защиты от данного вида воздействия. И только в том случае, если полученный результат будет превышать допустимое значение, нужно заполнять конструкцию водопоглощающими или водоблокирующими материалами.

Таким образом, к полевым оптическим кабелям предъявляются наиболее жесткие требования по сравнению с другими кабелями связи, поэтому при разработке конструкций полевых кабелей необходимо проводить предварительный теоретический расчет на предмет стойкости к растягивающим, раздавливающим, температурным воздействиям, а также расчет продольной длины проникновения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Геча Э.Я. Разработка метода расчета оптического кабеля на воздействие растягивающего усилия и гидростатического давления. / Диссертация на соискание уч. степени канд. тех. наук., М.: ВНИИКП, 1987, 169 с.
2. Семенова И.А. Исследование воздействия влаги на оптические кабели. / Диссертация на соискание уч. степени канд. технических наук, М.: МЭИ, 1998г., 126 с.
3. Семенова И.А., Рязанов И.Б. Защита оптических кабелей от воздействия влаги. - "Электросвязь" - 1999г. - № 2 - с. 14 - 17.
4. Семенова И.А., Геча Э.Я., Рязанов И.Б. О продольной герметичности кабелей с водопоглащающим материалом. - "Электротехника". 1999г. - № 11 - с. 47 - 49.
5. Семенова И.А., Ларин Ю.Т. Вопросы создания водонепроницаемых оптических кабелей. - "Кабели и провода", 2000г. - № 3 - 4. - с. 49 - 53.
6. Геча Э.Я., Ларин Ю.Т. Продольная герметизация полевых оптических кабелей: необходимость, целесообразность, возможность. - "Кабели и провода", 2000г. - № 6 - с. 27 - 30.

Статья предоставлена порталом о Радиоэлектронике и Телекоммуникациях www.informost.ru