КОНСТРУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ
КАБЕЛЕЙ СВЯЗИ
2.1. Классификация оптических кабелей связи
Оптические кабели связи (ОК), в отличие от электрических кабелей, нет необходимости классифицировать по принципу их принадлежности на магистральные, внутризоновые, городские и сельские. Объясняется это тем, что в современных ОК, в не зависимости от их принадлежности к тем или иным сетям, используются одинаковые оптические волокна, в большинстве случаев - одномодовое.
В связи с этим ОК классифицируются по назначению на две основные группы [34]:
-линейные - для прокладки в не зданий (для наружной прокладки и эксплуатации);
-внутриобъектовые - для прокладки внутри зданий (для внутренней прокладки и эксплуатации).
Определяющим фактором применения линейных ОК на сетях связи являются условия их прокладки и эксплуатации. Линейные оптические кабели позволяют создавать сети во всех средах: на суше, в воде и воздухе. С учетом этого линейные ОК можно классифицировать на три группы: подземные; подвесные; подводные. Внутриобъектовые ОК по условиям применения можно классифицировать на две группы: распределительные; станционные (монтажные).
Условия прокладки и эксплуатации ОК в одной и той же среде далеко не одинаковы, поэтому целесообразно классифицировать ОК и по вариантам их применения.
Классификация оптических кабелей по назначению, условиям и вариантам применения представлена на рисунке 2.1. Предложенная классификация ОК исходит из требований нормативно-технического документа, определяющего технические требования к ОК с учетом их назначения, условий и вариантов применения на Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России [4].
Здесь представлена обобщенная классификация ОК. Более подробно классификация по конструкциям и условиям работы для подземных, подвесных, подводных ОК изложена в [36,41].
Рис. 2.1. Классификация оптических кабелей.
Основные конструктивные элементы ОК и материалы
Для их изготовления
ОК - это сложная опто-физическая система, в которой наиболее уязвимым элементом является кварцевой ОВ. Специфичность ОВ заключается не только в распространении по нему оптического излучения, но в критичности его к механическим нагрузкам (растяжение, сдавливание, изгибы, скручивание, удары), чувствительности к перепадам температуры, химическим воздействиям, влиянию влаги и водорода. Основные воздействующие факторы, которым должны противостоять ОК различного назначения и различных условий прокладки по данным [34], приведены в таблице 2.1.
Приведенные в таблице 2.1 воздействующие факторы и определяют особенности конструкций ОК различного назначения и использования в них конструктивных элементов, обеспечивающих прокладку и эксплуатацию ОК в заданных интервалах воздействия внешних факторов.
Таблица 2.1. Основные факторы, воздействующие на оптический
кабель
| Условия применения | Механические факторы | Климатические факторы | Электромагнитные факторы |
| 1 . | |||
| Подземные | Растягивающие и раздавливающие нагрузки: средние - в легких грунтах, в тоннелях, коллекторах; значительные -в остальных грунтах; очень значительные - в веч-номерзлых грунтах; меньше средних - в кабельной канализации. Изгибы, кручения, удары, вибрация. Воздействие грызунов. | Циклическая смена температур в диапазоне рабочих температур. Повышенная относительная влажность. Пониженное атмосферное давление. Плесневые грибы. Влага и вода. Химическое воздействие. | Импульсный ток молнии. Индуктированное напряжение от источников высокого напряжения. |
| Подвесные | Растягивающие и раздавливающие нагрузки: средние - при подвеске на опорах ЭЛ.Ж.Ди низковольтных ЛЭП, опорах городского электрохозяйства; значительные -при подвеске на опорах высоковольтных ЛЭП. Вибрация. Пляска проводов. Ветер. | Циклическая смена температур в более значительном диапазоне рабочих температур. Атмосферные осадки (дождь, снег, иней). Воздействие прямого солнечного излучения. Соляной туман. Химическое воздействие. | Импульсный ток молнии. Термическое воздействие тока молнии. |
| Подводные | Растягивающие и раздавливающие нагрузки - очень значительные. Высокое избыточное гидростатическое давление. | Прямое длительное воздействие воды. Циклическая смена температур в диапазоне рабочих температур (меньше, чем для подземных). | - |
| Распределительные и станционные | Растягивающие и раздавливающие нагрузки: близкие к средним для распределительных; очень незначительные для станционных. Изгибы и удары. | Прямое воздействие огня при пожарах. Циклическая смена температур в диапазоне рабочих температур (меньше, чем для подземных). | - |
Основные конструктивные элементы ОК\ оптическое волокно; оптические модули; оптические сердечники; силовые элементы; гидрофобные материалы; броня; оболочка. Отдельные перечисленные элементы могут отсутствовать исходя из назначения и условий применения ОК.
Оптическое волокно - это основной конструктивный элемент ОК, выполняющий роль направляющей среды передачи. Типы и параметры ОВ приведены в разделе 1.
Оптический модуль (ОМ) - самостоятельный конструктивный элемент ОК, содержащий одно и более ОВ, выполняет функции защитного элемента, уменьшает опасность обрыва ОВ и обеспечивает стабильность его работы при воздействии продольных и поперечных сил.
ОМ могут быть следующих типов: трубчатые; профилированные; ленточные.
В трубчатом ОМ оптические волокна могут свободно укладываться либо без скрутки (рис. 2.2,а), либо путем скрутки вокруг центрального силового элемента (рис.2.2,6), либо размещаться в плотном буферном покрытии (рис.2.2,в).
Плотный буферный слой увеличивает сопротивляемость ОВ к сжатию и изгибам.
В профилированном ОМ в спиралеобразных пазах V-образного типа, образуемых в полимерном стержне, ОВ (одно или несколько) свободно укладываются по спирали. Силовой элемент в центре профилированного стержня обеспечивает необходимые механические параметры и стойкость к температурным изменениям (рис 2.2,г).
Рис. 2.2. Примеры конструкций оптических
модулей: а), б) и в) - трубчатых; г) - профилированного:
1 - трубка; 2 - водоблокирующие нити или гидрофобный
компаунд; 3 - ОВ в защитном покрытии; 4 - ЦСЭ; 5 - ленты;
6 - стержень профилированного типа со спиралеобразным
V-образными пазами; 7 - плотный буферный слой
В ленточном оптическом модуле оптические волокна от двух и более размещаются в линейный ряд, образуя линейный элемент. Фиксация ОВ в линейном элементе может осуществляться с помощью полимерного материала по длине элемента, выполняющего функцию вторичного защитного покрытия (рис.2.3,а), или адгезивного слоя и наложенных поверх синтетических лент (рис.2.3,6).
Из оптических модулей ленточного типа может создаваться матрица (единичный блок) с определенным числом ОВ, который затем размещается либо в полимерной трубке, либо в пазах спиралеобразного профилированного элемента (стержня).
Рис. 2.3. Примеры конструкций ленточного оптического модуля:
а) с полимерным защитным материалом; б) с дополнительным
защитным покрытием из адгезивного слоя и синтетических лент:
1 - ОВ в защитном покрытии; 2 - полимерный материал;
3 - адгезивный слой; 4 - синтетическая лента
В линейных оптических кабелях отечественного производства в основном применяются ОМ со свободной укладкой ОВ (рис.2.2,а).
Трубки ОМ изготавливаются из полибутилентерефталата (ПБТ), поликарбоната, полиамида.
Оптический сердечник формируется из одного центрального ОМ, либо из нескольких ОМ или пучков ОМ, скрученных вокруг центрального силового элемента (ЦСЭ), принимающего на себя механические нагрузки при прокладке ОК.
Оптический сердечник повышает механическую прочность ОК, защищает ОВ от изгибов и от нагрузок на растяжение и сдавливание, в пределах, не оказывающих влияния на передаточные параметры. Оптические сердечники могут содержать дополнительные элементы: элементы заполнения, не содержащие ОВ (кордели), медные жилы, пары или четвертки из медных жил. Обычно повив оптического сердечника из элементов скрепляется нитями или скрепляющей лентой. Конструкция оптического сердечника (емкость, тип ОМ и его место в сердечнике, медные жилы, пары и четвертки из медных жил, элементы заполнения) определяются функциональным назначением и условиями применения ОК. ЦСЭ принимает на себя нагрузку при прокладке ОК.
Примеры конструкций оптических сердечников ОК, образованных из ОМ различного типа, для подвески или прокладки в грунте и внутри зданий приведены на рис.2.4.
Гидрофобные заполнители. В качестве гидрофобных заполнителей (ГЗ), защищающих ОК от распространения влаги, преимущественно применяют гидрофобные гелеобразные компаунды. Заполнители на основе порошкообразных материалов, нити и ленты (выполняются, в основном, на основе распушенной целлюлозы, разбухающей при контакте с водой и образующей «пробку» для дальнейшего ее распространения) применяют значительно реже.
ГЗ, используемые в качестве заполнителей оптических модулей, помимо задачи защиты ОВ от воздействия влаги выполняют также функцию амортизатора для ОВ при механических воздействиях на ОК, а также функцию смазки, уменьшающей трение между ОВ и стенкой оптического модуля. Они отличаются диапазоном рабочих температур и назначением: внутримодульные заполнители, применяемые для заполнения модулей с ОВ, и межмодульные заполнители, применяемые для заполнения свободного пространства в сердечниках ОК и в бро-непокровах, выполняемых из стальных проволок или стеклопластиковых стержней.
Внутримодульные заполнители характеризуются значительно более высоким предъявляемыми к ним требованиями и имеют меньшую вязкость по сравнению с межмодульными заполнителями.
Основным материалом для скрепления элементов сердечника ОК повивной скрутки является полиэтилентерефталатная лента, обеспечивающая фиксацию элементов конструкции сердечника до наложения полимерной оболочки и предотвращающая вытекание из сердечника гидрофобного заполнителя.
Силовые элементы. В качестве центрального силового элемента ОК повивной скрутки используют стеклопластиковый стержень, а также стальную проволоку или трос с полимерным покрытием. Для изготовления ОК, предназначенных для прокладки в грунт, в качестве центрального силового элемента преимущественно используются стеклопластиковый стержень, с целью повышения стойкости ОК к внешним электромагнитным воздействиям.
Рис. 2.4. Примеры конструкций оптических сердечников подземных и подвесных ОК из ОМ различного типа: а) трубчатого; б) профилированного; в) ленточного: 1 - центральный силовой элемент; 2 - оптический модуль трубчатого типа; 3 - защитное покрытие (трубка, скрепляющие полимерные ленты и т.п.); 4 - полимерная трубка; 5 - оптические волокна в защитном покрытии; 6 - гидрофобный заполнитель; 7 - оптический модуль профилированного типа; 8 - стержень профилированного типа; 9 - единичный блок (матрица) из ленточных ОМ; 10 - ленточный оптический модуль
Стеклопластиковые прутки арамидные нити (наиболее широко известные торговые марки арамидных нитей - «кевлар» и «тварон») применяют, в основном, в качестве силовых элементов диэлектрических ОК, предназначенных для подвески на опорах ЛЭП, опорах контактной сети и автоблокировки электрифицированных железных дорог, а также для ОК, предназначенных для прокладки в условиях сильных электромагнитных воздействий.
Силовые элементы, расположенные в центре ОК, обеспечивают большую гибкость, а на периферии большую стойкость ОК к ударам и растягивающим нагрузкам.
Бронепокровы. Для защиты ОК от механических повреждений на кабельный сердечник накладывается броня из круглых оцинкованных или из нержавеющей стали проволок в виде одного или нескольких слоев. Например, в ОК для прокладки через судоходные реки, в районах с пучением грунта, используется двухслойная круглопроволочная броня. Применяется также броня из продольно наложенной стальной гофрированной ленты, обеспечивающая защиту от грызунов, механических воздействий и поперечной диффузии влаги (лента Zetabon). Стальная лента изготавливается из низкоуглеродистой стали и имеет хромовое покрытие, которое наносится электролитическим путем. На ленту с обеих сторон наносится полимерное покрытие. В процессе нанесения наружной оболочки полимерное покрытие стальной ленты расправляется, образуя надежное сцепление между стальной лентой и наружной полимерной оболочкой.
В диэлектрических ОК, не содержащих металлические элементы броня может быть выполнена из высокопрочных арамидных нитей и стеклопластиковых прутков.
Защитные оболочки. Поверх бронепокровов накладываются внешние пластмассовые оболочки, запрещающие ОК от внешних воздействий и влаги. Между бронепокровом и пластмассовой оболочкой для предотвращения распространения влаги по ОК вводится гидрофобный заполнитель или водоблокирующая лента. Для изготовления оболочек ОК чаще всего применятся полиэтиленовые композиции, в которые вводят различные компоненты, способствующие повышению стойкости материала к старению, к солнечной радиации и др. В частности, повышение стойкости полиэтилена к солнечной радиации обеспечивается за счет введения газовой сажи в объеме около 3%, в связи с чем наружные полиэтиленовые оболочки ОК имеют преимущественно черный цвет. Одним из недостатков полиэтилена является его горючесть, поэтому ОК с полиэтиленовыми оболочками используются только для наружной прокладки. Применять их для кабелей, прокладываемых внутри зданий, в коллекторах и туннелях, нельзя по соображениям пожаробезопасности. Для прокладки внутри помещений, коллекторах, туннелях исходя из требований пожаробезопасности используются ОК с оболочками из полиэтиленовых композиций, не поддерживающих горение, а также с оболочками из поливинилхлоридного пластиката.