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.