Конструктивные элементы кабелей электросвязи

Глава 2

Кабельные линии передачи

Физика процесса передачи сигнала в кабельной линии передачи и величины характеризующие передачу сигнала в кабеле.

Конструкция и марки кабелей связи

Основные положения

Электрическим кабелем связи называют кабельное изделие, содержащее одну или более изолированных электрических цепей, заключенных в оболочку, поверх которой в зависи­мости от условий прокладки и эксплуатации может быть наложен соответствующий за­щитный покров [1-9].

Электрические кабели связи классифицируют по следующим признакам: область применения, спектр передаваемых частот, конструкции, условия прокладки и эксплуата­ции.

В соответствии с построением ЕСЭ РФ в зависимости от области примене­ния кабели связи подразделяют на магистральные, зоновые (внутриобластные), местные (городские и сельские), станционные, структурированные кабельные сети (внутриобъектовые) [8-10].

По спектру передаваемых частот кабели делят на низкочастотные (до 10 кГц) и высо­кочастотные (свыше 10 кГц).

В зависимости от условий прокладки и эксплуатации кабели подразделяют на под­земные, для размещения в кабельной канализации, для подвески на опорах воздушных ли­ний, подводные, станционные, для внутридомовых телефонные сетей и структурирован­ных кабельных систем.

По конструкции и взаимному расположению проводников цепи электрических кабе­лей разделяют на симметричные и коаксиальные.

Симметричная цепь (пара) состоит из двух изолированных проводников с одинако­выми конструктивными и электрическими свойствами.

У коаксиальной цепи внутренний проводник концентрически расположен внутри внешнего проводника, имеющего форму полого цилиндра. Внутренний проводник изолирован от внешнего различными диэлектрическими прокладками (шайбами, баллонами, корделем, сплошным слоем).

Для удобства классификации и пользования электрическим кабелям связи присваи­ваются буквенно-цифровое обозначение - марка кабеля, которая позволяет определить его конструкцию и назначение.

Первая группа букв в марке кабеля обозначает область применения: МК - магист­ральный кабель; ЗК - зоновый кабель (симметричный); ВК - внутризоновый коаксиаль­ный; КС - кабель сельский; Т - телефонный низкочастотный.

Марки станционных низкочастотных кабелей отличают стоящей на втором месте бу­кве «С» - станционный (ТС), распределительный (ТР).

Как правило, кабели связи имеют парную скрутку жил. В обозначении и марке это не указывается.

В конструкциях кабелей, имеющих «звездную» (четверочную) скрутку жил, вводится буква «3», например, ТЗБ.

Малогабаритные коаксиальные кабели имеют марку МКТ (малогабаритный коаксиальный с трубчатополиэтиленовой изоляцией).

Радиочастотные кабели содержат в маркировке букву «Р».

Следующая буква в симметричных кабелях означает тип изоляции: С – кордельно-полистерольная (стерофлексная); П — полиэтиленовая.

Отсутствие буквы в обозначении это изоляция на основе бумаги (сплошная, кордельно-бумажная), например, кабель Т.

Следующая буква относится к материалу оболочки: отсутствие буквы - свинцовая, А алюминиевая, Ст - стальная гофрированная; П - полиэтиленовая; В - поливинилхлоридная.

Последняя буква маркировки кабеля обозначает тип защитных покровов: Г - без за­щитных покровов, т.е. голый (для кабеля со свинцовой оболочкой); Б - бронированным стальными лентами; К - круглыми проволоками; Ш - шланговое покрытие.

Группа цифр обозначает емкость (парность) кабеля и диаметр жил: например МКС 4x4x1,2 - четырехчетверочный кабель звездной скрутки жил с диаметром 1,2 мм, ТПП 50x2x0,5 - низкочастотный кабель парной скрутки жил емкостью 50 двухпроводных цепей с диаметром жил 0,5 мм.

Здесь приведены основные «устоявшиеся» обозначения марок кабелей, широко вы­пускаемых отечественной промышленностью конструкции кабелей и находящихся в эксплуатации на сетях ЕСЭ [1-9]. Последние годы в марку кабелей вводятся дополнительные обозначения, определяющие предприятие изготовитель и другие отличительные признаки.

Конструктивные элементы кабелей электросвязи

Конструктивно кабель состоит из сердечника и защитных покровов. Сердечник - это скрученные в определенном порядке изолированные проводники, образующие электриче­ские цепи, защитные покровы - влагонепроницаемая оболочка (металл, пластмасса, металлопластмасса) и наружные покровы (джут, броня, шланг).

Токопроводящие жилы электрических кабелей связи изготовляют, в основном, из ме­ди. Как правило, используют отожженную мягкую медь марки ММ с удельным сопротивлением = 0,01754 Ом*мм²/м.

Для высокочастотных кабелей связи чаще всего применяют медные жилы диаметром 0,9 и 1,2 мм. В подводных и радиочастотных кабелях используют многопроволочную жи­лу, состоящую из скрученных проволок разного сечения.

Для местных (городских) кабелей применяют медные жилы диаметром 0,32; 0,4; 0,5; 0,64 и 0,7 мм.

В коаксиальных кабелях в качестве внешнего проводника служат цилиндрические медные трубки с продольным швом, гофрированные или оплетенные, а также алюминие­вые трубки.

Для изоляции жил кабелей связи используют бумагу, полимеризационные пластмассы - полистирол (стерофлекс) для магистральных кабелей, полиэтилен для кабе­лей зоновой и местной связи.

При конструировании кабельной изоляции стремятся сделать так, чтобы количество твердого диэлектрика было минимальным, обеспечивающим устойчивость изоляции и же­сткость конструкции кабеля, а количественно воздуха как наилучшего диэлектрика (e = 1, r®1, tg d®¥) - максимальным. Такая конструкция изоляции принята в магистральных кабелях МКС.

Применяют конструкции сплошной или комбинированной изоляции жил:

- трубчатая - выполняется в виде бумажной или пластмассовой ленты, нанизанной в виде трубки;

- кордельная - состоит из корделя, накладываемого на проводник по спирали, и тонкой ленты наложенной поверх корделя;

- сплошная - выполняется из сплошного слоя пластмассы;

- пористая - из пористого слоя полиэтилена;

- пленко-пористая - из пористого полиэтилена с покрытием тонким слоем сплошно­го полиэтилена;

- баллонная – представляет собой тонкостенную пластмассовую трубку, внутри которой свободно располагается проводник. Трубка периодически в точках или по спирали обжимается горячим инструментом и надежно удерживает после затвер­дения жилу в центре изоляции;

- шайбовая - выполнена в виде шайбы из твердого диэлектрика, насаживаемого на проводник через определенное расстояние.

Наибольшее применение в настоящее время находят следующие виды изоляции [8-10]:

- для симметричных ВЧ кабелей - кордельно-полистерольная (стерофлексная), сплошная пористополиэтиленовая,

- для кабелей ГТС и местных сетей - сплошная полиэтиленовая, пористо-бумажная;

- для коаксиальных кабелей - шайбовая, баллонная и пористополиэтиленовая;

- для станционных кабелей - сплошная поливинилхлоридная.

В симметричных кабелях применяют следующие наиболее распространенные спосо­бы скрутки изолированных проводников в группы:

- парная скрутка (П) - два изолированных проводника скручиваются определенным шагом (100...300 мм);

- звездная скрутка (3) - четыре изолированные жилы, расположенные по углам квадрата, скручиваются с шагом 150...300 мм;

- двойная парная скрутка (ДП) - две предварительные свитые пары скручивают между собой в четверку с шагом 150...300 мм;

- разнонаправленная скрутка, обеспечивающая транспозицию жил с определенным шагом с промежуточным параллельным участком (SZ скрутка).

Скрученные в группы изолированные жилы систематизируют в группы по опреде­ленному закону и объединяют в общий кабельный сердечник.

Различают сердечники с однородной (одинаковой структурой элементарных групп -четверки, пары) и неоднородные (разнородные по скрутке и диаметру элементарных групп) группами.

В зависимости от характера образования сердечника различают повивную и пучко­вую скрутки. В повивной скрутке элементарные группы располагают последовательными концентрическими слоями (повивами) вокруг центральной группы. Смежные повивы скручивают в противоположные стороны для уменьшения взаимных влияний и придания кабельному сердечнику большой механической прочности. При пучковой скрутке группы сначала объединяют в пучки, а затем пучки скручивают вместе, образуя сердечник кабеля.

Для обеспечения стабильности электрических характеристик и защиты от проникно­вения влаги, сердечник кабеля заполняется гидрофобной массой.

Для защиты сердечника кабеля от воздействия внешней среды применяют герметичные оболочки. Оболочки в за­висимости от материала, используемого для их изготовления, подразделяют на металличе­ские (свинцовые, алюминиевые, стальные гофрированные) и пластмассовые (полиэтиле­новые, поливинилхлоридные) и металлопластиковые.

Поверх оболочки кабеля накладывают наружные (броневые) покровы, защищающие кабель от механических повреждений. В зависимости от механических воздействий на ка­бель в процессе прокладки и эксплуатации применяют следующие разновидности брони: две стальные ленты (Б), повив из круглых стальных проволок (П).

Для защиты от воздействия грызунов в малопарных кабелях применяют однослой­ную тонкостенную ленту (0,1 мм), размещенную поверх сердечника в виде спирали с пе­рекрытием или продольной гофрированной оболочкой.

Предусматривается также конструкция кабеля для подвески на опорах воздушных линий со встроенным стальным тросом.

Токопроводящие жилы

Для изготовления токопроводящих жил кабелей связи применяется медная мягкая прово­лока марки ММ (ГОСТ 2112-79) следующих диаметров: 0,32; 0,4; 0,5; 0,64; 0,7; 0,9; 1,2 мм. Медная проволока изготовляется на кабельных заводах путем многократного волочения заготовок - медной катанки диаметром 7,2-8,0 мм преимущественно марки МК-ЛПС, по­лученной методом непрерывного литья и прокатки, светлой, не требующей последующего травления. Основные физико-механические и электрические характеристики медных то­копроводящих проволок:

- плотность у = 8,9 т/м³ (г/см³ );

- временное сопротивление разрыву σ_вр МПа (кгс/мм²) - 196.. 274,5 (20...28);

- относительное удлинение , не менее % - 20...25;

- удельное электрическое сопротивление r при температуре 20 °С, не более 17,24 Ом*мм²/км;

Изоляция жил

В качестве изоляции жил в кабелях местной связи применяют трубчато-бумажную, сплошную полиэтиленовую бумаго-массную, пористо-полиэтиленовую изоляцию, для ма­гистральных кабелей кордельно-стерафлексную изоляцию. На рис. 2.1 показаны конст­рукции изолированных жил.

Рис. 2.1 Виды изоляции жил

а - трубчато-бумажная, б - сплошная полиэтиленовая; в - бумаго-массная или пористо-полиэтиленовая, г - пористо-сплошная полиэтиленовая

Воздушно-бумажная изоляция. Трубчато-бумажная изоляция образуется путем неплотной спиральной обмотки токопроводящей жилы лентой телефонной или кабельной бумаги. Обмотка производится с пе­рекрытием каждого предыдущего витка последующим примерно на 20...25% по ширине ленты. Ширина и шаг наложения ленты рассчитываются так, чтобы между формирующей­ся бумажной трубкой и токопроводящей жилой образовался воздушный зазор (рис. 2.1 ,а).

Полиэтиленовая изоляция. Полиэтиленовая изоляция накладывается на жилу методом экструзии (выпрессования). Различаются три ее разновидности: сплошная, пористая и пористо-сплошная. Мате­риалом для сплошной изоляции служит композиция полиэтилена и содержащие в основе своей полиэтилен, а также термостабилизирующие и другие добавки.

Полиэтилен — твердый высокомолекулярный продукт полимеризации непредельного углеводорода этилена С2Н4. В зависимости от способа получения различают полиэтилен высокого (ПЭВД) и низкого (ПЭНД) давления. Первый получают при давлении 140...250 МПа и температуре 70...100 С. Плотность ПЭВД 0,918...0,930 г/см³. Он считает­ся полиэтиленом низкой плотности. Плотность ПЭНД 0,949...0,967 г/см³. Его считают по­лиэтиленом высокой плотности. Способ получения полиэтилена обуславливает не только его плотность, но и молекулярную структуру, следовательно, основные свойства.

Преимуществами пористой полиэтиленовой изоляции перед сплошной являются ее меньшая относительная диэлектрическая проницаемость, и, следовательно, меньшие диа­метры и массы кабелей. К недостаткам пористой изоляции по сравнению со сплошной от­носятся большая влагоемкость, меньшие механическая и электрическая прочности

Пористо-сплошная полиэтиленовая изоляция состоит из двух слоев Внутренний по­ристый слой (на его долю приходится примерно 80% общей толщины) обеспечивает сни­жение эквивалентной относительной диэлектрической проницаемости изоляции. Внешний слой - сплошной, его назначение - предотвратить доступ влаги в случае ее проникновения в кабель или заполнителя (в герметизированных кабелях) к пористой изоляции с тем, что бы воспрепятствовать ухудшению ее свойств. В последние годы разработана трехслойная пленко-пористо-пленочная изоляция жил: пленка 0,05 мкм накладывается на медную жилу, затем слой из пористой изоляции, поверх которого размещается защитная пленочная «оболочка» - 0,08 мкм