Конструкция сердечника оптического кабеля
Вне зависимости условий применения кабеля определяющим его технические и экономические характеристики, является сердечник оптического кабеля.
Существует два способа по защите оптических волокон от механических воздействий в процессе изготовления, прокладки и эксплуатации кабелей, в одном из которых элементы кабельного сердечника могут спокойно перемещаться за счет наличия пустот между элементами, в другом применением демпфирующих слоев между элементами.
В настоящее время существует пять типов компоновки кабельного сердечника:
— кабели повивной скрутки;
— кабели пучковой скрутки;
— кабели с «профильным» сердечником;
— кабели с центральной трубкой.
а — повивной скрутки; б — пучковой скрутки; в- с профильным сердечником; г — ленточный; д — центральной трубки; 1 — одно- или многоволоконный модуль; 2 — упрочняющий элемент; 3 — оболочка кабеля; 4 — пучок из многоволоконных оптических модулей; 5 — оптическое волокно; 6 — лента с несколькими оптическими оптических модулей; 5 — оптическое волокно; 6 — лента с несколькими оптическими волокнами; 7 — пучок оптических волокон; 8 — центральная трубка; 9 — профильный сердечник
Рисунок 6 ? Компоновки кабельного сердечника
Скрутка оптических модулей в сердечник вокруг несущего элемента кабельного сердечника, может быть выполнена одним из следующих двух типов:
По спиральной скрутке модули (волокна) свиваются в одном направлении и с одинаковым углом по отношению к продольной оси кабеля.
При SZ скрутке одно направление скрутки, например, по часовой стрелки через определенное число витков меняется на противоположное направление (против часовой). В точки смены направления скрутки волокна параллельны оси кабеля. Для того чтобы предотвратить распространение влаги по длине кабеля, свободное пространство между элементами сердечника заполняется специальным гидрофобным компаундом (гелем).
Для предотвращения нежелательного воздействия компаунда на силовые элементы и / или оболочку кабеля сердечник кабеля изолируется от последующих внешних элементов несколькими слоями тонкой пластмассовой пленки.
Упрочняющие элементы волоконно-оптического кабеля
Упрочняющие элементы в оптических кабелях могут располагаться в сердечнике, оболочке или одновременно в обеих частях. Упрочняющие элементы независимо от места расположения наиболее часто изготавливаются из стали, арамидной пряжи, стеклопластиковых стержней и синтетических высокопрочных нитей. Площадь поперечного сечения этих материалов должна быть достаточна, чтобы максимальное удлинение кабеля для установленной нагрузки вызывало растяжения волокон, которое они получили при их испытании на прочность в процессе изготовления.
Выбор материалов для упрочняющих элементов зависит от допустимого радиуса изгиба кабеля, допустимых механических нагрузок, диапазона температур, в котором должен эксплуатироваться кабель.
Оболочка кабеля
Оболочка оптического кабеля связи должна защищать сердечник кабеля от механических, тепловых и химических воздействий, а также от влаги. Так как в оптическом диапазоне отсутствуют помехи со стороны контактных сетей переменного тока и ЛЭП, то не имеет смысла делать оболочку ОКС металлической. Оптические кабели при наземной прокладке в подавляющем большинстве случаев имеют пластмассовые оболочки.
Наибольшее применение среди пластмассовых оболочек получили полиэтиленовые и поливинилхлоридные.
Полиэтиленовая оболочка предназначена для кабелей наружной прокладки. Номинальная толщина полиэтиленовой оболочки составляет 2,0 мм. В случае ее применения для внутренней прокладки требуется принятие специальных противопожарных мер.
Подвесные кабели имеют специальную обработку наружной поверхности оболочки для борьбы с гололедообразованием, поэтому подвесные кабели особой осторожности в обращении с целью предотвращения трения оболочки кабеля с различными поверхностями при его прокладке. Для защиты кабеля от повреждений грызунами используют слоистую оболочку, армированную гофрированной стальной лентой, и для водонепроницаемости ламинированную алюминием.
Поливинилхлоридная оболочка применяется для кабелей наружной прокладки в агрессивных средах и при внутренней прокладке в производственных зданиях. При прокладке кабеля в местах большого скопления людей применяются оболочки из галогенно содержащих не воспламеняющихся полимеров.
Конструктивные элементы оптических кабелей.
Основные элементы. Высокая чувствительность ОВ к механическим воздействиям и факторам окружающей среды в процессе изготовления, прокладки и эксплуатации требует особого подхода к конструированию ОК. Следует учитывать необходимость предохранения ОВ от растяжения и изгибов, упрочнения ОК силовыми элементами защиты его от внешних механических воздействий.
Высокая надежность ОК обеспечивается соответствующим подбором материалов и расчетами конструктивных элементов ОК. Правильно разработанные конструкции ОК обладают высокой механической прочностью, позволяющей прокладывать их как обычные металлические кабели. Кроме того, конструкция ОК должна гарантировать и поддерживать характеристики передачи ОВ в течение всего срока службы ОК, который должен составлять не менее 25…30 лет.
В ОК, как следует из вышесказанного, кроме ОВ содержатся следующие конструктивные элементы;
— заполнители в виде сплошных пластмассовых нитей;
— силовые (упрочняющие) элементы (стальные, медные и алюминиевые проволоки, а также арамидные нити и стеклопластиковые стержни), воспринимающие на себя продольную нагрузку на разрыв;
— армирующие элементы, повышающие стойкость ОК при механических радиальных воздействиях;
— наружные защитные покрытия — оболочки (металлопластмассовая с металлическими лентами или металлическим слоем, пластмассовая, пластмассовая с силовыми элементами, пластмассовая с впрессованными силовыми элементами с металлической лентой, бронированная оболочка кабеля)), предохраняющие от проникновения влаги, паров вредных веществ и внешних механических воздействий;
— изолированные медные жилы для питания различных устройств на линии;
— гидрофобные компаунды, препятствующие проникновению влаги в ОК.
Модуль. При изготовлении оптических кабелей ОВ в процессе их укладки подвергаются воздействию поперечных сил, которые их деформируют и смещают в поперечном направлении, что приводит в конечном итоге к изменению передаточных характеристик ОВ. Поэтому для снижения отрицательных влияний поперечных деформаций ОВ снабжают индивидуальным защитным покрытием в виде модуля.
Модуль является одним из основных конструктивных элементов, из которых формируется сердечник ОВ.
Под модулем понимается самостоятельный элемент ОК, содержащий одно или несколько ОВ.
| Мягкая оболочка |
| Жесткая оболочка |
| Оптическое волокно |
| Рисунок 2.9 — Оптическое волокно в двойной защитной оболочке |
Модули бывают трех типов: трубчатые, профильные и ленточные.
| Защитное покрытие |
| Оптическое волокно |
| Рисунок 2.10 — Оптическое волокно в трубчатом защитном покрытии |
Трубчатые модули в свою очередь разделяются на плотные (рис. 2.9) и свободные (рис. 2.10). Первые применяются в кабелях внутренней прокладки.
Свободные трубчатые модули наравне с профильными составляют основу кабелей наружной прокладки.
В плотных модулях в качестве сплошного защитного покрытия используются как твердые, так и мягкие оболочки.
Жесткая внутренняя оболочка с высоким модулем упругости придает ОВ жесткость, а мягкая внутренняя оболочка с низким модулем упругости обеспечивает поперечную сжимаемость, т.е. уменьшает любые смещения, обусловленные упругой деформацией при изготовлении ОВ.
Профильный модуль представляет пластмассовый стержень с V-образными или прямоугольными пазами на периферии, в которых расположены одно или несколько ОВ (рис. 2.11). Указанная конструкция модуля позволяет отдельным ОВ оставаться в ненапряженном состоянии при удлинении ОК под воздействием внешних сил.
| Защитное покрытие |
| Оптическое волокно |
| Рисунок 2.11. — Конструкция ОК со свободным поддержанием ОВ. уложенных по спирали в пазах фигурного стержня |
| Центральный силовой элемент |
В свободных трубчатых и профильных модулях ОВ должны быть длиннее трубки и профилированного стержня на 0,3…0,5%, чтобы при воздействии на ОК растягивающей нагрузки она не передавалась на ОВ.
Ленточный модуль представляет плоскую ленту с параллельно уложенными на определенном расстоянии друг от друга ОВ. Для ленты используется обычные ОВ с первичным покрытием порядка 250 мкм.
При создании самой ленты используются два основных метода фиксирования ОВ. Один из них — метод вторичного покрытия (рис. 2.12а), а другой — метод, использующий липкие ленты (рис. 2.12б). Обычно в одной ленте содержится от 2 до 24 ОВ. ОВ в модулях должны иметь различную расцветку. При большом числе ОВ в модуле их группируют в пакеты по 8 или 12, обматывая цветной нитью.
Сердечник. ОК классифицируются на одномодульные и многомодульные в зависимости от того, содержит ли кабель один модуль (в центре) или несколько (в повиве).
| Липкое вещество |
| Лента |
| Первичное покрытие |
| Оптическое волокно |
| Вторичное ленточное покрытие |
| а) |
| б) |
| Рисунок 2.12. — Способы фиксирования ОВ в ленточных модулях |
В одномодульных ОК сердечником является сам модуль. В многомодульных ОК сердечник скрепляется поясной изоляцией из синтетической полипропиленовой, тефталатной (лавсановой) ленты, накладываемой путем спиральной обмотки в один или два слоя.
Для защиты от воздействий растягивающих усилий в процессе производства и прокладки кабеля внутри повива расположен центральный силовой элемент (ЦСЭ), вокруг которого скручиваются модули и который воспринимает растягивающие усилия. ЦСЭ служит стальная проволока, тонкий стальной трос либо стеклопластиковый стержень.
Модули скручиваются вокруг ЦСЭ в необходимых количествах. Если число модулей менее 6, то для обеспечения устойчивой правильной скрутки вместе с модулями скручиваются пластмассовые кордели-заполнители сплошного сечения. Если по ОК организуется служебная связь или дистанционное питание, роль корделей-заполнителей выполняют изолированные медные жилы (одиночные или скрученные в пары или четверки).
Силовые элементы. В конструкцию ОК для устранения появления больших напряжений вводят силовые (упрочняющих) элементы.
Конструктивно упрочняющий элемент выполняется в виде корделя из сплошного материала или жгута из тонких волокон (проволок). Использование жгута в качестве упрочняющего элемента обеспечивает достаточную гибкость ОК.
| Упрочняющий элемент |
| Защитная оболочка |
| Оптическое волокно |
| Рисунок 2.13. Конструкция ОК с центральным расположением упрочняющего элемента |
Возможны два варианта конструктивных решений в расположении упрочающих элементов (УЭ) в ОК. В первом варианте УЭ располагается в центре сердечника кабеля (рис. 2.13), во втором варианте УЭ размещается на периферии. В первом варианте УЭ обеспечивает лучшую гибкость ОК, во втором — гибкость ОК меньше, но более эффективно противостоит радиальным усилиям и ударам.
Защитные покровы. Для защиты ОВ от воздействий внешней среды и механических повреждений в процессе прокладки ОК и его эксплуатации кабельный сердечник защищается наружной оболочкой.
В общем случае в конструкциях ОК используются 4 варианта оболочек: полиэтиленовая, алюмополиэтиленовая, поливинилхлоридная и из безгалогенного материала, не распространяющего горения.
Полиэтиленовая оболочка используется, главным образом, в бронированных кабелях наружной прокладки, алюмополиэтиленовая оболочка — в небронированных ОК, прокладываемых в пластмассовых трубах методом пневмопротяжки.
Конструктивно алюмополиэтиленовая оболочка формируется из алюминиевых лент толщиной 0,12…0,2 мм, покрытой с одной или с обеих сторон пленкой полимера. Пленка и оболочка свариваются и в результате получается экран, образующий монолитную конструкцию, обладающую значительно меньшей влагонепроницаемостью, чем обычная полиэтиленовая оболочка.
В кабелях, прокладываемых в пожароопасных местах, применяется оболочка из поливинилхлорида или безгалогенного материала, не распространяющих горения и практически не выделяющего при горении дыма и других токсичных веществ.
При больших внешних нагрузках на ОК в его конструкцию вводятся броневые покровы. Броня бывает 3 видов: ленточная, одноповивная (одинарная) круглоопроволочная и двухповивная (двойная) круглопроволочная.
В ОК для прокладки в кабельной канализации, трубах, коллекторах, тоннелях, на мостах и эстакадах используется стальная ленточная броня. Стальная гофрированная лента толщиной 0,15…0,25 мм, покрытая с наружной стороны полимером, накладывается продольно с перекрытием на внутреннюю оболочку ОК.
В ОК для прокладки в грунтах, не подверженных мерзлотным деформациям, на переходах через неглубокие несудоходные реки, озера и болота применяется одноповивная броня из круглых стальных оцинкованных проволок различного диаметра.
В ОК для прокладки в сложных грунтах всех групп, в том числе и подверженных мерзлотным деформациям, а также на переходах через глубокие судоходные реки применяется двухповивная круглопроволочная броня. В указанной броне оба повива стальных проволок могут быть разделены промежуточной полиэтиленовой оболочкой. В основном броня обеспечивает стойкость ОК к такому внешнему механическому воздействию, как растяжение.
На броню накладывается защитный шланг, который изготовляется из полиэтилена или негорючего безгалогенного материала. В защитный шланг могут быть впрессованы для механического усилия две толстые проволоки.
Особые требования к защитным покровам предъявляются к ОК для воздушной подвески. В связи с тем, что подвесные кабели не содержат металлических элементов и изготовляются полностью диэлектрическими, их защитный покров состоит из полиэтиленовой оболочки, двух повивов арамидных нитей или повив стеклопластиковых стержней и защитного шланга из полиэтилена.
Типовые конструкции оптических кабелей. В настоящее время в зависимости от назначения, условий прокладки и эксплуатации разработаны и производятся ОК различных типов и конструкций. Среди большого их многообразия можно выделить четыре типа ОК (рис. 2 .14):
— многоповивные, или кабели повивной скрутки;
— кабели пучковой скрутки
— кабели с профильным несущим сердечником;
| а) |
| б) |
| в) |
| Рисунок — 2.14.- Типы конструкций кабелей: а) — повивной скрутки, б) — пучковой; в) с профильным сердечником; г) — ленточный |
| г) |
ОК повивной скрутки (рис. 2.14 ,а) выполнен в виде повивов из оптических модулей, скрученных вокруг ЦСЭ, которые эффективны при числе модулей до 20. Типовая конструкция повивного ОК содержит от 6 до 8 оптических модулей и имеет наружный диаметр порядка 12 мм.
В тех случаях, когда вокруг ЦСЭ скручивается один повив с числом модулей меньше 6, промежутки между ними заполняются пластмассовыми корделями сплошного сечения с диаметром, равным диаметру модуля. Для заполнения можно использовать и изолированные медные жилы.
ОК пучковой скрутки состоят из пучков ОМ, скрученных вокруг ЦСЭ (рис. 2.14,б). Пучок представляет собой полимерную трубку, внутри которой размещается профильный сердечник с продольными пазами, в которые свободно уложены ОВ. Кабели этого типа содержат от 25 до 500 модулей, их внешний диаметр составляет 15…25 мм.
ОК с профильным несущим сердечником состоит из сердечника, представляющего собой несущий пластиковый элемент с винтообразными пазами, в которых свободно уложены ОВ в первичном защитном покрытии или оптические модули (рис. 2.14,в). Диаметр профилированного сердечника с пазами составляет 6… 12 мм в зависимости от числа волокон.
Сердечник ленточных ОВ собран из отдельных плоских лент с параллельно уложенными на определенном расстоянии друг от друга ОВ (рис. 2.14,г).
Для ленты обычно используются обычные ОВ с первичным покрытием диаметром порядка 250 мкм. Обычно в одной ленте содержит от 2 до 24 волокон. Сложенные ленты образуют сердечник кабеля. Уплотняющие элементы в указанной конструкции расположены в оболочке. Благодаря плотной укладке ОВ, конструкция кабеля имеет небольшой диаметр (например, ОК из 144 ОВ имеет внешний диаметр 12 мм).
Оптоволоконные кабели связи. Как это делается
В нескольких своих постах, опубликованных более года назад, я поднял такую интересную для многих и чем-то захватывающую тему, как магистральные оптоволоконные кабели связи, в частности, тему «подводной» оптики. Информация в данных публикациях была неполной, торопливой и разрозненной, так как статьи писались «на коленке» во время обеденного перерыва. Сейчас я бы хотел поделиться структурированным и, насколько это возможно, полным материалом по теме оптики, с максимумом вкусных подробностей и гик-порно, от которых на душе любого технаря станет тепло.
Внутри схемы, гифки, таблицы и много интересного текста.
Условная классификация
В отличие от всем нам знакомой витой пары, которая вне зависимости от места применения имеет примерно одну и ту же конструкцию, оптоволоконные кабели связи могут иметь значительные отличия исходя из сферы применения и места укладки.
Можно выделить следующие основные виды оптоволоконных кабелей для передачи данных исходя из области применения:
- Для прокладки внутри зданий;
- для кабельной канализации небронированный;
- для кабельной канализации бронированный;
- для укладки в грунт;
- подвесной самонесущий;
- с тросом;
- подводный.
Кабель для прокладки внутри зданий
Оптические кабели для прокладки внутри зданий разделяют на распределительные, из которых формируется сеть в целом, и абонентские, которые используются непосредственно для прокладки по помещению к конечному потребителю. Как и витую пару, прокладывают оптику в кабельных лотках, кабель-каналах, а некоторые марки могут быть протянуты и по внешним фасадам зданий. Обычно такой кабель заводят до межэтажной распределительной коробки или непосредственно до места подключения абонента.
Конструкция оптоволоконных кабелей для прокладки в зданиях включает в себя оптическое волокно, защитное покрытие и центральный силовой элемент, например, пучок арамидных нитей. К оптике, прокладываемой в помещениях, есть особые требования по противопожарной безопасности, такие как нераспространение горения и низкое дымовыделение, поэтому в качестве оболочки для них используется не полиэтилен, а полиуретан. Другие требования — это низкая масса кабеля, гибкость и небольшой размер. По этой причине многие модели имеют облегченную конструкцию, иногда с дополнительной защитой от влаги. Так как протяженность оптики внутри зданий обычно невелика, то и затухание сигнала незначительно и влияние на передачу данных оно не оказывает. Число оптических волокон в таких кабелях не превышает двенадцати.
Также существует и своеобразная помесь «бульдога с носорогом» — оптоволоконный кабель, который содержит в себе, дополнительно, еще и витую пару.
Небронированный канализационный кабель
Небронированная оптика используется для укладки в канализации, при условии, что на нее не будет внешних механических воздействий. Также подобный кабель прокладывается в тоннелях, коллекторах и зданиях. Но даже в случаях отсутствия внешнего воздействия на кабель в канализации, его могут укладывать в защитные полиэтиленовые трубы, а монтаж производится либо вручную, либо при помощи специальной лебедки. Характерной особенностью данного типа оптоволоконного кабеля можно назвать наличие гидрофобного наполнителя (компаунда), который гарантирует возможность эксплуатации в условиях канализации и дает некоторую защиту от влаги.
Бронированный канализационный кабель
Бронированные оптоволоконные кабели используются при наличии больших внешних нагрузок, в особенности, на растяжение. Бронирование может быть различным, ленточным или проволочным, последнее подразделяется на одно- и двухповивное. Кабели с ленточным бронированием используются в менее агрессивных условиях, например, при прокладке в кабельной канализации, трубах, тоннелях, на мостах. Ленточное бронирование представляет собой стальную гладкую или гофрированную трубку толщиной в 0,15-0,25 мм. Гофрирование, при условии, что это единственный слой защиты кабеля, является предпочтительным, так как оберегает оптоволокно от грызунов и в целом повышает гибкость кабеля. При более суровых условиях эксплуатации, например, при закладке в грунт или на дно рек используются кабели с проволочной броней.
Кабель для укладки в грунт
Для прокладки в грунт используют оптические кабели с проволочной одноповивной или двухповивиной броней. Также применяются и усиленные кабели с ленточным бронированием, но значительно реже. Прокладка оптического кабеля осуществляется в траншею или с помощью кабелеукладчиков. Более подробно этот процесс расписан в моей второй статье по этой теме, где приводятся примеры наиболее распространенных видов кабелеукладчиков. Если температура окружающей среды ниже отметки в -10 о С, кабель предварительно прогревают.
В условиях влажного грунта используется модель кабеля, оптоволоконная часть которого заключена в герметичную металлическую трубку, а бронеповивы проволоки пропитаны специальным водоотталкивающим компаундом. Тут же в дело вступают расчеты: инженеры, работающие на укладке кабеля, не должны допускать превышения растягивающих и сдавливающих нагрузок сверх допустимых. В противном случае, сразу или со временем, могут быть повреждены оптические волокна, что приведет кабель в негодность.
Броня влияет и на значение допустимого усилия на растяжение. Оптоволоконные кабели с двухповивной броней могут выдержать усилие от 80 кН, одноповивные — от 7 до 20 кН, а ленточная броня гарантирует «выживание» кабеля при нагрузке не менее 2,7 кН.
Подвесной самонесущий кабель
Подвесные самонесущие кабели монтируются на уже существующих опорах воздушных линий связи и высоковольтных ЛЭП. Это технологически проще, чем прокладка кабеля в грунт, но при монтаже существует серьезное ограничение — температура окружающей среды во время работ не должна быть ниже — 15 о С. Подвесные самонесущие кабели имеют стандартную круглую форму, благодаря которой снижаются ветровые нагрузки на конструкцию, а расстояние пролета между опорами может достигать ста и более метров. В конструкции самонесущих подвесных оптических кабелей обязательно присутствует ЦСЭ — центральный силовой элемент, изготовленный из стеклопластика или арамидных нитей. Благодаря последним оптоволоконный кабель выдерживает высокие продольные нагрузки. Подвесные самонесущие кабели с арамидным нитями используют в пролетах до одного километра. Еще одно преимущество арамидных нитей, кроме их прочности и малом весе, заключается в том, что арамид по природе своей является диэлектриком, то есть кабели, изготовленные на его основе безопасны, например, при попадании молнии.
В зависимости от строения сердечника различают несколько типов подвесного кабеля:
- Кабель с профилированным сердечником — содержит оптические волокна или модули с этими волокнами – кабель устойчив к растяжению и сдавливанию;
- Кабель со скрученными модулями — содержит оптические волокна, свободно уложенные, кабель устойчив к растяжениям;
- Кабель с одним оптическим модулем – сердечник данного типа кабеля не имеет силовых элементов, поскольку они находятся в оболочке. Такие кабели обладают недостатком, связанным с неудобством идентификации волокон. Тем не менее, они обладают меньшим диаметром и более доступной ценой.
Оптический кабель с тросом
Оптические кабеля с тросом — это разновидность самонесущих кабелей, которые также используются для воздушной прокладки. В таком изделии трос может быть несущим и навивным. Еще существуют модели, в которых оптика встроена в грозозащитный трос.
Усиление оптического кабеля тросом (профилированным сердечником) считается достаточно эффективным методом. Сам трос представляет собой стальную проволоку, заключенную в отдельную оболочку, которая в свою очередь соединяется с оболочкой кабеля. Свободное пространство между ними заполняется гидрофобным заполнителем. Часто такую конструкцию оптического кабеля с тросом называют «восьмеркой» из-за внешнего сходства, хотя лично у меня возникают ассоциации с перекормленной «лапшой». «Восьмерки» применяют для прокладки воздушных линий связи с пролетом не более 50-70 метров. В эксплуатации подобных кабелей есть некоторые ограничения, например, «восьмерку» со стальным тросом нельзя подвешивать на ЛЭП. Надеюсь, объяснять, почему именно, не нужно.
Но кабели с навивным грозозащитным тросом (грозотросом) спокойно монтируются на высоковольтных ЛЭП, крепясь при этом к проводу заземления. Грозотросный кабель используется в местах, где есть риски повреждения оптики дикими животными или охотниками. Также его можно использовать на больших по дистанции пролетах, чем обычную «восьмерку».
Подводный оптический кабель
Данный тип оптических кабелей стоит в сторонке от всех остальных, так как прокладывается в принципиально иных условиях. Почти все типы подводных кабелей, так или иначе, бронированы, а степень бронирования уже зависит от рельефа дна и глубины залегания.
Различают следующие основные типы подводных кабелей (по типу бронирования):
- Не бронирован;
- Одинарное (одноповивное) бронирование;
- Усиленное (одноповивное) бронирование;
- Усиленное скальное (двухповивное) бронирование;
Подробно конструкцию подводного кабеля я рассматривал больше года назад вот в этой статье, поэтому тут приведу только краткую информацию с рисунком:
- Полиэтиленовая изоляция.
- Майларовое покрытие.
- Двухповивное бронирование стальной проволокой.
- Алюминиевая гидроизоляционная трубка.
- Поликарбонат.
- Центральная медная или алюминиевая трубка.
- Внутримодульный гидрофобный заполнитель.
- Оптические волокна.
Таблица типов и характеристик подводных кабелей в зависимости от глубины укладки
Производство
Теперь, когда мы познакомились с наиболее распространенными видами оптоволоконных кабелей, можно проговорить и о производственном процессе всего этого зоопарка. Все мы знаем об оптоволоконных кабелях, многие из нас имели с ними дело лично (как абоненты и как монтажники), но как становится ясно из информации выше, оптоволоконные, в особенности магистральные, кабели могут серьезно отличаться от того, с чем вы имели дело в помещении.
Так как для прокладки оптоволоконной магистрали требуются тысячи километров кабеля, их производством занимаются целые заводы.
Изготовление оптоволоконной нити
Все начинается с производства главного элемента — оптоволоконной нити. Производят это чудо на специализированных предприятиях. Одной из технологий производства оптической нити является ее вертикальная вытяжка. А происходит это следующим образом:
- На высоте в несколько десятков метров в специальной шахте устанавливается два резервуара: один со стеклом, второй, ниже по шахте, со специальным полимерным материалом первичного покрытия.
- Из узла прецизионной подачи заготовки или, проще говоря, первого резервуара с жидким стеклом, вытягивается стеклянная нить.
- Ниже нить проходит через датчик диаметра волоконного световода, который отвечает за контроль диаметра изделия.
- После контроля качества нить обволакивается первичным полимерным покрытием из второго резервуара.
- Пройдя процедуру покрытия, нить отправляется в еще одну печь, в которой полимер закрепляется.
- Нить оптоволокна протягивается еще N-метров, в зависимости от технологии, охлаждается и поступает на прецизионный намотчик, проще говоря, наматывается на бобину, которая уже и транспортируется как заготовка к месту производства кабеля.
Наиболее распространены следующие размеры оптоволоконного кабеля:
- C сердечником 8,3 мк и оболочкой 125 мкм;
- C сердечником 62,5 мк и оболочкой 125 мкм;
- C сердечником 50 мк и оболочкой 125 мкм;
- C сердечником 100 мк и оболочкой 145 мкм.
Огромное значение имеет контроль диаметра световода. Именно эта часть установки отвечает за один из главных параметров на всех этапах производства нити — неизменность диаметра конечного изделия (стандарт — 125 мкм). Из-за сложностей при сварке нитей любых диаметров, их стремятся сделать настолько длинными, насколько это возможно. Погонный метраж оптоволоконной «заготовки» на бобине может достигать десятков километров (да, именно километров) и более, в зависимости от требований заказчика.
Уже на самом предприятии, хотя это можно сделать и на стекольном заводе, все зависит от производственного цикла, бесцветную нить с полимерным покрытием для удобства могут перемотать на другую бобину, в процессе окрашивая ее в собственный яркий цвет, по аналогии со всем знакомой витой парой. Зачем? Во славу сата.. для быстрого различения каналов при, например, ремонте или сварке кабеля.
Изготовление кабеля
Теперь мы получили сердце нашего изделия — оптоволоконную нить. Что дальше? Дальше давайте посмотрим на схему такого себе среднестатистического подводного (да, мне они нравятся больше всего) кабеля в разрезе:
На заводе полученные оптические нити запускаются в станки, в совокупности своей образующие целый конвейер по производству какого-то одного типа кабеля. На первом этапе производства небронированных моделей, нити сплетаются в пучки, которые и составляют, в итоге, «оптический сердечник». Количество нитей в кабеле может быть различным, в зависимости от заявленной пропускной способности. Пучки, в свою очередь, сматывают в «тросс» на специальном оборудовании, которое, в зависимости от своей конструкции и назначения. Это оборудование может еще и покрывать полученный «тросс» гидроизолирующим материалом, чтобы предотвратить попадание влаги и потускнения оптики в будущем (на схеме обозван «внутримодульным гидрофобным заполнителем»).
Вот так проходит процесс скрутки собранных вместе пучков в трос на пермском заводе оптоволоконных кабелей:
После того, как в «тросс» было собрано необходимое количество пучков оптоволокна, их заливают полимером или укладывают в металлическую или медную трубку. Тут, на первый взгляд, кажется, что подводных камней нет и быть не может, но так как производитель стремится минимизировать количество соединений и швов, то все получается не совсем просто. Рассмотрим один конкретный пример.
Для создания трубки-корпуса, представленной на схеме выше как «центральная трубка», может использоваться огромная по длине лента из необходимого нам материала (сталь, либо же медь). Лента используется, чтобы не маяться со всем знакомым нам и очевидным прокатом, и сваркой по всей окружности стыка. Согласитесь, тогда у кабеля было бы слишком много «слабых» мест в конструкции.
Так вот. Металлическая ленточная заготовка проходит через специальный станок, натягивающий ее и имеющий с десяток-другой валиков, которые идеально ее выравнивают. После того, как лента выровнена, она подается на другой станок, где встречается с нашим пучком оптоволоконных нитей. Автомат на конвейере загибает ленту вокруг натянутого оптоволокна, создавая идеальную по форме трубку.
Вся эта, пока еще хрупкая, конструкция протягивается по конвейеру дальше, к электросварочному аппарату высокой точности, который на огромной скорости проводит сварку краев ленты, превращая ее в монолитную трубку, в которую уже заложен оптоволоконный кабель. В зависимости от тех. процесса, все это дело может заливаться гидрофобным заполнителем. Или не заливаться, тут уже все зависит от модели кабеля.
В целом, с производством все стало более-менее понятно. Различные марки оптоволоконного, в первую очередь, магистрального кабеля, могут иметь некоторые конструкционные отличия, например, по количеству жил. Тут инженеры не стали выдумывать велосипед и просто объединяют несколько кабелей поменьше в один большой, то есть такой магистральный кабель будет иметь не один, а, например, пять трубок с оптоволокном внутри, которые, в свою очередь, все также заливаются полиэтиленовой изоляцией и, при необходимости, армируются. Такие кабели называют многомодульными.
Одна из моделей многомодульного кабеля в разрезе
Многомодульные кабели, которые, в основной своей массе, и используются для протяженных магистралей, имеют еще одну обязательную конструктивную особенность в виде сердечника, или как его еще называют — центрального силового элемента. ЦСЭ используется как «каркас», вокруг которого группируют трубки с жилами оптоволокна.
К слову, пермский завод «Инкаб», производственный процесс которого представлен на гифках выше, со своими объемами до 4,5 тыс. километров кабеля в год — карлик, по сравнению с заводом того же инфраструктурного гиганта Alcatel, который может выдавать несколько тысяч километров оптоволоконного кабеля одним куском, который сразу же грузится на судно-кабелеукладчик.
Стальная трубка — это наименее радикальный вариант бронирования оптики. Для неагрессивных условий эксплуатации и монтажа часто применяют обычный изолирующий полиэтилен. Однако, это не отменяет того факта, что после изготовления такого кабеля его могут «обернуть» в бронирующую намотку из алюминиевой или стальной проволоки или тросов.
Бронирование кабеля с полиэтиленовой изоляцией на том же пермском заводе
Вывод
Как можно понять из материала выше, основным отличие различных видов оптоволоконного кабеля является их «обмотка», то есть то, во что упаковываются хрупкие стеклянные нити в зависимости от области применения и среды, в которой будет проводиться кабелеукладка.
Если вам понравился данный материал, то можете смело задавать вопросы в комментариях, опираясь на которые я постараюсь подготовить еще статью по этой теме.
Введение в волоконно-оптические кабели. Часть 3
Третьим способом упаковки волокон является укладка рядом друг с другом нескольких (обычно 2 , 12) волокон с первичным покрытием и нанесение на них дополнительного покрытия. Такая конструкция называется волоконно-оптической лентой или ленточным модулем (см. Рис.5).
При такой технологии два или более волоконных световода объединяются упорядоченным образом в плоский модуль. Отдельные световоды связаны в одной плоскости параллельно друг другу с одинаковым шагом. С пленочным ленточным покрытием.
Существует три способа изготовления волоконно-оптических лент:
Ленточные модули объединяют в стопку-матрицу с прямоугольным сечением и помещают в пазы профилированного сердечника кабеля.
Обмотка лентой
Этот способ проиллюстрирован на Рис.5а. Обмотка лентой – это первый способ, разработанный для изготовления волоконно-оптических лент. В такой конструкции световоды склеены в одной плоскости между пленками на основе полиэфирной смолы. Данный способ применялся, например, американской компанией AT&T для создания сетей дальней связи. Однако в последнее время он вытесняется двумя другими способами, обеспечивающими получение волоконно-оптических лент, более устойчивых по отношению к микро- и макроизгибам и характеризующихся меньшим затуханием при колебаниях температуры или механических нагрузках.
Связывание отдельных волокон друг с другом
Этот способ также проиллюстрирован на Рис.5б. При его использовании промежутки между двумя соседними волокнами заполняются акрилатом. Лента может состоять из нескольких (числом до 12) волокон, уложенных параллельно друг другу. При использовании этого способа отдельные волокна легче подготовить к сварке или механическому сращиванию. Недостаток этого метода заключается в том, что волокна, образующие ленту, относительно восприимчивы к механическим воздействиям и поэтому могут быть повреждены.
Заключение всех волокон в общую оболочку
При использовании этого способа все волокна ленты укладываются рядом друг с другом, и все вместе покрываются со всех сторон тонким слоем акрилата, образующим общую оболочку. Число волокон в ленте может быть от 4 до 16. В полученной таким образом ленте волокна заключены в общую полимерную оболочку и, тем самым, связаны между собой (см. рис. 5в). Более толстый слой покрытия из акрилата (общая толщина волокна и покрытия – 0.4 мм) представляет собой эффективный буфер, обеспечивающий более надежную защиту от механических воздействий. Такие ленты удобнее сваривать или сращивать механическим способом, а также помещать в кабель и проводить монтаж на месте.
Рисунок 5. Типы ленточных конструкций.
Ленточные модули возникли и распространены в основном в Японии поскольку минимизируют стоимость работ по стыковке волокон. В России они практически не применяются, поскольку требуют наличия специального дорогостоящего оборудования и обеспечивают худшее, по сравнению с одиночными волокнами, качество стыка. По-видимому, распространение ленточных волокон может начаться в эпоху бурного использования световодов для последней мили (волокно в каждый дом).
Разнообразие областей применения световодов в системах волоконно-оптической связи требует, чтобы были разработаны самые разные конструкции кабелей с соответствующими размерами и материалами. Исходя из применения кабеля, выбираются типы модулей и соответствующая им конструкция сердечника кабеля и защитных покровов. Особое внимание уделяется предотвращению повреждений световодов в кабелях из-за воздействий окружающей среды, таких как перепады температуры и механические нагрузки.
4. Оптический сердечник
Оптический сердечник, который образуется в результате скрутки оптических модулей, называется сердечником модульной скрутки. Сердечник, образованный на основе расположения модулей в пазах профилированного стержня, – профилированный оптический сердечник. Сердечник с центральным расположением модуля, имеющий трубчатую конструкцию называется трубчатый сердечник.
4.1. Сердечник модульной скрутки
4.1.1. Центральный силовой элемент (ЦСЭ) сердечника модульной скрутки
В целях увеличения механической прочности оптических кабелей модули скручивают вокруг центрального элемента, который является силовым элементом кабеля (ЦСЭ). При этом центральный элемент может служить для защиты от продольного изгиба и от растяжения. Поэтому он изготавливается из таких материалов, которые имеют большой модуль упругости и сохраняют устойчивость при колебаниях температуры в определенном диапазоне.
В качестве ЦСЭ кабеля может использоваться стальная проволока диаметром 2 , 3.5 мм (или тросик примерно такого же диаметра из несколких проволок более тонкого сечения), вокруг которой укладываются модули, образуя скрутку. Недостатком такой конструкции оптического сердечника является существование проводника в центре оптического кабеля, что означает возможность повреждения оптических волокон при разряде молнии на проводнике – проволоке ЦСЭ. Таким образом, оптические кабели с металлическим ЦСЭ нельзя применять в случаях, когда отсутствуют грозозащитные элементы, например, непосредственно в грунт. Такие типы кабелей, согласно нашей классификации (см. Таблица 1), могут применяться в случаях 1 и ограниченно – в городской канализации 2. Известны случаи прокладки дополнительного грозозащитного проводника при использовании металлического ЦСЭ, что, на наш взгляд, является экономически неэффективным.
Для исключения металлических элементов в структуре оптического сердечника, в качестве ЦСЭ используется диэлектрический стержень. В большинстве случаев он выполнен из стеклопрутка, который получается в результате склеивания стеклянных нитей (ровингов) с помощью эпоксидной смолы. При особо высоких требованиях к прочности и гибкости ЦСЭ выполняют из арамидного прутка, в котором несущими являются арамидные нити. Однако, широкого распространения арамидный ЦСЭ не получил, из-за высокой удельной стоимости арамида как силового элемента.
4.1.2. Скрутка
Благодаря скрутке световоды в модуле имеют определенное свободное пространство, при перемещении в пределах которого при растяжении, изгибе, сжатии не ухудшаются их передаточные характеристики. Наряду с модулями в различном исполнении, в скрутку могут быть дополнительно включены наполнители, т.е. просто полиэтиленовые элементы (кордели). Часто в комбинированных кабелях элементом скрутки являются изолированные медные жилы. Совокупность силовых и скручиваемых элементов, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если такая имеется, называется сердечником кабеля. Пример расчета геометрических параметров элементов скрутки приведен в Приложении.
Таблица 5. Цветная кодировка модулей.
Кабели с сердечником
По требованию может поставляться с другим цветовым сочетанием
Самой распространенной в технике оптических кабелей является скрутка слоями или послойная скрутка. При этом скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг ЦСЭ в один или несколько слоев (см. Рис.6). Шаг спирали рассчитывается для того, чтобы предотвращать увеличение затухания в кабеле, вызываемое, прежде всего, изгибами кабеля в процессе его изготовления, при прокладке и при установке, а также вследствие колебаний температуры.
Если скручиваются отдельные элементы, например, модули или наполнители, то в этом случае говорят о кабеле повивной скрутки. Если же сердечник кабеля скручивается из элементов, состоящих из скрученных модулей, то такой кабель называется кабелем жгутовой скрутки (см. Рис.6). При использовании кабелей жгутовой скрутки плотность упаковки может быть существенно увеличена.
 |  |
 |  |
Рисунок 6. Различные способы скрутки элементов сердечника оптического кабеля.
Если кабель предназначен для наружной прокладки, то пространство между модулями заполняется веществом (гидрофобным наполнителем), придающим кабелю водонепроницаемость по всей его длине. Поверх скрутки накладывается защитная наружная оболочка из полимера.
4.1.3. Деформация растяжения и сжатия.
Наряду с изгибом необходимо ограничивать растяжение и сжатие световодов в модулях с тем, чтобы в заданных диапазонах нагрузок на растяжение и температурных диапазонах в волоконно-оптическом кабеле не возникали недопустимые изменения передаточных характеристик и опасность повреждения световодов. Световоды в модулях со свободной укладкой волокон могут свободно передвигаться внутри оболочки. В ненагруженном состоянии они располагаются в центре модуля, и их зазор DR (по отношению к защитной оболочке модуля) определяется с учетом внутреннего диаметра di оболочки модуля и наружного диаметра df световода (см. Рис.7). В случае модуля со свободной укладкой, в котором находятся несколько световодов, за наружный диаметр df следует принять диаметр воображаемой окружности, охватывающей световоды как можно плотнее.
Относительное изменение длины DL/L волоконно-оптического кабеля, т.е. допустимое удлинение eK или сжатие eTK (сжатие, обусловленное температурой) кабеля с повивной скруткой радиусом R и шагом S равно:
где знак «+» используется для сжатия кабеля eTK, а знак «-» — для удлинения кабеля eK. Это уравнение может привести к выводу, что уменьшение шага скрутки S вызовет существенное увеличение допустимого удлинения или сжатия кабеля. Но при этом необходимо учитывать допустимый радиус кривизны световода, который различен для одномодовых и многомодовых волокон.
Рисунок 7. Размеры и положение волокна в модуле в ненагруженном состоянии.
Чтобы вычислить максимально допустимое растягивающее усилие Fmax необходимо знать площади поперечного сечения A материалов, используемых в кабеле, и значения их модуля Юнга Е (модуля продольной упругости). Тогда сумма всех произведений EiAi, умноженных на максимально допустимое удлинение кабеля eK, дает максимальное растягивающее усилие для кабеля, при котором световоды не подвергаются механическому напряжению:
На Рис.8 показаны различные состояния световода в полой оболочке. Без какого-либо напряжения длина световода и оболочки одинаковая (а). При растяжении за счет растягивающего напряжения волоконно-оптического кабеля световод смещается в направлении внутренней стороны полой оболочки (б), при этом сначала ее не касается и не подвергается деформациям. Удлинение кабеля передается на световод только при величине, превышающей примерно 0,5 %, в зависимости от размеров полой оболочки. Реакцией световода будет повышение затухания.
Рисунок 8. Различное положение волокон в модуле
При низких температурах имеет место обратное явление. Полимер, из которого сделана оболочка модуля, сжимается. Поэтому, при охлаждении кабеля происходит его сжатие, и световод движется к внешней стороне полой оболочки (в).
4.2. Профилированный оптический сердечник
Некоторые кабели и во время, и после прокладки постоянно подвергаются воздействию раздавливающих усилий. Для защиты волокон в этих кабелях должны быть приняты специальные меры. С этой целью было разработано несколько различных видов сердечников. Большинство из них являются профилированными сердечниками, т.е. сердечниками, снабженными пазами (см. Рис.9).
Оптические волокна укладываются в них в направляющие пазы. Обычно профилированный сердечник с 6 — 12 пазами отливается вокруг металлического или неметаллического центрального силового элемента (ЦСЭ). Пазы могут быть спиральными, идущими в любом направлении, либо их направление чередуется. Спиральные пазы идут в одном и том же направлении по всей длине кабеля, в то время как направление пазов второго вида чередуется через определенные отрезки длины. Такие пазы (и сердечники с такими пазами) называются SZ-пазами (SZ-сердечниками). Это название они получили потому, что сначала пазы образуют S-образную кривую, а затем – Z-образную. Применение сердечников с чередованием направления пазов упростило как изготовление, так и установку этого вида оптического кабеля.
Все три вида сердечников обычно изготавливаются из полипропилена. Они получаются путем экструзии, причем их длина достигает 25 ÷ 30 км. ЦСЭ, как правило, делается из стали или из пластмассы, армированной стекловолокном. У всех видов таких сердечников имеется по 6 ÷ 12 пазов, в каждом из которых помещается от 1 до 16 волокон.
В зависимости от размеров и формы этих углублений в центральном элементе в них могут свободно помещаться один или несколько световодов – отдельно или в виде ленточной конструкции. Как и в случае с модулями, эти пазы заполняются компаундом. В случае если требуется конструкция кабеля без наполнителя, водонепроницаемость по длине может быть обеспечена с помощью водоблокирующей ленты.
Рисунок 9. Профилированный сердечник оптического кабеля
Для дальнейшего увеличения числа световодов в кабеле, в пределах одной общей внешней оболочки могут быть свиты по жгутовому принципу несколько отдельных кабельных элементов с профилированным стержнем. Преимуществом данной конструкции в сочетании с ленточной компоновкой кабелей с большим количеством световодов (более 100) является, во-первых, большая плотность упаковки, а, во-вторых, упрощенная технология соединения вследствие упорядоченного размещения световодов.
Данный вид сердечника очень распространен у зарубежных производителей (особенно у Ericsson – изобретателя профилированного оптического сердечника), но в России распространения не получил. Причиной оказалось как отсутствие опыта производства профилированных сердечников, так и необходимость специального оборудования, загрузка которого не гарантируется. Высокую стойкость к раздавливающим усилиям – основное преимущество профилированного сердечника – российские производители компенсируют толщиной стенки оптических модулей и увеличением толщины и жесткости первичной оболочки, накладываемой непосредственно на сердечник модульной скрутки.