Основные элементы волоконно-оптического кабеля

Для любого кабеля важными характеристиками являются предел его прочности на разрыв, устойчивость к сжимающим и изгибающим усилиям, гибкость, защищенность от внешних воздействий, диапазон рабочих температур, срок службы и т.д. Величина этих характеристик зависит от конкретного применения кабеля. Так, ОК для наружного применения находится в экстремальных условиях. Он противостоит изменяющимся температурным условиям, налипанию льда, сильному ветру и грызунам, повреждающим его при подземной прокладке. Очевидно, что он должен быть прочнее кабеля, соединяющего оборудование внутри здания и работающего в контролируемых условиях. Кабель, прокладываемый под ковром в офисе, по которому ходят люди, двигают кресла, должен выдерживать дополнительную нагрузку по сравнению с кабелем внутри стен того же офиса.

Остановимся на основных элементах волоконно-оптического кабеля. На рис. 3.18 предоставлены основные компоненты простого оптического кабеля с одним волокном. Конструкция кабеля может быть достаточно разнообразной, но общими являются следующие компоненты:

• оптическое волокно;

• буферная оболочка (ПЗО);

• силовой элемент;

• внешняя оболочка.

Конструкция сердечника оптического кабеля. Как правило, сердечник оптического кабеля образуется из одного или нескольких элементов, в состав которых входят оптические волокна. Чтобы определить конструкцию сердечника кабеля или выбрать конструкцию элемента с оптическими волокнами, необходимо учитывать требования прокладки кабеля и монтажа волокон. Требуемое количество волокон в рассматриваемом кабеле и его применение определяют выбор типа конструкции элемента с оптическими волокнами.

Конструкция волоконно-оптических кабелей подразделяется на:

• кабели с одним элементом, в состав которых входит только один элемент с оптическими волокнами;

• кабели с несколькими элементами, в состав которых входит несколько элементов с оптическими волокнами.

Конструкция сердечника в кабелях с одним элементом соответствует элементам из оптических волокон, рассматриваемых на рис. 3.19.

Кабели с несколькими элементами конструируются посредством наматывания на центральный силовой элемент (СЭ) нескольких элементов с оптическими волокнами или свободного размещения нескольких объединенных элементов с оптическими волокнами в одной трубке, которая имеет оболочку с силовыми элементами. Если центральный силовой элемент в ОК не обеспечивает достаточной прочности конструкции, то поверх сердечника кабеля могут быть наложены дополнительные силовые элементы. При наличии в ОК двух слоев наружного СЭ, каждый из них накладывается в своем направлении, что препятствует возникновению крутящего момента при прокладке кабеля.

Примеры конструкций кабеля с несколькими элементами с оптическими волокнами представлены на рис. 3.20.

Силовые элементы волоконно-оптического кабеля. Для выбора силовых элементов, в первую очередь, следует определить необходимую нагрузку на растяжение, учитывая вес кабеля, его конструкцию, диапазон температур окружающей среды и условия прокладки кабеля (прокладывается ли кабель в кабельной канализации, непосредственно в грунте, подвергается ли он изгибаниям и т. п.). Силовые элементы должны обеспечивать достаточную прочность кабеля, чтобы деформация волокон не превышала допустимого предела с учетом динамической деформации, вносимой в процессе работы с кабелем. При максимальной нагрузке силовые элементы должны оставаться эластичными, позволяя при уменьшении растяжения кабеля сохранить длительную остаточную деформацию ниже допустимой [15].

Выбор силовых (армирующих) элементов и их расположение является важной проблемой, во многом определяющей надежность оптических кабелей.

В обычных кабелях медные проводники являются одновременно и силовыми элементами, способными сохранять работоспособность при относительном удлинении в продольном направлении до 10 %. В ОК эту функцию должен выполнять армирующий элемент или группа армирующих элементов. Как правило, относительное удлинение оптических волокон в ОК составляет около 0,5 %, поэтому они могут быть разрушены уже при незначительных удлинениях кабеля. Остаточное рабочее механическое напряжение в кабеле должно быть значительно ниже напряжений, вызывающих разрушение ОВ..В некоторых конструкциях роль армирующих элементов в кабеле играют гладкие или гофрированные традиционные оболочки из алюминия или стали.

В процессе конструирования ОК необходимо учитывать взаимное расположение упрочняющих элементов и ОВ. Существует два основных варианта такого взаимного расположения. В первом из них упрочняющий элемент располагают в центре ОК, а волокна — концентрически относительно центрального элемента. Во втором ОВ располагают в центре, а вокруг них — силовые элементы. При центральном расположении армирующих элементов гибкость кабеля в большей степени зависит от качества ОВ, его стойкости к изгибающим нагрузкам, однако конструкция эффективнее противостоит растягивающим нагрузкам. При концентрическом (внешнем) расположении армирующих элементов жесткость конструкции увеличивается, но возрастает стойкость кабеля к раздавливающим нагрузкам, обеспечивается лучшая защита от сил трения и срезающих сил (поперечный сдвиг).

Армирующие элементы могут влиять и на процесс изготовления кабеля. Стальные упрочняющие элементы эффективно предотвращают продольное сжатие волокна полимером при его охлаждении после нанесения оболочки методом экструзии. В то же время нить из графита или высокопрочной синтетической нити не способна предотвратить продольное сжатие волокна, поскольку сама изгибается под сжимающей нагрузкой, возникающей при охлаждении полимера. Это приводит к возникновению дополнительных потерь на микроизгибах в процессе изготовления ОК или во время эксплуатации при пониженных температурах. Изгиб упрочняющих элементов кабеля уменьшает его жесткость при растяжении.

Некоторые требования к прокладке ОК могут определять, где именно должны размещаться силовые элементы внутри кабеля, например: подготовка кабеля и сращивание волокон; сращивание оболочки; устройства для протяжки кабеля; геометрические размеры кабеля.

До тех пор, пока деформация волокна удерживается в допустимых пределах, можно применять силовые элементы любых типов. Поскольку жесткость сплошного провода пропорциональна величине его диаметра в четвертой степени, то при больших диаметрах необходимо использовать скрученные провода, или неметаллические силовые элементы.

Металлический силовой элемент может располагаться в центре сердечника или на периферии ОК. В качестве центрального силового элемента (ЦСЭ) может использоваться стальной провод или трос диаметром от 2 до 3,5 мм. На периферии кабеля металлический силовой элемент располагается в виде проволок, вмонтированных в оболочку. Металлический силовой элемент может располагаться и вне кабеля. Силовой элемент и кабель могут соединяться в процессе наложения оболочки и образовывать конструкцию в виде восьмерки.

В качестве ЦСЭ кабеля используется также стеклопластиковый прут. В будущем различные виды сложных материалов, например арамидные волокна, усиленные пластиком, будут вероятно шире использоваться, как альтернатива стальному проводу.

В кабелях, которые используются в условиях, требующих большую гибкость и прочность, обычно применяются арамидные нити в качестве силового элемента. Арамидные нити располагаются параллельно одному или нескольким волокнам в плотной укладке, образуя простой, но прочный силовой элемент. Арамидные нити имеют исключительно высокую прочность и гибкость и таким образом создают превосходную защиту против продольных силовых напряжений. Арамидные нити используются также как силовой элемент в воздушных кабелях и кабелях для прокладки в трубах. Нити накладываются слоем вокруг сердечника кабеля или между внутренней оболочкой и внешним защитным шлангом.

В последнее время в некоторых конструкциях ОК стал применяться концентрически пустой силовой элемент. Для воздушных кабелей, используемых при подвеске на больших пролетах между опорами, были разработаны специальные виды силовых элементов. В полой трубке из стеклопластика с номинальным диаметром 10 мм размещаются от 1 до 6 волокон. Эта конструкция позволяет подвешивать кабель при расстоянии между опорами до 800 м без учета потенциальной нагрузки из-за образования льда и ветра. Использование стеклопластикового силового элемента дает относительно легкий, полностью диэлектрический кабель, подвешиваемый на высоковольтных линиях передачи без каких-либо дополнительных мер защиты. Этот вид силового элемента обеспечивает эффективную радиальную защиту волокна.

Известны случаи использования для силовых элементов меди, армированной вольфрамом [13].

Оболочка, броня и защитный шланг оптического кабеля. Оболочка защищает сердечник кабеля от механических повреждений и повреждений, возникающих под воздействием окружающей среды. Поэтому при конструировании кабеля тип оболочки выбирается исходя из учета: образования водорода; климатических факторов; герметичности; влагостойкости; механической прочности (изгиб, кручение, радиальное усилие, растяжение, истирание и т.п.); химической устойчивости; диаметра; веса; пожароустойчивости; защиты от грызунов.

В конструкциях ОК, применяемых для внешней и внутренней прокладок, было использовано большое количество разных типов оболочки кабеля. Они подразделяются на оболочки: металлопластмассовые с металлическими лентами или металлическим слоем; пластмассе; пластмассовые с силовыми элементами; пластмассовые с впрессоваными силовыми элементами, комбинированные, со стальной гофрированной лентой; бронированные.

Типы оболочек, используемых в ОК для различных условий прокладки [15], представлены в табл. 3.7.

Таблица 3.7. Типы оболочек ОК для различных условий прокладки