Тема 1.3.6 Конструкция волоконно-оптических кабелей

Конструкции оптических кабелей должны выполнять следующие основные функции:

- защитить волокна от повреждений и разрушений в процессе производства, прокладки и эксплуатации кабеля;

- обеспечить постоянство характеристик оптического волокна в процессе срока службы кабеля на уровне характеристик некаблированного волокна;

- обеспечить прочностные характеристики кабеля также как у элек­трического кабеля с тем, чтобы с ними можно было одинаково обращаться и использовать одни и те же механизмы для прокладки кабеля;

- обеспечить идентификацию волокон в кабеле для предотвращения разбитости волокон при соединении строительных длин оптического кабеля.

Основное отличие конструкции оптических кабелей от электрических заключается в том, что они должны содержать упрочняющие (силовые) элементы.

Сердечник электрического кабеля, состоящий из медных жил, может использоваться в качестве несущего нагрузку элемента, так как медь может удлиняться более чем на 10% без разрушения. Иначе ведут себя оптические волокна. Они разрушаются при удлинении в несколько процентов.

Оптические кабели для защиты волокон от повреждений и допол­нительных потерь из-за микроизгибов в процессе прокладки и эксплуатации конструируются с упрочняющими элементами, чтобы выдержать нагрузки тяжения и нагрузки от температурных расширений и укорочений. Эти особые требования по прочности требуют, чтобы большая часть поперечного сечения оптических кабелей состояла из прочностных и поддерживающих элементов. Поэтому конструкции оптических кабелей включают в себя компромисс между компактностью и прочностью.

В зависимости от назначения сети оптические кабели связи (ОКС) можно разделить на четыре группы — междугородные, городские, объектовые и монтажные. Назначение междугородных и городских кабелей такое же, как и соответствующих электрических кабелей. Объектовые кабели служат для передачи информации внутри объекта, в частности, поста электрической и диспетчерской централизации, сортировочной горки, поезда, административных зданий. Применение этих кабелей особенно перспективно при создании: микропроцессорных устройств автоматики и телемеханики, предназначенных для высокоскоростного движения поездов; внутренней сети кабельного телевидения, различных информационных систем внутри станций, например автоматизированной системы считывания номеров вагонов; локальных вычислительных сетей. Внутриобъектовые кабели в сочетании со световодными датчиками можно применять для дистанционных измерений различных физических величин.

В связи с разными условиями эксплуатации ОКС внутри зданий и при наружной прокладке оптические кабели делятся на оптические кабели наружной прокладки и оптические кабели внутренней прокладки и они имеют различную конструкцию.

Многообразие конструкций ОКС обусловлено следующими при­чинами:

- условиями эксплуатации с точки зрения величины механических нагрузок, действующих на ОКС; наименьшие нагрузки на кабель действуют при прокладке в трубопроводах, наибольшие при подвеске и подводных;

- областью использования: для магистральной сети используются кабели с небольшим числом волокон (порядка 10), а для распределительных сетей несколько сотен волокон;

- различными конструктивными мерами, направленными на сохранение характеристик оптических волокон при внешних воздействиях в процессе изготовления, прокладки и эксплуатации кабелей.

В отличие от металлических кабелей оптические кабели связи из­готавливаются под конкретный объект строительства и соответствующие ему технические условия. Электрические кабели изготавливаются определенной номенклатуры, проектировщики выбирают наиболее подходящий тип и емкость кабеля для данного объекта строительства по ширине полосы пропускания цепи и числу цепей в кабеле.

В металлических кабелях не стоит так остро проблема сохранения неизменными параметров передачи цепи при воздействии на кабель механических воздействий.

При выборе типа оптического кабеля, его конструктивных и пере­даточных характеристик для конкретного объекта строительства необходимо учитывать:

- способ прокладки оптического кабеля;

- стоимость и сроки выполнения строительно-монтажных работ, а также затраты на эксплуатацию;

- технологии выполнения аварийно-восстановительных работ; топологию линейного тракта; вариант обслуживания сети связи;

- цену минуты простоя линейного тракта и/или отдельных сегментов сети связи;

- требуемого значения коэффициента готовности линейного тракта; величины передаваемого и ожидаемого трафика.

Оптические кабели, используемые для построения железнодорожных ВОЛС, должны соответствовать техническим требованиям к оптическим кабелям связи, предназначенным для применения на Взаимоувязанной Сети Связи Российской Федерации (ВССРФ).

Общие технические требования заключаются в следующем: мини­мальный срок службы ОКС должен быть не менее 25 лет; подвеска и эксплуатация ОКС на опорах электрифицированных железных дорог не рекомендована для использования в магистральных первичных сетях связи, но может использоваться во внутризоновой первичной сети; заводизготовитель обязан сообщить потребителю о любых опасных химических препаратах, веществах или материалах, содержащихся в поставляемых изделиях. При отсутствии таковых завод- изготовитель должен представить письменное свидетельство об их отсутствии.

В состав документации на поставляемую партию ОКС должны входить:

- технические условия (спецификация) на ОКС; технические условия (спецификация) на используемые в ОКС оптические волокна;

- инструкция на прокладку ОКС; инструкция по монтажу ОКС; указания по эксплуатации ОКС;

- каждая строительная длина ОКС должна иметь паспорт-сертификат.

Волоконно-оптический кабель может состоять из следующих компонентов (Рисунок 93):

1. Внешняя полиэтиленовая оболочка – защищает кабель от внешних воздействий;

2. Армидные нити – защищает кабель от сдавливаний и растяжений;

3. Внутренняя полиэтиленовая оболочка – отделяет оптические модуль от армидных нитей и внешней оболочки;

4. Связывающие ленты – связывают оптические модули в общую косу;

5. Заполняющий модуль – пустой модуль без оптических волокон, призван формировать форму кабеля;

6. Оптический модуль – модуль с оптическими волокнами. Обычно в одном модуле находится до 8-ми волокон;

7. Оптические волокна ;

8. Стеклопластиковый пруток – упрочняющий центральный элемент, также защищает кабель от растяжений. Применяется зачастую в самонесущих кабелях;

9. Гидрофобный заполнитель – заполнитель, защищающий от влаги.

Рисунок 93- Волоконно-оптический кабель

Основные требования, предъявляемые к волоконно-оптическому кабелю, и материал основных его компонентов

Общими основными требованиями, предъявляемыми к физико-механическим характеристикам волоконно-оптического кабеля, являются:

1. высокая прочность на разрыв;

2. влагонепроницаемость;

3. достаточная буферная защита для уменьшения потерь , вызываемых механическими напряжениями;

4. термостойкость в рабочем диапазоне температур (–40—+50 ^о С);

5. гибкость и возможность прокладки по реальным трассам;

6. радиационная стойкость;

7. химическая и ударная стойкость;

8. простота монтажа и прокладки;

9. надежность работы в течение 20 лет.

Также в процессе конструирования ВОК необходимо учитывать взаимное расположение упрочняющих элементов и оптических волокон. Существует два основных варианта такого взаимного расположения:

• В первом упрочняющий элемент располагается в центре кабеля, а волокна — концентрично относительно центрального элемента.

• Во втором оптические волокна располагаются в центре, а силовые элементы — вокруг

Типовые конструкции волоконно-оптических кабелей

В настоящее время в различных странах разработано и изготавливается большое количество конструкций ВОК. Наибольшее распространение получили четыре группы конструкций кабелей:

• со свободной трубкой;

• со свободным пучком волокон;

• с профильным сердечником;

• ленточного типа.

Конструкция ВОК со свободным пучком волокон

В данной конструкции пучки оптических волокон свободно размещаются внутри трубки сердечника. Подобная конструкция позволяет снизить растягивающие, сжимающие и сдавливающие нагрузки на оптических волокнах. Вытяжные тросы применяются для удобства разрезания внешней оболочки оптического кабеля.

Рисунок 94- Конструкция ВОК

Конструкция ВОК с профильным сердечником

В данной конструкции присутствует фигурный сердечник с полостями для размещения оптических волокон. Преимуществом конструкции данного вида является то, что в центре фигурного сердечника находится стальной силовой элемент, который принимает на себя растягивающие и сжимающие воздействия.

Рисунок 95- Конструкция ВОК с профильным сердечником

Конструкция ленточного волоконно-оптического кабеля

В данной конструкции все оптические волокна объединяются в ленты, которые располагаются внутри трубки сердечника.

Рисунок 96- Конструкция ленточного ВОК

Конструкция океанского волоконно-оптического кабеля

К конструкциям кабелей, прокладываемых по морскому дну, предъявляются особые требования. Кабели данного вида испытывают особенно большие нагрузки. Поэтому больше 90% конструкции данных кабелей составляют защитные и упрочняющие элементы.

Рисунок 97- Конструкция океанского ВОК

Волоконно-оптические кабели городских телефонных сетей

Кабели, применяемые для городских телефонных сетей, обладают, как правило, облегченной конструкцией, так как прокладываются в кабельной канализации, трубах, коллекторах и внутри зданий. Такие кабели сконструированы по принципу со свободной трубкой с большим количеством волокон в каждом оптическом модуле.

ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» изготавливает городские ВОК следующих марок: ОКЛ 01, ОКЛ 02.

Рисунок 98- Конструкция городского ВОК

АО НФ «Электропровод» выпускает городские ВОК марок ОК М, ОКС М (ТУ 16.К12 16 97).

Рисунок 99- Конструкция городского ВОК

ОАО «Завод Саранск кабель» помимо междугородных ВОК освоило выпуск и кабелей городских телефонных сетей следующих марок: ОКГ (прокладка в кабельной канализации) и ОКЛ (прокладка непосредственно в земле).

Рисунок 100- Конструкция междугородних ВОК

Волоконно-оптические кабели для внутренних проводок

В конструкцию волоконно-оптического кабеля для внутренней проводки входят следующие основные элементы :

1. оптическое волокно;

2. буферная оболочка;

3. силовой элемент;

4. внешняя оболочка

1. Кабели, предназначенные для внутренней проводки, подразделяются на: симплексные кабели;

2. дуплексные кабели;

3. многоволоконные кабели;

4. кабели для тяжелых условий эксплуатации;

5. пожаробезопасные кабели.

Рисунок 101- Кабели ВОК внутренних проводок

Оптический кабель имеет конструкцию, аналогичную симметричным кабелям, в которой вместо изолированных жил размещены оптические волокна. Любой оптический кабель состоит из следующих основных элементов:

- сердечник кабеля;

- упрочняющие элементы;

- оболочка кабеля.

Кабели наружной прокладки могут иметь два дополнительных элемента:

- броневые покровы;

- наружный защитный покров (защитную оболочку).

Основной фактор, с которым необходимо считаться в оптических кабе­лях в отличие от электрических кабелей, состоит в том, что затухание опти­ческих кабелей зависит от внутренних и внешних механических усилий. Любые виды механических воздействий, приводящие к изгибам оптических волокон, вызывают увеличение затухания кабеля. Для сохранения пара­метров передачи в процессе эксплуатации необходимо защитить оптические волокна в кабеле от внешних воздействий. Для этого на волокна наносятся первичное защитное покрытие и защитные оболочки.

Оптические волокна имеют более высокий модуль упругости по сравнению с большинством материалов, используемых в конструкциях оптических кабелей. Поэтому в случае приложения продольных сил к кабелю (например в процессе прокладки) самое большое напряжение развивается в волокнах ОВ. Чтобы этого избежать, в конструкцию кабеля вводят упрочняющие (силовые) элементы, которые имеют более высокий модуль упругости по сравнению с оптическими волокнами и поэтому они противостоят усилиям на растяжение аналогично металлической арматуре в железобетоне.

Возможны два варианта конструктивных решений по укладке оптических волокон в кабеле — свободная, при которой волокна не скреплены друг с другом и с оболочкой, т.е. лежат в ней свободно (кабели наружной прокладки), и связанная укладка (кабели внутренней прокладки). Эти два варианта укладки волокон совместно с возможными вариантами размещения упрочняющих элементов в центре, во внешних защитных слоях или их комбинации дают многообразие конструкций оптических кабелей. С точки зрения удобства монтажа кабеля предпочтительной является структура кабеля с центральным расположением упрочняющего элемента.

Некоторые конструкции кабелей ОКС, кроме оптических волокон, содержат медные проводники для дистанционного питания регенераторов и служебной связи, которые располагают в пазах профильного сердечника или во внешнем повиве.

Сердечник кабеля

Вне зависимости от условий применения кабеля: в кабельной канализации, прокладке в грунте, подвеске на опорах, прокладке под водой, размещении в грозозащитном тросе важнейшим элементом в конструкции кабеля, определяющим его технические и экономические характеристики, являются сердечник оптического кабеля.

Возможны два конструктивных решения по защите оптических волокон от механических воздействий в процессе изготовления, прокладки и эксплуатации кабелей, в одном из которых элементы кабельного сердечника могут свободно перемещаться за счет наличия пустот между элементами, в другом применением демпфирующих слоев между элементами.

В настоящее время имеется пять типов компановки кабельного сердечника:

- кабели повивной скрутки;

- кабели пучковой скрутки;

- кабели с «профильными» сердечниками;

- ленточные кабели;

- кабели с сердечником в виде общей для всех волокон центральной трубки.

Конструкция сердечника большинства оптических кабелей (рисунок 102) аналогична конструкциям симметричного кабеля связи, где изолированные жилы вначале скручиваются в группу (пара или звез­дная четверка), а затем группы тем или иным способом (повивами или пучками) скручиваются между собой, образуя сердечник кабеля. В оптическом кабеле, в качестве аналога группы металлического кабеля, используются: одно- или многоволоконный оптический модуль, рисунок 102, а; пучок из многоволоконных модулей или профильный сердечник, рисунок 102, б и в; лента с несколькими оптическими волокнами, рисунок 102, г; пучок оптических волокон в одной центральной трубке, рисунок 102, д.

а — повивной скрутки; 6 — 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 волокнами; 7 — пучок оптических волокон; 8 — центральная трубка; 9 — профильный сердечник

Рисунок 102.- Типы конструкций сердечника оптического кабеля:

Скрутка оптических модулей в сердечник (рис. 102, а) вокруг несущего элемента кабельного сердечника 2, может быть выполнена одним из следующих двух типов: спиральная скрутка; SZ-скрутка.

При спиральной скрутке модули (волокна) свиваются в одном направлении и с одинаковым углом по отношению к продольной оси кабеля. Этот вид скрутки оптических модулей такой же как групп в кабелях симметричной конструкции.

При SZ-скрутке одно направление скрутки, например, по часовой стрелке через определенное число витков меняется на противоположное направление . В точке смены направления скрутки волокна параллельны оси кабеля.

При спиральной скрутке волокна имеют тем больше превышение их длины по сравнению с длиной оси, чем меньше шаг скрутки. Уменьшение шага скрутки позволяет прикладывать к кабелю при прочих равных условиях большие усилия на растяжение и сжатие. Однако, минимальная длина шага скрутки ограничивается минимально допустимым радиусом кривизны волокна с точки зрения механических характеристик и увеличения затухания волоконного световода вследствие изгибов. Величина радиуса кривизны при спиральной скрутке не изменяется вдоль оси кабеля.

При SZ-скрутке величина радиуса кривизны изменяется вдоль оси кабеля. Она достигает максимума в точках смены направления скрутки. В целом эта скрутка обеспечивает более высокую стабильность параметров передачи и обладает более высокой стойкостью к растягивающим усилиям, а так-же эксплуатационные удобства за счет более быстрого доступа к оптическим волокнам в середине строительных длин при проведении аварийно-восстановительных работ.

В последние годы широкое распространение получил кабель с сердечником в виде одной центральной трубки со свободно лежащими в ней скрученными волокнами. Существенным отличием этой трубки от трубок оптических модулей является то, что она выполняет также роль упрочняющего элемента. Эта трубка может иметь обычную гладкостенную или спиралевидную конструкцию. Оптические волокна внутри трубок скручены подобно волокнам в трубках оптических модулей. Но так как диаметр центральной трубки больше диаметра оптического модуля, то оптические волокна в центральной трубке могут иметь меньший шаг скрутки, что обеспечивает большую длину волокна. Трубка может вмещать более 100 оптических волокон и в этом случае для облегчения идентификации волокон они объединяются в пучки, которые обвязаны цветной пряжей. Спиралевидная трубка имеет более хорошие механические характеристики в поперечном направлении, обладая лучшей устойчивостью к раздавливанию, по сравнению с модульной структурой сердечника, профильным сердечником и гладкостенной трубкой.

Для того чтобы предотвратить распространение влаги по длине кабеля, свободное пространство между элементами сердечника заполняется специальным гидрофобным компаундом (гелем).

Если продольная водонепроницаемость не требуется, как например, для кабелей внутренней прокладки, то необходимость в заполнении сердечника компаундом отпадает.

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

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 (кевлара), стеклопластиковых стержней и синтетических высокопрочных нитей. Площадь поперечного сечения этих материалов должна быть достаточна, чтобы максимальное удлинение кабеля для установленной нагрузки вызывало растяжения волокон не более, чем две трети от удлинения волокон, которое они получили при их испытании на прочность в процессе изготовления, теоретическую и реальную прочность на разрыв. Теоретическая прочность составляет около 20 ГПа. Однако реальная прочность кварцевых волокон в несколько раз меньше теоретической, для лучших образцов кварцевых волокон она не превышает 5 ГПа. Прочность реально изготовленного волокна снижается из-за наличия поверхностных объемных дефектов в заготовках и готовом волокне, а также из-за воздействия внутренних напряжений, возникающих в волокне в процессе вытяжки из заготовок. Неоднородности материалов в стекле или дефекты поверхности стекла создают механически ослабленные места вдоль оптического волокна. О механической прочности оптического волокна можно говорить лишь с определенной степенью вероятности, поскольку местоположения нерегулярностей и их величины имеют случайный характер.

При воздействии на волокно растягивающих усилий наибольшие напряжения возникают вокруг концов трещин. Природная хрупкость стекла увеличивает напряжение на конце трещины и способствует разрушению волокна, в противоположность металлам, тягучесть которых позволяет расплываться и выравнивать местные перенапряжения. Качественно этот процесс аналогичен разрыву листа бумаги. Бумагу трудно разорвать путем растягивания, но если она имеет небольшие разрезы (трещины), то легко рвется. Также происходит и с волокнами и они разрушаются в месте наибольшей трещины.

Снижение механической прочности волокна также происходит из-за процессов химической коррозии при воздействии влаги, поэтому разрушение волокна в области локальной неоднородности является процессом, зависящим от времени. Между глубиной трещины и напряжением, при котором разрушается волокно, имеется однозначная связь, причем величина напряжения при разрушении волокна зависит от формы трещины.

Поверхностные трещины возникают от множества причин, некоторые из которых присущи собственно стеклу, а другие связаны с процессами изготовления заготовки волокна, вытягивания волокна из заготовки, нанесения первичного покрытия. Глубина и число трещин на единицу длины оптического волокна произвольно распределены вдоль длины волокна.

Волокно разрушается в месте нахождения самой глубокой трещины (слабейшее звено в цепи) и так как в длинных волокнах наличие такой глубокой трещины более вероятно, чем в коротких волокнах, то прочность волокна зависит от его длины. Короткие соединительные волокна длиной несколько десятков сантиметров содержат большие трещины с меньшей вероятностью и поэтому имеют большие силы разрушения, находящие в диапазоне от 4,5 до 5,9 ГПа. В противоположность этому волокно длиной несколько км, используемое для приготовления кабелей связи, может содержать одну большую трещину, которая сильно уменьшает прочность. Единственная возможность быть уверенным, что длинное волокно не содержит трещины большей по величине, чем допустимая, — это испытать на прочность полностью всю длину, чтобы знать нижнюю границу прочности.

Например, многие кабели коммерческого использования имеют допустимое растяжение 3000 Н. Если кабель содержит волокна, которые были испытаны 0,5% удлинением, то он должен иметь достаточное количество упрочняющих элементов и такой излишек длины волокна, чтобы они не удлинялись более чем на 2/3 х 0,5% = 0,33% когда подвергаются кратковременным нагрузкам 3000 Н в процессе прокладки и эксплуатации.

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 выполняет те же функции, что и в случае металлических кабелей, т.е. она 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. Напомним, что основным материалом для изготовления оболочек железнодорожных электрических кабелей связи является алюминий. Однако использование металлических оболочек для ОКС нежелательно по двум причинам: первая, кабели в этом случае подвержены повреждениям грозовыми разрядами; вторая, необходимо делать и обслуживать заземление металлических оболочек. Кроме того, в случае свинцовых или гофрированных оболочек имеется опасность остаточной продольной деформации кабеля после его прокладки. Поэтому 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 (прокладка в поливинилхлоридных трубах, обмотка поливинилхлоридной лентой с перекрытием 25%, покраска огнестойкой краской).

Подвесные кабели имеют специальную обработку наружной по­верхности оболочки для борьбы с гололедообразованием, поэтому подвесные кабели требуют особой осторожности в обращении с целью предотвращения трения оболочки кабеля с различными поверхностями (земля, опоры, деревья) при его прокладке. Для защиты кабеля от повреждений грызунами используют слоистую оболочку, армированную гофрированной стальной лентой, и для водонепроницаемости ламинированную алюминием. Алюминиевая лента толщиной 0,2 мм с обоих сторон покрывается слоем связующего пластмассового вещества.

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 (метро, зрелищные помещения и т.п.) применяются оболочки из галогеннесодержащих не воспламеняющихся полимеров.

Механические характеристики оптических кабелей связи

Конструкция кабеля должна обеспечивать стабильные характеристики оптического волокна и стойкость кабеля к воздействию:

- растягивающих усилий*;

- раздавливающих усилий*;

- сжимающих усилий;

- динамических изгибов*;

- осевых закручиваний*;

- ударов*;

- вибрационных нагрузок*;

- избыточным гидростатическим давлением*.

Параметры требующие испытаний для волоконно-оптических кабелей при применении на ВСС России.

Согласно требованиям к кабелям ВСС, при их подвеске на опорах железных дорог, стойкость к механическим воздействиям должна соответствовать следующим требованиям:

- допустимое растягивающее усилие 3...30 кН;

- допустимое раздавливающее усилие 1...2 кН/см.

Конструкция самонесущего ОКС должна обеспечиваться стойкостью к воздействию окружающей среды в диапазоне температур от -60 до +60°С.