Тема 4. Конструктивні елементи кабелів зв’язку.
1.ПРОВІДНИКИ
2.ІЗОЛЯЦІЯ
3.ТИПИ СКРУТОК ПРОВІДНИКІВ У ГРУПИ.
4.ПОБУДОВА КАБЕЛЬНОГО СЕРДЕЧНИКА.
5.ЗАХИСНІ ОБОЛОНКИ КАБЕЛЮ.
6.ЗАХИСНІ БРОНЕПОКРОВИ КАБЕЛІВ.
1.ПРОВІДНИКИ.
Струмопровідні жили (звичайної круглої форми) кабелів зв'язку повинні володіти високою електричною провідністю, гнучкістю і достатньою механічною міцністю. Найбільш розповсюдженими матеріалами для виготовлення кабельних жил є мідь і алюміній.
Мідь, як правило, використовується відпалена, м'яка, марки ММ із питомим опором 0,01754 Ом-мм2/м і температурним коефіцієнтом опору постійному струму 0,004. Міцність на розрив-260 Н/мм2 з відносним подовженням 25% (для жил діаметром 1—1,5 мм). Питома вага-8,89 г/см3.
Алюміній має питомий опір 0,0295 Ом-мм2/м, тобто в 1,65 рази більше, ніж у міді. Температурний коефіцієнт 0,0042. Питома вага 2,72 г/см3 .
Мідний дріт використовується діаметром 0,32; 0,4; 0,5; 0,6;0,7 мм для кабелів міських телефонних мереж і 0,8; 0,9; 1,0;1,1; 1,2 мм для міжміських кабелів.
На міських мережах найбільш широко застосовуються кабелі з жилами діаметром 0,5 мм, а для міжміської - з жилами діаметром 1,2 мм.
Алюмінієві жили, що застосовуються у виробництві кабелів зв'язку, мають діаметри 1,15; 1,55; 1,8 мм. Ці жили аналогічні за електричною провідністю мідним з діаметром 0,9; 1,2;1,4 мм відповідно. За механічними характеристиками кращі результати дають алюмінієві сплави, що містять присадку з магнію, заліза й інших металів.
Поряд із суцільними циліндричними провідниками використовуються також провідники більш складної конструкції (мал. 4.1)
а) b) с) d)
Рис.. 4.1 Конструкція кабельних провідників:
а) суцільний; b) гнучкий; c) біметалічний; d) для підводних кабелів
У тих кабелях, де вимагаються підвищена гнучкість і механічна міцність, струмопровідна жила скручується в жгут (литцу) з декількох дротів (частіше 7, 12, 19 і т.д.). Є також біметалічні провідники конструкції алюміній— мідь. У підвідних кабелях застосовується багатопровіда жила, що складається з дротів різного перетину. У центрі такої жили розміщується товстий провідник, а повив складається з тонких дротів.
Зазначені струмопровідні жили використовуються для симетричних кабелів і як внутрішній провідник коаксіального кабелю. Зовнішній провідник коаксіального кабелю, що має форму порожнього циліндра, виготовляється у вигляді тонкої трубки з міді й алюмінію. В електричному відношенні найкращою формою зовнішнього провідника коаксіального кабелю є однорідна по всій довжині трубка. Однак виготовити досить довгий гнучкий кабель із суцільним циліндричним зовнішнім провідником край важко. Промислове застосування мають конструктивні різновиди гнучких зовнішніх провідників коаксіального кабелю, приведені на мал. 4.2.
Рис. 4.2 Конструкції зовнішніх провідників коаксіальних кабелів:
а) блискавка; 6) гофрований; в) спіральний; г) оплітковий.
Найбільшого застосування в коаксіальних кабелях далекого зв'язку зазнала конструкція зовнішнього провідника типу блискавка, як більш технологічна і та, що забезпечує необхідну електричну однорідність по довжині.
2.ІЗОЛЯЦІЯ.
Матеріал, що застосовувується для ізоляції кабельних жил, повинен володіти високими і стабільними в часі електричними характеристиками, бути гнучким, механічно міцним і не вимагати складної технологічної обробки.
В електричному відношенні властивості ізоляції визначаються наступними параметрами: електричною міцністю U, при якій відбувається пробій ізоляції;
питомим електричним опором р, що характеризує струм витоку в діелектрику; діелектричною проникністю е, що характеризує ступінь зсуву (поляризації) зарядів у діелектрику при впливі на нього електричного поля;
тангенсом кута діелектричних втрат (чи величиною діелектричних втрат) tgδ, що характеризує втрати високочастотної енергії в діелектрику.
Найкращим діелектриком є повітря, що володіє ε1→ -1; р→ ∞ tgδ>0. Однак створити ізоляцію тільки з повітря практично неможливо. Тому кабельна ізоляція, як правило, є комбінованою і містить як повітря, так і твердий діелектрик, при чому кількість твердого діелектрика повинна бути мінімальною і визначатися вимогою стійкості ізоляції і твердості її конструкції. Ізоляція повинна охороняти струмопровідні жили від зіткнення між собою і суворо фіксувати взаємне розташування жил у групі по всій довжині кабеля.
Як діелектрики в кабелях зв'язку широко використовуються полімеризаційні пластмаси типу полістирол (стирофлекс), поліетилен, фторопласт, поліхлорвініл і ін. Сполучення високих електричних характеристик у широкому спектрі частот, вологостійкості до різних агресивних середовищ і порівняно нескладної технологічної обробки забезпечило пластмасам широке застосування в кабелях зв'язку в якості ізоляції і захисних оболонок.
При оцінці придатності того чи іншого типу кабелю варто мати на увазі, що ширина смуги частот, переданої по кабелю, обумовлена якістю використовуваного діелектрика (ε, tgδ) і в першу чергу величиною діелектричних втрат. Втрати високочастотної енергії в діелектрику кабеля αд безпосередньо зв'язані з величиною tgδ і прямолінійно ззбільшуються зі зростанням частоти. Для порівняння вкажемо, що при частоті 1 МГц величина tgδ кордельно-паперової ізоляції складає 400х10-4, а поліетилена - не більш 5х10-4. Зі зростанням частоти ця різниця у втратах лінійно зростає і для високочастотних кабелів стають придатними лише визначені пластмаси.
Папір, призначений для ізоляції жил НЧ кабелів, виробляється із сульфатної целюлози. Для міжміських кабелів застосовується папір товщиною 0,12 і 0,17 мм. Для зручності монтажу папір фарбують у різний колір: червоний, синій, зелений.
Паперовий кордель являє собою нитку, скручену з кабельного паперу діаметром 0,6; 0,76 і 0,85 мм. Міцність паперового корделю дорівнює 70 МПа (7 кгс/мм2).
Полістирол (стирофлекс) виробляють з рідкого стиролу, вихідною сировиною для якого є нафта чи кам'яне вугілля. Полістирол прозорий, гнучкий і негігроскопічний матеріал, з якого виробляють стрічки товщиною 0,045 мм і шириною 10...12 мм і кордель діаметром 0,8 мм для ізоляції жил високочастотних кабелів зв'язку.
Полістирол має різне забарвлення - червоне, синє, зелене. Недоліком полістиролу є його низька теплостійкість, що знаходиться в межах 65...80°З.
Поліетилен здобувають шляхом полімеризації рідкого етилену. Поліетилен являє собою молочно-білий (іноді жовтувато-білий) матеріал, на дотик як парафін. При підпалюванні загоряється повільно і горить синюватим полум'ям без кіптяви. Поліетилен термопластичний, температура його розм'якшення близько 110°С. При звичайній температурі на нього не діють кислоти і луги.
Існують два способи добування поліетилену: при високому тиску (150...350 МПа чи 1500...3500 ат) і температурі +200 °С і при низькому тиску (0,3...0,4 МПа чи 3...4 ат) і температурі +70°С. Поліетилен низького тиску відрізняється більшою щільністю (до 0,97 г/см3) і більш кристалічною структурою, чим поліетилен високого тиску. Поліетилен випускається у вигляді дрібних часток-гранул розміром 3 мм.
Пористий поліетилен отримують введенням до складу композиції поліетилену газоутворювачів чи порофорів, здатних при визначених температурах переходити в газоподібний стан.
Полівінілхлорид отримують шляхом полімеризації вінілхлориду. Щоб отримати з полівінілхлориду м'який матеріал, його змішують із пластифікатором. Полівінілхлорид дуже стійкий до дії хімічних реагентів, однак він порівняно легко розкладається при нагріванні, виділяючи хлористий водень. Важливою властивістю його є негорючість, тому він знайшов широке застосування як оболонки станційних кабелів зв'язку.
Рис.4.3 Типи ізоляцій кабелів зв'язку.
На основі зазначених діелектриків у даний час розроблені і застосовуються різні конструкції ізоляційних покривів.
В основному в кабелях зв'язку використовуються наступні типи ізоляції:
трубчаста - виконується у вигляді паперової чи пластмасової стрічки, накладеної у вигляді трубки (мал. 4.3.а);
кордельна - складається з нитки корделя, розташованого відкритою спіраллю на провіднику, і стрічки, що накладається поверх корделя (мал. 4.3,6);
суцільна-виконується із суцільного шару пластмаси(мал. 4.3,а);
пориста-утворюється із шару пінопласту (мал. 4.3,г);
балонна-представляє собою тонкостінну пластмасову трубку, усередині якої вільно розташовується провідник. Трубка періодично в точках чи по спіралі обжимається і надійно утримує жилу в центрі ізоляції (мал. 4.3,д, е);
шайбова-виконується у вигляді шайб із твердого діелектрика, що насаджуються на провідник через визначені проміжки (мал. 4.3,ж);
спіральна (гелікоідальна) - представляє собою рівномірно розподілену по довжині провідника пластмасову спіраль, що має прямокутний перетин (мал. 4.3,з).
кордельно-трубчаста ізоляція - складається з пластмасових корделя і трубки(мал. 4.3,и).
Відома також кордельно-трубчаста ізоляція, що складається з пластмасових корделя і трубки.
З різних діелектриків і конструктивних форм ізоляції найбільше застосування в даний час одержали:
для кабелів міського і сільськго зв'язку - трубчаста, виконана у вигляді обмотки паперовими стрічками, суцільна поліетиленова, пориста паперова чи поліетиленова;
для симетричних кабелів міжміськго зв’язку - кордельно-стирофлексна, балонна, кордельно-трубчаста чи пориста з поліетилену;
для коаксіальних кабелів - шайбова, балонна, гелікоідальна і пориста (у всіх випадках діелектриком є поліетилен);
для підводних коаксіальних кабелів - суцільна поліетиленова ізоляція.
3.ТИПИ СКРУТОК У ГРУПИ
Для зменшення електромагнітних зв'язків між ланцюгами, підвищення захищеності їх від взаємних і зовнішніх перешкод окремі жили звичайно скручують у групи, які називають елементами симетричного кабелю. У результаті жили ланцюга стають в однакові умови по відношенню один до одного. Крім того, скрутка полегшує взаємне переміщення жил при вигинах кабелю і забезпечує йому більш стійку і круглу форму.
Існує кілька способів скрутки жил у групи.
Парна скрутка (П) - дві ізольовані жили скручують разом у парі з кроком скрутки не більш 300 мм (мал. 4.6,а).
Рис. 4.4 Парна скрутка.
Скрутка четвірочна чи зіркова (3) - чотири ізольовані жили, розташовані по кутах квадрата, скручують із кроком скрутки приблизно 150...300 мм; розмовні пари в цій скрутці утворяться з діагональних жил. Так, жили а й в утворять одну пару, а жили с і d - іншу (мал. 4.1,6).
Рис. 4.5 Зіркова скрутка.
Скрутка подвійна пара (ПП) - дві попередньо звиті розмовні пари (а, b і с, d) скручують між собою в четвірку.
Кроки скрутки пари повинні бути відмінними як один від іншого, так і від кроку скрутки самої четвірки. Крок скрутки пари приймається в межах 400...800 мм, а крок скрутки четвірки 150...300 мм.
а) б) в)
Рис. 4.6. Скрутка жил в групи.
Скрутка подвійною зіркою (ПЗ) - чотири попередньо звиті пари знову скручують разом способом зірки, утворюючи вісімку. Кроки скрутки пари, що складають вісімку, роблять різними і беруть звичайно в межах 150... ... 250 мм, а крок скрутки вісімки - 200...400 мм. Напрямок скрутки пари і скрутки вісімки повинні бути протилежними.
Вісімкова скрутка (В) - вісім жил групи розташовуються концентрично навколо сердечника з ізольованого матеріалу, наприклад стирофлексного (поліетиленового) корделя (мал. 4.1, д). З восьми жил можуть бути утворені дві четвірки: перша із непарними номерами, а друга із жил з парними номерами. Усього може бути отримано чотири основні пари і дві фантомні з однаковими параметрами передачі.
Для зменшення впливу між ланцюгами систематично змінюють (у муфтах) взаємне розташування жил по довжині.
При скрутці елементи кабелю з повітряно-паперовою ізоляцією деформуються, ізоляція обжимається і групи трохи западають одна в одну. Тому, крім діаметра описаної навколо групи окружності (розрахунковий діаметр), існує поняття ефективний діаметр групи.
Найбільш економічною, що забезпечує кращу стабільність за електричними параметрами, є зіркова скрутка. Ця скрутка набула переважного застосування в міжміських кабелях зв'язку.
Парна скрутка є найбільш простою у виробництві і застосовується в основному при виготовленні міських телефонних кабелів. Скрутки ПП і ПЗ не дістали широкого застосування в сучасних конструкціях кабелів зв'язку.
4.ПОБУДОВА КАБЕЛЬНОГО СЕРДЕЧНИКА.
Скручені в групи ізольовані жили систематизують по відповідному закону і об’єднують в загальний кабельний сердечник.
Кабельні сердечники можуть бути однорідної і неоднорідної скрутки.
Рис. 4.7 Однорідна скрутка Рис. 4.8 Неоднорідна скрутка
Кабельний сердечник однорідної скрутки складається з одинакових груп, а неоднорідної-з різних. Однорідний сердечник може бути повивної або пучкової скрутки.
При пучковій скрутці групи спочатку скручуються в пучки, які складаються з декількох десятків груп, після чого пучки скручуються разом, утворюючи сердечник кабеля.Застосовується два типи пучків: малопарні (із десяти пар або 5-ти четвірок) і головні пучки ( 50-100 пар або 25-50 четвірок). Пучкова скрутка застосовується для низькочастотних кабелів міських мереж.
Мал.4.9 Пучкова скрутка сердечника кабеляМал.4.10Повивна скрутка сердечника кабеля
Основним видом скрутки в сучасних кабелях зв’язку є повивна скрутка. Групи розміщуються послідовними концентричними слоями (повивами) навколо центрального повива, який складається із одного-п’яти груп. Суміжні (розміщені поряд) повиви скручуються в протилежні сторони з метою зменшення взаємних впливів між групами суміжних повивів і надання кабельному сердечнику більшої механічної стійкості. При однорідній кабельній скрутці для створення повивів кабеля застосовують п’ять різних форм скрутки з 1,2,3,4, і 5 групами в центральному повиві. В кожному наступному повиві буде на 6 груп більше ніж в попередньому. Виключенням із цього правила є другий повив в тому випадку, коли в першому (центральному) повиві є лише одна група, тоді в другому повиві збільшення буде не на 6 а на 5 груп.
5.ЗАХИСНІ ОБОЛОНКИ КАБЕЛЯ
Сердечник кабелю, що складається зі скручених по визначеній системі груп, покривають поясною ізоляцією й укладають у герметичну оболонку, що охороняє кабель від вологи і можливих механічних впливів, що можуть виникнути в процесі транспортування, прокладки й експлуатації кабелю. У кабельній промисловості застосовують наступні кабельні оболонки: металеві, пластмасові і металопластмасові.
До металевих оболонок відносяться, головним чином, свинцеві, алюмінієві і сталеві.
Свинцеві оболонки накладають на кабель методом опресування в гарячому стані. Щоб свинцева оболонка мала високі показники твердості і вібростійкості, її виготовляють з легованого свинцю з присадкою 0,4...0,8 % сурми.
Алюмінієві оболонки випресовують у гарячому стані чи виготовляють холодним способом зі стрічки зі звареним повздовжнім швом. Відомі методи зварювання оболонки з алюмінієвих стрічок високочастотними струмами чи способом холодного зварювання, тиском. Для великих діаметрів кабелю (понад 20...30 мм) застосовують алюмінієві оболонки гофрованої конструкції.
Використання алюмінієвих оболонок є справою дуже прогресивною. Алюмінієва оболонка легка, дешева і має високі екрануючі властивості. Однак алюміній дуже легко піддається електрохімічній корозії, і тому його надійно захищають поліетиленовим шлангом з попередньо накладеним шаром бітуму.
Сталеві оболонки виготовляють шляхом зварювання стрічок товщиною 0,3...0,5 мм, згорнутих у трубку. Для підвищення гнучкості сталеві оболонки піддають гофруванню, а з метою захисту від корозії покривають поліетиленовим шлангом з попередньо накладеним шаром бітуму.
Вартість сталевих оболонок складає 50 % вартості свинцевої оболонки і 64 %-алюмінієвої. Такі оболонки не вимагають додаткового механічного захисту.
З пластмасових оболонок найбільшого поширення одержали поліетилен, полівінілхлорид і поліізобутиленові композиції. Пластмасові оболонки вигідно сполучають вологостійкість, стійкість проти електричної і хімічної корозії і додають кабелю легкості, гнучкості і вібростійкості. Однак через пластмасу поступово дифундує водяна пара, що приводить до падіння опору ізоляції кабелю. Тому пластмасові оболонки застосовують, головним чином, у кабелях з негігроскопічною ізоляцією типу поліетилену, фторопласту, полівінілхлориду й ін.
В даний час відома ціла серія комбінованих металопластмасових оболонок: «алпет», «сталпет», «свипет», що складаються відповідно з алюмінію, сталі, свинцю і поліетилену.
Зіставляючи різні конструкції захисних оболонок, слід зазначити як найбільш перспективні алюмінієві і сталеві, надійно захищені поліетиленовим шлангом.
6.ЗАХИСНІ БРОНЕПОКРОВИ
Зовні кабелю поверх оболонок розташовуються бронепокрови, що захищають кабель від механічних ушкоджень.
В залежності від механічних впливів на кабель у процесі прокладки й експлуатації застосовуються два різновиди броні:
дві сталеві стрічки (Б);
повив з круглих сталевих дротів (К).
Рис. 4.11 Оболонка броньована стальними стрічками:
1- оболонка; 2 – шар кабельного паперу(нижня подушка); 3- дві бронестрічки; 4 – кабельна пряжа, насичина бітумом
Рис. 4.12 Оболонка, броньована стальними дротами:
1- оболонка; 2 – кабельна пряжа(нижня подушка); 3- шар круглих дротів; 4 – зовнішнє покриття з кабельної пряжі.
Крім того, використовується посилена подвійна броня, що складається з комбінації різних типів броні (БК, КК).
Кабелі у свинцевій оболонці мають захисні покриви марок Б, Бв, К и Кл, тобто складаються зі сталевих чи стрічок круглих дротів і двох волокнистих покривів, розташованих під і над бронею. Нижній шар, звичайно називають «подушкою», призначений для зменшення тиску, що діє на свинцеву оболонку.
Волокнисті покриви являють собою кабельну пряжу (джут), просочену бітумним складом.
У кабелях з алюмінієвими і сталевими оболонками, що сильно піддані корозії, застосовуються посилені вологозахисні покриви (Шп), що складаються з грузлого шару, що підклеюється, і наноситься безпосередньо на оболонку, і поліетиленового шланга. Поверх поліетиленового шланга може бути додатковий покрив зі сталевих стрічок чи круглих дротів.
З метою захисту від корозії сталевого покриву і збереження на багато років необхідної величини коефіцієнта захисної дії застосовується додатковий зовнішній поліетиленовий шланг.
Броня типу Б виготовляється зі сталевих стрічок товщиною 0,3... ...0,8 мм і шириною 25...45 мм, типу К - зі сталевих дротів діаметром 4 мм, що накладаються з великим кроком на подушку. Зовнішній захисний шар складається з кабельної пряжі, просоченої бітумним компаундом, протигнильним складом і крейдовим розчином, що охороняє кабель від злипання витків на барабані. В даний час ведуться роботи зі створення броні у виді сталевої зварної гофрованнї трубки замість двох сталевих стрічок, що накладаються спірально.