2. Конструкція елементів кабелів зв’язку (провідники, ізоляція, оболонки, броня, захисні покриття, типи скруток)

Провідники

Проводи кабелів зв’язку повинні мати малий електричний опір, гнучкість, достатню механічну міцність. Вони виготовляються з міді або алюмінію. Питомий електричний опір міді дорівнює 0,0175 Ом·мм²/м, алюмінію – 0,0295 Ом·мм²/м. Мідні жили кабелів міської телефонної мережі мають стандартні діаметри проводів: 0,32; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 мм. У кабелях зонового зв’язку та з’єднувальних ліній діаметри проводів такі: 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2 мм. Конструкції проводів симетричних кабелів та внутрішнього провідника коаксіальних кабелів наведені на рис.2. Провід може бути суцільним (рис.2 а), звитим з окремих тонких провідників (рис.2 б) або біметалевим (рис.2 в). Тонкі проводи виготовлюються суцільними. Звиті проводи мають добру гнучкість. У біметалевих проводах зовнішній шар мідний, а осердя — алюмінієве, що забезпечує менший електричний опір. У підводних кабелях використовується багатопроволочна жила, яка складається із проводів різного діаметру. В центрі такої жили розташовується товстий провідник, а повив складається з тонких проволок.

Рис. 2 Конструкції кабельних проводів:

а) суцільний; б) гнучкий; в) біметалевий

Зовнішній провідник коаксіального кабелю, який має форму полого циліндра, виготовляється у вигляді тонкої трубки з міді або 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 складно. Зовнішні проводи коаксіальної лінії також мають різні конструкції: з суцільного звернутого провідника з уздовжним швом типу “блискавка” (рис.3 а), гофрованого (рис.3 б), звернутого із стрічки – спіральний (рис.3 в), виготовлений з тонких переплетених проводів (оплетення) (рис. 3 г). Внутрішні проводи коаксіалів суцільні або біметалічні.

Рис. 3 Конструкції зовнішніх проводів коаксіальних кабелів:

а) з уздовжним швом типу блискавка; б) гофрований; в) стрічковий; г) оплетення

Ізоляція

Матеріал, який використовується для ізоляції кабельних жил, повинен мати високі та стабільні у часі електричні характеристики, бути гнучким, механічно міцним та не повинен вимагати складної технологічної обробки. В електричному відношенні властивості ізоляції визначаються наступними параметрами:

– електричною міцністю U, при якій відбувається пробій ізоляції;

– питомим електричним опором ρ, який характеризує струм утічки в діелектрику;

– діелектричною проникністю ε, яка характеризує ступінь зміщення (поляризації) зарядів в діелектрику при впливі на нього електричного поля;

– тангенсом кута діелектричних втрат (або величиною діелектричних втрат) tgδ, який характеризує втрати високочастотної енергії в діелектрику.

Найкращим діелектриком є повітря, яке має ε→1; ρ→∞ та tgδ→0. Проте створити ізоляцію тільки з повітря практично неможливо. Тому кабельна ізоляція, як правило, є комбінованою і містить як повітря, так і твердий діелектрик, причому кількість твердого діелектрика повинна бути мінімальною і визначатися вимогою стійкості ізоляції і жорсткості її конструкції. Ізоляція повинна оберігати струмопровідні жили від зіткнення між собою і строго фіксувати взаємне розташування жил в групі по всій довжині кабелю.

Як діелектрики в кабелях зв'язку широко використовуються полімеризаційні пластмаси типу полістирол (стирофлекс), поліетилен, фторопласт, поліхлорвініл та ін. Поєднання високих електричних характеристик в широкому спектрі частот, вологостійкості до різних агресивних середовищ і порівняно нескладної технологічної обробки забезпечило пластмасам широке вживання в кабелях зв'язку як ізоляція і захисної оболонки.

При оцінці придатності того або. іншого типу кабелю слід мати на увазі, що ширина смуги частот, передаваної по кабелю, обумовлена якістю діелектрика, що використовується, і в першу чергу величиною діелектричних втрат. Втрати високочастотної енергії в діелектрику кабелю α_д безпосередньо пов'язані з величиною tgδ і прямолінійно зростають із зростанням частоти. Для порівняння вкажемо, що при частоті 1 Мгц величина кордельно-паперової ізоляції складає 400•10^-4, а поліетилену – не більше 5... 10^-4. Із зростанням частоти ця різниця у втратах лінійно зростає і для високочастотних кабелів стають придатними лише певні пластмаси.

Папір, призначений для ізоляції жил НЧ кабелів, виробляється з сульфатної целюлози. Для міжнародних кабелів застосовується папір завтовшки 0,12 і 0,17 мм Для зручності монтажу папір фарбують в різний колір: червоний, синій, зелений.

Паперовий кордель є ниткою, скрученою з кабельного паперу діаметром 0,6; 0,76 і 0,85 мм. Міцність паперового корделя рівна 70 МПа (7 кгс/мм2).

Полістирол (стирофлекс) виробляють з рідкого стиролу, початковою сировиною для якого є нафта або кам'яне вугілля. Полістирол прозорий, гнучкий і негігроскопічний матеріал, з якого виробляють стрічки завтовшки 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°С.

Поліетилен одержують шляхом полімеризації рідкого етилену. Поліетилен є молочно-білим (іноді жовтувато-білий) матеріалом, на дотик нагадує парафін. При підпалі спалахує поволі і горить синюватим полум'ям без кіптяви. Поліетилен термопластичний, температура його розм'якшення біля 110°С. При звичайній температурі на нього не діють кислоти і луги.

Існують два способи отримання поліетилену: при високому тиску (150 ...350 МПа або 1500... 3500 ат) і температурі +200°С і при низькому тиску (0,3 ...0,4 МПа або 3...4 ат) і температурі +70 °С. Поліетилен низького тиску відрізняється більшою густиною (до 0,97 г/см3) і більш кристалічною структурою, ніж поліетилен високого тиску. Поліетилен випускається у вигляді дрібних частинок-гранул розміром 3 мм.

Пористий поліетилен виходить введенням до складу композиції поліетилену газоутворювачів або порофорів, здатних при певних температурах переходити в газоподібний стан.

Полівінілхлорид виходить шляхом полімеризації вінілхлорида. Щоб одержати з полівінілхлориду м'який матеріал, його змішують з пластифікатором. Полівінілхлорид вельми стійкий до дії хімічних реагентів, проте він порівняно легко розкладається при нагріванні, виділяючи хлористий водень. Важливою властивістю його є негорючість, тому він знайшов широке використання як оболонки станційних кабелів зв'язку.

Істотним недоліком полівінілхлорида є порівняно низька теплостійкість (не вище 70°С). При низьких температурах пластикат втрачає міцність, а при високих різко погіршує свої електричні властивості.

Найчастіше у кабелях зв’язку використовуються такі види ізоляції (рис. 4):

- трубчаста – виконується у вигляді паперової або пластмасової стрічки накладеної у вигляді трубки (рис.4а);

- кордельна – складається з корделю, що навитий на провід спірально, та намотаної поверх корделю паперової або пластмасової (як правило стирофлексової) стрічки (рис. 4 б);

- суцільна – виконується із суцільного поліетилену та пориста – виконується із пористого поліетилену (рис. 4 в);

- балонна – являє тонку поліетиленову трубку, в якій розташовано провід, трубка періодично або спіраллю стискається та фіксує провід (рис. 4 г);

- шайбова – виконується з поліетиленових, фторопластових або керамічних шайб, розташованих на провіднику через певні проміжки (рис. 4 д);

- спіральна (гелікоїдальна) – представляє собою рівномірно розподілену по всій довжині провідника пластмасову спіраль, яка має прямокутний зріз.

Рис. 4 Типи ізоляцій кабелів зв’язку

а) трубчаста; б) кордельна; в) суцільна г) пориста; д,е) балонна;

ж) шайбова; з) спіральна

Найбільше використання отримали:

• для кабелів міського та сільського зв’язку – трубчата, виконана у вигляді обмотки паперовими стрічками, суцільна поліетиленова, пориста паперова або поліетиленова;

• для симетричних кабелів – кордельно-стрирофлексна, балонна, кордельно-трубчата або пориста з поліетилену;

• для коаксіальних кабелів – шайбова, балонна, гелікоїдальна та пориста (в усіх випадках діелектриком є поліетилен);

• для підводних кабелів – суцільна поліетиленова ізоляція.

Оболонки

Захисні покрови. Захисні покрови кабелю запобігають проникненню в його осердя вологи та герметизують його. Захисні оболонки виготовляються з свинцю, алюмінію, полімерів (поліетилену, полівінілхлориду). Товщина оболонки залежить від її матеріалу, діаметра осердя під оболонкою, засобу прокладання, типу захисних бронепокровів.

Для запобігання механічним пошкодженням поверх оболонок накладаються захисні (або ж броньові) покрови. Існують два основних види броні: зі сталевих стрічок, що намотуються на кабель у два шари з перекриттям; та з круглих оцинкованих сталевих дротів, що створюють повив. Кабелі з броневим покриттям прокладаються у ґрунті, кабелі без броні – тільки у телефонній кабельній каналізації або в сталевих чи поліетиленових трубах. Між бронею та оболонкою накладається подушка: два - три шари кабельного паперу або кабельної пряжі, що напитана бітумом (джуту). Алюмінієві та сталеві оболонки мають антикорозійне покриття у вигляді полівінілхлоридового чи поліетиленового шлангу. Поверх броні також накладається захисне антикорозійне покриття з кабельного паперу або кабельної пряжі, що напитані бітумом.

Екранування кабелів. Для захисту кабельних кіл від електромагнітних завад застосовується екранування окремих елементарних груп, повивів, а також осердя у цілому. У коаксіальних кабелях обов’язково екрануються коаксіальні пари. Екран являє собою мідні, алюмінієві або сталеві стрічки, які намотуються в один або два шари з перекриттям на елементарну групу чи на осердя кабелю.

Типи скруток

Скручування жил. Ізольовані жили симетричних кабелів скручуються в елементарні групи. Скручування створює кожній робочій парі однакові умови відносно взаємних та зовнішніх завад, а також забезпечує гнучкість кабелю, що необхідно при його прокладанні. Найпоширенішими є такі типи скручувань (рис.4):

- парне, складається з двох ізольованих жил, які створюють робоче електричне коло (рис.4 а);

- четвіркове (або зіркове) скручування, що містить чотири жили, вони являють дві робочі пари: 1 – 2 та 3 – 4 (рис.4 б);

- подвійне парне, у якому робочі пари скручуються між собою, а дві пари скручуються у четвірку (рис.4 в);

- скрутка подвійною зіркою – чотири попередньо звиті пари знову скручують разом по способу зірки, утворюючи вісімку. Напрямок скрутки пар і скрутки вісімки повинні бути протилежними (рис. 4 г);

- вісімкова скрутка – вісім жил групи розташовуються концентрично навкруги сердечника з ізольованого матеріалу, наприклад стирофлексного корделю. З 8 жил можуть бути утворені дві четвірки: перша з непарними номерами, а друга – з жил з парними номерами. Всього може бути отримано чотири основні пари і дві фантомні з однаковими параметрами передачі.

Рис. 4 – Елементарні групи: а) парна; б) зіркова; в) подвійна парна;

г) подвійною зіркою; д) скрутка вісімкою

Застосовується також подвійне зіркове скручування, в якому чотири скручені пари знову скручуються як зіркове скручування. Жили у кабелях скручуються поміж собою, скручуються також четвірки та пари у скручуваннях. У деяких високочастотних кабелях у центрі зіркової четвірки міститься заповнювач, що являє поліетиленовий кордель діаметром 1,0 – 1,1 мм. Жили у групі мають різні кольори ізоляції. Кожна група обмотується по спіралі кольоровою ниткою. Це необхідно для ідентифікації проводів при з’єднанні будівельних довжин кабелю під час будівництва лінії.

Загальне скручування кабелю. Скручені разом елементарні групи створюють осердя кабелю. Існують дві основні системи скручування осердя: пучкове та повивове. У пучковому скручуванні декілька груп скручуються у пучки, потім пучки скручуються у загальне скручування кабелю (рис. 5 а). У повивовому скручуванні окремі жили або елементарні групи розташовуються послідовними концентричними шарами (повивами) навколо центрального повиву, який складається з однієї або п’яти груп (рис. 5 б). У кожному наступному повиві розташовується на п'ять груп більше ніж у попередньому, крім випадку, коли у центрі розташовується одна група, а в першому повиві п’ять. Кожний повив має свій період скручування, суміжні повиви скручуються у різних напрямках, це зменшує взаємні впливи у фізичних колах. У кожному повиві повинна бути контрольна група, що відрізняється кольором ізоляції від усіх інших груп повиву. Кожний повив осердя, крім зовнішнього, обмотується по спіралі нитками.

а) б)

Рис. 5 – Скручування в осерді: а) повивове; б) пучкове

Скручування є однорідним, коли всі групи однакові, і неоднорідним або комбінованим коли осердя містить різнорідні групи (різні діаметри жил, є пари та четвірки), а також різні лінії зв’язку (комбіновані коаксіальні кабелі, що містять коаксіальні та симетричні пари в одному осерді).

Кабельне скручування обмотується поясною ізоляцією з кабельної паперової або поліетиленові стрічки.