Токопроводящие жилы, скрутка жил.
| Рис. 2.5. Конструкции кабельных проводников: а - сплошной; б - гибкий; в - биметаллический; г - для подводных кабелей |
Токопроводящие жилы (обычно круглой формы) кабелей связи должны обладать высокой электрической проводимостью, гибкостью и достаточной механической прочностью. Наиболее распространенными материалами для изготовления кабельных жил являются медь и алюминий.
Медь, как правило, применяется отожженная, мягкая марки ММ с удельным сопротивлением 0,01754 Ом Х мм2 и температурным коэффициентом сопротивления постоянному току 0,004. Прочность на разрыв - 260 Н/мм2 с относительным удлинением 25% (для жил диаметром 1- 1,5 мм). Удельный вес 8,89 г/см3.
Алюминий имеет удельное сопротивление 0,0295 Ом*мм2, т. е. в 1,65 раза больше, чем у меди. Температурный коэффициент 0,0042. Удельный вес 2,72 г/см3.
Медная жилы используется диаметром 0,32; 0,4; 0,5; 0,64; 0,7 мм для кабелей городских телефонных сетей и 0,8; 0,9; 1,2 мм для сельских кабелей и кабелей проводного вещания, 1,2 мм для зоновых кабелей. На городских сетях наиболее широко применяются кабели с жилами диаметром 0,5 мм, а для междугородной связи-с жилами диаметром 1,2 мм.
Алюминиевые жилы, применяемые в производстве кабелей связи, имеют диаметры 1,15; 1,55; 1,8 мм. Эти жилы аналогичны по электрической проводимости медным с диаметром 0,9; 1,2 и 1,4 мм соответственно. По механическим характеристикам лучшие результаты дают алюминиевые сплавы, содержащие присадку из магния, железа и других металлов.
Наряду со сплошными цилиндрическими проводниками используются также проводники несколько более сложной конструкции. В тех кабелях, где требуются повышенная гибкость и механическая прочность, токопроводящая жила скручивается в литцу из нескольких проволок (чаще 7, 12, 19 и т. д.). Имеются также биметаллические проводники конструкции алюминий-медь. В подводных кабелях применяется многопроволочная жила, состоящая из проволок разного сечения. В центре такой жилы размещается толстый проводник, а повив состоит из тонких проволок.
| Рис. 2.6. Конструкции внешних проводников коаксиальных кабелей: а - молния; б - гофрированный; в - спиральный; г - оплеточный |
Указанные токопроводящие жилы используются для симметричных кабелей и в качестве внутреннего проводника коаксиального кабеля. Внешний проводник коаксиального кабеля, имеющий форму полого цилиндра, изготовляется в виде тонкой трубки из меди и алюминия. В электрическом отношении наилучшей формой внешнего проводника коаксиального кабеля является однородная по всей длине трубка. Однако изготовить достаточно длинный гибкий кабель со сплошным цилиндрическим внешним проводником крайне затруднительно. Промышленное применение имеют конструктивные разновидности гибких внешних проводников коаксиального кабеля, приведенные на рисунке.
Наибольшее применение в коаксиальных кабелях дальней связи получила конструкция внешнего проводника типа " молния " как более технологичная и обеспечивающая требуемую электрическую однородность по длине.
Изоляция
Материал, применяемый для изоляции кабельных жил, должен обладать высокими и стабильными во времени электрическими характеристиками, быть гибким, механически прочным и не требовать сложной технологической обработки. В электрическом отношении свойства изоляции определяются следующими параметрами:
- электрической прочностью U, при которой происходит пробой изоляции;
- удельным электрическим сопротивлением r, характеризующим величину тока утечки в диэлектрике;
- диэлектрической проницаемостью e, характеризующей степень смещения (поляризации) зарядов в диэлектрике при воздействии на него электрического поля;
- тангенсом угла диэлектрических потерь tg d (или величиной диэлектрических потерь), характеризующим потери высокочастотной энергии в диэлектрике.
Наилучшим диэлектриком является воздух, который обладает e®1; r®¥ и tgd®0. Однако создать изоляцию только из воздуха практически невозможно. Поэтому кабельная изоляция, как правило, является комбинированной и должна содержать как воздух, так и твердый диэлектрик, причем количество твердого диэлектрика должно быть минимальным и определяться требованием устойчивости изоляции и жесткости ее конструкции. Изоляция должна предохранять токопроводящие жилы от соприкосновения между собой и строго фиксировать взаимное расположение жил в группе по всей длине кабеля.
Современные успехи в развитии высокомолекулярной химии и производства пластмасс открывают широкие возможности получения высокочастотных кабелей с новыми диэлектриками. Если раньше основным изоляционным материалом в кабелях связи были бумага и ее различные модификации, то сейчас все более используются полимеризационные пластмассы типа полистирол (стирофлекс), полиэтилен, фторопласт, поливинилхлорид и др. Выгодное сочетание высоких электрических характеристик в широком спектре частот, влагостойкости к различным агрессивным средам и сравнительно несложной технологической обработки обеспечило пластмассам широкое применение в кабелях связи в качестве изоляции и защитных оболочек.
При оценке пригодности того или иного типа кабеля следует иметь в виду, что ширина полосы частот, передаваемой по кабелю, обусловлена качеством используемого диэлектрика и в первую очередь величиной диэлектрических потерь tgd. Потери высокочастотной энергии в диэлектрике кабеля aд непосредственно связаны с величиной tgd и прямолинейно возрастают с ростом частоты. Для сравнения укажем, что при частоте 1 МГц величина tgd кордельно-бумажной изоляции составляет 400*10-4, а полиэтилена - не более 5*10-4. С ростом частоты эта разница в потерях линейно возрастает и для высокочастотных кабелей становятся пригодными лишь определенные пластмассы.
Бумага, предназначенная для изоляции жил, вырабатывается из сульфатной целлюлозы. Для междугородных кабелей применяется бумага толщиной 0,12 и 0,17 мм. Для удобства монтажа бумагу окрашивают в разный цвет: красный, синий, зеленый.
Бумажный кордель представляет собой нить, скрученную из кабельной бумаги диаметром 0,6; 0,76 и 0,85 мм. Прочность бумажного корделя равна 70 МПа (7 кгс/мм2).
Полистирол (стирофлекс) вырабатывают из жидкого стирола, исходным сырьем для которого является нефть или каменный уголь. Полистирол - прозрачный, гибкий и негигроскопичный материал, из которого вырабатывают ленты толщиной 0,045 мм и шириной 10-12 мм и кордель диаметром 0,8 мм для изоляции жил высокочастотных кабелей связи.
Полистирол имеет различную расцветку - красную, синюю, зеленую. Недостатком полистирола является его низкая теплостойкость, находящаяся в пределах 65-80°С.
Полиэтилен получают путем полимеризации жидкого этилена. Полиэтилен представляет собой молочно-белый (иногда желтовато-белый) материал, на ощупь напоминающий парафин. При поджигании загорается медленно и горит синеватым пламенем без копоти. Полиэтилен термопластичен, температура его размягчения около 110°С. При обычной температуре на него не действуют кислоты и щелочи.
Существуют два способа получения полиэтилена: при высоком давлении (150-350 МПа или 1500-3500 ат) и температуре +200°С и при низком давлении (0,3-0,4 МПа или 3-4 ат) и температуре +70°С. Полиэтилен низкого давления отличается большей плотностью (до 0,97 г/см3) и более кристаллической структурой, чем полиэтилен высокого давления.
Полиэтилен выпускается в виде мелких частиц - гранул размером 3 мм.
Пористый полиэтилен получается введением в состав композиции полиэтилена газообразователей или порофоров, способных при определенных температурах переходить в газообразное состояние.
| Рис. 2.7. Типы изоляций кабелей связи |
Поливинилхлорид получается путем полимеризации винилхлорида. Чтобы получить из поливинилхлорида мягкий материал, его смешивают с пластификатором. Поливинилхлорид весьма устойчив к действию химический реагентов, однако он сравнительно легко разлагается при нагревании, выделяя хлористый водород. Важным свойством- его является негорючесть, поэтому он нашел широкое применение в качестве оболочек станционных кабелей связи.
Существенным недостатком поливинилхлорида является сравнительно низкая теплостойкость (не выше 70°С). При низких температурах пластикат теряет прочность, а при высоких резко ухудшает свои электрические свойства.
На основе указанных диэлектриков в настоящее время разработаны и применяются различные конструкции изоляционных покровов. В основном в кабелях связи используются следующие типы изоляции кабелей связи:
- трубчатая - выполняется в виде бумажной или, пластмассовой ленты, наложенной в виде трубки (рис. а);
- кордельная - состоит из нити корделя, расположенного открытой спиралью на проводнике, и ленты, которая накладывается поверх корделя (рис. б);
- сплошная - выполняется из сплошного слоя пластмассы (рис. в);
- пористая - образуется из слоя пенопласта (рис. г);
- баллонная - представляет собой тонкостенную пластмассовую трубку, внутри которой свободно располагается проводник. Трубка периодически в точках или по спирали обжимается и надежно удерживает жилу в центре изоляции (рис. е);
- шайбовая - выполняется в виде шайб из твердого диэлектрика, насаживаемых на проводник через определенные промежутки (рис. ж);
- спиральная (геликоидальная) - представляет собой равномерно распределенную по длине проводника пластмассовую спираль, имеющую прямоугольное сечение (рис. 2.8).
Известна также кордельно-трубчатая изоляция, состоящая из пластмассовых корделя и трубки.
Из различных диэлектриков и конструктивных форм изоляции наибольшее применение в настоящее время получили:
- для кабелей городской и сельской связи - трубчатая, выполненная в виде обмотки бумажными лентами, сплошная полиэтиленовая, пористая бумажная или полиэтиленовая;
- для симметричных кабелей междугородной связи - кордельно-стирофлексная, баллонная, кордельно-труб-чатая или пористая из полиэтилена;
- для коаксиальных кабелей - шайбовая, баллонная, геликоидальная и пористая (во всех случаях диэлектриком является полиэтилен);
- для подводных коаксиальных кабелей - сплошная полиэтиленовая изоляция.
Скрутка сердечника
| Рис. 2.8. Скрутка жил в группу |
Отдельные жилы обычно скручивают в группы, называемые элементами симметричного кабеля. В результате жилы цепи ставятся в одинаковые условия по отношению друг к другу. При этом снижаются электромагнитные связи между цепями и повышается защищенность их от взаимных и внешних помех. Кроме того, скрутка облегчает взаимное перемещение жил при изгибах кабеля и обеспечивает ему более устойчивую и круглую форму. Существует несколько способов скрутки жил в группы.Парная скрутка (П) -две изолированные жилы скручивают вместе в пару с шагом скрутки не более 300 мм (рис. а).
Скрутка четверочная или звездная (3) - четыре изолированные жилы, расположенные по углам квадрата, скручивают с шагом скрутки примерно 150-300 мм; разговорные пары в этой скрутке образуются из диагональных жил. Так, жилы а и в образуют одну пару, а жилы с и а - другую (рис. 2.8 б).
Скрутка двойная пара (ДП) - две предварительно свитые разговорные пары (а, b и с, d) скручивают между собой в четверку (рис. в). Шаги скрутки пар должны быть отличными как один от другого, так и от шага скрутки самой четверки. Шаг скрутки пар принимается в пределах 400- 800 мм, а шаг скрутки четверки - 150-300 мм.
Скрутка двойной звездной (ДЗ) - четыре предварительно свитые пары вновь скручивают вместе по способу звезды, образуя восьмерку (рис. г). Шаги скрутки пар, составляющих восьмерку, делают различными и берут обычно в пределах 150-250 мм, а шаг скрутки восьмерки - 200- 400 мм. Неправильные скрутки пар и скрутки восьмерки должны быть противоположными.
Восьмерочная скрутка (В) - восемь жил группы располагаются концентрически вокруг сердечника из изолированного материала, например стирофлексного (полиэтиленового) корделя (рис. б). Из восьми жил могут быть образованы две четверки: первая четверка с нечетными номерами, а вторая - из жил с четными номерами. Всего могут быть получены четыре основные пары и две фантомные с одинаковыми параметрами передачи.
Для уменьшения влияния между цепями систематически меняют (в муфтах) взаимное расположение жил по длине.
При скрутке элементы кабеля с воздушно-бумажной изоляцией деформируются, изоляция обжимается и группы несколько западают друг в друга. Поэтому, кроме диаметра описанной вокруг группы окружности (расчетный диаметр), существует понятие эффективный диаметр группы. Наиболее экономичной, обеспечивающей лучшую стабильность по электрическим параметрам, является звездная скрутка. Эта скрутка получила преимущественное применение в междугородных кабелях связи. Парная скрутка является наиболее простой в производстве и применяется в основном при изготовлении городских телефонных кабелей. Скрутки ДП и ДЗ не получили широкого применения в современных конструкциях кабелей связи.
| Рис. 2.9. Скрутка групп в сердечник: а - пучковая; б - повивная |
Построение кабельного сердечника.
Скрученные в группы изолированные жилы систематизируют по определенному закону и объединяют в общий кабельный сердечник.
В зависимости от характера образования сердечника различают две системы скрутки: повивную и пучковую.
При пучковой скрутке группы сначала скручивают в пучки, содержащие по нескольку десятков групп (наиболее распространены пучки из 50 или 100 групп), после чего пучки, скручиваясь вместе, образуют сердечник кабеля (рис. а).
Пучковая скрутка применяется лишь для низкочастотных кабелей городских сетей.
Основным видом общей скрутки в современных кабелях дальней связи является повивная скрутка (рис. б).
Группы располагают последовательными концентрическими слоями (повивами) вокруг центрального повива, состоящего из одной-пяти групп.
Смежные (рядом расположенные) повивы скручиваются в противоположные стороны с целью уменьшения взаимного влияния между группами смежных повивов и придания кабельному сердечнику большей механической устойчивости.
Такое расположение повивов облегчает также отделение их друг от друга при монтаже кабеля.
Оболочки
Сердечник кабеля, состоящий из скрученных по определенной системе групп, покрывают поясной изоляцией и заключают в герметичную оболочку, предохраняющую кабель от влаги и возможных механических воздействий, которые могут возникнуть в процессе транспортировки, прокладки и эксплуатации кабеля. В кабельной промышленности применяют следующие кабельные оболочки: металлические, пластмассовые и металлопластмассовые.
К металлическим оболочкам относятся, главным образом, свинцовые, алюминиевые и стальные. Свинцовые оболочки накладывают на кабель методом опрессования в горячем виде. Чтобы свинцовая оболочка имела большие твердость и вибростойкость, ее изготовляют из легированного свинца с присадкой 0,4-0,8% сурьмы.
Алюминиевые оболочки выпрессовывают в горячем виде или изготовляют холодным способом из ленты со сварным продольным швом. Известны методы сварки оболочки из алюминиевых лент высокочастотными токами или способом холодной сварки, давлением. Для больших диаметров кабеля (свыше 20-30 мм) применяют алюминиевые оболочки гофрированной конструкции. Использование алюминиевых оболочек является весьма прогрессивным. Алюминиевая оболочка легкая, дешевая и обладает высокими экранирующими свойствами. Однако алюминий весьма подвержен электрохимической коррозии, и поэтому его надежно защищают полиэтиленовым шлангом с предварительно наложенным слоем битума.
Стальные оболочки изготовляют путем сварки лент толщиной 0,3- 0,5 мм, свернутых в трубку. Для повышения гибкости стальные оболочки подвергают гофрированию, а с целью защиты от коррозии покрывают полиэтиленовым шлангом с предварительно наложенным слоем битума. Стоимость стальных оболочек составляет 50% стоимости свинцовой оболочки и 64% - алюминиевой. Такие оболочки не требуют дополнительной механической защиты.
Из пластмассовых оболочек наибольшее применение получили полиэтилен, поливинилхлорид и полиизобутиленовые композиции. Пластмассовые оболочки выгодно сочетают влагостойкость, стойкость, против электрической и химической коррозии и придают кабелю легкость, гибкость и вибростойкость. Однако через пластмассу постепенно диффундируют водные пары, что приводит к падению сопротивления изоляции кабеля. Поэтому пластмассовые оболочки применяют, главным образом, в кабелях с негигроскопической изоляцией типа полиэтилена, фторопласта, поливинилхлорида и др. В настоящее время известна целая серия комбинированных металло-пластмассовых оболочек: "алпэт", "сталпэт", "свипэт", состоящих соответственно из алюминия, стали, свинца и полиэтилена. Сопоставляя различные конструкции защитных оболочек, следует отметить как наиболее перспективные алюминиевые и стальные, надежно защищенные полиэтиленовым шлангом.
Рис. 2.10. Марки и конструкции защитных покровов
Внешние защитные покровы
Снаружи кабеля поверх оболочек располагаются покровы, защищающие кабель от механических повреждений, а алюминиевые и стальные оболочки от коррозии.
Основные конструкции защитных покровов металлических оболочек кабелей связи и области их применения приведены в таблице 2.1 и показаны на рисунке 2.10.
| Таблица 2.1. Области применения защитных покровов металлических оболочек кабелей связи | ||
| Тип защитного покрова | Конструкция защитного покрова | Область применения кабеля (место прокладки) |
| Г Б БГ Бв Бп Бл БпШп Шп К Кл КпШп | Голый Броня из двух стальных лент, с на-ружным покровом Броня из двух стальных лент, без наружного покрова То же, с усиленной подушкой Броня из двух стальных лент, с полиэтиленовым шлангом и наружным покровом из кабельной пряжи Слой поливинилхлоридного пластика, броня из двух стальных лент, с наружным защитным покровом из кабельной пряжи Броня из двух стальных лент, с наружным полиэтиленовым шлангом Полиэтиленовый шланг с подклеивающим слоем Броня из круглых проволок То же, со слоем поливинилхлоридного пластика То же, с наружным полиэтиленовым шлангом | В канализации В земле В коллекторах, тоннелях и шахтах В агрессивных грунтах В грунтах всех категорий В агрессивных грунтах То же, в районах с повышенной грозодеятельностью В канализации, коллекторах, тоннелях, помостам, а также в районах с незначительными внешними электромагнитными влияниями В реках и районах вечной мерзлоты То же, в агрессивных грунтах и водах То же, при наличии больших растягивающих усилий |
