Устройство волоконно-оптического кабеля: обзор структурных элементов и готовых конструкций

На сегодняшний день существует порядка пятидесяти различных конструкций оптических кабелей (ОК) для всевозможных условий их прокладки: в грунт, в кабельную канализацию, на подвес и так далее. Ведь именно от условий нахождения оптического кабеля и зависит его конструкция. В этой статье мы разберём из каких элементов и материалов состоит оптический кабель и какую роль каждый из них выполняет.

Устройство оптоволоконного кабеля

Разберем материалы оптического кабеля, которые используются при его создании в настоящее время.

Оптическое волокно

Оптическое волокно само по себе довольно хрупкое и более уязвимое к повреждениям по сравнению с медным проводом. Все элементы, из которых состоит оптический кабель, защищают оптическое волокно от всех внешний воздействий: климатических, механических и так далее.

Водоблокирующие материалы

Разберем материалы, которые препятствуют проникновению влаги в оптический кабель и дальнейшей ее кристаллизации — когда вода превращается в лед. Лед увеличивается в объеме примерно на 10%, что может стать причиной образования макроизгибов и обрывов ОВ внутри оптического кабеля.

Гидрофобные заполнители

Это специальные продукты нефтепереработки, которые ведут себя нейтрально (инертно) на всем протяжении срока эксплуатации оптического кабеля, то есть не вступают в химическую реакцию как с самим оптическим волокном, так и с другими конструктивными элементами ОК. Сам заполнитель находится непосредственно внутри конструкции оптического кабеля.

Гели имеют широкие температурные характеристики (рабочие температуры) от –60°С до +85°С.

Гидрофобные заполнители делятся на два класса:

1. Внутримодульные заполнители (filling).
2. Межмодульные заполнители (flooding).

Внутримодульные гели, применяются для заполнения модулей с ОВ. К таким гелям предъявляются более высокие требования, они имеют меньшую вязкость по сравнению с межмодульными. Внешне гель схож с желе. В России такие заполнители не производятся.

Межмодульные гели используются для заполнения свободного пространства в сердечниках ОК и в бронепокровах (броня из стальных проволок или стеклопластиковых прутков). В России производятся.

Водоблокирующие ленты и нити

Это сухие материалы (полимеры) пропитанные специальным составом — водоблокирующим абсорбентом (superabsorbent polymer). При взаимодействии воды с нитями или лентой образуется химическая реакция, в результате которой на поверхности появляется гель. Обратного эффекта превращения геля в абсорбент не происходит. Оптический кабель, содержащий в себе водоблокирующие ленты и нити, обычно называют «сухим кабелем».

Водоблокирующие нити могут применятся как для межмодульного, так и модульного заполнения. Водоблокирующие ленты и нити в России не производятся.

Оптические модули

Оптический модуль — это полимерная или стальная трубка, в которой находятся оптические волокна. Полимерные трубки изготавливаются из полибутилентерефталата (ПБТ) или из пропилена.

ПБТ обладает высокой жесткостью и твердостью и лучшей стойкостью к раздавливанию, чем полипропилен.

Полипропилен более гибкий и мягкий материал, что дает свои удобства при монтаже.

Материалы для изготовления оптических модулей в России не производятся.

Микромодули

Это уменьшенный в своих габаритах обычный оптический модуль. Микромодули применяются в микрокабелях, которые в свою очередь прокладываются в микро-трубочной канализации. Микрокабель более подвержен внешним механическим воздействиям, чем «обычный» оптический кабель, поэтому прокладывается в защитных полиэтиленовых трубах.

Кордели

Кордель («пустышка») обеспечивает геометрию скрутки оптического кабеля, то есть заполняет свободное внутреннее пространство в ОК (пространство свободное от оптических модулей).

Упрочняющие нити

Упрочняющие нити применяются в основном в конструкциях подвесных кабелей, их основное назначение — обеспечение необходимых показателей растягивающий нагрузки ОК. Нити могут быть арамидными и стеклопластиковыми.

Арамидные нити

Арамидные нити в оптическом кабеле изготавливаются из волокон термостойких ароматических полиамидов. Арамид — легкий и прочный материал (лучший модуль упругости по сравнению со стеклонитями), он не горит и не плавится, может контактировать с открытым огнем в течении 50 секунд без потери своих свойств.

Стеклонити

Стеклонити производятся из элементарных нитей из Е-стекла, скрученных в определенном направлении, с заданным числом оборотов на метр длины. Стеклонити имеют меньший запас на разрыв, максимальные нагрузки для ОК со стеклонитями — не более 15 кН. У арамидных же нитей ограничений практически нет.

Арамидные нити разрешены для подвеса на ЛЭП 35 кВ и выше «ФСК ЕЭС», стеклонити запрещены.

В последнее время идет разработка альтернативных силовых элементов — базальтовых волокон и высокопрочных нитей из полиэтилена для использования их в конструкции ОК.

Базальтовые нити получают из однокомпонентного дешевого сырья (базальта) при одностадийном технологическом процессе. Из одного килограмма сырья получается один килограмм базальтового волокна. За такими экологически чистыми технологиями — будущее!

Исходным материалом для высокопрочных нитей на основе полиэтилена служит сверхвысокомолекулярный волокнообразующий полиэтилен. Прочность нитей в 20 (!!!) раз выше, чем у нитей из стали аналогичного диаметра при несопоставимом весе.

Главное преимущество использования арамидных и стеклонитей в подвесных оптических кабелях — это их допустимый коэффициент вытяжки. То есть на протяжении всего срока эксплуатации кабеля он вытянется на относительно допустимую величину. Что нельзя сказать, например, о высокопрочных нитях из полиэтилена и базальтовых волокон, которые пока что не могут обеспечить требуемый коэффициент вытяжки.

Арамидные нити и стеклонити для производства оптических кабелей в России не производятся.

Материалы для бронепокровов

Для защиты от механических повреждений применяют различные виды брони оптоволокна.

Стальные проволоки

В производстве оптических кабелей, как правило, используется оцинкованная стальная проволока. Проволока подразделяется по назначению на проволоку общего назначения и канатную проволоку.

Канатная проволока имеет лучшие характеристики: повышенная степень прочности на разрыв, устойчивость к деформации по сравнению с проволокой общего назначения. Стальные проволоки всех назначений производятся в России.

Стеклопластиковые прутки

Для придания конструкции ОК диэлектрических свойств используется броня в виде стеклопластиковых прутков, которые в том числе обеспечивают высокие разрывные характеристики. Стеклопластиковые прутки производятся по технологии пултрузии (протяжки).

Стальная ленточная броня

Стальная ленточная броня представляет собой гофрированную стальную ленту с полимерным покрытием. Полимерный материал наносится на ленту для обеспечения её сцепления с внешней оболочкой кабеля в процессе производства и для защиты от сползания оболочки кабеля в процессе его прокладки.

Гофрированная стальная лента обеспечивает увеличение стойкости кабеля к раздавливанию и растяжению, а также защищает ОК от грызунов.

Центральный силовой элемент (ЦСЭ)

Центральный силовой элемент представляет собой стеклопластиковый пруток. До него в качестве ЦСЭ использовалась металлическая проволока.

Центральный силовой элемент обеспечивает жесткость скрутки кабеля. Этот элемент особенно важен при воздействии на оптический кабель отрицательных температур — ЦСЭ не дает конструкции кабеля растянуться или сжаться, в следствии этого в ОВ не возникают дополнительные изгибные потери.

Силовой элемент может быть покрыт слоем полиэтилена. Это сделано для того, чтобы увеличить внешний диаметр ЦСЭ без увеличения диаметра самого стеклопластикового прутка. Такой способ иногда используют в оптических кабелях с числом оптических модулей больше шести штук.

Оболочка оптического кабеля

Внешняя оболочка защищает сердечник оптического кабеля от всевозможных внешних воздействий и механических повреждений, например, от солнца, дождя. Основной материал для её изготовления — полиэтилен.

Почему цвет оптических кабелей для внешней прокладки именно черного цвета? Ответ на этот вопрос очень простой: в оболочке кабеля (в черном полиэтилене) присутствуют добавки из сажи (около 3%). Сажа является отличным ультрафиолетовым стабилизатором, поэтому она предотвращает разрушение самого полиэтилена (оболочки ОК) при воздействии на него солнца (ультрафиолетового излучения).

Виды полиэтиленов, используемых для оболочки ОК:

• Полиэтилены высокой плотности (низкого давления), они же ПЭВП (НDPE). Очень прочен, обладает высокой механической и химической стойкостью, но в отрицательных температурах более хрупкий, склонен к появлению трещин, сложнее в монтаже.
• Полиэтилены низкой плотности (высокого давления), они же ПЭНП (LDPE). Эластичен, легко монтируется, но не стоек к УФ-излучению, а это значит, что внешняя оболочка из такого материала буквально «стечет» в жаркую погоду и разрушится в месте крепления к подвесной арматуре. Крайне не рекомендуется использовать такой вид полиэтилена при производстве оптического кабеля.
• Полиэтилены средней плотности, они же ПЭCП (MDPE). Такие полиэтилены объединяют в себе преимущества двух предыдущих полиэтиленов (ПЭВП, ПЭНП) — они не трескаются при отрицательных температурах и не «стекают» в жаркую погоду. Оптимальный материал для изготовления внешних оболочек ОК.

В полиэтиленовые композиции также добавляют различные полимерные компаунды, благодаря которым кабель получает полимерную оболочку, стойкую к распространению горения.

Различают несколько видов полимерных компаундов, каждый из которых обеспечивает свой уровень пожарной безопасности оптических кабелей.

Конструкции оптического кабеля

Разберем некоторые типовые конструкции волоконно-оптического кабеля для разных условий прокладки на примере продукции завода Инкаб.

Стандартный кабель для канализации с промежуточной оболочкой (ДПЛ)

Элементы конструкции:

1. Центральный силовой элемент — стеклопластиковый стержень.
2. Оптическое волокно.
3. Оптический модуль из ПБТ, заполненный гидрофобным гелем.
4. Межмодульный гидрофобный гель.
5. Водоблокирующие нити.
6. Промежуточная оболочка из полимерного материала.
7. Броня из стальной гофрированной ленты.
8. Оболочка из полимерного материала.

Особенности:

• Растягивающая нагрузка до 2,7* кН (* возможно изготовление кабеля ДПЛ с допустимой растягивающей нагрузкой 5 кН);
• Раздавливающая нагрузка до 0,3 кН/см;
• Надежная защита от грызунов;
• Дополнительная надёжность за счет промежуточной оболочки;
• Повышенная герметичность, благодаря применению водоблокирующих нитей.

Стандартный кабель в грунт (ДПС)

Элементы конструкции:

1. Центральный стеклопластиковый стержень.
2. Оптическое волокно.
3. Оптический модуль из ПБТ, заполненный гидрофобным гелем.
4. Гидрофобный гель.
5. Промежуточная оболочка из полимерного материала.
6. Броня из высокопрочных стальных оцинкованных проволок.
7. Оболочка из полимерного материала.

Особенности:

• Растягивающая нагрузка от 7 до 80 кН (при использовании канатной проволоки);
• Раздавливающая нагрузка от 0,4 кН/см;
• Броня — надежная защита от сильных механических повреждений;
• Отличная защита от грызунов — можно прокладывать в кабельной канализации.

Стандартный подвесной самонесущий кабель (ДПТс)

Элементы конструкции:

1. Центральный силовой элемент — стеклопластиковый диэлектрический стержень.
2. Оптическое волокно.
3. Оптический модуль из ПБТ, заполненный гидрофобным гелем.
4. Гидрофобный гель.
5. Промежуточная оболочка.
6. Упрочняющие элементы — стеклонити.
7. Оболочка из полимерного материала.

Особенности:

• Экономичное решение для городской магистральной распределительной сети;
• Применяется для подвеса на ЛЭП до 35 кВ;
• Широкий диапазон рабочих температур — монтаж до –30°С;
• Возможность применения до 15 кН при длине пролета до 300 м;
• Диэлектрический — не чувствителен к электромагнитным полям;
• Стеклонить препятствует повреждению кабеля грызунами при прокладке в
  канализации (средний уровень защиты).

Дроп-кабель (ОВК)

Элементы конструкции:

1. Оптическое волокно.
2. Оптический модуль из ПБТ, заполененный гидрофобным гелем.
3. Силовые элементы — стеклопластиковые прутки.
4. Оболочка из полимерного материала.

Особенности:

• Полностью диэлектрический;
• Чрезвычайно высокая стойкость к раздавливающим нагрузкам — 1,4 кН/см;
• Возможность подвеса на опоры с расстоянием до 100 метров;
• Рабочая температура до –60°С;
• Допустимая растягивающая нагрузка до 2,2 кН.

Огнестойкий кабель (ТсОС)

Элементы конструкции:

1. Оптическое волокно.
2. Стальной оптический модуль.
3. Броня из стальной проволоки.
4. Оболочка из безгалогенного компаунда.

Особенности:

• Сохранение работоспособности в условиях воздействия пламени не менее 180 минут;
• Выдерживает механическое воздействие и подачу воды во время пожаротушения;
• Минимальное количество горючих материалов в конструкции;
• Высокая стойкость к раздавливающим нагрузкам (более 1 кН/см);
• Сохраняется даже после воздействия огня;
• До 48 волокон в одном кабеле;
• Диаметр менее 10 мм;
• Стальной оптический модуль, защищающий волокно.