1 как строятся сердечники оптических модулей

Введение в волоконно-оптические кабели. Часть 3

Третьим способом упаковки волокон является укладка рядом друг с другом нескольких (обычно 2 , 12) волокон с первичным покрытием и нанесение на них дополнительного покрытия. Такая конструкция называется волоконно-оптической лентой или ленточным модулем (см. Рис.5).

При такой технологии два или более волоконных световода объединяются упорядоченным образом в плоский модуль. Отдельные световоды связаны в одной плоскости параллельно друг другу с одинаковым шагом. С пленочным ленточным покрытием.

Существует три способа изготовления волоконно-оптических лент:

Обмотка лентой,
Связывание отдельных волокон друг с другом,
Заключение всех волокон в общую оболочку.

Ленточные модули объединяют в стопку-матрицу с прямоугольным сечением и помещают в пазы профилированного сердечника кабеля.

Обмотка лентой

Этот способ проиллюстрирован на Рис.5а. Обмотка лентой – это первый способ, разработанный для изготовления волоконно-оптических лент. В такой конструкции световоды склеены в одной плоскости между пленками на основе полиэфирной смолы. Данный способ применялся, например, американской компанией AT&T для создания сетей дальней связи. Однако в последнее время он вытесняется двумя другими способами, обеспечивающими получение волоконно-оптических лент, более устойчивых по отношению к микро- и макроизгибам и характеризующихся меньшим затуханием при колебаниях температуры или механических нагрузках.

Связывание отдельных волокон друг с другом

Этот способ также проиллюстрирован на Рис.5б. При его использовании промежутки между двумя соседними волокнами заполняются акрилатом. Лента может состоять из нескольких (числом до 12) волокон, уложенных параллельно друг другу. При использовании этого способа отдельные волокна легче подготовить к сварке или механическому сращиванию. Недостаток этого метода заключается в том, что волокна, образующие ленту, относительно восприимчивы к механическим воздействиям и поэтому могут быть повреждены.

Заключение всех волокон в общую оболочку

При использовании этого способа все волокна ленты укладываются рядом друг с другом, и все вместе покрываются со всех сторон тонким слоем акрилата, образующим общую оболочку. Число волокон в ленте может быть от 4 до 16. В полученной таким образом ленте волокна заключены в общую полимерную оболочку и, тем самым, связаны между собой (см. рис. 5в). Более толстый слой покрытия из акрилата (общая толщина волокна и покрытия – 0.4 мм) представляет собой эффективный буфер, обеспечивающий более надежную защиту от механических воздействий. Такие ленты удобнее сваривать или сращивать механическим способом, а также помещать в кабель и проводить монтаж на месте.

Рисунок 5. Типы ленточных конструкций.

Ленточные модули возникли и распространены в основном в Японии поскольку минимизируют стоимость работ по стыковке волокон. В России они практически не применяются, поскольку требуют наличия специального дорогостоящего оборудования и обеспечивают худшее, по сравнению с одиночными волокнами, качество стыка. По-видимому, распространение ленточных волокон может начаться в эпоху бурного использования световодов для последней мили (волокно в каждый дом).

Разнообразие областей применения световодов в системах волоконно-оптической связи требует, чтобы были разработаны самые разные конструкции кабелей с соответствующими размерами и материалами. Исходя из применения кабеля, выбираются типы модулей и соответствующая им конструкция сердечника кабеля и защитных покровов. Особое внимание уделяется предотвращению повреждений световодов в кабелях из-за воздействий окружающей среды, таких как перепады температуры и механические нагрузки.

4. Оптический сердечник

Оптический сердечник, который образуется в результате скрутки оптических модулей, называется сердечником модульной скрутки. Сердечник, образованный на основе расположения модулей в пазах профилированного стержня, – профилированный оптический сердечник. Сердечник с центральным расположением модуля, имеющий трубчатую конструкцию называется трубчатый сердечник.

4.1. Сердечник модульной скрутки

4.1.1. Центральный силовой элемент (ЦСЭ) сердечника модульной скрутки

В целях увеличения механической прочности оптических кабелей модули скручивают вокруг центрального элемента, который является силовым элементом кабеля (ЦСЭ). При этом центральный элемент может служить для защиты от продольного изгиба и от растяжения. Поэтому он изготавливается из таких материалов, которые имеют большой модуль упругости и сохраняют устойчивость при колебаниях температуры в определенном диапазоне.

В качестве ЦСЭ кабеля может использоваться стальная проволока диаметром 2 , 3.5 мм (или тросик примерно такого же диаметра из несколких проволок более тонкого сечения), вокруг которой укладываются модули, образуя скрутку. Недостатком такой конструкции оптического сердечника является существование проводника в центре оптического кабеля, что означает возможность повреждения оптических волокон при разряде молнии на проводнике – проволоке ЦСЭ. Таким образом, оптические кабели с металлическим ЦСЭ нельзя применять в случаях, когда отсутствуют грозозащитные элементы, например, непосредственно в грунт. Такие типы кабелей, согласно нашей классификации (см. Таблица 1), могут применяться в случаях 1 и ограниченно – в городской канализации 2. Известны случаи прокладки дополнительного грозозащитного проводника при использовании металлического ЦСЭ, что, на наш взгляд, является экономически неэффективным.

Для исключения металлических элементов в структуре оптического сердечника, в качестве ЦСЭ используется диэлектрический стержень. В большинстве случаев он выполнен из стеклопрутка, который получается в результате склеивания стеклянных нитей (ровингов) с помощью эпоксидной смолы. При особо высоких требованиях к прочности и гибкости ЦСЭ выполняют из арамидного прутка, в котором несущими являются арамидные нити. Однако, широкого распространения арамидный ЦСЭ не получил, из-за высокой удельной стоимости арамида как силового элемента.

4.1.2. Скрутка

Благодаря скрутке световоды в модуле имеют определенное свободное пространство, при перемещении в пределах которого при растяжении, изгибе, сжатии не ухудшаются их передаточные характеристики. Наряду с модулями в различном исполнении, в скрутку могут быть дополнительно включены наполнители, т.е. просто полиэтиленовые элементы (кордели). Часто в комбинированных кабелях элементом скрутки являются изолированные медные жилы. Совокупность силовых и скручиваемых элементов, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если такая имеется, называется сердечником кабеля. Пример расчета геометрических параметров элементов скрутки приведен в Приложении.

Таблица 5. Цветная кодировка модулей.

Кабели с сердечником

По требованию может поставляться с другим цветовым сочетанием

Самой распространенной в технике оптических кабелей является скрутка слоями или послойная скрутка. При этом скручиваемые элементы располагаются концентрически вокруг ЦСЭ в один или несколько слоев (см. Рис.6). Шаг спирали рассчитывается для того, чтобы предотвращать увеличение затухания в кабеле, вызываемое, прежде всего, изгибами кабеля в процессе его изготовления, при прокладке и при установке, а также вследствие колебаний температуры.

Если скручиваются отдельные элементы, например, модули или наполнители, то в этом случае говорят о кабеле повивной скрутки. Если же сердечник кабеля скручивается из элементов, состоящих из скрученных модулей, то такой кабель называется кабелем жгутовой скрутки (см. Рис.6). При использовании кабелей жгутовой скрутки плотность упаковки может быть существенно увеличена.

Рисунок 6. Различные способы скрутки элементов сердечника оптического кабеля.

Если кабель предназначен для наружной прокладки, то пространство между модулями заполняется веществом (гидрофобным наполнителем), придающим кабелю водонепроницаемость по всей его длине. Поверх скрутки накладывается защитная наружная оболочка из полимера.

4.1.3. Деформация растяжения и сжатия.

Наряду с изгибом необходимо ограничивать растяжение и сжатие световодов в модулях с тем, чтобы в заданных диапазонах нагрузок на растяжение и температурных диапазонах в волоконно-оптическом кабеле не возникали недопустимые изменения передаточных характеристик и опасность повреждения световодов. Световоды в модулях со свободной укладкой волокон могут свободно передвигаться внутри оболочки. В ненагруженном состоянии они располагаются в центре модуля, и их зазор DR (по отношению к защитной оболочке модуля) определяется с учетом внутреннего диаметра di оболочки модуля и наружного диаметра df световода (см. Рис.7). В случае модуля со свободной укладкой, в котором находятся несколько световодов, за наружный диаметр df следует принять диаметр воображаемой окружности, охватывающей световоды как можно плотнее.

Относительное изменение длины DL/L волоконно-оптического кабеля, т.е. допустимое удлинение eK или сжатие eTK (сжатие, обусловленное температурой) кабеля с повивной скруткой радиусом R и шагом S равно:

где знак «+» используется для сжатия кабеля eTK, а знак «-» — для удлинения кабеля eK. Это уравнение может привести к выводу, что уменьшение шага скрутки S вызовет существенное увеличение допустимого удлинения или сжатия кабеля. Но при этом необходимо учитывать допустимый радиус кривизны световода, который различен для одномодовых и многомодовых волокон.

Рисунок 7. Размеры и положение волокна в модуле в ненагруженном состоянии.

Чтобы вычислить максимально допустимое растягивающее усилие Fmax необходимо знать площади поперечного сечения A материалов, используемых в кабеле, и значения их модуля Юнга Е (модуля продольной упругости). Тогда сумма всех произведений EiAi, умноженных на максимально допустимое удлинение кабеля eK, дает максимальное растягивающее усилие для кабеля, при котором световоды не подвергаются механическому напряжению:

На Рис.8 показаны различные состояния световода в полой оболочке. Без какого-либо напряжения длина световода и оболочки одинаковая (а). При растяжении за счет растягивающего напряжения волоконно-оптического кабеля световод смещается в направлении внутренней стороны полой оболочки (б), при этом сначала ее не касается и не подвергается деформациям. Удлинение кабеля передается на световод только при величине, превышающей примерно 0,5 %, в зависимости от размеров полой оболочки. Реакцией световода будет повышение затухания.

Рисунок 8. Различное положение волокон в модуле

При низких температурах имеет место обратное явление. Полимер, из которого сделана оболочка модуля, сжимается. Поэтому, при охлаждении кабеля происходит его сжатие, и световод движется к внешней стороне полой оболочки (в).

4.2. Профилированный оптический сердечник

Некоторые кабели и во время, и после прокладки постоянно подвергаются воздействию раздавливающих усилий. Для защиты волокон в этих кабелях должны быть приняты специальные меры. С этой целью было разработано несколько различных видов сердечников. Большинство из них являются профилированными сердечниками, т.е. сердечниками, снабженными пазами (см. Рис.9).

Оптические волокна укладываются в них в направляющие пазы. Обычно профилированный сердечник с 6 — 12 пазами отливается вокруг металлического или неметаллического центрального силового элемента (ЦСЭ). Пазы могут быть спиральными, идущими в любом направлении, либо их направление чередуется. Спиральные пазы идут в одном и том же направлении по всей длине кабеля, в то время как направление пазов второго вида чередуется через определенные отрезки длины. Такие пазы (и сердечники с такими пазами) называются SZ-пазами (SZ-сердечниками). Это название они получили потому, что сначала пазы образуют S-образную кривую, а затем – Z-образную. Применение сердечников с чередованием направления пазов упростило как изготовление, так и установку этого вида оптического кабеля.

Все три вида сердечников обычно изготавливаются из полипропилена. Они получаются путем экструзии, причем их длина достигает 25 ÷ 30 км. ЦСЭ, как правило, делается из стали или из пластмассы, армированной стекловолокном. У всех видов таких сердечников имеется по 6 ÷ 12 пазов, в каждом из которых помещается от 1 до 16 волокон.

В зависимости от размеров и формы этих углублений в центральном элементе в них могут свободно помещаться один или несколько световодов – отдельно или в виде ленточной конструкции. Как и в случае с модулями, эти пазы заполняются компаундом. В случае если требуется конструкция кабеля без наполнителя, водонепроницаемость по длине может быть обеспечена с помощью водоблокирующей ленты.

Рисунок 9. Профилированный сердечник оптического кабеля

Для дальнейшего увеличения числа световодов в кабеле, в пределах одной общей внешней оболочки могут быть свиты по жгутовому принципу несколько отдельных кабельных элементов с профилированным стержнем. Преимуществом данной конструкции в сочетании с ленточной компоновкой кабелей с большим количеством световодов (более 100) является, во-первых, большая плотность упаковки, а, во-вторых, упрощенная технология соединения вследствие упорядоченного размещения световодов.

Данный вид сердечника очень распространен у зарубежных производителей (особенно у Ericsson – изобретателя профилированного оптического сердечника), но в России распространения не получил. Причиной оказалось как отсутствие опыта производства профилированных сердечников, так и необходимость специального оборудования, загрузка которого не гарантируется. Высокую стойкость к раздавливающим усилиям – основное преимущество профилированного сердечника – российские производители компенсируют толщиной стенки оптических модулей и увеличением толщины и жесткости первичной оболочки, накладываемой непосредственно на сердечник модульной скрутки.

Об избыточной длине оптического волокна в оптическом кабеле

Во всём мире наблюдается стремительный рост потребления ВОК, и Россия — не исключение. Однако развитие производства ВОК в России имеет ряд особенностей. Удовлетворение всё возрастающих потребностей в ВОК происходит не столько за счёт расширения производства на предприятиях, стоявших у истоков возникновения производства ВОК в России, сколько за счёт увеличения числа фирм-производителей ВОК. У большинства новых фирм-производителей ВОК ещё отсутствуют собственные разработки. Номенклатура выпускаемой продукции и конструкций ВОК новой фирмой-производителем ВОК основывается, как правило, не на собственных научных исследованиях и проектах, а заимствуется у других отечественных производителей ВОК. Определённый выбор может быть сделан и исходя из рекомендаций фирм-поставщиков оборудования, хотя последние не имеют какой-либо заинтересованности в обучении потребителя всем тонкостям процесса производства. Зачастую номенклатура выпускае-мых изделий уточняется постепенно уже после закупки и монтажа оборудования.

Заметное уменьшение роли отраслевой и вузовской науки в данном направлении заставляет наиболее опытных производителей всё в большей степени рассчитывать на самостоятельные исследования и проектные работы. Необходимо отметить, что в случае совместных предприятий в особенности с участием иностранных фирм — признанных авторитетов отрасли, таких как «Fujikura», «Lucent», «Corning», уровень знаний, как в целом, так и по конкретным технологическим процессам, безусловно, возрастает.

Российские производители зачастую недостаточно информированы о номенклатуре, особенностях проектирования оптических кабелей и процессе их изготовления за рубежом. В тех случаях, когда удаётся получить образцы зарубежных волоконно-оптических кабелей на выставках или приобретаемых отечественными фирмами, удаётся проанализировать лишь некоторые параметры конструкций и применяемые материалы. Однако нельзя гарантировать, что иностранные компании поставляют в Россию свои лучшие образцы.

Наблюдающееся в последнее время значительное улучшение качества выпускаемого волоконно-оптического кабеля связано не только с накоплением опыта. Несколько лет назад полностью прекратился выпуск отечественного оптического волокна, качество которого оставляло желать лучшего. Фирмы-производители оптического кабеля стали потреблять импортное оптическое волокно таких признанных лидеров в этой области, как «Fujikura», «Lucent», «Corning», «Plasma Optic» и т.д.

С применением лучшего импортного оптического волокна связано отчасти и некоторое ослабление интереса к собственным исследованиям в этой области. Российские потребители приняли как должное такие достижения как рекордно низкий уровень оптических потерь и малую дисперсию сигнала. Сегодня исследования перешли на качественно более высокий уровень. В центре внимания науки и технологии — проблемы, связанные с поляризационно — модовой дисперсией, спектральным уплотнением и т. п.

Другая проблема — понимание тонкостей изготовления сердечника оптического кабеля, и в частности оптического модуля, — стала основной для производителей оптического кабеля. За последние десятилетия фрагментарно многие стороны этой проблемы достаточно хорошо изучены. Однако, целостные работы, которые бы отслеживали процесс изготовление ВОК от оптического волокна до готового кабеля, авторам не известны. Для того чтобы сформулировать ряд конкретных проблем, с которыми сталкиваются разработчики ВОК, придётся вначале кратко изложить некоторые достаточно известные факты, разумеется, со ссылками. Прежде всего, необходимо отметить характерные свойства кварцевого волоконного световода, являющегося каналообразующим элементом волоконно-оптического кабеля.

Одной из главных причин невозможности применения волоконного световода из кварцевого стекла в натуральном виде (в том виде, в котором он получается после вытяжки), является его низкая механическая прочность. Теоретически механическая прочность бездефектного кварцевого световода выше прочности стальной проволоки такого же диаметра [1]. Однако, например, любое соприкосновение поверхности световода с твёрдым предметом или даже частицей пыли, находящейся в воздухе приводит к появлению на поверхности стекла микротрещин, которые при приложении растягивающей нагрузки F начинают быстро расти (см. рис 1). В результате разрывная прочность световодов оказывается намного ниже теоретического предела прочности кварцевого стекла.

Рис. 1. Схематическая иллюстрация возникновения микротрещин

Следует также отметить, что дефекты, вызывающие уменьшение прочности световода, могут возникать не только вследствие контакта световода с твёрдыми телами, иными воздействиями в процессе или сразу после вытяжки, но и на более ранних этапах его изготовления. В частности, к снижению прочности световода могут приводить инородные частицы которые могут находиться в опорных кварцевых трубах, используемых для изготовления заготовок световодов, микротрещины в заготовках, которые при вытягивании световода трансформируются в поверхностные дефекты световода, частицы пыли в печи для вытяжки световодов. Не будем глубоко вдаваться в технологию вытяжки волоконных световодов и в проблемы, связанные с процессами изготовления кварцевых заготовок и опорных труб, а также самого процесса вытяжки. Отметим лишь, что в результате анализа причин, вызывающих разрушение световодов, были выработаны некоторые общие технологические требования. Эти требования содержат следующее: изготовление заготовок из материала без внутренних включений, химическая и огневая полировка заготовки перед вытяжкой, контроль атмосферы в зоне нагрева, работа в обеспыленном помещении и т. п. [2].

Приблизить реальную механическую прочность получаемого волоконного световода (5-7 ГПа) к теоретической (25 ГПа), рассчитанной на основании различных оценок величины межатомной связи атомов кремния и кислорода, а также защитить световод от взаимодействия с окружающей средой возможно при помощи нанесения защитного покрытия. Его материал выбирается исходя из следующих соображений. С одной стороны, для защиты поверхности световода от реагентов и механических повреж-дений защитное покрытие должно быть достаточно жестким, чтобы выдерживать как продавливающие, так и истирающие нагрузки. В то же время покрытие должно быть достаточно мягким для того, чтобы предохранить световод от боковых сдавливающих нагрузок, являющихся причиной возникновения микроизгибов (см. рис. 2) [1].

Рис. 2. Волоконный световод, соприкасающийся с шероховатой поверхностью

Для удовлетворения перечисленным выше условиям, защитное покрытие волоконного световода выполняется двухслойным. Первый амортизирующий слой выполняется из мягкого полимерного материала, а второй наружный слой из более жёстких полимеров. Волоконный световод с полимерным защитным покрытием получил название «оптическое волок-но». В настоящее время наибольшее распространение получили оптические волокна с защитным покрытием из уретанакрилатов (см. рис. 3).

Рис. 3. Схематическое изображение оптического волокна

Что касается оптических характеристик волокна при приложении к нему растягивающей нагрузки, то большинство авторов говорят о неизменности коэффициента затухания оптического волокна вплоть до его разрушения. Поэтому до недавнего времени отследить механические напряжения в оптическом волокне по изменению его оптических характеристик было практически невозможно. В последнее время разработан целый ряд приборов, позволяющих определить приложенную к оптическому волокну нагрузку, например, по величине брюллиеновского рассеяния («ANDO») [3] или по величине группового времени запаздывания («PK Technology»). Однако стоимость этих приборов остаётся очень высокой. Представляется чрезвычайно важным отыскание допустимой величины растягивающей нагрузки, которая может быть приложена к оптическому волокну и которая не приведёт к разрушению волоконного световода и, как следствие, к обрыву оптического волокна в течение его срока службы. На основании формул, приведённых в [4], легко получить зависимость срока службы оптического волокна от приложенной к нему растягивающей нагрузки (см. рис. 4).

Рис. 4. Зависимость срока службы оптического волокна от его удлинения

Видно, что срок службы, установленный потребителем ВОК, в 25 лет обеспечивается при значении удлинения менее 0,36 %, что определяет допустимую величину локальной механической растягивающей нагрузки в пределах 3 Н.

Значительное влияние на процесс разрушения стекла оказывают физико-химические свойства окружающей среды, в первую очередь наличие паров воды. Наличие гидроксильных групп приводят не только к значительному снижению механической прочности и срока службы оптического волокна, но и к увеличению затухания из-за поглощения излучения. Защитное покрытие оптического волокна предохраняет волоконный световод от взаимодействия с окружающей средой. Конечно, полимерное покрытие не может полностью исключить проникновение молекул воды к поверхности волоконного световода, оно может только лишь затруднить этот доступ.

Наличие защитного покрытия у оптического волокна приводит и к некоторым отрицательным последствиям. Основное из них заключается в существенном уменьшении допустимого диапазона температурных воздействий. Например, если волоконный световод работает в диапазоне температур от — 150 С до + 150 С, то оптическое волокно всего лишь от — 60 С до + 85 С. Это связано с тем, что допуск на геометрические размеры первичного покрытия составляет всего лишь несколько микрометров. Неконцентричность или разнотолщинность покрытия не допускается, так как при механических воздействиях может привести к изгибу оси оптического волокна и, следовательно, к дополнительным потерям на макроизгибах. Кроме того, в результате большой разницы температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) кварцевого стекла и полимерных материалов защитного покрытия термоусадка первичной оболочки оптического волокна при охлаждении или нагреве вызывает микроизгибы световода, и как следствие увеличение оптических потерь. Конечно, при применении специальных материалов защитных покрытий (например, некристаллизующихся кремнийорганических эластомеров) можно достичь температуры и — 150 С [5], однако эти материалы, в силу сложности переработки или дороговизны, в промышленном производстве оптического волокна распространения не получили.

Необходимо отметить, что нанесение на волоконный световод защитного покрытия до конца не решило всех проблем, связанных с применением оптического волокна. Стойкость оптического волокна к внешним механическим и химическим воздействиям по сравнению с «голым» волоконным световодом значительно увеличилась, хотя и осталась недостаточной для его использования в качестве самостоятельного изделия. В результате появилась лишь возможность использования оптического волокна в производственном процессе, заключающаяся, по существу, в нанесении дополнительных защитных покрытий, обеспечивающих выполнение разносторонних требований, предъявляемых к работе оптического волокна в составе волоконно-оптического кабеля.

Требования к волоконно-оптическим кабелям в значительной степени определяются условиями их изготовления, хранения, прокладки, монтажа, эксплуатации и т. д. [6], в процессе которых волоконно-оптические кабели могут подвергаться различным внешним воздействиям: механическим, химическим, тепловым, климатическим, биологическим и т. д. Анализ требований по стойкости к механическим воздействиям, показывает, что они в значительной степени определяются условиями прокладки и эксплуатации кабелей. Например, к кабелям, предназначенным для прокладки в грунт механизированным способом, предъявляются высокие требования по стойкости к растягивающим и раздавливающим нагрузкам. К подвесным, подводным и полевым оптическим кабелям предъявляются повышенные требования по стойкости к растягивающим нагрузкам, а к внутриобъектовым кабелям эти требования относительно невелики. Однако к внутриобъектовым кабелям предъявляются повышенные требования по гибкости для обеспечения удобства прокладки и монтажа кабеля в зданиях, сооружениях и внутри аппаратуры. Для нестандартных, в том числе и наиболее тяжелых условий работы используются специальные кабели.

Волоконно-оптические кабели используются в различных климатических зонах: от высокогорных районов до глубин океана, от районов крайнего севера до субтропиков. Поэтому они должны быть стойкими к воздействию и пониженного атмосферного давления до 5,3 · 104 Па, и повышенной относительной влажности до 98 % при + 35 С, и к воздействию инея, росы, соляного тумана и солнечного излучения. К волоконно-оптическим кабелям также предъявляются требования по стойкости к биологическим факторам. Для средней полосы это, прежде всего, грызуны, для тропиков — бактерии, микробы, термиты, плесень и т.д.

Наибольший допустимый интервал рабочих температур необходим для работы подвесных оптических кабелей. При воздействии прямых солнечных лучей температура кабеля может превышать температуру окружающего воздуха на 25 С. Условная максимальная температура окружающего воздуха в летнее время (на территории России) может достигать + 35 С, следовательно, оптический кабель должен нормально работать до + 60 С. В зимнее время года температура не опускается ниже — 40 С. Однако при испарении влаги с поверхности кабеля его температура уменьшается относительно температуры окружающего воздуха. Поэтому диапазон рабочих температур подвесных оптических кабелей составляет — 60 + 60 С. Кабели, предназначенные для прокладки в грунт и коллекторы, должны быть стойкими к воздействию температуры до + 50 С, так как они, в отличие от подвесных кабелей, не подвергаются воздействию прямых солнечных лучей. Однако в кабельной канализации, коллекторах и внутри зданий и сооружений существуют свои источники тепла, например проходящие рядом силовые кабели. Поэтому верхний предел температуры не + 30 С, а + 50 С. Нижний предел температур для таких оптических кабелей ограничивается минимальной температурой окружающей среды: — 10 С для внутриобъектовых и — 40 С для остальных марок. Указанные цифры характерны для ВОК, используемых в средней полосе или в странах с подобным климатом. Естественно эти цифры могут существенно отличаться в зависимости от рассматриваемого региона. Кроме того, для подвесных оптических кабелей необходимыми условиями являются: стойкость к воздействию электромагнитных полей, отсутствие металлических элементов, стойкость к воздействию электрических разрядов (молнии), озоностойкость.

Создание единой конструкции, удовлетворяющей одновременно всем перечисленным выше требованиям, является экономически нецелесообразным, а зачастую просто невозможным. Широкий спектр областей применения, условий прокладки и эксплуатации волоконно-оптических кабелей, многообразие видов каналообразующего элемента, по типам используемого волокна, рабочим длинам волн, количеству волокон и т. д., различия в технологической оснащенности кабельных предприятий, а также национальные особенности и традиции фирм производителей привели к возникновению многообразия конструкций (см. рис. 5).

Рис. 5. Различные варианты конструкций оптических кабелей

Наиболее распространённым решением при конструировании оптического кабеля является использование дополнительного покрытия ОВ из материала, обладающего высокой механической прочностью и температурным коэффициентом линейного расширения приближающимся к ТКЛР кварца. Оптическое волокно в дополнительном (вторичном) защитном покрытии принято называть оптическим модулем. Оптимальным было бы изготовление вторичного покрытия из кристаллических материалов (например, металлов). Существуют оптические волокна с дополнительным слоем алюминия, титана и даже углерода. Полученные оптические волокна обладают повышенной механической прочностью, так как нанесённый металлический слой препятствует развитию микротрещин в волоконном световоде. Кроме того, в ряде случаев (подвесные или подводные оптические кабели) оптические волокна помещаются внутрь металлической (медной или алюминиевой) трубки, что гарантирует защиту сразу нескольких ОВ. Внутрь трубки вводится гидрофобный заполнитель для защиты оптического волокна от проникновения влаги. Подобная конструкция гарантирует работу оптических волокон в широком интервале температурных воздействий. Для обеспечения требуемого диапазона механических воздействий на металлическую трубку наносятся дополнительные защитные слои из круглых стальных проволок. Технология наложения металлического слоя на оптическое волокно или формование металлической трубки достаточно сложна в отличие от технологии переработки полимерных материалов, в том числе и пластических масс. Однако полимерные материалы обладают рядом специфических свойств отличающих их от кристаллических металлов и кварца.

Как уже хорошо известно, молекулы полимера (макромолекулы) состоят из многократно повторяющихся структурных единиц, соединенных друг с другом химическими связями десятки и даже сотни тысяч раз. Макромолекула полимера может быть линейной и разветвленной, т. е. иметь боковые ответвления от основной цепи. За счёт них происходит соединение макромолекул между собой химическими связями. С увеличением разветвленности макромолекулы полимера нарушается его регулярность, вследствие чего снижается жесткость и склонность к кристаллизации. Большая длина макромолекулы при возможности вращения сегментов макромолекул относительно валентных связей главной цепи обуславливает способность молекулы полимера принимать различные конформации. Реализуемые конформации носят флуктуационный характер, т.е. в принципе форма цепной молекулы может постоянно изменяться. С энергетической точки зрения наиболее выгодная форма цепной молекулы — свернутая глобула (молекулярный клубок), что и реализуется в случае, если межмолекулярное взаимодействие существенно слабее внутримолекулярного (см. рис. 6). Этот клубок очень рыхлый — собственно полимер занимает лишь около 1 — 3 % от общего его объёма. Взаимодействие глобул создает определенные упорядоченные надмолекулярные структуры. В результате взаимодействия между соседними макромолекулами в полимере могут возникать области, в которых создаются более упорядоченные структуры (см. рис. 7а), которые в итоге образуют кристаллические структуры (см. рис. 7б).

Рис. 6. Модель молекулы полиэтилена

Рис. 7. Схематическое строение флуктуационной сетки

Аморфные линейные полимеры могут в зависимости от температуры находиться в трех физических состояниях. При низких температурах — это стеклообразное состояние, когда возможны только колебательные движения атомов в цепи. При превышении температуры стеклования становится возможным колебательное движение звеньев цепи, такое состояние называют высокоэластическим. И, наконец, при превышении температуры плавления полимер переходит в вязкотекучее состояние, когда может проявиться подвижность всей макромолекулы (см. рис. 8).

Рис. 8. Виды термомеханических кривых кристаллического полимера:
1 — после плавления полимер сразу переходит в вязкотекучее состояние
2 — после плавления полимер переходит в высокоэластическое состояние

Одной их характерных особенностей пластических масс является зависимость физического состояния от временного интервала приложения нагрузки. Деформация, кажущаяся упругой при кратковременном воздействии, при увеличении времени воздействия в результате протекающих в материале релаксационных процессов постепенно переходит в пластическую (см. рис. 9). Также отличительной особенностью полимеров является постепенная релаксация напряжений в полимере с течением времени (см. рис. 10).

Рис. 9. Кривая напряжение — деформация эластомера

Рис. 10. Релаксация напряжения в линейном (1) и пространственно сшитом (2) эластомере

Прямым следствием из вышеизложенных свойств полимеров являются большие значения ТКЛР. Разница их ТКЛР с ТКЛР кварца составляет около двух порядков. Именно поэтому использование полимеров с учётом особенностей их свойств требует усложнения конструкции кабеля, связанного с уменьшением влияния высоких значений ТКЛР полимерной трубки и недостаточного значения модуля его упругости. Указанное усложнение конструкции в основном сводится к фиксированию полимерного покрытия относительно оптического волокна, т. е. к установлению прочной связи между полимером и некоторым силовым элементом, который в ряде случаев вводится в ВОК. Представим эту связь в виде следующей модели:

Здесь пунктирные линии иллюстрируют механическую связь (трение) между полимерным покрытием и силовым элементом.

В ряде конструкций оптических кабелей для ограниченного применения роль силового элемента может выполнять само оптическое волокно. В этом случае оптическое волокно обжимают полимерной трубкой, и если связь между оболочкой и оптическим волокном достаточно сильна, значительного изменения геометрических размеров оболочки происходить не будет за счёт появления в полимере и кварце механических напряжений ( ).

Такой вариант оптического модуля получил название «tigth buffer» (в русской терминологии «плотное защитное покрытие»). В результате мы получаем приемлемый для ряда применений диапазон допустимых внешних механических воздействий, но механические напряжения в оптическом волокне в итоге значительно уменьшают температурный диапазон его работы до 50 ?С минус 20 ?С в лучшем случае при очень строгой осевой симметрии покрытия.

Зачастую полимерная оболочка и оптическое волокно почти полностью механически развязано. В этом случае, оболочка почти беспрепятственно меняет свою длину.

Подобный принцип частично реализован в конструкции оптического модуля типа «loose tube» или, по другому, — оптический модуль со свободной укладкой оптического волокна. И так как полностью освободиться от связи оптического волокна с полимерной трубкой не удаётся, полимерную трубку «фиксиуют» путём установления связей с дополнительными силовыми элементами (стальной трос, стальная проволока или стеклопластиковый пруток). Здесь существует довольно много различных вариантов. Последовательно рассмотрим основные возможные варианты обеспечения «работы» такого оптического модуля.

Оптические модули типа «loose tube» или в русской терминологии «трубчатое защитное покрытие» чаще имеют небольшие размеры, наружный диаметр составляет 2 3 мм (внутренний диаметр 1 2 мм) и, следовательно, небольшое число оптических волокон (до 12). Для увеличения числа волокон в оптическом модуле часто идут по пути увеличения размеров оптического модуля до 4 6 мм (внутренний диаметр 2 4 мм). В этом случае оптический модуль располагается по оси кабеля, и на него наносят дополнительные защитные покровы. Такая конструкция оптического кабеля получила название оптического кабеля на основе центральной трубки. Наиболее распространены и наиболее просты конструкции кабелей, в которых на центральную трубку плотно накладывается какой-либо броневой покров. Это с одной стороны обеспечивает её механическую защиту, а с другой стороны расширяет диапазон допустимых температурных воздействий. Похожим вариантом использования этой конструкции сердечника оптического кабеля является введение в оболочку центральной трубки (или в защитную оболочку оптического кабеля) в процессе её изготовления элементов обладающих близким к кварцу ТКЛР (например, металлы или стеклопластик). В этом случае, естественному изменению длины полимера препятствует прочная связь внутренней поверхности полимерной оболочки с элементом, изменяющим размеры в значительно меньшей степени при изменении температуры, кварц ли это, металл или стеклопластик.

Следующим шагом явилось как бы «распределение силового элемента» по всему объёму полимерной трубки или, проще говоря, применение специальных полимерных композиций, обладающих низким, по сравнению с чистыми полимерами, ТКЛР и более высоким модулем упругости. Кстати заметим, что применение таких композиций для изготовления модуля типа «tigth buffer» (например, «Grilamid TR 25» фирмы «EMS»), позволяет без увеличения затухания достичь температуры минус 70 °С.

Использование оптических модулей типа «loose tube» из традиционных материалов (ПБТ) и без дополнительной защиты возможно для ограниченного диапазона температур и механических воздействий. Например, оптический модуль, изготовленный из ПБТ марки «Ultradur B 6550» фирмы «Basf», имеющий внутренний диаметр оболочки 1,3 мм работает всего до минус 30 °С. Вариантом расширения диапазона температурного и механического воздействия явилась намотка нескольких оптических модулей с определённым шагом вокруг силового элемента (центрального силового элемента — ЦСЭ). В результате чего механическая связь оболочек оптических модулей с центральным силовым элементом препятствует изменению длины оптического модуля при изменении температуры окружающей среды. Вводимый в пространство между оптическими модулями гидрофобный заполнитель ещё более усиливает эту связь. В ряде конструкций в межмодульное пространство вводятся даже клеящие составы. Следующим шагом в этом направлении явилось превращение сердечника оптического кабеля в монолитную конструкцию (профилированный сердечник). В этих конструкциях оптического кабеля роль вторичного полимерного покрытия выполняет не трубка, как в рассмотренных выше случаях, а цилиндр с прямоугольными или трапециидальными пазами, в которые закладываются оптические волокна, оптические ленты или даже оптические модули, а в центре цилиндра располагается силовой металлический или стеклопластиковый элемент. Механика работы профилированного сердечника практически повторяет механику модульной конструкции.

Процесс формования полимерной трубки оптического модуля таков, что из-за охлаждения оптического модуля до температуры охлаждающей ванны и усадки полимерного материала в готовом оптическом модуле волокно расположено по спиралеобразной траектории, на большинстве участков напоминающих геликоиду, т. е. имеет место избыточная длина оптического волокна в оптическом модуле. При понижении температуры происходит уменьшение длины полимерной трубки, при этом геликоидальное расположение оптического волокна изменяется в сторону увеличения амплитуды и уменьшения шага геликоиды. В какой-то момент времени деформация оптического волокна станет очень большой (или оптическое волокно даже коснётся внутренней стенки полимерной трубки), что приведёт к резкому возрастанию оптических потерь в волоконном световоде за счёт рассеяния на микроизгибах.

В современных конструкциях оптического модуля «loose tube», центральной трубки и профилированного сердечника, кабели на основе которых предназначены для прокладки вне зданий, пространство между оптическими волокнами и вторичным покрытием (трубка или профиль) заполнено гелеобразным заполнителем. Его гидрофобные свойства обеспечивают нераспространение влаги по оптическому модулю. С одной стороны, он играет роль механического буфера между оптического волокна и полимерной трубкой, а с другой стороны, фиксирует положение оптического волокна внутри модуля. Последнее обеспечивается свойством тиксотропности заполнителя, которое заключается в том, что при малых значениях скорости сдвига заполнитель характеризуется большими обратимыми деформациями при практически полном отсутствии вязкого течения, а при превышении определённого значения — течёт. Наличие внутри оптического модуля такого заполнителя исключает изменение положения оптического волокна внутри трубки и, следовательно, изменение избыточной длины в процессе эксплуатации кабеля, хотя и несколько усиливает механическую связь полимерной оболочки с оптическим волокном.

Итак, применение оптического волокна в качестве каналообразующего элемента в линиях связи возможно только при нанесении на него дополнительных покрытий, что требует существенного усложнения конструкции сердечника кабеля в целом. По конструкции сердечника оптического кабеля можно разделить на большие группы. В качестве сердечника оптического кабеля может выступать плотная полимерная оболочка (прокладка внутри зданий, минимальная температура до минус 20°), центральная трубка (как правило, не применяется без дополнительной связи с металлическими или стеклопластиковыми элементами, минимальная температура до минус 30°), скрутка нескольких оптических модулей вокруг ЦСЭ (необходима дополнительная механическая защита, минимальная температура до минус 60°), а также профилированный сердечник (необходима дополнительная механическая защита, минимальная температура до минус 60°). Несмотря на это многообразие вариантов защиты оптического волокна наибольшее распространение получила модульная конструкция оптического кабеля.

На рис. 11 представлена известная конструкция сердечника модульного типа в самом общем случае. Количество и размеры оптических модулей, наличие или отсутствие гелеобразного заполнителя, размеры центрального силового элемента обусловлены требованиями, предъявляемыми к оптическому кабелю. Изображение оптического волокна на этом рисунке не совсем верно. Как это уже отмечено, оптическое волокно в оптическом модуле располагается по некоторой траектории, на большинстве участков приближающейся к геликоиде (хотя и есть участки, где оптическое волокно расположено прямолинейно). Кроме того, зачастую в оптический модуль вводят несколько оптических волокон. Поэтому можно говорить лишь о некотором среднестатистическом распределении положения оптического волокна внутри оптического модуля.

Рис. 11. Конструкция модульного сердечника оптического кабеля

Рассмотрим поведение всего сердечника оптического кабеля при приложении к нему внешних воздействий. Для простоты возьмём оптический кабель с одним оптическим волокном в каждом оптическом модуле. При растяжении сердечника оптического кабеля происходит удлинение центрального силового элемента. В результате действия силы трения между поверхностью центрального силового элемента и поверхностями оптических модулей внешняя сила вместе с силовым элементом растягивает и участки оптических модулей, прилегающие к точкам действия силы, в то время как отдалённые участки оптических модулей не испытывают никакого воздействия. Удлинение оптического волокна при этом пока не происходит, т. к. нагрузка напрямую к нему не прикладывается. Происходит лишь уменьшение избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле, а затем его постепенное «перемещение» к оси сердечника оптического кабеля. Оптическое волокно рано или поздно коснется внутренней поверхности оболочки оптического модуля (см. рис. 12), после чего на оптическое волокно начнёт действовать растягивающее усилие. При соприкосновении оптического волокна с поверхностью трубки происходит резкое увеличение затухания передаваемого излучения за счёт микроизгибов.

Практически то же самое происходит и при увеличении температуры окружающей среды, но в этом случае в первую очередь происходит увеличение длины полимерных трубок оптических модулей по всей длине оптического кабеля из-за того, что ТКЛР полимера на несколько порядков больше ТКЛР металла и кварца. Полимерные оболочки оптических модулей, удлиняясь, прикладывают к оптическому волокну растягивающую нагрузку, прижимают оптическое волокно к внутренней поверхности оболочки оптических модулей. К чему приводит это соприкосновение описано выше.

При снижении температуры окружающей среды длина оптического модуля, напротив, уменьшается. Оптическое волокно в этом случае перемещается к внутренней поверхности трубки оптического модуля. При превышении определённого порога снижения температуры, обусловленной конструкцией сердечника и применяемыми материалами, оптическое волокно опять коснётся внутренней поверхности трубки оптического модуля. И опять мы наблюдаем резкое увеличение затухания в оптическом волокне за счёт микроизгибов.

Рис. 12. Изменение положения ОВ внутри модульного сердечника ВОК при циклической смене температур

Эти негативные явления зачастую можно уменьшить или несколько «отсрочить» применением полимеров для трубки оптических модулей, обладающих малым значением ТКЛР и малым коэффициентом трения с уретанакрилатными композициями (например, полиамиды). Известны варианты двухслойных трубок оптических модулей из различных полимеров и композиций. Эффективным также оказывается жёсткое связывание полимерных оболочек с центральным силовым элементом, например, применение клеящих композиций.

В данном случае использовалась классическая, но достаточно упрощённая модель, так как не бралось во внимание некоторое уменьшение внутренних диаметров оптических модулей при их растяжении и некоторое увеличение внутренних диаметров оптических модулей при их нагревании. Кроме того, при наличии нескольких оптических волокон в одном оптическом модуле картина ещё более усложняется трудностью предсказания положения конкретного оптического волокна в пучке оптических волокон. Вряд ли такие тонкости «под силу» рассматриваемой модели. Здесь уместно обратиться к экспериментальным результатам. Тем не менее, рассмотренная модель позволяет достаточно точно связать между собой такие похожие друг на друга с точки зрения их действия на сердечник кабеля параметры, как предельная растягивающая нагрузка (?F) и предельно допустимый температурный диапазон (?T).

В качестве иллюстрации для объяснения механизмов работы использовалось понятие избыточной длины оптического волокна. Рассмотрим, насколько корректно это понятие может быть использовано для характеристики «выносливости» кабеля при внешних воздействиях. В качестве примера также возьмём модульную конструкцию оптического кабеля.

В этом случае избыточная длина оптического волокна в оптическом кабеле (по отношению к длине центрального силового элемента) состоит из двух составляющих: укрутка оптических модулей вокруг центрального силового элемента и, уже рассмотренная нами, избыточная длина оптического волокна в оптическом модуле.

В процессе изготовления оптического модуля на величину избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле оказывает влияние множество технологических параметров.

Во-первых, это — параметры формования полимерной трубки: наружный и внутренний размеры оптического модуля, марка материала, температура переработки, размеры формующего инструмента, отношение скорости изготовления оптического модуля к оборотам шнека экструдера.

Во-вторых, параметры подачи гидрофобного заполнителя: марка гидрофобного заполнителя, температура переработки заполнителя, размеры вводящего инструмента.

В третьих, параметры отдачи оптического волокна и приёма готового оптического модуля: натяжение оптического волокна на отдатчике, натяжение оптического модуля между кабестанами, натяжение оптического модуля при намотке на барабан, способ укладки оптического волокна.

Необходимо также отметить влияние на величину избыточной длины оптического волокна параметров охлаждения оптического модуля: расстояние от торца матрицы до охлаждающей ванны, скорость изготовления оптического волокна, профиль температуры в охлаждающих ваннах, (даже, например, число витков оптического модуля на кабестане).

Кроме того, значительное влияние на конечную величину избыточной длины оптического волокна оказывает также время и способ хранения оптического модуля до его скрутки в сердечник.

Укрутка оптического модуля в повиве зависит от следующих параметров: натяжение оптического модуля до его скручивания, диаметр центрального силового элемента, наружный диаметр оптического модуля, шаг скрутки, наличие и марка межмодульного гидрофобного заполнителя.

На допустимый диапазон температурных и механических воздействий на оптический кабель значительное влияние имеет также толщина оболочки, наложенной на сердечник оптического кабеля, и величина обжатия ею сердечника.

С учётом вышеизложенного, в принципе, можно было бы сказать, что по величине избыточной длины, зная конструкцию сердечника и защитных покрытий, применяемые материалы и технологический процесс, можно довольно точно определить диапазон допустимых температурных и механических воздействий на оптический кабель. Подобное, довольно смелое, утверждение получило распространение у многих производителей оптического кабеля. Кажется, что имеется реальная возможность уже на этапе изготовления оптических модулей, не дожидаясь испытаний готового оптического кабеля как бы прогнозировать величины допустимых внешних воздействий на будущий оптический кабель и при необходимости вносить коррективы в технологический процесс, с целью их изменения.

Однако в этом подходе есть несколько «подводных камней». Первая проблема связана с непостоянством величины избыточной длины в процессе производства сердечника ВОК. Рассмотрим это подробнее для конкретного случая изготовления сердечника волоконно-оптического кабеля модульной конструкции. Экструзионная линия для изготовления оптических модулей представлена на рис. 13.

Рис. 13. Схема экструзионной линии RLE-30 фирмы «Rosendahl»
1 — отдающее устройство; 2 — прессомат; 3 — направляющий ролик; 4 — головка экструдера; 5 — экструдер; 6 — вакуумный насос; 7 — шкаф и пульт управления; 8 — жёлоб вытяжной; 9 — шкаф управления; 10 — дисковое тяговое устройство; 11 — участок охлаждения; 12 — шкаф регулирования температуры; 13 — шкаф распределительный; 14 — шкаф электрический; 15 — накопитель; 16 — вытяжное устройство; 17 — шкаф КРУ; 18 — измеритель диаметра; 19 — направляющий ролик; 20 — ленточное тяговое устройство; 21 — приёмное устройство.

Мы уже отмечали, что избыточная длина образуется в процессе охлаждения трубки оптического модуля и её усадки в охлаждающих ваннах. На рис. 14 представлена зависимость изменения избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле в процессе изготовления оптического модуля. Конечное значение избыточной длины оптического волокна на участке формирования и охлаждения изготовленного оптического модуля и кривая её изменения по мере продвижения оптического модуля от экструзионной головки до тягового колеса определяются перечисленными выше параметрами. Избыточная длина изменяется по любой экспоненциальной линии из выделенного диапазона. Между тяговыми колёсами поддерживается постоянное натяжение оптического модуля, что обеспечивает неизменность избыточной длины на этом участке. Далее оптический модуль наматывается на приёмный барабан с некоторым натяжением (как правило, большим натяжения между кабестанами), которое и определяет окончательное значение избыточной длины оптического волокна в изготовленном оптическом модуле. Значения избыточной длины в оптическом модуле на последних участках экструзионной линии определяются значениями натяжения на этих участках, представляет собой горизонтальную линию (см. рис. 14) и лежат внутри некоторого интервала, изображённого на рисунке. Следует отметить, что при намотке оптического модуля на катушку на него действует не только растягивающая, но и изгибная нагрузка, величина которой уменьшается по мере намотки из-за увеличения диаметра намотки. Однако из-за малого отношения диаметра оптического модуля к диаметру шейки катушки растяжением трубки при изгибе вполне можно пренебречь.

Рис. 14. Иллюстрация изменения избыточной длины ОВ в процессе формования ОМ

В процессе хранения изготовленного оптического модуля возникшие в полимерной трубке механические напряжения постепенно релаксируют, причём скорость релаксации зависит от параметров изготовления трубки. При длительном хранении механические напряжения практически совсем исчезают, а значение избыточной длины оптического волокна в этом оптическом модуле останется при этом практически неизменным. При перемотке оптического модуля в зависимости от натяжения произойдёт либо уменьшение, либо увеличение напряжения в трубке оптического модуля. Что приводит, соответственно, к изменению величины избыточной длины (см. рис. 15).

Рис. 15. Иллюстрация изменения избыточной длины ОВ в процессе изготовления ВОК

При скрутке оптических модулей в сердечник оптического кабеля на отдатчике крутильной машины к оптическому модулю прикладывается определённая растягивающая нагрузка. Однако нельзя считать, что натяжение оптических модулей в скрутке точно известно. По-видимому, в данном случае изгибными напряжениями пренебрегать уже нельзя.

Рис. 16. Изгибное удлинение ОМ

После скрутки оптических модулей в сердечник оптического кабеля избыточная длина оптического волокна перестаёт изменяться (см. рис 15). Происходит лишь релаксация напряжений в оболочках оптических модулей (см. рис. 17). Дальнейшие технологические операции оказывают влияние на поведение сердечника при приложении к нему внешних силовых и температурных воздействий.

Рис. 17. Иллюстрация релаксации напряжений в оболочке ОМ в процессе изготовления ВОК

Теперь рассмотрим вторую, но, пожалуй, более важную проблему определения избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле, то есть проблему корректного измерения её величины. Искомая величина получается путём сопоставления длины оптического модуля с длиной находящегося в нём оптического волокна. Конечно, можно договориться измерять длину оптического модуля каждого вида (размера, материала) при приложении некоторой определённой величины растягивающей нагрузки, в принципе, совершенно необходимой. Снизу эта величина ограничена условием достаточного распрямления модуля, то есть, предварительное растяжение должно быть достаточным для обеспечения линейной зависимости удлинения модуля от приложенной нагрузки. С другой стороны эта величина должна быть как можно меньше той нагрузки, при которой оптическое волокно в модуле распрямляется, а искомая избыточная длина становится равной нулю ( см. рис 18). При приложении к оптическому модулю растягивающей нагрузки происходит сначала его распрямление, затем растяжения до момента обнуления избыточной длины.

Рис. 18. Кривая растяжения оптического модуля

При дальнейшем увеличении нагрузки удлинению сопротивляется оболочка модуля вместе с оптическим волокном вплоть до обрыва последнего внутри модуля. Практически обнаружить излом на кривой растяжения и отметить момент распрямления оптического волокна удаётся лишь в очень ограниченном числе случаев для тонкостенных слабоупругих оболочек. Но главная проблема состоит в том, что упругие свойства оболочки модуля меняются во времени да ещё зависят от условий его хранения. Тогда длина оптического модуля, отмеренная при одинаковой нагрузке, становится разной. Не лучше обстоит дело и с измерением длины отрезка оптического волокна, извлечённого из отрезка оптического модуля. Мы можем только утверждать, что прилагаемая к отрезку волокна в процессе измерения растягивающая нагрузка должна приводить к его удлинению, много меньшему 0,3 % (для обеспечения требуемого срока службы кабеля, как это отмечено выше, растяжение не должно превышать указанного порога). Минимальная же величина прикладываемой нагрузки остаётся неопределённой и может быть оценена при анализе кривой растяжения оптического волокна. Таким образом, корректной может оказаться лишь методика сравнительных измерений, при условии сохранения неизменными ряда влияющих на результат параметров. Во всяком случае, так можно измерить, например, относительное распределение избыточных длин нескольких оптических волокон в модуле.

Далее, при избыточной длине оптического волокна равной приблизительно 0,1 % и выбранной длине оптического модуля, например, в 10 м необходимо измерить добавочную длину волокна ~ 10 мм. Ошибка в отмеривании опытной длины всего на 5 мм приводит к ошибке в определении избыточной длины оптического волокна в 50 %. Для обеспечения приемлемой погрешности измерения длина отрезка оптического модуля, казалось бы, должна быть как можно больше. Но при этом нужно учитывать, что мы получим величину избыточной длины волокна, усреднённую по длине выбранного отрезка ОМ.

С учётом высокой упругости центрального силового элемента, может показаться более корректным измерение избыточной длины оптического волокна относительно длины готовой скрутки или готового кабеля. При этом мы обходим проблему изменяющихся во времени упругих свойств материала оболочки модуля и остаточных механических напряжений (постепенно спадающих до нуля). Но при этом, избыточная длина является суммой избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле и укрутки, причём вторая величина часто в несколько раз превышает первую. И все проблемы измерения длины извлечённого отрезка волокна остаются прежними.

Фирмы-изготовители оборудования для производства оптических кабелей рекламируют автоматические системы измерения избыточной длины в процессе изготовления оптических модулей, в частности для оптических кабелей на основе центральной трубки. Данные системы позволяют измерять величину избыточной длины оптического волокна по всей длине оптического модуля путём непрерывного сравнения длины сработанного оптического волокна с длиной полученного оптического модуля. Датчик, измеряющий текущую длину оптического волокна, может быть основан на прижимном механизме и может быть бесконтактным, например, на доплеровском эффекте и так далее. Кроме того, реализована возможность изменения величины избыточной длины оптического волокна в процессе производства оптического модуля путём регулирования натяжения оптического волокна на отдатчике. Предлагаемые системы эффективны только в том случае, если на центральную трубку непосредственно после изготовления накладывается армирующее покрытие (стальная фольга или лента), что исключает дальнейшую усадку полимерной трубки и, следовательно, дальнейшее изменение величины избыточной длины. В этом случае дополнительное регулирование величины избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле может быть осуществлено также путём изменения натяжения самой центральной трубки в процессе наложения армирующего покрытия.

Из всего изложенного выше можно сделать такой вывод: — избыточная длина оптического волокна в оптическом модуле или оптическом кабеле в общем случае не может быть корректно определена и корректно измерена. Понятие избыточной длины оптического волокна — скорее иллюстрация, помогающая понять механизм функционирования оптического модуля и сердечника оптического кабеля в диапазоне силовых и температурных воздействий.

Поставленную задачу, с учётом постоянно расширяющейся номенклатуры ВОК, под силу решить в полном объёме только при условии использования мощной, предельно автоматизированной базы данных. Примеры применения экспертных систем с элементами логического выбора в областях, близких к обсуждаемой, уже известны, несмотря на то, что производители не очень охотно делятся успехами в этой области, предпочитая предлагать поставку этих дорогостоящих систем «под ключ».

Авторы выражают искреннюю благодарность к.т.н. и к.т.н. за ценные замечания при подготовке статьи.

Литература

1. Абрамов А. А., Бубнов М. М., Вечканов Н. Н. и др. Температуростойкие волоконно-оптические модули // Труды ИОФАН. 1987 г. Т. 5. с. 72-82.
2. Семёнов С. Л. Влияние герметичных покрытий световодов на их механическую прочность. // Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства. №2. 1999 г. c.
3. Оптический кабель, монтажное и измерительное оборудование для волоконно-оптической связи // Рекламный проспект фирмы «Телеком Комплект Сервис» 1999 г.
4. Семёнов С. Л. Физические процессы, определяющие прочность и долговечность волоконных световодов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 1997 г.
5. Абрамов А. А., Богатырёв В. А., Боркина Г. Ю. Полимерные покрытия волоконных световодов // Труды ИОФАН. 1988 г. Т. 15. с. 98-127.
6. Технические условия ТУ 16.К12-16-97 «Кабели оптические для местных и междугородных линий связи ВСС России».

Автоматизированный комплекс производства оптоволоконного кабеля

При производстве оптоволоконных кабелей основное внимание уделяется этапу оптимизации отдельного экструзионного процесса. При этом формализация задачи выбора параметров и режимов экструзии, как правило, сводится к использованию нескольких предельно простых математических соотношений, а основная нагрузка в принятии оптимального технологического решения в различных производственных ситуациях ложится на конкретного эксперта. Зачастую результаты такого подхода оказываются неудовлетворительными, что обусловлено рядом причин, а именно: повышенные требования к оптимизации сложных технологических процессов производства оптических кабелей, необходимость учитывать результаты предыдущих процессов и даже корректировать отклонение и т.д. Производство оптоволоконных кабелей представляет собой последовательную цепочку следующих технологических операций.

Окраска оптического волокна. Является первичной стадией в процессе производства оптоволоконного кабеля и служит для идентификации волокна в модуле. Оптоволокно окрашивается в специальной камере — зоне повышенной санитарной бдительности, где постоянно поддерживается избыточное давление. Окраска осуществляется специальным лаком, отверждаемым ультрафиолетом, при этом на оптическое волокно наносится слой толщиной 5 мкм. Узел окраски расположен вертикально, что позволяет получить равномерный слой красителя. Для качественного покрытия внутри УФ блока создается инертная среда из газообразного азота. Скорость окраски составляет 600 м/мин. Так как оптическое волокно является диэлектриком, на линии предусмотрены блоки для снятия статического электричества — один установлен перед узлом окраски, а другой на приемном устройстве.

Изготовление оптического модуля. Линия по изготовлению оптического модуля снабжена специальными датчиками, тремя ваннами охлаждения, усовершенствованными отдатчиками оптического волокна, благодаря чему можно получить модуль с заданными характеристиками.

Все это позволяет добиваться заданной избыточности, которая отвечает за бесперебойную работу оптического волокна в течение срока службы волоконно-оптического кабеля.

Сдвоенный приемник позволяет осуществить намотку оптического модуля заданными длинами на барабаны без остановки линии путем автоматического переброса с одного барабана на другой, что, в свою очередь, способствует увеличению скорости производства.

Скрутка оптических модулей. Модули скручиваются методом правильной знакопеременной (SZ) скрутки вокруг стеклопластикового центрального силового элемента. Шаг скрутки выбирается из допустимого удлинения кабеля при растяжении. Все параметры скрутки регулируются с центрального компьютера.

Для полного заполнения всех пустот сердечника наложение гидрофоба происходит на двух участках — предварительно покрывается центральный элемент, затем скрутка. Качество скрутки достигается за счет централизации управления, наличием двух гидрофобных головок и качеству применяемого гидрофобинола.

Наложение оболочки. Линия наложения оболочки используется в трех режимах: промежуточной оболочки, наложение внешней оболочки и одновременное наложение гофрированной стальной ламинированной ленты с внешней оболочкой на волоконно-оптический кабель. В линию встроено устройство гидрофобного заполнения, позволяющее накладывать гидрофобный заполнитель на проволочную броню перед наложением оболочки, а также на промежуточную оболочку волоконно-оптического кабеля марки ОКЛ для заполнения пространства между ней и лентой. Для обеспечения непрерывности при изготовлении волоконно-оптического кабеля с броней из стальной ламинированной ленты в линию встроен накопитель и сварочный аппарат. Наличие на линии датчиков измерения геометрии кабеля позволяет добиться четкого экстриситета. В линию встроен высоковольтный разрядник для проверки целостности оболочки, что позволяет отсекать возможность отгрузки некачественного волоконно-оптического кабеля.

При попытке же математически описать сложный технологический процесс в целом — от поступления заказа на предприятие до выпуска готового изделия и прогнозирования его эксплуатационных свойств — неизбежно столкновение с многомерной и сложной математической моделью при низкой точности и неполноте исходной информации и неоднозначности критерия управления.

В связи с этим целесообразно рассматривать производство волоконно-оптических кабелей как организационно-ситуационный объект, а задачу оптимизации технологических процессов как неформализованную задачу интеллектуальной деятельности специалиста.

В основе ситуационного управления лежит использование логико-лингвистической модели объекта. На рис. 1 рассматривается автоматизированная система управления технологическими процессами кабельного производства на основе нечетких моделей представления знаний.

В рамках представленной системы предусматривается контроль параметров сырья, контроль параметров изделия и настройку регулируемых параметров линии производства. Блоки 1, 2, 3 формируют входную информацию для принятия управляющих решений. В блок 2 информация поступает еще на этапе лабораторного тестирования соответствия сырья. Блок 2 также предоставляет информацию технического задания.

Информация по волоконному кабелю представлена следующими параметрами:

• Для линии окраски — диаметр неокрашенного волокна dвн, давление системы очистки фильеры PФ. Контролируемыми параметрами окраски являются: контроль отступов раскладки катушки Lот, диаметр окрашенного волокна dв, коэффициент затухания Kо.
• Для линии формирования модуля — диаметр окрашенного волокна dв; коэффициент затухания Kнач. Контролируемыми параметрами модуля являются: внутренний и внешний диаметры оболочки модуля d1, d2; овальность, т.е. разность показаний диаметров по различным осям dx, dy; эксцентриситет, отклонение волокна от центра Δx; коэффициент затухания Kм (децибел); удлинение Δl.
• Для линии наложения оболочки — диаметр скрученного кабеля d4; коэффициент затухания кабеля Kк. Контролируемыми параметрами наложения оболочки являются: стабильность давления гидрофоба Рг, диаметр конечного кабеля d5.

Блок 2 — блок сбора качественных характеристик кабеля на этапе производства (оперативные данные), а также после получения экспериментального кабеля.

Данные блока 1 формируются датчиками контроля. Блок 3 содержит информацию о текущих параметрах настройки производственного оборудования. Изменяя эти параметры, блок анализа и принятия решений 6 корректирует работу линий. Блок 4 осуществляет преобразование данных от источников информации в доступный для анализа вид. Блок 5 хранит информацию, поступающую в блок анализа. Блок 6 осуществляет анализ поступающей информации по определенному алгоритму. Взаимодействуя с блоком 5, блок 6 способен принимать точные решения. Блок 6 осуществляет в общем случае работу двух контуров управления (рис. 1). Блок 9 формирует сигналы разрозненной цепочки производства (линии производства) в виде сигналов единого цикла непрерывного производства. Полученная данная структура системы управления качеством обеспечивает эффективность и оперативность принимаемых решений. Также данная система дает ряд преимуществ, является гибкой самонастраивающейся АСУ, позволяет влиять на качество производства на всех этапах, планировать загрузку линий, выполнить перенастройку оборудования.

На рис. 2 представлен алгоритм процесса управления качеством производства оптоволоконного кабеля на всех этапах его производства.

Для составления схемы управления качеством производства оптоволоконного модуля необходимо выделить качественные характеристики, которые можно оперативно измерять с помощью датчиков или косвенно, а также изучить взаимосвязь между регулируемыми параметрами линии производства и характеристиками модуля. В общем виде алгоритм схемы управления качеством выглядит, как показано на рис. 2.

В данной блок-схеме блок 2 представляет собой постановку задания, а также параметры сырья. На этой стадии данные включают параметры готового кабеля для каждого этапа производства.

На основе представленных блоком 2 данных реализуется выработка начального управляющего воздействия Uнач.

Следующей стадией является цикл, который представляет собой отслеживание параметров производимого модуля и настройку оборудования.

Контролируемые параметры поступают с датчиков, установленных на производственных линиях.

Блок 7 производит оценку отклонения качественных характеристик от нормы. Оценке подлежат характеристики, полученные косвенным путем и с помощью прогноза. В случае необходимости внесения изменений проводится анализ в блоке 8.

Блок 9 вырабатывает вектор управляющего воздействия U, который состоит из для каждого из регулируемых параметров. Управляющий вектор равен U(n) = U(n-1) + ΔU(n), где U(n) — управление на шаге n; ΔU(n) — изменение управления. U(n) представляет собой зависимость от предыдущего управления и набора векторов контролируемых параметров на предыдущих шагах: U(n) = F(U(n-1), X/), где X/ — массив векторов контролируемых параметров X, т.е. X/ = . Здесь k не обязательно равно 1, т.к. информация может собираться за ограниченное число измерений.

С точки зрения управления, регулируемыми параметрами являются изменяемые параметры оборудования, влияющие на качественные характеристики кабеля.

Д. В. КОЧЕГАРОВ,
аспирант Воронежского государственного
технического университета
А. Х. ТУРАЕВ,
ассистент Воронежского государственного
технического университета
А. В. БУРКОВСКИЙ,
доцент Воронежского государственного
технического университета
«Электротехнические комплексы
и системы управления»

�� Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Пожаробезопасные оптические кабели

Телекоммуникации активно проникают во все сферы жизни и широко распространяются в различных отраслях промышленности.

В настоящее время в России реализуется крупнейший в мире инфраструктурный проект по обеспечению связью малых населенных пунктов. В рамках проекта до 2020 г. планируется построить 215 тыс. км волоконно-оптических линий связи. Благодаря проекту по устранению цифрового неравенства жители всех населенных пунктов с численностью свыше 250 человек будут обеспечены доступом в Интернет.

Широкое распространение получили такие новые системы как «Умный дом», «Интернет вещей» (Internet of Things), «Оптический датчик» и др. Внедрение подобных систем также основано на применении волоконно-оптических линий связи.

Растет интенсивность оснащения оптическими линиями связи различных объектов социальной сферы и промышленности, прежде всего, высотных зданий, развлекательных центров, крупных дата центров, горнодобывающих и нефтегазовых предприятий, объектов оборонного комплекса.

При этом к строительству и эксплуатации объектов повышенной взрыво- и пожарной опасности, зданий и учреждений с массовым пребыванием людей, предъявляются особые требования, которые постепенно ужесточаются. Локальное возгорание на таких объектах может перерасти в крупный пожар за счет быстрого распространения пламени по кабельным коммуникациям, а в итоге привести к значительному ущербу имущества, катастрофическим последствиям для окружающей среды, угрожать жизни и безопасности людей (рис. 1).

Рис. 1. Пожар на Останкинской телебашне в 2000 году.

Ужесточение требований пожарной безопасности приводит к повышению требований к надежности оптических кабельных систем, прокладываемых на этих объектах. И уже в дополнение к традиционным требованиям по стойкости к растяжению, раздавливанию, повышенным и пониженным температурам, предъявляются требования по стойкости кабелей к воздействию пламени, выделению малого количества дыма и низкой токсичности при возникновении пожара.

Ближайшие семинары в нашем учебном центре

22 марта 2024 · 8 часов (1 дн.)

Измерения оптическим рефлектометром параметров ВОЛС

Москва · 2 места · 12000

25 марта 2024 · 40 часов (5 дн.)

Технадзор за строительством и ремонтом ВОЛС

Москва · 9 мест · 34000

25 марта 2024 · 72 часа (9 дн.)

Монтаж и измерения ВОЛС. Углубленный курс

Москва · 3 места · 57000

01 апреля 2024 · 32 часа (4 дн.)

Измерения параметров ЛКС ВОЛС

Москва · 3 места · 28000

01 апреля 2024 · 40 часов (5 дн.)

Монтаж и тестирование структурированных кабельных систем

Москва · 7 мест · 35000

05 апреля 2024 · 8 часов (1 дн.)

Измерения оптическим рефлектометром параметров ВОЛС

Москва · 9 мест · 12000

Соответствие оптических кабелей высоким требованиям пожаробезопасности обеспечивает работоспособность оптических систем в условиях пожара, что позволяет максимально сократить ущерб, предотвратить возможные последствия, а главное сохранить жизни людей.

Современные нормативные требования

Следует отметить, что широко распространенное среди потребителей понятие «негорючий» кабель несколько ошибочно. Любой кабель в условиях воздействия пламени будет гореть. Ключевая особенность, которой должен обладать пожаробезопасный кабель – не распространение горения и затухание после прекращения воздействия огня. Также возможны дополнительные свойства, такие как низкое дымовыделение, низкая токсичность, огнестойкость и др., которые подробно будут рассмотрены в данной статье.

В России современные требования пожарной безопасности к оптическим кабелям регламентируются ГОСТ 31565-2012 [1].

Стандарт распространяется на кабельные изделия, к которым предъявляются требования по пожарной безопасности, предназначенные для прокладки в зданиях и сооружениях, и устанавливает классификацию, требования пожарной безопасности, преимущественные области применения.

Требования к пожарной безопасности можно представить в виде иерархической пирамиды (рис. 2).

Рис. 2. Показатели пожарной безопасности

«Одиночная прокладка»

Наименьшие требования предъявляются к кабелям для одиночной прокладки.

Под одиночной прокладкой понимается одиночный кабель или ряд кабелей, расстояние между которыми превышает 300 мм.

Методика испытаний изложена в ГОСТ IEC 60332-1-2(3)-2011 [2]. Образец кабеля длиной 600 мм располагают вертикально в специальной камере. Горелка располагается в определенном месте и под определенным углом (рис. 3). Время воздействия пламени для оптических кабелей (диаметром до 25 мм) составляет 60 секунд. После чего пламя гасят и кабель должен прекратить горение.

Кабель считается выдержавшим испытание, если сверху расстояние до обугленной части составляет более 50 мм. Также контролируется распространение огня вниз – не более 540 мм от верхней точки. Вещество, стекающее или отделяющееся от образца и падающее ниже конца образца, не должно воспламенять фильтровальную бумагу.

Преимущественной областью применения, исходя из названия, является одиночная прокладка в кабельных сооружениях и производственных помещениях.

Наименование показателя пожарной опасности: ПРГО.

Обозначение в марках кабеля не нормируется, но, как правило, добавляется буква «Н».

Рис. 3. Приложение пламени горелки к образцу

(по ГОСТ IEC 60332-1-2-2011)

Для обеспечения пожарной безопасности при одиночной прокладке для кабелей, содержащих металлические элементы (стальная лента или стальные проволоки), как правило, достаточно применения в оболочке композиций полиэтилена со специальными добавками. Металлические элементы кабеля эффективно отводят тепло, позволяя кабелю самостоятельно потухнуть.

Для полностью диэлектрических кабелей в оболочке требуются уже специальные полимерные компаунды.

«Групповая прокладка»

Следующая категория: не распространяющие горение кабели при групповой прокладке (ряд кабелей с расстоянием между ними менее 300 мм).

Методика испытаний изложена в ГОСТ IEC 60332-3-21 (22, 23, 24, 25)-2011 [3].

Для испытаний готовят образцы кабелей длиной 3,5 метра в количестве, обеспечивающем 7 литров объема горючей (неметаллической) массы кабеля (категория «А»). Все отрезки крепят вертикально к специальной лестнице. Время воздействия пламени – 40 минут.

Кабель считается выдержавшим испытание, если после прекращения горения длина обугленной части не превышает 2,5 метра.

Преимущественная область применения: в открытых кабельных сооружениях (эстакадах, галереях) наружных электроустановок.

Наименование показателя пожарной опасности: ПРГП.

Обозначение в маркировке кабеля: «нг(А)» – для категории ПРГП1.

«Пониженное дымо- и газовыделение»

Суть данного требования в том, что при горении кабеля выделяется мало дыма. Таким образом сохраняется достаточная светопропускаемость. Предполагается, что при возникновении пожара, находящиеся в помещении люди могут увидеть эвакуационный путь.

Методика испытаний изложена в ГОСТ IEC 61034-2-2011[4].

В испытании под образцом, уложенным горизонтально, поджигают спирт и с помощью специальной фотометрической системы измеряют снижение светопроницаемости во время и после горения. Если снижение светопроницаемости составило менее 40%, то присваивается высшее классификационное обозначение: «ПД1».

Преимущественная область применения: во внутренних электроустановках, а также в зданиях, сооружениях и закрытых кабельных сооружениях.

Обозначение в маркировке кабеля: LS.

«Без выделения коррозионно-активных газообразных продуктов при горении и тлении»

Ранее самым популярным материалом, использовавшимся для оболочки кабелей внутренней прокладки, был поливинилхлорид (ПВХ). Однако данный материал при горении образует очень опасные для человека галогенные соединения. При возникновении даже небольшого возгорания люди могут отравиться токсичными газами, не успев покинуть помещения.

При создании кабельной инфраструктуры в зданиях и сооружениях с массовым пребыванием людей, в том числе в многофункциональных высотных зданиях и зданиях-комплексах должны применяться кабели, не выделяющие коррозионно-активных газообразных продуктов при горении и тлении.

Методика испытаний изложена в ГОСТ IEC 60754-1-2011 [5] и ГОСТ IEC 60754-2-2011 [6].

При первом испытании образец, уложенный в специальной лодочке, сжигают, а выделяющиеся газы абсорбируют в специальном растворе, после чего определяют количество газов галогенных кислот.

Во втором испытании, выделяемые газы от сжигаемого образца пропускают через сосуды с дистиллированной водой. После чего определяют кислотность полученного раствора и измеряют удельную проводимость.

Показатели измерений должны находиться в установленных ГОСТ пределах.

Обозначение в маркировке кабеля: HF.

Следует отметить, что при подтверждении соответствия кабеля с индексом HF требуется проводить испытание на дымообразование, т.е. требования HF обязательно включают в себя соответствие требованиям по LS.

В качестве оболочки в таких кабелях применяются специальные полимерные компаунды с добавлением олефиновых сополимеров и минерального наполнителя для придания необходимых пожаробезопасных свойств. Кроме того, в состав компаундов обязательно добавляются УФ-стабилизаторы, поэтому кабели производства «Инкаб» допускается применять на открытом воздухе.

«С низкой токсичностью продуктов горения»

В зданиях, где находятся маломобильные группы населения, требуется обеспечивать особые нормы пожарной безопасности: продукты горения кабельных изделий должны обладать низкой токсичностью, чтобы обеспечить дополнительное время для безопасного вывода людей из помещения.

Области применения: в зданиях детских дошкольных и образовательных учреждений, специализированных домах престарелых и инвалидов, больницах, в спальных корпусах образовательных учреждений интернатного типа и детских учреждений.

Методика испытаний изложена в ГОСТ 12.1.044-89 [7].

Для кабельных изделий определяется эквивалентный показатель токсичности продуктов горения, измеряемый в г/м 3 . Это количество материала к единице замкнутого объема, в котором при горении выделяемые газообразные продукты вызывают гибель 50% подопытных животных (мышей). Наивысший показатель обозначается ПТПМ1 – это означает, что нужно сжигать не менее 120 граммов материала в 1 м 3 (120 г/м 3 ).

Обозначение в маркировке кабеля: LTx.

Для подтверждения соответствия кабеля с индексом LTx требуется проводить испытания на нераспространение горения при групповой прокладке, а также как минимум на «пониженное дымо- газовыделение» (нг и LS).

В качестве оболочки в таких кабелях используются полимерные компаунды с дополнительными свойствами, обеспечивающими улучшенную безопасность с точки зрения выделения продуктов горения.

«Огнестойкие»

Под огнестойкостью понимается работоспособность оптического кабеля. Т.е. оптический кабель должен продолжать передавать сигнал при воздействии и после воздействия пламенем в течение заданного периода времени.

Это самая высокая категория пожарной безопасности и наиболее сложное конструктивное исполнение кабеля.

Методика испытаний изложена в ГОСТ IEC 60331-25-2011 [8].

Образец кабеля помещают в испытательную камеру, при этом концы должны быть выведены наружу для подключения рефлектометра и измерения оптического сигнала. Образец подвергают воздействию пламени в течение заданного времени, при этом приращение затухания не должно превышать установленных норм. После гашения пламени, образец оставляют подключенным к рефлектометру еще на 15 минут. После завершения испытания каждое волокно проверяют на целостность.

Минимальный уровень огнестойкости: не менее 30 минут (обозначение ПО7). Рекомендуемое время: не менее 90 минут. Максимально высокий показатель: 180 минут (ПО1).

Области применения: в системах противопожарной защиты, а также в других системах, которые должны сохранять работоспособность в условиях пожара.

Особую актуальность применение огнестойких оптических кабелей приобретает в таких сферах, как:

– промышленные и горнодобывающие предприятия,

– нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия,

– нефтегазодобыча и транспортировка,

– метрополитены и тоннели,

Обозначение в маркировке кабеля: FR.

Для подтверждения соответствия кабеля с индексом FR требуется проводить испытания на нераспространение горения при групповой прокладке, а также как минимум на «пониженное дымо- газовыделение» (нг и LS) – категория нг(А)-FRLS.

Поведение оптического кабеля при горении

Обычные оптические кабели, как правило, состоят из полимерных оптических модулей (в центре или в скрутке), каких-либо упрочняющих элементов (брони) и оболочки. Эти материалы не являются огнезащитными и быстро расплавляются и сгорают при воздействии пламени. Несмотря на то, что непосредственное воздействие пламени на полимерный оптический сердечник может быть отделено путем создания барьера из металлической брони, теплопередача не может быть изолирована и сердечник также быстро расплавится и сгорит.

В целом процесс сгорания кабеля можно условно разделить на 4 стадии:

Стадия 1. Наружная оболочка полностью повреждена пламенем, которое начинает проникать во внутренние элементы. Процесс продолжается всего несколько минут.

Стадия 2. Пламя проникает внутрь и поджигает оптический сердечник: полимерные модули и гидрофоб внутри них. В результате полимерные модули быстро расплавляются, вскипают, приводя к изгибам оптических волокон, что приводит к резкому росту затухания. Даже если в кабеле есть металлическая броня, то она отделяет прямое воздействие пламени, но не препятствует теплопередаче. Поэтому процесс остается тем же, только больше растягивается по времени.

Стадия 3. Оптический сердечник продолжает гореть до его полного сгорания, затухание постоянно растет.

Стадия 4. После того как прекращается воздействие пламени, остатки кабеля начинают остывать, в результате чего повреждается покрытие волокна. Голое волокно не способно противостоять механическим воздействиям, что приводит к недопустимым затуханиям сигнала и обрывам [9].

Исходя из особенностей горения оптического кабеля, при проектировании огнестойких конструкций необходимо учитывать следующие моменты:

– избыточную длину волокна и плотность упаковки волокон, для того чтобы снизить количество изгибов волокон, приводящих к ненормативному увеличению затухания,

– наличие физического барьера между пламенем и оптическими волокнами, для того чтобы исключить их разрушение,

– использование материалов с низкой теплопроводностью для уменьшения скорости теплопередачи. Это также обеспечивает медленное остывание и уменьшает механическое воздействие на оптические волокна (рис. 4.)

Рис. 4. Испытание на огнестойкость оптического кабеля

В соответствии с вышеизложенными принципами Заводом Инкаб были разработаны пожаробезопасные конструкции оптических кабелей, в том числе огнестойкие.

Пожаробезопасные кабели производства «Инкаб»

На сегодняшний день Завод «Инкаб» изготавливает 26 сертифицированных на пожарную безопасность различных марок оптических кабелей (15 магистральных и 11 локальных) категории минимум нг(А)-HF для любых условий прокладки.

Завод «Инкаб» первым в России освоил выпуск:

• любых локальных оптических кабелей с низкой токсичностью продуктов горения.
• как магистральных, так и локальных огнестойких оптических кабелей категории нг(А)-FRHFLTx, объединяющей все показатели пожарной безопасности:

– не распространяют горение при групповой прокладке

– с низкой токсичностью продуктов горения

– сохраняют работоспособность (передачу оптического сигнала) в условиях воздействия пламени в течении 180 минут

Флагманами линейки пожаробезопасных кабелей Инкаб являются огнестойкие кабели марок ТсОС-нг(А)-FRHFLTx и ОБР-У-Д-нг(А)-FRHFLTx.

1. Универсальный огнестойкий оптический кабель типа ТсОС-нг(А)-FRHFLTx (рис.5)

• до 48 волокон в одном кабеле,
• диаметр менее 10 мм,
• стальной оптический модуль, защищающий волокно,
• высокая стойкость к раздавливающим нагрузкам (более 1 кН/см), сохраняется даже после воздействия огня,
• минимальное количество горючих материалов в конструкции,
• сохранение огнестойкости в течении 180 минут,
• выдерживает механическое воздействие и подачу воды во время пожаротушения.

Рис. 5. Эскиз кабеля ТсОС

1. Распределительный локальный огнестойкий оптический кабель типа ОБР-У-Д-нг(А)-FRHFLTx (рис. 6)

– до 48 волокон в одном кабеле,

– стойкий к УФ-излучению,

– удобен для оконцевания (волокна в буферном покрытии),

– сохранение огнестойкости в течении 180 минут.

Рис. 6. Эскиз кабеля ОБР

Заключение

Таким образом, на сегодняшний день пожаробезопасные оптические кабели найдут широкое применение практически на всех объектах, где требуется оснащение телекоммуникациями, обеспечивая требуемую степень безопасности и, как следствие, снижение возможных потерь.

Завод Инкаб является первым и единственным на сегодняшний день отечественным производителем таких кабелей, качество которых официально подтверждено сертификатами соответствия, выданными на основании испытаний, которые проводились в лаборатории, аккредитованной Департаментом надзорной деятельности МЧС России.

Доверие Заказчиков к продукции Завода Инкаб подтверждено успешно выполненными заказами для крупных объектов нефтегазовой отрасли.

1. ГОСТ 31565-2012 Кабельные изделия. Требования пожарной безопасности.
2. ГОСТ IEC 60332-1-2-2011 Испытания электрических и оптических кабелей в условиях воздействия пламени. Часть 1-2. Испытание на нераспространение горения одиночного вертикально расположенного изолированного провода или кабеля. Проведение испытания при воздействии пламенем газовой горелки мощностью 1 кВт, с предварительным смешением газов.
3. ГОСТ IEC 60332-3-22-2011 Испытания электрических и оптических кабелей в условиях воздействия пламени. Часть 3-22, Распространение пламени по вертикально расположенным пучкам проводов или кабелей. Категория A.
4. ГОСТ IEC 61034-2-2011 Измерение плотности дыма при горении кабелей в заданных условиях. Часть 2. Метод испытания и требования к нему.
5. ГОСТ IEC 60754-1-2011 Испытания материалов конструкции кабелей при горении. Определение количества выделяемых газов галогенных кислот.
6. ГОСТ IEC 60754-2-2011 Испытания материалов конструкции кабелей при горении. Определение степени кислотности выделяемых газов измерением pH и удельной проводимости.
7. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
8. ГОСТ IEC 60331-25-2011 Испытания электрических и оптических кабелей в условиях воздействия пламени. Сохранение работоспособности. Часть 25. Проведение испытаний и требования к ним. Кабели оптические.

9. Flame-retardant and Fire-resistant optical cable Liming Chen, Qin Yu, Qingqing Qi, Ruanhua, Shiying Wang, Huiping Shi, Cheng Liu 63rd IWCS Conference, 2014.