Методы изготовления и прокладки оптических кабелей

17

Реферат по дисциплине: «Волокно-оптические линии передачи»

На тему:

МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРОКЛАДКИ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

Технологический процесс изготовления оптического кабеля базируется на основных принципах кабельной технологии. Однако для практической реализации разнообразных конструкций ОК, обладающих отличительными особенностями по сравнению с обычными кабелями на основе медных токопроводящих жил, требуется разработка специальных технологических процессов, устройств или усовершенствование существующего оборудования для изготовления кабелей.

При наложении защитного покрытия на оптическое волокно с обжатием основным условием является точное его расположение в геометрическом центре оболочки. Особенностью такого покрытия является режим охлаждения. При охлаждении готового изделия водой внутри оболочки образуется полость, и чем холоднее вода, тем полость больше. Полости вызывают, как правило, облом оптического волокна, так как из-за усадки вдоль оси на волокно начинают действовать разрушающие или сжимающие усилия.

Экспериментально установлено, что целесообразно производить охлаждение покрытия с обжатием оптического волокна на воздухе, так как коэффициент теплопроводности воздуха значительно ниже, чем воды, охлаждение происходит не так резко и не возникают отрицательные явления, присущие охлаждению водой.

Процесс наложения трубчатой полимерной оболочки, в которой оптическое волокно лежит свободно во внутренней полости, связан также с правильным выбором режима охлаждения.

При охлаждении оболочка усаживается как в радиальном, так и в продольном направлениях, деформируя оптическое волокно, вследствие чего оно располагается внутри полости трубчатой оболочки по какой-то пространственной кривой.

Для устранения этого явления необходимо усадить трубчатую оболочку вблизи формирующего инструмента на коротком участке длины. С этой целью следует установить охлаждающую ванну с холодной водой как можно ближе к головке пресса.

Одним из самых ответственных моментов изготовления оптического кабеля является скрутка. Так как скрутка ОК осуществляется с откруткой волокон, укладка их вокруг сердечника кабеля по винтовой линии осуществляется в результате деформации сдвига. Практика показала, что оптическое волокно очень плохо противостоит этому виду деформации. Следует также подчеркнуть, что в изогнутом волокне возникают продольно-осевые напряжения, значения которых зависят от соотношения радиуса повива и шага скрутки. Машины для скрутки ОК относятся к классическому типу машиноднонаправленной скрутки, т.е. в них подающее устройство вращается вокруг оси кабельного изделия. Также нашли применение машины, в которых отдающее и приемное устройство неподвижны, а вокруг оси скрутки вращается самостоятельный крутильный узел.

Для обмотки сердечника оптического кабеля лентами нашел применение обмотчик тангенциального типа, у которого средняя линия сходящей ленты является касательной к поверхности обматываемой заготовки. Это обеспечивает равномерность натяжения обеих кромок ленты.

Последним этапом производства оптического кабеля является наложение оболочки на скрученную заготовку кабеля. Оболочка может включать в себя полимерный шланг, металлическую оболочку, оплетку стальными проволоками, защитные покровы.

При осуществлении этих операций появляется опасность теплового удара, механических деформаций оптических волокон.

Для предотвращения этих нежелательных явлений наложение оболочки на заготовку следует производить с воздушным зазором, Уменьшению значения теплового удара способствуют также обмотка скрученной заготовки нагревостойкими лентами и промежуточное наложение оболочки небольшой толщины.

Наложение полимерных оболочек осуществляется на экструзионных линиях. В комплект технологической линии входят отдающее устройство, экструдер, охлаждающее устройство, прибор измерения и регулировки диаметра изделия, тяговое и приемное устройства, пульт управления.

Для наложения металлических оболочек используется дуговая сварка в среде защитного газа. Для существенного повышения гибкости стальных оболочек их гофрируют. Сущность процесса гофрирования заключается в нанесении по заранее заданному закону вмятин на гладкую цилиндрическую поверхность оболочки.

Наложение защитных оплеток из стальных проволок осуществляется на оплеточных машинах челночного типа.

Оплетка представляет собой покрытие кабеля проволокой в двух направлениях, когда пряди проволок одного направления переплетаются с прядями проволок противоположного направления. Защитные покровы, предназначенные для защиты кабелей от механических повреждений и коррозии, состоят, как правило, из следующих элементов: подушки, брони и наружного защитного покрова, которые накладываются на сердечник кабеля традиционными способами. За рубежом большое внимание уделяется изготовлению оптических кабелей со спирально профилированным сердечником. При изготовлении этого варианта конструкции используется технологический процесс с вращением отдающих катушек с оптическим волокном относительно ранее сформированного сердечника или с вращением тягового и приемного устройств вокруг оси кабеля, при этом одновременно достигается спиральность паза.

Пазы могут изготавливаться экструдированием сердечника с помощью, вращающейся в одном или в чередующихся направлениях головки матрицы и нарезкой гладкого сердечника вращающимися вокруг него фрезами. Изготовление ленточных кабелей может осуществляться методами экструзии и контактно-тепловой сварки. При строительстве волоконно-оптических линий связи, как и при строительстве обычных линий связи, выполняются следующие работы:

- разбивка линии,

- доставка кабеля и материалов на трассу;

- испытание и прокладка кабеля;

- монтаж кабеля и устройств ввода.

При прокладке кабеля в пределах города сооружается кабельная канализация, в полевых условиях кабель укладывается непосредственно в землю. Однако в организации и технологии строительства ВОЛС по сравнению с работами на традиционных кабелях имеются существенные отличия. Эти отличия обусловлены техническими особенностями оптического кабеля, которые заключаются в следующем:

- критичность к растягивающим усилиям, малые поперечные размеры и масса ОК;

- большие строительные длины ОК;

- сравнительно большие величины затухания сростков волокон;

невозможность содержания ОК под воздушным давлением;

- трудности содержания служебной связи при строительстве ВОЛС с ОК без металлических элементов. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики электрического и оптического кабелей.

Таблица 1

Из таблицы видно, что оптические кабели имеют меньшие габаритные размеры и массу, меньшее допустимое тяговое усилие и большую строительную длину. Необходимость прокладки больших строительных длин при малом допустимом усилии является принципиальным отличием, требующим нового подхода к технологии прокладки кабеля.

Подготовка к строительству

На всех этапах подготовки к строительству ВОЛС - от экспертизы проекта до составления проекта производства и план-графиков строительства участков необходимо стремиться к тому, чтобы проектные и планируемые технические решения способствовали максимальной индустриализации работ, исключали случаи ухудшения характеристик ОК, увеличения числа дополнительных муфт на ВОЛС.

До начала поступления кабеля на строительство ВОЛС должны быть выполнены работы по обследованию будущих трасс прокладки оптического кабеля, определению мест и помещения для проведения входного контроля кабелей. Перед строительством зоновых или магистральных линий должны быть решены вопросы организации служебной связи с помощью радиостанций УКВ диапазона.

Объем измерительных работ составляет не менее 30% общего объема работ по строительству ВОЛС, в то время как аналогичные операции на обычных кабелях занимают не более 15% общего объема.

Входной контроль кабеля

Руководством по строительству ВОЛС предусмотрен 100%-ный входной контроль кабеля на кабельной площадке. Кроме обычных испытаний по проверке качества изоляции металлических элементов в ОК проводятся измерения затухания оптических волокон. Наиболее удобно такие измерения производить с помощью оптического тестера.

После окончания электрических измерений оптические волокна соединяются последовательно методом сварки, для образования шлейфа, по которому при механизированной прокладке будет контролироваться целостность кабеля. Затем концы кабеля герметично заделывают и барабан с проверенной строительной длиной отправляется на трассу.

До вывоза барабанов с кабелем на трассу проводят группирование строительных длин. В пределах регенерационного участка группирование осуществляется по конструктивным данным и, главное, по передаточным параметрам оптического кабеля - затуханию и дисперсии.

Группирование производится в соответствующих соединительных муфтах регенерационного участка ВОЛС и состоит в поиске такого варианта соединения волокон в этих муфтах на основании данных измерений параметра передачи отрезков ВОЛС, при котором достигается ослабление случайных составляющих заданного параметра передачи волокна, т.е. приближение его значения к среднему во всех оптических регенерационных участках ВОЛС. Для нахождения оптимальной комбинации соединения волокон требуется провести анализ большого числа комбинаций их соединения, который целесообразно осуществлять на ЭВМ.

Прокладка кабеля кабелеукладчиком

Прокладка кабеля кабелеукладчиком (бестраншейная прокладка) является наиболее распространенным способом и широко применяется на трассах в различных условиях местности. В этом случае ножом кабелеукладчика в грунте прорезается узкая щель, и кабель укладывается на ее дно. При этом механические нагрузки достаточно высоки, так как кабель на пути от барабана до выхода из кабеленаправляющей кассеты подвергается воздействиям продольного растяжения, поперечного сжатия и изгиба, а также вибрационному воздействию в случае применения вибрационных кабелеукладчиков. Поэтому при прокладке кабеля необходимо создавать принудительное вращения барабана и не допускать засорения кассеты кабелеукладочного ножа. Достоинством вибрационного кабелеукладчика является малое тяговое усилие, высокая маневренность и возможность эффективной работы в различных грунтах.

Известны два варианта системы прокладки оптических кабелей:

- традиционная схема прокладки;

- специализированная схема прокладки (созданная специально для ОК).

При традиционной системе прокладки (кабельные барабаны располагаются сзади трактора) кабель подается непосредственно с барабана в кассету без изгибов и не испытывает дополнительных напряжений.

При специализированной системе прокладки (кабельный барабан монтируется спереди трактора) кабель проходит над кабиной трактора через квадратную конструкцию с роликами или направляющими трубками, а затем через блок с гидроприводом, обеспечивающий размотку кабеля с барабана и подачу его в кассету. Кабель совершает один полный виток вокруг блока, скорость вращения которого должна превышать линейную скорость перемещения базового трактора. Все ролики или направляющие приспособления в системе, вызывающие изменения направления прохождения кабеля, должны соответствовать минимальному допустимому радиусу изгиба данного кабеля (допустимый минимальный радиус изгиба оптического кабеля должен в 20 раз превышать диаметр кабеля.

Расчет усилия тяжения при прокладке оптического кабеля в земле кабелеукладчиком производится по формуле

,

где Р - масса единицы длины кабеля, кг/м;

f - коэффициент трения в кассете кабелеукладчика;

- динамический коэффициент;

- длина проложенного кабеля в земле;

Q - вертикальное давление слоя земли енад кабелем.

Расчеты показывают, что в неблагоприятных условиях оптические кабели при прокладке в земле кабелеукладчиком могут испытывать усилие тяжения порядка 500-2000 Н. По существующим нормам кабель без металлических элементов допускает тяжение в 1200 Н. Поэтому необходимо ограничить динамические нагрузки на кабель при прокладке (рывки, разгон барабана с кабелем, неожиданные остановки, засорение кассеты ножа, крутые повороты и т.д.).

Траншейная прокладка кабеля

Траншейная прокладка оптического кабеля в грунт аналогична прокладке электрических кабелей. Однако при прокладке ОК необходимо соблюдать большие меры предосторожности, обеспечивающие допустимые пределы растяжения, изгибов, закручивания и истирания кабеля.

Сравнивая траншейный способ прокладки с прокладкой кабелеукладчиком, следует отдать предпочтение последнему. Прокладка кабеля с помощью кабелеукладчика более производительна и сокращает трудоемкость в 10-20 раз. Пр использовании кабелеукладчика практически одновременно производится образование траншеи, размотка и укладка кабеля. Поэтому траншейный способ применяется лишь там, где использование кабелеукладчика невозможно по условиям местности. Траншея отрывается механизмом (экскаватором) или вручную.

Прокладка кабеля в пластмассовой трубе

Размещение оптического кабеля в пластмассовом трубопроводе позволяет повысить механическую прочность и влагостойкость кабеля, не обладающего наружными металлическими покровами, и защитить его от грызунов.

Известны два способа реализации:

- протяжка оптического кабеля в предварительно проложенный в земле пластмассовый трубопровод;

- покладка оптического кабеля, встроенного в пластмассовую трубу в заводских условиях.

При первом способе пластмассовый трубопровод диаметром 40 или 50 мм укладывается в траншею на глубину 1,2 м традиционным способом. Операция по затягиванию оптического кабеля в трубопровод проводится таким же способом, как в случае прокладки электрических кабелей в кабельную канализацию. Вначале протягивается трос, а затем прикрепленный к нему кабель. При прокладке в трубопровод кабель предварительно смазывается. Затяжка кабеля в трубопровод производится в направлении, противоположном направлению прокладки трубопровода. В точках размещения сростков необходимо оставлять достаточный запас кабеля для последующего сращивания вне котлована. Хорошие результаты дает постановка трубопровода под избыточное воздушное давление. Это повышает влагостойкость трубопровода и позволяет определять место его повреждения.

Прокладка кабеля, встроенного в пластмассовую трубу заключается в следующем. Оптический кабель размещается в полиэтиленовой трубе толщиной 5 мм и внутренним диаметром 25 мм. Труба накладывается на кабель методом опрессования в заводских условиях. Воздушный пространство между кабелем и трубопроводом заполняется невысыхающим смазочным материалом. Полученное таким образом изделие “кабель-труба” наматывается на барабаны и поставляется на трассу. Прокладка производится кабелеукладчиком с соответствующим размером направляющей кассеты на глубину 1,2 м.

Прокладка кабеля в канализации

Процесс прокладки кабеля в телефонной канализации состоит из двух этапов: подготовительного и собственно прокладки. Подготовительный этап включает входной контроль кабеля, группирование строительных длин и подготовку телефонной канализации. Прокладка оптического кабеля в кабельную канализацию может выполняться непосредственно в канале или в полиэтиленовых трубах, предварительно затянутых в канал.

В одном трубопроводе городской телефонной канализации допускается прокладка не более трех оптических кабелей, как правило не имеющих наружного броневого покрова. Суммарная площадь сечения оптических кабелей не должна превышать 20-25% площади сечения канала.

Затягивание кабеля в свободные каналы осуществляется стальным тросом диаметром 5-6 мм. В занятые каналы кабели затягиваются с помощью пеньковых или стальных тросов в полиэтиленовых шлангах.

Скрепление оптического кабеля с тросом при прокладке осуществляют с помощью специального устройства - захвата или кабельного чулка. Вся нагрузка при прокладке в канализации воспринимают силовые элементы кабеля или внешние защитные покрытия, а стеклянные волокна не испытывают растягивающих усилий. Для уменьшения трения и поддержания усилий тяжения в пределах нормы используются смазочные материалы, которые позволяют снизить усилие тяжения минимум на 20%.

При прокладке оптического кабеля в кабельной канализации необходимы устройства, облегчающие эту прокладку и исключающие его повреждение. К таким устройствам относятся:

- лебедка ручная проволочная с регулируемым усилием тяжести;

- устройство для размотки кабеля с барабана;

- труба, направляющая кабель от барабана до канала канализации;

- ролики для прохождения заготовочного троса;

- кабельные блоки для плавного поворота в угловых колодцах;

- воронки, направляющие кабель в соответствующие трубы кабельной канализации;

- кабельный чулок;

- компенсатор кручения для исключения передачи на кабель скручивающих усилий.

Если внутри трубопровода отсутствует предварительно заготовленный трос, то его следует протянуть методом продувания, используя некий предмет -“птичку” с привязанной веревкой.

При затягивании в кабельную канализацию оптический кабель испытывает растягивающие нагрузки, которые могут оказать влияние на его физические и оптические параметры.

При прокладке ОК в канализации на прямолинейном участке трассы усилие тяжения определяется по формуле:

,

где Р - масса кабеля, кг/км;

f- коэффициент трения;

- длина кабеля, км.

По существующим нормам кабель должен выдерживать растягивающее усилие 1200 Н. Тогда, приняв двухкратный запас прочности на усилие тяжения, можно определить предельную длину затягиваемого оптического кабеля в прямолинейную канализацию. Она составит:

- 1000 м для бетонной канализации;

- 1180 м для асбоцементной каналазации;

- 1300 м для полиэтиленовой канализации.

Если трасса прокладки ОК не прямолинейная, то существенно возрастает усилие тяжения на участке изгиба, которое может быть определено по формуле:

,

где Т_п - усилие тяжести на прямолинейном участке трассы в начале изгиба;

Т_из - усилие тяжения в конце участка с изгибом;

Р - масса кабеля;

R- радиус изгиба трассы;

- угол поворота трассы, рад;

f - коэффициент трения.

Учитывая, что обычно для оптического кабеля соблюдается условие PR/T_п <<1, получим расчетную формулу для определения усилия тяжения кабеля при изгибе трассы

.

Различают следующие методы протягивания оптического кабеля в кабельной канализации:

- протяжка с одного конца;

- протяжка обратной подачей;

- двойная протяжка.

При протяжке с одного конца кабель, расположив его у одного колодца, затягивают его конец к другому колодцу

Протяжка обратной подачей или “затяжка от центра” иногда используется для прокладки длинных кабелей. При этом барабан с кабелем размещают у промежуточного колодца.

Сначала кабель затягивают к более удаленному колодцу, после чего оставшуюся часть кабеля вручную снимают с барабана и укладывают на землю, как правило, восьмеркой, что препятствует накоплению кручения в кабеле. Затем к освободившемуся концу прикрепляют заготовочный трос, с помощью которого кабель затягивается в канализацию в противоположном направлении.

При двойной протяжке используется специальный двухсекционный барабан с разделительной перегородкой.

На барабан наматывается кабель вдвое большей максимальной длины, прокладываемой обычным способом. Барабан устанавливается у колодца, находящегося посередине участка, между крайними колодцами которого необходимо проложить кабель. Концы кабеля заводят в каналы противоположного направления и с помощью тяговых лебедок одновременно и синхронно затягивают обе половины строительной длины кабеля.

Если натяжение на лебедке превышает номинальную величину тягового усилия, то могут потребоваться точки промежуточного тяжения. Промежуточное тяжение, как правило, выполняется вручную.

Рабочие расставляются у промежуточных колодцев вдоль кабельной канализации, берут в руки кабель или трос и плавно и синхронно тянут их к другой стороне колодца. При испльзовании многочисленных точек промежуточного тяжения длина протягиваемого кабеля ограничивается только его строительной длиной.

Подвеска в воздухе.

Данный способ нашел широкое применение при прокладке оптического кабеля вдоль электрифицированных железных дорог, подвешивая кабель на опорах контактной сети.

При этом кабель испытывает большие растягивающие усилия, поэтому в его конструкцию должны входить дополнительные силовые элементы или целесообразно использовать самонесущий кабель.

Однако, наиболее распространенной конструкцией при подвеске в воздухе является стандартный оптический кабель прикрепленный к несущему тросу (рис. 2)

Этот способ позволяет независимо выбирать и оптимизировать для конкретной прокладки несущий трос и кабель, подвешивать и правильно натягивать несущий трос до подвески кабеля.

Тип несущего троса зависит от веса поддерживаемого кабеля и метерологических условий местности (гололедных образований, скорости ветра и окружающей температуры).

Несущий трос

Привязывание

Оптический кабель

Рис. 2

В качестве несущих обычно применяются многопроволочные стальные тросы, конкретная марка которого определяется в соответствии с расчетами на механическую прочность.

После выбора соответствующего троса последний разматывается вдоль трассы и поднимается на блоки, установленные на каждой опоре.

Оптический кабель подвязывают или прижимают к несущему тросу, используя способы со стационарным или подвижным барабаном.

При использовании способа со стационарным барабаном к несущему тросу через 3 или 6 метровые интервалы подвешивают временные блоки или поддерживающие кольца. Рабочий, передвигаясь вдоль трассы в подъемной люльке протягивает по блокам или кольцам затягивающий трос или непосредственно оптический кабель. После протягивания кабеля по всем блокам или кольцам пролета приступают к привязыванию.

Привязывание кабеля к несущему тросу производится привязывающим или зажимным аппаратом. Привязывающий аппарат при протягивании его вдоль несущего троса с земли спирально наматывает вокруг несущего троса и кабеля стальную проволоку или диэлектрическую нить. По мере своего движения аппарат толкает блоки или кольца к концу пролета к следующей опоре, где их снимают, а перевязочный аппарат перставляют на следующий пролет. Зажимной аппарат работает аналогично привязывающему, только вместо непрерывной привязывающей проволоки кабель прикрепляется к несущему тросу отдельными металлическими зажимами.

При использовании способа с движущимся барабаном конец кабеля закрепляется на опоре у несущего троса. На несущий трос устанавливают направляющее устройство, через которое пропускают кабель. Барабан с кабелем устанавливается на грузовике и по мере его передвижения кабель сматывается с барабана, и через направляющее устройство подвешивается на несущем тросе, где и закрепляется с помощью привязывающего или зажимного аппарата. У каждой опоры направляющее устройство и прикрепляющий аппарат переставляют на новый пролет, и процесс полностью повторяется до очередной опоры. Такой способ позволяет за один рабочий день прокладывать более 3 км кабеля.

Сращивание проложенных по воздуху оптических кабелей производится на весу или на земле, поднимая затем соединительное устройство и прикрепляя его к несущему тросу.

Прокладка продуванием волокон

Гибкость, малые размеры и вес оптических волокон привели к созданию принципиально нового метода прокладки волокон. Разработанный в Великобритании метод продувки волокон использует кабель с внешним диаметром 29 мм, который содержит семь пустых полимерных трубок (с внутренним диаметром 6 мм каждая). Поскольку волокна отсутствуют, то такой кабель можно прокладывать, не соблюдая особых предосторожностей.

Отдельные волокна или группы волокон (до 10 волокон в группе с общим диаметром не более 2 мм) продувают сжатым воздухом по трубкам на расстояние до 2 км.