СИММЕТРИЧНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕРМЕТИЧНЫЙ КАБЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H01B11/02 

Изобретение относится к одной из отраслей электротехнической промышленности - кабельной технике, более конкретно к симметричным высокочастотным герметичным экранированным кабелям для передачи данных. Указанные кабели применяются для организации линий передачи цифровых сигналов в системах связи и управления автоматизированными процессами на судах, на объектах, требующих повышенной герметичности и защиты от проникновения воды через кабель. Ввиду специфики монтажа и эксплуатации кабелей на судах их конструкции должны иметь повышенную гибкость (малый радиус изгиба), минимальные габаритные размеры (наружный диаметр кабеля) в сочетании с минимально достижимым уровнем потерь (коэффициент затухания). Кроме того, использование герметизированных кабелей должно предполагать технологичные способы удаления герметизирующего состава на конце кабеля при монтаже соединителя.

Известны низкочастотные герметичные экранированные кабели, содержащие сердечник, образованный изолированными токопроводящими жилами, скрученными между собой в пары, размещенный в общем экране и оболочке, герметизирующий состав из гидрофобной массы низкомолекулярных фракций продуктов переработки нефти, заполняющий пространство сердечника [1]. Такая конструкция герметичного кабеля имеет при низких частотах стабильные электрические параметры, высокую гибкость и не создает проблем при монтаже. Однако такого типа заполнитель имеет свойства вязкотекущей «вазелинообразной» массы и максимальное продольное давление воды, которое может выдержать подобный кабель, обычно не превышает 10÷15 атм, тогда как для судовых кабелей требуется обеспечение стойкости к продольному давлению не менее 60 атм.

Известны симметричные высокочастотные герметичные экранированные кабели, содержащие последовательно расположенные сердечник, включающий скрученные пары изолированных полиэтиленом токопроводящих жил и герметизирующий заполнитель на основе низкомолекулярного каучука, общий экран и защитную оболочку. При этом поверх каждой пары изолированных жил наложена общая изоляция из полиэтилена и оплетка из медных луженых проволок. Таким образом, сердечник включает в себя скрученные между собой индивидуально экранированные пары. В качестве заполнителя применяется резиновая композиция на основе кремнийорганического каучука.

Указанная конструкция допускает небольшую продольную протечку воды при максимальном давлении 100 кгс/см², имеет большие габариты (наружный диаметр), что приводит к увеличению монтажных радиусов изгиба, увеличивает объем кабельных проводок на судах, а также усложняет его разделку при монтаже.

Рассматриваемый кабель имеет основные электрические характеристики (переходное затухание, коэффициент затухания, волновое сопротивление), удовлетворяющие потребителя, и по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом к кабелю в соответствии с изобретением [2].

Задача, на решение которой направлено изобретение, - создание высокочастотного симметричного кабеля, обеспечивающего надежность и стабильность электрических характеристик цепей в условиях повышенной влажности, в частности, на судах, при минимально возможном габарите (наружном диаметре).

Прежде чем говорить о техническом результате, который получен при осуществлении изобретения, следует проанализировать взаимосвязь между конструктивными элементами кабеля и его характеристиками.

Основными параметрами передачи высокочастотных электрических сигналов по многопарному симметричному кабелю являются: коэффициент затухания сигнала в паре, волновое сопротивление пары и переходное затухание наведенного сигнала двух соседних пар (переходное затухание на ближнем конце). Коэффициент затухания характеризует уменьшение электромагнитной энергии сигнала при распространении его по кабелю. Уменьшение или затухание энергии объясняется потерей ее в линии передачи. Часть энергии расходуется в токопроводящих жилах, экранах и в диэлектрике - в межжильном пространстве. Еще некоторая часть энергии может быть потеряна из-за емкостной асимметрии жил по отношению к экрану кабеля. Если в кабеле симметричность пар обеспечена, то уровень коэффициента затухания устанавливается путем выбора соответствующих материала, конструкции и диаметра токопроводящих жил, а также изоляционного материала токопроводящих жил. Уровень потерь в кабеле возрастает при индивидуальном экранировании пар. Волновое сопротивление кабеля также является величиной нормируемой и для рассматриваемых симметричных кабелей устанавливается соответствующим подбором толщины изоляционного слоя, определяющего расстояние между токопроводящими жилами пары.

Взаимное влияние двух соседних пар кабеля друг на друга характеризуется переходным затуханием на ближнем конце, и, чем больше абсолютная величина этого параметра, тем лучше защищены передающие цепи (пара) от взаимных (паразитных) наводок. Увеличение величины переходного затухания достигается применением возможных конструктивных решений:

- экранированием отдельных пар;

- подбором различных (некратных) шагов скрутки соседних пар;

- разнесением пар друг относительно друга на возможно большее расстояние с помощью специальных элементов (профилей, корделей), вводимых в состав сердечника кабеля.

Для увеличения переходного затухания могут использоваться как одно из перечисленных решений, так и возможные их конструктивные сочетания в зависимости от совокупности конечных требований, предъявляемых к кабелю. Как правило, обобщенное требование к разрабатываемым кабелям сводится к необходимости достижения максимально высоких электрических параметров (параметров передачи сигналов) с минимально возможным габаритом (диаметром) кабеля. Снижение габарита кабеля соответственно позволяет уменьшить монтажные радиусы изгиба кабеля, снизить объем кабельных проводок на судах.

Так как кабель работает в условиях повышенной влажности, в частности, на судах, прежде всего необходимо было обеспечить его герметичность.

Герметизирующий заполнитель в той или иной степени влияет на все основные характеристики кабелей. При этом это влияние зависит как от составляющих используемой композиции, образующей заполнитель, так и от ее физического состояния.

В рассматриваемом изобретении для герметизации был использован компаунд. Известно, что компаунды как композиции, не содержащие растворителя, находящиеся в момент применения при нормальной или повышенной температуре в жидком состоянии и твердеющие после применения в результате охлаждения или происходящих химических процессов, обеспечивают надежную герметизацию электрических изделий. Рядом преимуществ обладает компаунд на основе низкомолекулярного кремнийорганического каучука СКТН - кремнийорганический компаунд. К ним относятся: нагревостойкость, высокие электроизоляционные свойства, сохраняющиеся до 250-260°С, низкая влагопоглощаемость, технологичность, малая токсичность. Кремнийорганические каучуковые компаунды сохраняют эластичность и электрические свойства при температуре до -60°С. Отвержденные компаунды механически прочны, имеют хорошую бензо-, масло- и водостойкость. Именно кремнийорганический компаунд типа «Виксинт ПК-68» (ТУ 38.103508-81) был использован при разработке кабеля согласно изобретению.

Указанный компаунд содержит:

низкомолекулярный каучук СКТН - 100 мас.ч. и катализатор в количестве от 3 до 5 мас.ч., который состоит из γ-аминопропилтриэтоксисилана - 7 мас.% и этилсиликата - 93 мас.%. При этом количество катализатора, взятое в указанном диапазоне от 3 до 5 мас.ч., как следует из указанных ТУ, не влияет на характеристики компаунда. Следовательно, количество катализатора, взятое в указанном диапазоне, не влияет на параметры кабеля (что было подтверждено экспериментальными данными).

Компаунд при попадании в кабель образует мягкое и эластичное заполнение и обладает следующими показателями: условная прочность при растяжении - 0,25 МПа, относительное удлинение в момент разрыва - 70%, тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 10⁶ Гц не превышает 2,5·10^-3, диэлектрическая проницаемость - не более 3,0.

Несмотря на то, что компаунд обладает всеми характеристиками, необходимыми для защиты изделий, работающих в условиях повышенной влажности (способен образовывать мягкое эластичное заполнение и консистенция которого позволяет хорошо обвалакивать элементы кабеля), он не обеспечивает в полной мере сплошности заполнения традиционного сердечника кабеля, в котором пары скручены между собой. Между парами остаются небольшие воздушные промежутки, не заполненные компаундом. Это подтверждают опытные данные, полученные при определении продольного просачивания воды. Так, при испытании двух метровых образцов четырехпарного кабеля, на конце которых создавалось гидростатическое давление до 100 кгс/см², наблюдалось продольное просачивание воды до 45 см³ в течение 2-х часов. Для ликвидации этого недостатка неэкранированные пары расположили внутри компаунда продольно по всей длине кабеля. Консистенция компаунда позволила зафиксировать выбранное расположение пар и заполнить все воздушные промежутки как в сердечнике, так и между экраном и оболочкой, при этом просачивание воды вдоль кабеля практически отсутствовало (см. таблицу).

В конструкции кабеля нет индивидуальных экранов для каждой пары, что привело к ее упрощению и, как следствие, позволило уменьшить наружный диаметр кабеля в два раза, что в свою очередь обеспечило малый радиус изгиба и удобную технологию разделки концов кабеля, а также снизить объем кабельных проводок на судах.

Отсутствие индивидуального экранирования пар должно было привести к уменьшению переходного затухания, одной из важнейшей характеристики симметричного высокочастотного кабеля. Однако, как уже отмечалось, увеличение переходного затухания можно достичь разнесением пар друг относительно друга с помощью специальных элементов. В данном случае этим элементом можно считать компаунд, который, имея определенные физические характеристики, фиксирует пары на необходимом расстоянии.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что рассматриваемая полезная модель обеспечивает получение нескольких технических результатов: хорошую герметизацию в результате заполнения всех воздушных промежутков герметизирующим заполнителем, малые габариты (наружный диаметр в два раза меньше, чем в прототипе) при сохранении основных электрических характеристик: низкого уровня коэффициента затухания и высокого значения переходного затухания на ближнем конце во всем диапазоне рабочих частот.

Совокупность существенных признаков, достаточная для достижения обеспечиваемых изобретением технических результатов, следующая: симметричный высокочастотный герметичный кабель содержит последовательно расположенные сердечник, включающий, по крайней мере, две пары скрученных между собой изолированных полиэтиленом токопроводящих жил, герметизирующий заполнитель, образованный композицией на основе низкомолекулярного каучука, экран и защитную оболочку, между которыми расположен также заполнитель. При этом композиция представляет собой компаунд, содержащий низкомолекулярного каучука СКТН - 100 мас.ч. и катализатора - от 3 до 5 мас.ч., который состоит из γ-аминопропилтриэтоксисилана - 7 мас.% и этилсиликата - 93 мас.%, и пары расположены внутри заполнителя продольно по всей длине кабеля.

Практическая реализация изобретения при производстве предполагает нанесение компаунда на пары, для чего их сначала пропускают через емкость с компаундом, а затем через калибры с отверстиями, расположение которых соответствует требуемому размещению пар в кабеле. Конструкция калибра зависит от параметров кабеля, в частности от диаметра изолированных токопроводящих жил и количества пар. Было проведено большое количество конструкторско-технологических проб и выявлена экспериментальная зависимость, которая отражает идеальное расположение пар относительно друг друга и предполагает наличие некоторого расстояния (зазора) между ними. Так как величина зазора относительно мала (в пределах десятых долей миллиметра), то идеального расположения пар практически получить невозможно. Кабель - длинномерное изделие, и при выходе пар из калибра расстояние между ними может изменяться в ту или иную сторону. Испытания опытных образцов кабелей показали, что существенным признаком является расположение пар продольно (а не скручивание их, как это сделано в прототипе), при этом даже соприкосновение пар в отдельных точках по длине кабеля не приводит к нарушению его герметичности и увеличению наружного диаметра. Может несколько уменьшиться переходное затухание кабеля (которое зависит от расстояния между парами), но заметного изменения этого параметра не было отмечено.

Таким образом, проведенные испытания подтвердили, что выявленная ранее совокупность существенных признаков является достаточной для решения поставленной задачи с достижением технических результатов - получения герметичного кабеля и снижения его габаритов при сохранении на должном уровне его электрических параметров.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показано поперечное сечение четырехпарного кабеля. Кабель содержит пары изолированных токопроводящих жил 1, герметизирующий заполнитель 2, экран 3 и оболочку 4. Токопроводящие жилы могут быть однопроволочными или многопроволочными. Изоляция жил выполнена из полиэтилена. Экран из алюминиевой или медной фольги, ламинированной полимерной пленкой, либо в виде оплетки из медных проволок. Оболочка может быть выполнена из поливинилхлоридного пластиката или полиэтилена либо другого полимерного материала, обеспечивающего защиту кабеля от внешних воздействий.

Изготовленная в соответствии с изобретением конструкция четырехпарного герметичного симметричного высокочастотного экранированного кабеля, обозначенного под маркой КВПЭфМ 4×2×0,52, показана на фотографии (фиг.2). На фиг.2 пары обозначены цифрой 1, герметизирующий заполнитель - 2, экран - 3 и защитная оболочка - 4. Сравнение основных параметров полезной модели и кабеля марки КПВЭКГ 4×(2×0,5)Э, выбранного в качестве прототипа [2], приведено в таблице. Из приведенных данных достигнутый технический результат очевиден: изобретение имеет вдвое меньший габарит (а следовательно, допускающий вдвое меньший радиус монтажных изгибов) и лучшую герметичность при практически одинаковом уровне электрических параметров.

Таблица сравнения параметров изобретения и прототипаПараметрМарка кабеляКВПЭфМ 4×2×0,52КПВЭКГ 4×(2×0,5)Э ИзобретениеПрототип1. Габарит  - диаметр токопроводящей жилы, мм0,520,9- наружный диаметр кабеля, не более, мм9,018,02. Волновое сопротивление, Ом1001003. Коэффициент затухания, дБ/м при частоте 20 МГц, не более0,090,14. Переходное затухание на ближнем конце на длине 100 м, дБ, при частоте 100 МГц, не менее32325. Просачивание воды вдоль кабеля в течение 2 ч, при гидростатическом давлении 100 кгс/см², см³0<45

Источники информации

1. Парфенов Ю.А. Кабели электросвязи. М., 2003, с.35, 36.

2. ТУ 16.К76 - 186-2002. Кабели комбинированные герметизированные, с.1-8.

Изобретение относится к симметричным высокочастотным герметичным кабелям для передачи данных, работающих в условиях повышенной влажности, в частности, на судах. Кабель содержит последовательно расположенные сердечник, включающий по крайней мере две пары скрученных между собой изолированных полиэтиленом токопроводящих жил, герметизирующий заполнитель, образованный композицией на основе низкомолекулярного каучука, экран и защитную оболочку, между которыми также расположен заполнитель. При этом композиция представляет собой компаунд, содержащий низкомолекулярный каучук СКТН-100 мас.ч. и катализатор 3-5 мас.ч., катализатор состоит из 7 мас.% γ-аминопропилтриэтоксисилана и 93 мас.% этилсиликата, и пары расположены внутри заполнителя продольно по всей длине кабеля. Изобретение обеспечивает заполнение всех воздушных промежутков (просачивание воды вдоль кабеля равно нулю), малый наружный диаметр при низком уровне коэффициента затухания, высоком значении переходного затухания на ближнем конце во всем диапазоне рабочих частот. 2 ил., 1 табл.

Симметричный высокочастотный герметичный кабель, содержащий последовательно расположенные сердечник, включающий, по крайней мере, две пары скрученных между собой изолированных полиэтиленом токопроводящих жил и герметизирующий заполнитель, образованный композицией на основе низкомолекулярного каучука, экран и защитную оболочку, между которыми расположен также указанный заполнитель, отличающийся тем, что композиция представляет собой компаунд, содержащий 100 мас.ч. низкомолекулярного каучука СКТН и 3-5 мас.ч. катализатора, состоящего из 7 мас.% γ-аминопропилтриэтоксисилана и 93 мас.% этилсиликата, при этом пары расположены внутри заполнителя продольно по всей длине кабеля.