Исследование характеристик подвесных оптических кабелей, влияющих на надежность волоконно-оптических линий связи

Общие положения

За последние десятилетия в качестве альтернативы волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) с волоконно-оптическим кабелем (ОК), прокладываемым в земле, хорошо зарекомендовали себя ВОЛС с ОК, подвешенным на опорах воздушных линий электропередач, а также на опорах контактной сети и высоковольтных линий автоблокировки железных дорог. Особенно большой объем работы по подвеске ОК на опорах железных дорог выполнено ЗАО «ТрансТелеком» – построено более 75 тыс. км подвесных ВОЛС. Сегодня основной акцент деятельности ЗАО «ТрансТелеком» сделан на развитие сети широкополосного доступа.

Вместе с тем продолжают строиться магистральные ВОЛС, в том числе в рамках программы развития путей железнодорожного сообщения [1]. Ключевым требованием, предъявляемым к структуре подвесных ОК на железнодорожных опорах, является отсутствие металлических элементов. Этому требованию отвечают конструкции самонесущих диэлектрических ОК с силовыми элементами из арамидных нитей или стеклонитей типа ОКСН. Конструкция с арамидными нитями рассматривается в ГОСТ Р [2]. В реальных условиях технической эксплуатации подвесные самонесущие ОК подвержены действию климатических условий (ветер, гололед, температурные изменения, вибрация и др.).

Поэтому они, по сравнению с подземными ОК, должны обладать более высокой надежностью. Качество оптических кабелей в значительной степени зависит от соблюдения технологии на отдельных операциях их производства наряду с заложенными в них конструктивными решениями, изначально обеспечивающими «живучесть» ОКСН под воздействием указанных климатических факторов и арматуры для подвески.

Одним из важнейших и сложных в обеспечении параметров, характеризующих качество и надежность работы ОК, является избыточная длина (ИД) оптического волокна (ОВ) [3-12]. Значение ИД определяется разностью между длиной ОВ уложенного в модульной трубке кабеля и длиной этой модульной трубки. В общем случае ИД должна быть относительно небольшой положительной величиной, что ограничивает нагрузки на ОВ при продольных механических воздействиях на кабель. Однако при этом важно, чтобы избыточная длина волокна не была слишком велика и равномерно распределялась по длине кабеля.

Неравномерность распределений ИД вдоль кабеля частично устраняется при возникновении максимальной нагрузки на кабель в пролете и при его монтаже с малой стрелой провеса, но в определенной мере снижает стойкость к внешним воздействиям той части строительной длины ОКСН, которая находится в «ненагруженном» состоянии – запас для монтажа муфты, обычно укладываемый в кольца и размещаемый на опоре. Таким образом, наибольшее влияние неравномерность распределения ИД вдоль кабеля окажет на ВОЛС, имеющей наибольшее количество сращенных строительных длин (муфт) – что, как правило, соответствует городской прокладке.

Для ограничения в допустимых пределах и обеспечения равномерного распределения ИД вдоль модульной трубки осуществляется ее мониторинг в процессе наложения модульной трубки, а также производятся измерения избыточной длины волокон при послеоперационном контроле [13-17]. Поскольку ИД в ОК зависит не только от выполнения операции изготовления модулей ОК, но и от последующих технологических операций изготовления кабеля, то представляет практический интерес определения распределения по строительной длине кабеля избыточной длины оптического волокна в модульной трубке (оптическом модуле – ОМ) [3; 6; 8-9; 12]. Результаты исследований изменений ИД ОВ представлены в данной работе.

Изменения ИД определялись на одних и тех же ОВ после выполнения отдельных технологических операций изготовления строительных длин самонесущего ОК производства ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» марки ОКЛЖ-01-6-24: изготовления ОМ; скрутки ОМ в сердечник и наложения внутренней пластмассовой оболочки; приемо-сдаточных испытаний готового кабеля (после наложения слоя силовых элементов из арамидных нитей и наружной пластмассовой оболочки). Измерения выполнялись на образцах ОМ длиной 4 м при помощи устройства для измерения избыточной длины ОВ типа FA12 с пределом погрешности ±0,01%.

При этом при измерении ИД в ОМ за основу бралась длина трубки ОМ (превышение длины волокна над длиной ОМ). При измерении ИД на последующих технологических операциях она определялась как разница между длиной ОВ и длиной стеклопластикового центрального силового элемента (ЦСЭ), где уже учитывается коэффициент укрутки ОМ.

Результаты измерений избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле

Испытания избыточности длины волокна в ОМ, изготовленных из полибутилтерефталата, проводились, как отмечено выше, при помощи специального устройства сразу после изготовления модуля на экструдере. В каждом ОМ исследуемого ОК было размещено по четыре ОВ, окрашенных в белый, оранжевый, коричневый и зеленый цвета. В таблице 1 приведены усредненные значения измерений ИД; % в трех ОМ: ро-

Таблица 1. Результаты измерений избыточности длины ОВ в ОМ сразу после их изготовления

ОВ ом Белое Оранжевое Коричневое Зеленое Розовый 0,18% 0,21% 0,19% 0,2% Синий 0,19% 0,18% 0,18% 0,2% Белый 0,16% 0,19% 0,19% 0,18% зовой, синей и одного из четырех модулей белой окраски.

Анализ результатов измерений, представленных в таблице 1, показывает, что ИД после изготовления ОМ составляет 0,16 … 0,2% и соответствует установленному допуску 0,15 … 0,25%. При этом при среднем значении ИД, равном 0,19%, разброс не превышает 0,03%.

Результаты измерений избыточной длины оптического волокна после скрутки оптического модуля в сердечник и наложения внутренней оболочки

В исследуемом ОК сердечник скручивался из шести ОМ розовой, синей и белой (четыре модуля) расцветок. Здесь следует отметить, что в кабеле наиболее распространенной модульной конструкции (классическая конструкция) избыточная длина ОВ в оптическом модуле (по отношению к длине центрального силового элемента) состоит из двух составляющих: укрутки ОМ вокруг ЦСЭ и рассмотренной выше ИД.

В процессе изготовления оптического модуля на величину ИД оптического волокна оказывает влияние большое количество технологических параметров. Кроме того, на конечном значении ИД оптического волокна сказывается также время и способ хранения ОМ до его скрутки в сердечник. Укрутка оптического модуля в повиве зависит от следующих параметров: натяжение ОМ до его скручивания; диаметр ЦСЭ; наружный диаметр ОМ; шаг скрутки; наличие и марка межмодульного гидрофобного заполнителя. Для иссле- дуемого самонесущего ОК коэффициент укрутки ОМ в сердечнике вокруг ЦСЭ из стеклопластика задан в пределах 1,022 … 1,027 при избыточности ОВ в ОМ порядка 0,19%. Получается, что величина укрутки ОМ на порядок больше ИД в ОМ, и это нужно учитывать при оценке избыточности ОВ в кабеле.

При изготовлении исследуемого ОК скрученный сердечник оборачивался поясной изоляцией из ленты ПЭТ-Э, поверх которой на экструдере накладывалась внутренняя пластмассовая оболочка. В таблице 2 приведены результаты измерений избыточной длины ОВ после скрутки ОМ в сердечник и наложения внутренней оболочки (в % и мм).

Анализ результатов измерений, представленных в таблице 2, показывает, что избыточность длины ОВ после наложения внутренней оболочки составляет 2,26 … 2,36%. Избыточность длины в пучке из четырех ОВ каждого из шести ОМ отличается не более, чем на 0,01 … 0,04%. Различие ИД волокон разных ОМ не превышает 0,15%. Получается, что после скрутки ОМ и наложения на скрученный сердечник внутренней пластмассовой оболочки избыточность длины в ОМ существенно не изменяется.

Результаты измерений избыточной длины оптического волокна после проведения приемо-сдаточных испытаний оптического кабеля

Поверх внутренней пластмассовой оболочки исследуемого самонесущего ОК накладываются два слоя силовых элементов из арамидных нитей

Таблица 2. Результаты измерений избыточной длины ОВ после скрутки ОМ и наложения внутренней оболочки

ОВ ом	Белое	Оранжевое	Коричневое	Зеленое
Розовый	94,56 мм 2,364%	94,04 мм 2,351%	94,44 мм 2,361%	94,28 мм 2,357%
Синий	96,913 мм 2,422%	97,191 мм 2,429%	97,232 мм 2,431%	97,773 мм 2,444%
Белый	92,012 мм 2,3%	90,640 мм 2,266%	91,91 мм 2,297%	91,06 мм 2,276%
Белый	90,270 мм 2,256%	90,640 мм 2,266%	90,440 мм 2,261%	90,301 мм 2,257%
Белый	92,179 мм 2,304%	92,040 мм 2,301%	92,300 мм 2,307%	91,770 мм 2,293%
Белый	94,324 мм 2,358%	94,346 мм 2,358%	93,746 мм 2,343%	94,143 мм 2,353%

Таблица 3. Результаты измерений избыточной длины ОВ после приемо-сдаточных испытаний ОК

ОВ ом Белое Оранжевое Коричневое Зелёное Розовый 96,498 мм 2,412% 97,075 мм 2,427% 97,636 мм 2,440% 98,082 мм 2,452% Синий 97,523 мм 2,438% 97,518 мм 2,437% 97,574 мм 2,439% 95,892 мм 2,397% Белый 97,614 мм 2,440% 98,226 мм 2,455% 99,160 мм 2,479% 99,132 мм 2,478% Белый 101,002 мм 2,525% 101,032 мм 2,525% 101,074 мм 2,526% 101,324 мм 2,533% Белый 100,264 мм 2,506% 100,444 мм 2,511% 100,797 мм 2,520% 100,077 мм 2,502% Белый 101,832 мм 2,546% 101,173 мм 2,529% 101,306 мм 2,532% 101,177 мм 2,529% и наружная полиэтиленовая оболочка. В таблице 3 приведены результаты измерений избыточности длины ОВ после завершения изготовления ОК и проведения его приемо-сдаточных испытаний. Результаты измерений показали следующее: избыточность длины ОВ в готовом кабеле составляет 2,4 … 2,54%, различие избыточности длины ОВ в пучке из четырех волокон каждого из шести ОМ находится в пределах 0,01 … 0,04%, практически так же, как и после операции скрутки ОМ и наложения внутренней пластмассовой оболочки. Таким образом, здесь следует повторить отмеченный выше вывод: операция наложения слоя силовых элементов и наружной пластмассовой оболочки не вызывает заметного изменения ИД оптических волокон.

Заключение

Анализ измерений ИД ОВ после выполнения отдельных операций изготовления самонесущего ОК производства ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» позволяют заключить следующее: в готовом ОК (после проведения приемосдаточных испытаний) избыточность длины ОВ составляет 2,4 … 2,54% при превышении длины ОМ относительно ЦСЭ (длины готового ОК) за счет их скрутки вокруг ЦСЭ на 2,2 … 2,7%.

Разница приведенных значений показывает, что избыточная длина ОВ в ОМ при выполнении отдельных операций изготовления ОК изменятся незначительно и в готовом кабеле составляет 0,16 … 0,2% при среднем значении ИД оптического волокна в ОМ 0,19% (после его изготовления). Допустимое значение ИД в исследуемом кабеле равно 0,15 – 0,25%. Это позволяет сказать, что при соблюдении технологии изготовления ОК величина ИД волокна, заданная на этапе изготовления ОМ, на последующих операциях изменяется незначительно.

Если же величина ИД в модуле будет заметно изменяться (выходить за пределы допуска), то в результате этого могут появиться микроизгибы ОВ с недопустимым малым радиусом, что вызовет прирост затухания (при увеличении ИД) и дополнительные механические нагрузки на ОВ (при уменьшении ИД).

Таким образом, обеспечение избыточности ОВ в заданных пределах на отдельных этапах изготовления самонесущих ОК гарантирует требуемые в эксплуатации параметры, что безусловно важно для надежной работы подвесных ВОЛС в сложных климатических условиях.