Исследование электрической прочности многопарных LAN-кабелей

Общие положения

В настоящее время одной из отличительных черт отечественной телекоммуникационной отрасли является динамичный рост сегмента сетей фиксированных сетей широкополосного доступа (ФСШПД). На ФСШПД массово примененяются LAN-кабели с медными токопроводящими жилами, изготовленные по технологии «витая пара». Обусловлено это тем, что, несмотря на внедрение перспективной чисто оптической технологии FTTH, технология FTTB, в которой на абонентском участке применяются медножильные LAN-кабели, пока заметно дешевле. При этом сегодня востребованы эти кабели категории 5е как четырехпарные, так и многопарные емкостью от десяти до ста пар.

Проблема электромагнитной совместимости проводных телекоммуникационных средств становится все острее с каждым годом. Эффективная защита телекоммуникационного оборудования от внешних электромагнитных полей становится все более актуальной и во многом определяет надежность и качество оказания телекоммуникационных услуг компаниями-операторами. На современных сетях фиксированного широкополосного доступа массово применяются LAN-кабели, цепи которых должны иметь высокую помехозащищенность как от взаимных, так и от внешних электромагнитных влияний [1]. Все это говорит о необходимости исследования электрической прочности LAN-кабелей. В России такие исследования проводились в основном на междугородных кабелях с кордельно-полистирольной изоляцией жил типа МКСА, а также на кабелях ФСШПД с пленко-пористо-пленочной изоляцией парной скрутки [2–4]. В литературных источниках в настоящее время нет данных о проведении исследований пробивных напряжений каких-либо других типов многопарных LAN-кабелей отечественного производства. В настоящей статье приводятся результаты исследования электрической прочности многопарных LAN-кабелей категории 5е производства АО «Самарская кабельная компания».

Кратковременная электрическая прочность многопарных LAN-кабелей

Как известно, электрическая прочность изоляции цепи LAN-кабеля показывает степень способности этой изоляции выдерживать приложенное к проводникам цепи электрическое напряжение. Принято, что она оценивается напряженностью электрического поля, при котором происходит пробой изоляции. При пробое изоляции цепи происходит короткое замыкание проводников цепи или проводников цепи и ее экрана. LAN-кабель при этом, как правило, повреждается.

Электромагнитные процессы, происходящие в изоляции цепей LAN-кабеля при воздействии на него электрического поля, сильно зависят от типа изоляции. Электромагнитные процессы, происходящие в изоляции жил при воздействии на них электрического поля, характеризуются начальными частичными разрядами (ЧР) [2–5]. При увеличении напряжения ЧР также увеличиваются. После достижения некоторого значения напряжения изоляция цепи пробивается приложенным напряжением. Кратковременное пробивное напряжение цепи является очень важной ее характеристикой. Все серийно выпускаемые LAN-кабели должны соответствовать ей для того, чтобы быть устойчивыми к действию источников высоких напряжений, возникающих от сторонних электромагнитных полей.

Рассмотрим однородную двухпроводную цепь. Изолирующая среда однородной двухпроводной цепи также является однородной. В этом случае напряженность электрического поля будет наибольшей на поверхности проводника по линии, которая проходит через центры проводников (рисунок 1, а ). Тогда величина наибольшей напряженности электрического поля определяется выражением [2]:

E = U кВ max   2r1 ln(a I r1) ’ мм

где a – расстояние между центрами проводников; r ₁ – радиус проводников.

Выражение (1) правомочно в том случае, если a » r 1 . В LAN-кабеле изолированные проводники «витой пары» находятся рядом друг с другом и соприкасаются (рисунок 1, б ). Тогда напряженность электрического поля в точках А и В определяется выражением [2]:

_ U 1 V ( x + 1 )I( x -1 ) кВ

E max                   / Z ’

2 r ln( x + xx ² +1 ) ^мм

r где x = —. r1

а

Рисунок 1. Электрическое поле двухпроводной цепи «витой пары» LAN-кабеля: а – двухпроводная цепь с однородной изолирующей средой; б – «витая пара» с соприкасающимися изолированными проводниками

б

В сердечнике LAN-кабеля находится множество пар проводников. Соседние цепи и экран LAN-кабеля, если он есть, влияют на электрические поля каждой «витой пары». Наибольшая напряженность электрического поля зависит не только от значения воздействующего напряжения, но и оттого, по какой схеме подключены жилы к источнику напряжения. Сейчас нет аналитических методов оценки распределения напряженности поля в LAN-кабелях. Самым целесообразным в такой ситуации является применение численных методов. В работе [2] с помощью расчетов наглядно продемонстрировано, что в цепях кабелей связи со сплошной полиэтиленовой изоляцией (именно она применяется в LAN-кабелях производства АО «СКК») самым наихудшим случаем с точки зрения распределения напряженности электрического поля являются поверхность изоляции жил и зазоры между ними. Можно считать, что величина E и наи- max большая напряженность электрического поля на поверхности жил цепи с воздушной изоляцией ( E max = 1 , 6 кВ / мм) приблизительно равны.

Электрическая прочность изоляции LAN-кабелей характеризуется пробивным напряжением U np . Она имеет статистический характер. При проведении испытаний LAN-кабелей на пробой прослеживается некоторый разброс значений пробивных напряжений. Очевидно, что такой разброс отдельных значений пробивных напряжений обусловлен нарушением однородности изоляции (отклонением структурной однородности диэлектрика, и наличием геометрических допусков). Также оказывают свое влияние неоднородность структуры электрического поля, влажность окружающей среды и другие. Величина пробивного переменного напряжения при приложении зависит в основном от начальной степени ионизации воздуха, а затем напряжение воздействует на полиэтиленовую изоляцию жил.

Определение кратковременной электрической прочности изоляции статистическим методом

Электрические свойства строительных длин LAN-кабелей изменяются по случайному закону. Причиной этого являются отклонения их конструктивной и диэлектрической однородности. Электрическая прочность всей строительной длины LAN-кабеля определяется одним участком, который имеет наибольшую величину напряженности электрического поля E _max. Значит, для того чтобы не была пробита изоляция строительной длины кабеля, электрическая прочность всех участков кабеля должна превышать минимальное значение напряжения U_h .

Требуется найти вероятность P ( U >  U_h ) , то есть для строительной длины кабеля, состоящей из нескольких участков, вероятность выполнения условия

P ( U > Uh ) = P ( U1 > Uh , U 2 > Uh ,..., Un > Uh ). (3)

В общем случае такая вероятность описывается n -мерным интегралом [3]:

P(U > Uh ) = to to to

= J J ... J f(n)(U 1,U2...Un)dx1 dx2...dxn,

U 1 = UhU 2 = Uh U n = Uh

Поскольку у каждого участка кабеля различная величина электрической прочности изоляции, то для расчета величины электрической прочности строительных длин кабеля, состоящих из множества коротких образцов, потребуется производить очень затратное вычисление многомерной функции распределения плотности вероятностей. Это очень трудоемко и не имеет смысла с практической точки зрения. Параметры сечений кабеля – стационарные случайные функции длины, так как математические ожидания и дисперсия постоянны по длине и корреляцион-

аб

Рисунок 2. Схема соединения жил кабеля при определении пробивных напряжений: а – между жилами; б – между жилами и экраном ный момент зависит от разности координат двух сечений:

K u ( / 1 , 1 2 ) = m [ U ( / ) U ( 1 2 )] = K u ( / - 1 2 ). (5)

Для оценки степени близости исследуемых процессов к марковским в [3] приведены экспериментальные данные изменения пробивных напряжений по длине кабеля. При эксперименте стометровый образец кабеля МКСА-4х4х1,2 разрезался на 12 образцов по 8 м. Полученные восьмиметровые образцы разрезались на 9 образцов по 0,8 м. Все образцы подвергались воздействию пробивного напряжения, и для них были рассчитаны коэффициенты корреляции между пробивными напряжениями, в результате чего подтвердилась независимость изменения пробивных напряжений по длине кабеля. Места пробоя распределяются по длине образцов кабеля случайным образом. Вероятность пробоя в любом месте образцов кабеля одинаковая.

В связи с вышесказанным вполне допустимым и целесообразным является проведение экспериментальных исследований пробивных напряжений LAN-кабеля на коротких отрезках, а затем выполнение расчета статистическими методами величины пробивных напряжений изоляции строительных длин LAN-кабеля.

Испытания пробивных напряжений проводились на образцах LAN-кабеля марки F/UTP Cat 5e PE 50х2х0,52. Это серийно выпускаемый кабельным заводом АО «СКК» LAN-кабель. Испытания пробивных напряжений проводились приложением напряжения переменного тока на специальной испытательной установке в условиях заводской лаборатории. Пробой напряжением тридцати образцов кабеля длиной 1 м производился на установке УПУ-1М и аппарате сухого испытания АИИ-70. Температура окружающего вохздуха во время испытаний была от 20 до 24 °С при относительной влажности воздуха не выше 50 %. Для исключения перекрытия разряда на концах испытуемых образцов кабелей обеспечивался пространственный разнос их жил. Цепи испытуемых LAN-кабелей имеют парную классическую скрутку. Образцы LAN-кабелей испытывались на электрический пробой по ГОСТ 2990-78. Схема соединения жил кабеля при определении пробивных напряжений между жилами приведена на рисунке 2, а.

Для определения пробивных напряжений изоляции между жилами и экраном все 1 (первые) и все 2 (вторые) токопроводящие жилы соединялись вместе в один пучок, а экран LAN-кабеля соединялся с заземлением (рисунок 2, б ). Таким образом определялось пробивное напряжение изоляции между пучком жил и экраном испытуемого LAN-кабеля.

Результаты измерения пробивных напряжений изоляции исследуемого кабеля обработаны методами математической статистики. При этом принимался нормальный закон распределения значений пробивного напряжения U_np . При обработке определялись характерис ти ки среднего значения пробивного напряжения U _p и среднего квадратического отклонения (СКО) о . В результате проведенной статобработки полученных результатов экспримента были определены средние значения пробивного напряжения многопарного LAN-кабеля:

– пробивное напряжение между жилами составляет 27,1 кВ, величина СКО 0,95 кВ;

– пробивное напряжение между жилами и экраном составляет 21,6 кВ, величина СКО 1,32 кВ.

В ходе исследований сравнивались результаты испытаний пробивного напряжения коротких образцов кабеля со сплошной полиэтиленовой изоляцией и образцов симметричного кабеля, имеющего пленко-пористо-пленочную изоляцию [4]. По результатам проведенного сравнения установлено, что пробивное напряжение между жилами и между жилами и экраном исследуемого многопарного LAN-кабеля в четыре раза превышает пробивное напряжение симметричного кабеля с пленко-пористо-пленочной изоляцией жил. Это является свидетельством того, что исследуемый многопарный LAN-кабель обладает высокой геометрической и диэлектрической однородностью.

Практический интерес вызывает определение среднего значения пробивного напряжения применительно к строительной длине LAN-кабеля. Натурные испытания на строительных длинах многопарного LAN-кабеля затруднены в силу обстоятельств, связанных с высокой стоимостью

N UNж - ж , кВ UN ж -экр , кВ NMHH ж- ж , кВ nmhh ж -экр , КВ 300 25,3 19,4 24,1 18,2 строительных длин многопарного LAN-кабеля. Эту задачу можно решить, пользуясь результатами испытаний коротких образцов кабеля. Используя методы статистики, можно рассчитать электрическую прочность изоляции строительной длины испытуемого кабеля [2–5]. Результаты проведенных расчетов показывают, что при увеличении длины LAN-кабеля величина его пробивного напряжения становится меньше. Причиной этого является тот закономерный факт, что чем длиннее испытуемая длина кабеля, тем больше вероятность того, что в ней будет находиться участок с пониженной однородностью изоляции.

Многопарные LAN-кабели серийно выпускаются по техническим условиям ТУ16.К17-067-2012. Согласно ТУ16.К17-067-2012 многопарные LAN-кабели должны производиться строительными длинами по 300 м. Определим пробивное напряжение для этой строительной длины многопарного LAN-кабеля следующим образом. Строительную длину LAN-кабеля протяженностью L можно рассматривать как последовательное соединение N кусков LAN-кабеля длиной l метров. Таким образом, можно записать, что l = LN, где l – длина испытуемого куска LAN-кабеля.

Методика пересчета пробивных напряжений изложена в [2; 3]. Используя ее и [6; 7], рассчитано пробивне напряжение строительной длины испытуемого кабеля (таблица).

Анализ результатов расчета пробивных напряжений строительной длины исследуемого кабеля позволяет сделать следующие заключения:

– пробивные напряжения между жилами и_Мминж _- ж выше нормы испытательного напряжения ^и испж - ж = 1 кВ;

– пробивные напряжения между жилами и экраном и_Ммин ж _{- экр} тоже выше нормы испытательного напряжения и ИСП ж _{- экр} = 2 кВ.