ГЕРМЕТИЧНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ ПАРНОЙ СКРУТКИ
SEALED ELECTRIC CABLE OF PAIR TWISTING

Изобретение относится к кабельной технике, а именно к герметичным высокочастотным кабелям парной скрутки. Заявленный кабель предназначен для стационарной наружной, внутренней и забортной прокладки, как на гражданских объектах, так и на объектах вооружения, военной и специальной техники, в целях обеспечения передачи высокочастотных сигналов в условиях, требующих герметичности и защиты радиоэлектронной аппаратуры от проникновения воды через поперечное сечение кабеля при его повреждении. Также изобретение может быть использовано в подводных аппаратах, где требуется сохранение стойкости кабелей в условиях воздействия продольного гидростатического давления воды для исключения попадания просочившейся влаги через сердечник кабеля в аппаратуру и оборудование, находящиеся под напряжением.
Из уровня техники известен герметичный электрический кабель парной скрутки, включающий внешнюю оболочку, внутри которой размещены элементы конструкции, состоящие из проводниковых и изоляционных материалов, а также герметизирующее заполнение в виде композиции на основе низкомолекулярного каучука, размещенное с полным заполнением пустот между элементами конструкции кабеля (см. RU 2284594, 27.09.2006).
Заполнение свободного пространства между элементами конструкции кабеля герметизирующим заполнителем приводит к уменьшению воздушных зазоров между скрученными жилами пары и, соответственно, к увеличению диэлектрической проницаемости пространства между жилами, что в свою очередь влияет на высокочастотные характеристики передачи данных в известном кабеле: уменьшает скорость передачи и увеличивает коэффициент затухания сигнала. Использование герметизирующего заполнителя в 1,5-2 раза увеличивает массу кабеля, требует использования ручных операций и специальной технологической оснастки, что увеличивает трудоемкость изготовления кабеля и приводит к увеличению брака в процессе производства. Используемая технология производства не исключает образования локальных пустот в сердечнике кабеля после его заполнения герметизирующим заполнителем в процессе отвердевания при нахождении кабеля в горизонтальном положении, что может снизить продольную герметичность кабеля. Также известный кабель имеет низкие показатели пожарной безопасности на распространение горения при групповой прокладке и дымообразования при горении и тлении кабеля.
Из уровня техники известен герметичный электрический кабель парной скрутки, включающий внешнюю оболочку, внутри которой размещены элементы конструкции, состоящие из проводниковых и изоляционных материалов, а также водоблокирующее заполнение, размещенное между токопроводящими жилами и состоящее из водоблокирующих нитей, совместно с которыми токопроводящие жилы скручены в пары, при этом пары скручены в сердечник, а пространство между скрученными парами и внешней оболочкой заполнено герметизирующим компаундом (см. RU 2573572, 20.01.2016, прототип).
В известной конструкции изолированные токопроводящие жилы скручены вокруг прямо уложенного корделя (водоблокирующей нити), в связи, с чем между скрученными токопроводящими жилами уменьшается воздушный зазор, что снижает высокочастотные характеристики известного кабеля. Кроме того, в случае попадания под внешнюю оболочку кабеля влаги прямо уложенный кордель не перекрывает внутреннее пространство кабеля по всей его окружности на определенном отрезке, в связи с чем, для соответствия известного кабеля требованиям герметичности, его внутреннее пространство заполняют максимально возможным количеством водоблокирующих корделей. Увеличение количества водоблокирующих корделей во внутреннем объеме кабеля ухудшает его параметры передачи. Кроме того, полное заполнение свободного пространства сердечника между скрученными парами герметизирующим компаундом существенно увеличивает массу кабеля, ухудшает его гибкость, а технология заполнения внутреннего сечения кабеля довольно сложна, занимает много времени и требует использования высокотехнологичного оборудования. Причем такая технология не гарантирует полного отсутствия возможности образования локальных пустот в сердечнике кабеля после его заполнения герметизирующим заполнителем, например, при нахождении кабеля в горизонтальном положении, что в свою очередь снижает герметичность кабеля. Также известный кабель имеет низкие показатели пожарной безопасности и дымообразования при групповой прокладке.
При разработке конструкции заявленного изобретения заявителем учитывались два основных требования к их характеристикам, а именно:
1) обеспечение герметичности кабеля, требующей использования водоблокирующих материалов,
2) достижение требуемых параметров передачи кабелем высокочастотных сигналов.
При выполнении первого требования, для которого необходимо заполнение водоблокирующими материалами всего внутреннего пространства кабеля, ухудшаются параметры передачи высокочастотных кабелей, что может воспрепятствовать выполнению второго требования, которое достигается только при уменьшении количества водоблокирующих материалов в межжильном пространстве, для снижения относительной диэлектрической проницаемости среды и коэффициента диэлектрических потерь. Таким образом, задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в оптимизации сочетания двух указанных требований.
Кроме того, к заявленному кабелю предъявляются конкретные технические требования, заключающиеся:
- в обеспечении максимальной скорости передачи данных и минимальных потерь при частоте 100 МГц при отсутствии поперечного повреждения кабеля.
2
- сохранении герметичности к продольному гидростатическому давлению воды силой до 10,2 МПа (100 кгс/см) при поперечном повреждении кабеля на отрезке длиной не более 2 м.
Технический результат заключается в улучшении параметров передачи высокочастотных сигналов герметичного электрического кабеля. Дополнительный технический результат заключается в оптимизации объема водоблокирующего заполнения внутри кабеля, с сохранением его герметичности, что в свою очередь снижает материалоемкость и массу кабеля, улучшает его гибкость, а также упрощает технологию его изготовления.
1
2
3
1
2
Достижение технических результатов обеспечивает герметичный электрический кабель парной скрутки, включающий внешнюю оболочку, образующую внутреннюю полость с площадью поперечного сечения S, в которой размещены элементы конструкции, состоящие по меньшей мере из проводниковых и изоляционных материалов, занимающих в поперечном сечении под внешней оболочкой кабеля площадь равную S, а также водоблокирующее заполнение, размещенное между элементами конструкции и включающее по меньшей мере одну водоблокирующую нить, характеризующийся тем, что водоблокирующее заполнение имеет коэффициент набухания не менее 50 и проложено с сохранением воздушных зазоров между элементами конструкции, при этом по меньшей мере одна пара скрученных токопроводящих жил спирально скручена совместно с по меньшей мере одной водоблокирующей нитью с таким шагом скрутки, при котором площадь поперечного сечения водоблокирующего заполнения находится в интервале значений 50%-70% от площади свободного сечения кабеля S=(S-S).
Согласно заявленному изобретению элементы конструкции состоят из экранированной пары изолированных токопроводящих жил или из нескольких индивидуально экранированных пар изолированных токопроводящих жил, скрученных в сердечник, заключенный в общий экран.
Согласно заявленному изобретению водоблокирующее заполнение дополнительно включает одну или более водоблокирующую ленту.
Согласно заявленному изобретению кабель включает заключенный во внешнюю оболочку сердечник, состоящий из пары изолированных токопроводящих жил спирально скрученных с одинаковым шагом по меньшей мере с одной водоблокирующей нитью.
Согласно заявленному изобретению кабель включает заключенный во внешнюю оболочку сердечник, состоящий из скрученных пар токопроводящих жил, при этом токопроводящие жилы каждой пары совместно скручены по меньшей мере с одной водоблокирующей нитью.
Согласно заявленному изобретению кабель включает несколько пар, каждая из которых состоит из двух скрученных токопроводящих жил и спирально скрученной совместно с ними водоблокирующей нити, при этом пары скручены в сердечник совместно со спирально скрученными с ними дополнительными водоблокирующими нитями.
Согласно заявленному изобретению каждая пара скрученных токопроводящих жил заключена в индивидуальный двухслойный экран, выполненный в виде обмотки из алюминиевой ламинированной фольги слоем металла наружу с перекрытием кромок и оплетки из медных луженых проволок.
Согласно заявленному изобретению поверх каждой пары скрученных токопроводящих жил наложена водоблокирующая лента с перекрытием кромок и коэффициентом набухания свыше 50.
Согласно заявленному изобретению поверх сердечника наложена водоблокирующая лента с перекрытием кромок и коэффициентом набухания свыше 50.
Согласно заявленному изобретению сердечник заключен в общий двухслойный экран, выполненный в виде обмотки из алюминиевой ламинированной фольги слоем металла наружу с перекрытием кромок и оплетки из медных луженых проволок, поверх которого наложена внешняя оболочка.
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлен кабель, включающий сердечник из двух токопроводящих жил.
На Фиг. 2 - кабель, включающий сердечник из двух скрученных пар токопроводящих жил.
На Фиг. 3 - кабель, включающий сердечник из четырех скрученных пар токопроводящих жил.
На представленных чертежах обозначение расположения элементов конструкции заявленного кабеля носит схематичный характер, при этом соотношение и размеры площадей элементов кабеля в поперечном сечении на представленных чертежах и реальных образцах изделий могут отличаться.
Герметичный электрический кабель парной скрутки включает внешнюю оболочку 1 из полимерной композиции, не содержащей галогенов, образующую внутреннюю полость, внутри которой размещены элементы конструкции, состоящие из токопроводящих жил 2 с изоляцией 3. В зависимости от варианта реализации изобретения элементы конструкции кабеля могут дополнительно включать индивидуальные 6 и/или общий 7 экраны. Между элементами конструкции размещено водоблокирующее заполнение, состоящее из водоблокирующей нити или нескольких нитей 4, а также водоблокирующей ленты или лент 5. Водоблокирующие нити 4 спирально скручены совместно с токопроводящими жилами 2 в пары. В соответствии с вариантом реализации заявленного изобретения водоблокирующаялента 5 может быть наложена поверх изоляции 3 скрученных в пары токопроводящих жил и/или поверх сердечника. Сердечник может состоять из пары скрученных токопроводящих жил 2 или из нескольких скрученных пар. Поверх водоблокирующей ленты 5, наложенной на скрученную пару, может быть наложен двухслойный экран 6, выполненный в виде обмотки из алюминиевой ламинированной фольги слоем металла наружу с перекрытием кромок и оплетки из медных луженых проволок. Согласно одному из вариантов реализации заявленного изобретения индивидуально экранированные пары могут быть скручены в сердечник совместно с дополнительными водоблокирующими нитями 4. На сердечник, скрученный из нескольких пар токопроводящих жил, может быть наложен общий экран 7, выполненный в виде обмотки из алюминиевой ламинированной фольги слоем металла наружу с перекрытием кромок и оплетки из медных луженых проволок.
Осуществление изобретения
Токопроводящие жилы 2 изготавливают из медной круглой проволоки. На каждую токопроводящую жилу 2 накладывают изоляцию 3 из полиэтилена или из огнестойкой кремнийорганической резины методом экструдирования, совмещенного с процессом вулканизации на кабельных линиях непрерывной вулканизации. Изолированные токопроводящие жилы совместно с водоблокирующей нитью 4 или несколькими водоблокирующими нитями 4 попарно скручивают на машинах скрутки таким образом, чтобы водоблокирующие нити в продольном направлении кабеля располагались в виде спиральных витков и обеспечивали частичное заполнение внутреннего сечения кабеля с сохранением воздушных зазоров между элементами конструкции. При этом средний шаг скрутки водоблокирующей нити 4 совместно с токопроводящими жилами 2 в зависимости от их диаметра составляет 50-80 мм. Причем шаг скрутки водоблокирующей нити может отличаться от шага скрутки скрученных совместно с ней токопроводящих жил. Посредством увеличения или уменьшения шага скрутки водоблокирующих нитей совместно с изолированными токопроводящими жилами может быть увеличена или уменьшена площадь поперечного сечения, а соответственно и объем, водоблокирующего заполнения внутри кабеля. При этом в заявленном изобретении за счет соотношений коэффициента набухания водоблокирующего заполнения и соответствующего шага скрутки токопроводящих жил с водоблокирующими нитями подобрано оптимальное соотношение площадей элементов конструкции и водоблокирующего заполнения в поперечном сечении кабеля, что обеспечивает достижение заявленных технических результатов. В зависимости от варианта реализации изобретения сердечник кабеля может состоять из одной пары скрученных совместно с водоблокирующей нитью или несколькими нитями токопроводящих жил или из нескольких скрученных пар (см. Фиг. 2). Согласно одному из вариантов заявленного изобретения (см. Фиг. 3) сердечник кабеля может включать несколько индивидуально экранированных пар токопроводящих жил 2, скрученных совместно с водоблокирующими нитями 4. Причем поверх каждой скрученной пары токопроводящих жил может быть наложена водоблокирующая лента 5, поверх которой накладывают двухслойный экран 6, выполненный из алюминиевой ламинированной фольги с перекрытием кромок, наложенной слоем металла наружу и оплетки из медных луженых проволок. Индивидуально экранированные пары совместно с дополнительными водоблокирующими нитями 4 скручивают в сердечник таким образом, чтобы дополнительные водоблокирующие нити в продольном направлении кабеля располагались в виде спиральных витков. Количество скрученных пар может быть от двух и более, например до 8 пар. При этом, в случае увеличения количества скрученных пар соответственно увеличивается шаг скрутки дополнительных водоблокирующих нитей, который может доходить до 300 мм. Причем шаг скрутки водоблокирующей нити может отличаться от шага скрутки скрученных совместно с ним пар токопроводящих жил. Поверх сердечника, для придания ему формы и герметизации общего экрана 7, может быть наложена с перекрытием кромок водоблокирующая лента 5. Поверх скрученных токопроводящих жил или наложенной на них водоблокирующей ленты 5 накладывают двухслойный общий экран 7, выполненный из алюминиевой ламинированной фольги с перекрытием кромок, наложенной слоем металла наружу, и оплетки из медных луженых проволок. Поверх общего экрана 7 накладывают внешнюю оболочку 1 из полимерной композиции, не содержащей галогенов.
3
1
2
При этом количество водоблокирующих нитей и шаги скрутки их с токопроводящими жилами и/или парами подбирают таким образом, что бы площадь поперечного сечения водоблокирующего заполнения (водоблокирующих нитей 4 и водоблокирующих лент 5) составила 50%-70% от площади свободного сечения кабеля S=(S-S), где
1
S - площадь поперечного сечения полости кабеля, образованной оболочкой 1, внутри которой размещены все элементы конструкции кабеля 2, 3, 4, 5, 6, 7;
2
2
S - площадь поперечного сечения токопроводящих, изоляционных и экранирующих элементов конструкции кабеля 2, 3, 6, 7, размещенных под внешней оболочкой кабеля 1, а коэффициент набухания (емкость абсорбции при поглощении воды мл/г/5 мин) водоблокирующих нитей 4 и водоблокирующих лент 5 должен быть не менее 50. Выполнение указанных условий обеспечивает не полное заполнение внутреннего пространства кабеля водоблокирующими элементами, сохраняя внутренние пустоты и повышая параметры передачи высокочастотных сигналов. При этом, спирально скрученные совместно с токопроводящими жилами 2, а также с парами токопроводящих жил водоблокирующие нити 4, при указанном соотношении площадей и соответствующем коэффициенте набухания, в случае проникновения во внутреннюю полость кабеля влаги образуют водоблокирующий барьер, замкнутый по всей окружности кабеля, на отрезке равном шагу скрутки водоблокирующих нитей 4. Причем объем полученного водоблокирующего барьера достаточен для сохранения герметичности кабеля при воздействии гидростатического продольного давления силой до 10,2 МПа (100 кгс/см) на отрезке кабеля длиной не более 2 м. Определение коэффициента набухания водоблокирующих элементов 4, 5 при поглощении воды согласно ТУ 2271-005-92683001-2015 проводят по ISO 287. Тестирование проводят в течение 30 мин после извлечения нити из герметичной упаковки. Тестирование проводят в отношении трех образцов водоблокирующих нитей.
Проведение испытаний осуществляют в следующей последовательности:
1
0
Измеряют с точностью до 0,1 г вес первого образца нити (м) и пустого 200 мл лабораторного стакана (м), затем опускают взвешенный образец в другой стакан с дистиллированной водой. По истечении 5 мин достают образец с помощью пинцета и помещают во взвешенный стакан. Измеряют вес с точностью до 0,1 г.
Производят расчет по следующей формуле:
1
2
0
1
1
X=(м-м-м)/р м
1
где, X - коэффициент набухания (емкость абсорбции) нити;
0
м - вес пустого лабораторного стакана;
1
м - вес нити до погружения в стакан с водой;
2
м - вес нити после погружения в стакан с водой на 5 мин;
р - относительная плотность воды из расчета 1 г/мл.
Проводят аналогичные процедуры для оставшихся двух образцов. Среднее значение, полученное от тестирования трех образцов, является коэффициентом набухания (емкостью абсорбции) нити водоблокирующей 4. Определение коэффициента набухания водоблокирующих лент 5 проводят аналогичным способом. Для использования в заявленном изобретении в качестве водоблокирующих элементов, согласно ТУ 2271-005-92683001-2015, могут быть использованы следующие марки нитей:
ВБНК-1 - нить водоблокирующая круглого сечения диаметром 1 мм, с коэффициентом набухания ≥55;
ВБНК-0,8 - нить водоблокирующая круглого сечения диаметром 0,8 мм, с коэффициентом набухания ≥65;
ВБНАК-0,8 - нить водоблокирующая арамидная круглого сечения диаметром 0,8 мм, с коэффициентом набухания ≥65;
Герметичность и высокие показатели электрических параметров заявленного изобретения в отношении первого варианта были подтверждены результатами испытаний, проведенными в отношении нескольких образцов кабелей.
Пример 1. Испытания на герметичность и параметры передачи высокочастотных сигналов проводились в отношении кабеля, включающего внешнюю оболочку, внутри которой размещен обмотанный водоблокирующей лентой и заключенный в общий экран сердечник, состоящий из скрученных совместно с водоблокирующими нитями четырех индивидуально экранированных пар токопроводящих жил, при этом каждая пара включает две изолированные токопроводящие жилы, спирально скрученные совместно с водоблокирующей нитью с таким шагом скрутки, при котором площадь поперечного сечения водоблокирующего заполнения составляет 40% от площади свободного сечения кабеля, а коэффициент набухания водоблокирующих нитей и лент составляет ≥50.
Параметры и условия испытаний на герметичность первого образца:
- длина образца - 2 м
6
- скорость повышения давления - 1,01×10 Па/мин.
1 цикл испытаний:
6
- давление выдержки 9,12⋅10 Па;
- время выдержки 15 мин.
2 цикл испытаний:
6
- давление выдержки 6,08⋅10 Па;
- время выдержки 120 мин.
Критерий оценки:
3
- объем просочившейся воды за 120 мин, см - 0.
Таким образом, в отношении 1 образца результаты испытаний подтвердили его соответствие требованию предъявляемому к герметичности заявленного кабеля.
Электрические характеристики кабеля были протестированы на отрезке длиной 100 м с использованием автоматической измерительной системы AESA VEGA-PHOENIX построенной на основе векторного анализатора.
р
При этом результаты испытаний времени задержки сигнала τ, на частоте 100 МГц на длине 100 м заявленного кабеля составили:
первая пара - 513 нс (наносекунд);
вторая пара - 492 нс;
третья пара - 503 нс;
четвертая пара - 484 нс.
Пример 2. Испытания на герметичность и параметры передачи высокочастотных сигналов проводились в отношении кабеля, включающего внешнюю оболочку, внутри которой размещен обмотанный водоблокирующей лентой и заключенный в общий экран сердечник, состоящий из скрученных совместно с водоблокирующими нитями четырех индивидуально экранированных пар токопроводящих жил, при этом каждая пара включает две изолированные токопроводящие жилы спирально скрученные совместно с водоблокирующей нитью с таким шагом скрутки, при котором площадь поперечного сечения водоблокирующего заполнения составляет 50% от площади свободного сечения кабеля, а коэффициент набухания водоблокирующих нитей и лент составляет ≥50.
Параметры и условия испытаний на герметичность второго образца аналогичны условиям испытаний в отношении первого образца.
Критерий оценки:
3
- объем просочившейся воды за 120 мин, см - 0.
Результаты испытаний второго образца на значения передачи высокочастотных сигналов:
р
Время задержки сигнала τ, на частоте 100 МГц на длине 100 м составило:
первая пара - 527 нс;
вторая пара - 500 нс;
третья пара - 519 нс;
четвертая пара - 493 нс.
Пример 3. Испытания на герметичность и параметры передачи высокочастотных сигналов проводились в отношении кабеля, включающего внешнюю оболочку, внутри которой размещен обмотанный водоблокирующей лентой и заключенный в общий экран сердечник, состоящий из скрученных совместно с водоблокирующими нитями четырех индивидуально экранированных пар токопроводящих жил, при этом каждая пара включает две изолированные токопроводящие жилы, спирально скрученные совместно с водоблокирующей нитью с таким шагом скрутки, при котором площадь поперечного сечения водоблокирующего заполнения составляет 60% от площади свободного сечения кабеля, а коэффициент набухания водоблокирующих нитей и лент составляет ≥50.
Параметры и условия испытаний на герметичность третьего образца аналогичны условиям испытаний в отношении первого образца:
Критерий оценки:
3
- объем просочившейся воды за 120 мин, см - 0.
Результаты испытаний третьего образца на значения передачи высокочастотных сигналов:
р
Время задержки сигнала τ на частоте 100 МГц на длине 100 м составило:
первая пара - 535 нс;
вторая пара - 503 нс;
третья пара - 523 нс;
четвертая пара - 499 нс.
При этом испытания кабеля, принятого в качестве прототипа, на значения передачи высокочастотных сигналов показали следующие результаты:
Результаты испытаний кабеля, известного из RU 2573572, 20.01.2016:
р
Время задержки сигнала τ, на частоте 100 МГц на длине 100 м составило:
первая пара - 625 нс;
вторая пара - 622 нс;
третья пара - 627 нс;
четвертая пара - 622 нс.
Таким образом, результаты испытаний в отношении всех трех образцов заявленного изобретения, при сравнении с характеристиками кабеля, принятого за прототип, подтвердили соответствие заявленного кабеля требованиям к герметичности и параметрам передачи высокочастотных сигналов, а также достижение заявленного технического результата, заключающегося в повышении параметров передачи высокочастотных сигналов герметичного электрического кабеля.
Дополнительными техническими результатами, заявленного кабеля по сравнению с аналогами, включающими герметизирующие материалы на основе герметизирующих компаундов, а также свободное сечение которых под внешней оболочкой полностью заполнено водоблокирующими материалами, являются:
- снижение массогабаритных характеристик кабеля,
- улучшение гибкости кабеля,
- упрощение технологии заполнения внутреннего сечения кабеля,
- исключение деформация кабеля при его вертикальной прокладке, как это возможно в аналогах при стекании компаунда,
- повышение показателей пожарной безопасности при групповой прокладке,
- повышение удобства разделки и монтажа соединителей.