ОГНЕСТОЙКИЙ СИММЕТРИЧНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ КАБЕЛЬ

Заявляемая полезная модель относится к кабельной технике, в частности, к огнестойким симметричным высокочастотным кабелям связи (ОСВК) для цифровых систем передачи данных. Данные кабели предназначены для использования в сетях передачи информации и в структурированных кабельных системах (СКС).
Огнестойкость является параметром, характеризующим работоспособность кабельного изделия, то есть его способность продолжать выполнять заданные функции при воздействии и после воздействия источником пламени в течение заданного периода времени [1]. Испытания проводятся в соответствии с рекомендациями, приведенными в [2].
В соответствии с российским ГОСТ Р 54429-2011 [3] такие кабели разделены на категории, характеризуемые следующими параметрами:
ж
R - электрическое сопротивление жилы постоянному току, пересчитанное на длину 1000 м и температуру 20°С;
ΔR - омическая асимметрия жил в рабочей паре;
- омическая асимметрия жил между парами;
из
R - электрическое сопротивление изоляции жил, пересчитанное на длину 1000 м и температуру 20°С;
U - испытательное напряжение между жилами и между всеми жилами и экранами;
С - рабочая емкость на частоте 0,8 или 1,0 кГц, пересчитанная на длину 1000 м;
ΔС - емкостная асимметрия пар по отношению к экрану на частоте 0,8 или 1,0 кГц, пересчитанная на длину 1000 м;
T
Z - сопротивление связи;
C
А - затухание излучения;
p
ν - скорость распространения сигнала;
р
τ - время задержки сигнала;
Δτр - максимальная разность времен задержки сигнала;
20
α - коэффициент затухания, пересчитанный на температуру 20°С;
TCL - затухание асимметрии на ближнем конце;
ELTCL - защищенность от затухания асимметрии на дальнем конце в диапазоне частот от 1 до 30 МГц;
PSNEXT - переходное затухание суммарной мощности влияния на ближнем конце;
NEXT - переходное затухание на ближнем конце для всех комбинации
пар;
PSELFEXT - защищенность от суммарной мощности влияния на дальнем конце;
EL FEXT- защищенность на дальнем конце для каждой комбинации пар;
RL - затухание отражения;
c
Z - волновое сопротивление.
Согласно [3] категории имеют различный частотный диапазон, повышение категории влечет за собой расширение частотного диапазона (см. Таблицу 1.).
3
Известен ОСВК [4], сердечник включает в себя восемь скрученных попарно однопроволочных проводников, изолированных кремнийорганической керамообразующей резиной, которая отвечает за огнестойкость конструкции и имеет плотность 1,38 г/см. Работоспособность данной конструкции под воздействием открытого пламени составляет более 180 минут. Пары скреплены полимерной пленкой. В неэкранированной конструкции оболочка из пожаробезопасного полимерного материала наложена поверх сердечника. В экранированной конструкции - поверх экрана из алюмополимерной ленты совместно с дренажным проводником.
Данный кабель имеет ряд недостатков. Рабочий частотный диапазон ограничен значением в 16 МГц, что соответствует 3 категории [3]. Фазовая задержка сигнала в кабеле составляет 600 нс/100 м, в то время как нормируемое для 3 категории значение - 567 нс/100 м. Силиконовая керамообразующая резина является мягким материалом, ее твердость по шкале Шора А составляет 70 единиц. При скрутке изолированных жил в пару силиконовый слой неравномерно проминается, что может привести к изменениям волнового сопротивления по длине.
Известен симметричный огнестойкий кабель [5], отличающийся от [4] тем, что изоляция проводников выполнена из двух слоев. Внутренний слой полиэтилена и наружний слой силиконовой резины. Сердечник скреплен лентой из стеклоткани, поверх которой наложен экран из алюмополимерной ленты совместно с дренажным проводником и оплеткой. Такая конструкция позволяет расширить частотный диапазон для отдельных параметров до 100 МГц (см. Таблицу 2).
p
р
20
В данной конструкции слой полиэтилена улучшает электрические параметры кабеля - ν, τ, α. Слой силиконовой резины отвечает за огнестойкость конструкции.
Под воздействием пламени силиконовый слой превращается в хрупкую керамику, а слой полиэтилена расплавляется и сгорает. Расплавленный полиэтилен и газ, образовавшийся при его горении, воздействуют на слой керамики изнутри, что приводит к его разрушению и потере кабелем работоспособности вследствие замыкания проводников в витых парах. В лучшем случае после выгорания полиэтиленового слоя происходит образование пустот между жилой и керамическим слоем. При колебании жилы в процессе дальнейшей эксплуатации возможно частичное разрушение керамики и потеря работоспособности конструкции.
Известен ОСВК [6], отличающийся от [5] тем, что внутренний изоляционный слой выполнен из полиэтилена, а внешний слой - из стеклослюдинитовой ленты. Сердечник содержит в себе полимерный крест-сепаратор. Далее расположен экран из алюмополимерной ленты совместно с дренажным проводником, оплетка отсутствует. Такая конструкция позволяет выполнить требования категории 5е (см. Таблицу 2).
В данной конструкции внутренним изоляционным слоем служит полиэтилен, а внешним стеклослюдинитовая лента, наложенная методом обмотки. Поверх слоя слюды накладывается дополнительная полимерная пленка, также методом обмотки. Описанная конструкция соответствует требованиям категории 5е [3], однако получается трудоемкой в производстве и имеет высокую стоимость по сравнению с рассмотренными выше аналогами.
Наиболее близким по техническим характеристикам к заявляемой полезной модели является прототип [7], отличающийся от [6] тем, что внутренний изоляционный слой выполнен из кремнийорганической резины, наружный слой 3 - из полиэтилена. Сердечник обмотан полимерной лентой, крест-сепаратор отсутствует. Такая конструкция позволяет выполнить требования категории 5е.
Недостатком данной конструкции является ограничение рабочего частотного диапазона значением 100 МГц. Допускается выполнение токопроводящих жил многопроволочными, в соответствии с [3] требования к отдельным электрическим параметрам для кабелей с такими жилами могут быть ниже не более, чем на 50% соответствующих значений для кабелей с однопроволочными жилами (см. Таблицу 2).
Сравнительная оценка параметров ОСВК, рассмотренных выше, приведена в Таблице 2. В ней указано соответствие параметров передачи требованиям конкретной категории согласно [3].
Целью заявляемой полезной модели является создание кабельного изделия, отвечающего требованиям [1] по пределу огнестойкости 1, и требованиям [3] по электрическим параметрам, соответствующим категории 6.
Рабочий частотный диапазон 6 категории, в котором нормируются электрические параметры, располагается в пределах от 1 МГц до 250 МГц (см. Таблицу 1). Перечень электрических параметров, по которым заявляемое техническое решение превосходит прототип:
p
- Скорость распространения сигнала ν;
р
- Время задержки сигнала τ;
р
- Максимальная разность времен задержки сигнала Δτ;
- Коэффициент затухания осго, пересчитанный на температуру 20°С;
- Переходное затухание суммарной мощности влияния на ближнем конце PSNEXT;
- Переходное затухание на ближнем конце NEXT для всех комбинации пар;
- Защищенность от суммарной мощности влияния на дальнем конце PSELFEXT;
- Защищенность на дальнем конце для каждой комбинации пар ELFEXT;
- Затухание отражения RL;
c
- Волновое сопротивление Z.
Протокол испытаний электрических параметров заявляемой полезной модели на соответствие категории 6 [3] приведен в Приложении 1, где на графиках линия синего цвета (жирная) является предельным значением, а зеленого цвета (тонкая) соответствует измеренным значениям параметров кабеля.
Технический результат, обеспечивающий достижение цели заявляемой полезной модели, заключается в расширении рабочего частотного диапазона до 250 МГц.
3
Достижение технического результата обеспечивает заявляемая конструкция огнестойкого симметричного высокочастотного кабеля для скоростной передачи данных. В этой конструкции на каждую однопроволочную медную токопроводящую жилу наложена двуслойная изоляция: внутренний слой - из кремнийорганической резины, внешний слой выполнен из полиэтилена, четыре попарно скрученные изолированные жилы, скручены в сердечник, поверх сердечника находится общий экран из алюмополимерной ленты совместно с дренажным проводником из медной луженой проволоки, вокруг общего экрана присутствует оболочка из пожаробезопасного полимерного материала, при этом внутренний изоляционный слой выполнен из керамообразующей силиконовой резины плотностью не более 1,24 г/см при твердости не менее 70 единиц по Шору, шкала А, а оптимальное соотношение толщин внешнего и внутреннего слоев изоляции находится в пределах 1,50-2,00.
Согласно заявляемому техническому решению поверх пар скрученных изолированных жил расположен индивидуальный экран из алюмополимерной ленты.
Заявляемая полезная модель поясняется поперечным сечением ОСВК, представленным на Фиг. 1. Кабель включает в себя однопроволочные медные токопроводящие жилы 1, изоляционный слой керамообразующей силиконовой резины 2, слой полиэтилена 3, скрученные в пары 4 изолированные проводники, индивидуальный экран 5 скрученных пар из алюмополимерных лент, сердечник 6 скрученный из четырех пар, дренажный проводник 9, изготовленный из медной луженой проволоки, общий экран 8 из алюмополимерной ленты или оплетки 10 из медной луженой проволоки, оболочка 11 из пожаробезопасного полимерного материала.
Для обеспечения уровня электрических параметров категории 6 [1] в заданном рабочем частотном диапазоне стоит стремиться к снижению значений диэлектрической проницаемости е и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ изоляции жил, также изоляция должна содержать в себе элемент, обеспечивающий огнестойкость конструкции [4]. Таким элементом в данном случае выступает слой керамообразующей силиконовой резины. Его толщина должна быть минимально возможной, обеспечивающей конструкции огнестойкость. Слой полиэтилена снижает эквивалентные значения ε и tgδ комбинированной изоляции.
3
Как правило огнестойкость достигается применением наиболее распространенной керамообразующей силиконовой резины [7]. У такой резины отсутствуют галогеносодержащие компоненты, ее твердость составляет 70 единиц по Шору, шкала А, плотность - 1,38 г/см. Имеет ε=3,4 и tgδ=0,02. Она преобразовывается в керамику под действием открытого пламени.
3
-4
3
-4
Э
Э
В заявляемой конструкции кабеля используется безгалогенный огнестойкий силиконовый компаунд с особой рецептурой, в которой экспериментально подобраны вид и концентрация специальных добавок. Его параметры отличаются от описанной выше резины, плотность составляет не более 1,24 г/см, ε=3,2, tgδ=60×10, при твердости не менее 70 единиц по Шору, шкала А. Компаунд превращаться в керамику под воздействием открытого пламени, это обусловлено наличием наполнителей высокой и низкой плотности, при спекании которых образуется керамический слой. Такой слой имеет плотность большую, по сравнению с керамическим слоем распространенного силикона. Наполнителями являются специальные силикаты и алюмосиликаты, которые под воздействием пламени способствуют образованию керамики. Экспериментально подтверждено, что за счет более высокой плотности керамического слоя его минимальная толщина, при которой сохраняется огнестойкость [4], в 2 раза меньше минимальной толщины слоя из распространенной керамообразующей силиконовой резины, при которой также сохраняется огнестойкость [4]. Рабочий частотный диапазон кабеля расширяется за счет применения полиэтилена высокой плотности 0,946 г/см, твердость 61 единица по Шору, шкала D, ε=2.3, tgδ=3×10. Расчет эквивалентных показателей ε и tgδ производится по известным формулам (1) и (2) [10; 11]:
1
2
1
2
1
2
ж
где ε и ε - значения диэлектрической проницаемости первого и второго слоев изоляции соответственно; tgδ и tgδ - значения тангенса угла диэлектрических потерь первого и второго слоев изоляции соответственно; D и D - диаметры первого и второго слоев изоляции соответственно, мм; d - диаметр токопроводящей жилы, мм; α - расстояние между центрами проводников, мм.
c
Используя известное соотношение для вычисления Z [12],
Э
Э
-4
решаем систему из трех уравнений и получаем ε=2,52 и tgδ=20,8×10 для комбинированной изоляции.
p
р
20
р
Делаем вывод, что оптимальное соотношение толщин второго и первого слоев изоляции находится в пределах 1,50-2,00. Такое соотношение позволяет достигнуть заданного уровня ν и τ категории 6 по [1]. Для достижения требований по α увеличен диаметр жилы и используется оптимальное соотношение толщин слоев изоляции. Изолированные жилы скручивают в пары с индивидуальным экраном, шаги скрутки различны, таким образом выполняются требования по Δτ, PSNEXT, NEXT, PSELFEXT, EL FEXT и RL.
Таким образом заявленная конструкция обеспечивает достижение технического результата, а именно расширяет рабочий частотный диапазон кабеля до 250 МГц и подтверждает полное соответствие категории 6 по [1] и предела огнестойкости 1 по [4].
Литература
1. ГОСТ 31565-2012 Межгосударственный стандарт. Кабельные изделия. Требования пожарной безопасности, ОКС 13.220.01, 12 с.
2. ГОСТ IEC 60331-23-2011 Испытания электрических и оптических кабелей в условиях воздействия пламени. Сохранение работоспособности. Часть 23. Проведение испытаний и требования к ним. Кабели электрические для передачи данных, МКС 29.060.20, КГС Е46, 12 с.
3. ГОСТ Р 54429-2011 Кабели связи симметричные для цифровых систем передачи, ОКС 29.060.20, ОКП 357400, КГС Е45, 48 с.
4. Каталог компании Спецкабель «Разработка, производство серийных кабелей и специальных конструкций», 2017 г.
5. Каталог компании Draka «ICS IE Firetuf Data 4P LSHF-FR», 2013r.;
6. Каталог компании Lapp Kabel «Etherline Fire Cat.5e PH 120», 2015r.
7. Кабель симметричный огнестойкий, RU 167313 Ul.
8. O.B. Бондаренко, А.И. Рябушей, И.И. Рябушей Диэлектрическая проницаемость комбинированной изоляции жил кабеля типа КСПП 1x4x1,2, УДК 621.315.616.535.562, Вестник Хмельницкого Национального Университета, №2, 2014 (211), 250 с.
9. Д.А. Барон, И.И. Гроднев, В.Н. Евдокимов Справочник строителя кабельных сооружений связи, УДК 621.315.2, «Связь», Москва 1968 г, 768 с.
10. Д.С. Бачелис, Н.И. Белоруссов, А.Е. Саакян Электрические кабели, провода и шнуры, УДК 621.315.2/3(083), «Энергия», Москва, 1973 г, 704 с.