ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ КАБЕЛЬНЫЙ ПЕРЕХОД

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к магистральным электрическим высокочастотным линиям, применяемым в кабельных переходах, и может быть использована для обеспечения герметичного пропуска электрических кабелей через стену во внутреннее пространство герметичного подземного сооружения, предназначенного для проведения взрывных экспериментов.
Известна проходка электрических коммуникаций [патент РФ №2227353, МПК H02G 3/22, опуб. 20.04.2004 г], которая используется как герметичный пропуск электрических коммуникаций в отделенную герметичной стеной зону с ионизирующим излучением. Данное устройство содержит цилиндрический корпус с герметично закрепленными в его торцах проводниками (кабелями). Цилиндрическая часть корпуса с обеих сторон дополнена соосно установленными кожухами, герметично соединенными с торцами корпуса и внешними элементами перегородки. В днищах кожухов установлены пылевлагозащитные устройства, сквозь которые проводники выпущены наружу. Данное техническое решение представляет собой принцип герметизации электрических кабелей различного типа сигналов уплотнением по наружной изоляции.
Недостатком данного устройства является его негерметичность к сверхтекучим аэрозолям, которые могут возникнуть при проведении взрывных экспериментов в подземном сооружении. Негерметичность проходки определяется негерметичностью самих электрических кабелей. Также недостатком является применение в качестве уплотняющих сальников органических материалов, которые подвержены старению во время длительной эксплуатации. Все это отрицательно влияет на герметичность перехода при пропуске электрических кабелей во внутреннее пространство герметичного подземного сооружения, предназначенного для проведения взрывных экспериментов.
Известен коаксиально-микрополосковый переход [патент РФ на полезную модель №198245, МПК Н01Р 5/08, опуб. 25.06.2020 г.], который относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначен для ввода и вывода сигналов с микрополосковой линии на радиочастотный кабель в высокочастотных схемах герметизированных радиотехнических устройств сантиметрового диапазона длин волн (коаксиально-микрополосковый переход). Коаксиально-микрополосковый переход содержит спаянные со стеклянным изолятором и выполненные металлический корпус, внутренняя поверхность которого является наружным проводником коаксиальной линии передачи, и стержень, на конец которого внутри корпуса надет внутренний проводник коаксиальной линии в виде двухсторонней цанги. Внутренний проводник выполнен с буртиком, расположенным между стеклянным изолятором и изолятором из фторполимера, закрепленным в корпусе пуклевкой. На буртике выполнены ступеньки. В качестве фторполимера может быть использован радиационно-стойкий материал Арфлон. Данное техническое решение предназначено для ввода и вывода сигналов с микрополосковой линии на радиочастотный кабель.
Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость устройства из-за отсутствия мер по герметичной изоляции корпуса от гермостенки, которая может быть источником наводок и помех, что отрицательно влияет на качество измерений.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является взятый за прототип переход высокочастотный [патент РФ на изобретение №2526142, МПК H02G 3/22, опуб. 20.08.2014 г]. Переход высокочастотный в загрязненную зону через металлическую стенку защитной конструкции, в частности взрывозащитной камеры, содержит герметично установленный в стенке металлический корпус, в сквозном отверстии которого герметично закреплен стеклоизолятор с впаянными в нем средней частью длины центральным и экранирующим проводниками, экранирующий проводник образует с центральным электрическим проводником коаксиальную пару, при этом экранирующий проводник выполнен составным из скрепленных средней и двух боковых частей, на посадочной поверхности корпуса выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец.
В данном устройстве центральный проводник также выполнен составным из последовательно соединенных трех частей, средняя часть которого выполнена в виде электропроводного штыря. При этом средняя часть экранирующего проводника выполнена в виде нескольких электропроводных штырей, которые равномерно распределены по окружности относительно центрального проводника - электропроводного штыря. В прототипе стеклоизолятор размещен между двумя изоляторами из фторопласта и двумя изоляторами из поликарбоната, через которые проходят боковые части центрального и экранирующего проводников соответственно.
Данное устройство обеспечивает герметичность высокочастотного перехода.
Однако недостатками прототипа являются:
- низкое качество измерений. Соединение нескольких штырей средней части экранирующего проводника с его боковыми частями, выполненными в виде цилиндрических экранов, а также соединение средней части центрального проводника с его боковыми частями, приводит к появлению множественных переходных сопротивлений, которые в условиях подземных сооружений оказывают отрицательное влияние на величину полезного сигнала, снижая качество измерений высокочастотного перехода. Причем «скелетная» организация средней части экранирующего проводника (в виде набора равномерно расположенных по окружности штырей) представляет собой открытую коаксиальную линию, которая подвержена воздействию наводок, поступающих на корпус перехода от других высокочастотных устройств, работающих в диапазоне 3…30 ГГц. Это обстоятельство отрицательным образом влияет на высокочастотные характеристики полезного сигнала, искажает его, ухудшая качество измерений;
- ограниченный частотный диапазон применения. Вследствие «скелетной» организации экранирующего проводника рабочий частотный диапазон ограничивается 1 ГГц, при этом коэффициент затухания не превышает 0,3 дБ. При превышающих частотах происходит резкое возрастание затухания полезного сигнала более чем на 2 дБ. На ограниченный частотный диапазон также влияет присутствие с обеих сторон стеклоизолятора выполненных из органических материалов изоляторов. Все применяемые в электротехнике материалы имеют диэлектрическую проницаемость Е>1, так фторопласт имеет Е=2…2,4. Соблюдение условия согласования отдельных участков перехода по волновому сопротивлению ведет к увеличению диаметра изолятора, сопряженного со стеклоизолятором, и соответственно к снижению верхней границы рабочего диапазона частот перехода, которая ограничивается за счет появления резонансов. Также сопряжение указанных изоляторов по торцевым поверхностям стеклоизолятора может иметь воздушные промежутки неправильной формы (за счет отклонений от идеальной формы торцов стеклоизолятора - менисков), что также ведет к увеличению потерь полезного сигнала. Кроме этого, места соединения перехода с магистральными высокочастотными линиями оснащают высокочастотными соединителями, например типа CP (соединение штырь-гнездо), которые при установке перехода в стенке подземного сооружения (заливкой мелкодисперсным раствором) требуют дополнительной герметизации. При этом переход недоступен к обслуживанию, что при длительной эксплуатации может привести к увеличению переходных сопротивлений контактов, ухудшению электрических характеристик и, как следствие, к искажению или даже потере полезного сигнала.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение качества измерений в широком частотном диапазоне применения герметичного высокочастотного кабельного перехода.
Технический результат достигается тем, что высокочастотный кабельный переход в загрязненную зону через стенку защитного подземного сооружения, содержащий герметично установленный в стенке металлический корпус, в сквозном отверстии которого герметично закреплен стеклоизолятор с герметично впаянными в него средней частью длины центральным и экранирующим проводниками, экранирующий проводник образует с центральным электрическим проводником коаксиальную пару, при этом экранирующий проводник выполнен составным из скрепленных средней и двух боковых частей, на посадочной поверхности корпуса выполнены канавки для установки в них уплотнительных колец, согласно полезной модели стеклоизолятор выполнен составным из двух концентрично расположенных частей, разделенных средней частью экранирующего проводника, выполненной в виде цилиндрического экрана, корпус оснащен соосно установленными хвостовиками, которые одними концами герметично соединены с торцами корпуса, а другими - герметично соединены с наружной оболочкой подводимых с обеих сторон к стенке магистральных кабелей, при этом центральный проводник, выполненный в виде цельного электропроводного штыря, соединен концами с токоведущей жилой каждого кабеля, а боковые части экранирующего проводника соединены с экранирующей оплеткой указанных кабелей с обеспечением образования воздушного промежутка с каждой стороны центральной части стеклоизолятора, причем внутренний диаметр каждой боковой части экранирующего проводника соизмерим с внешним диаметром изолятора каждого кабеля.
Выполнение стеклоизолятора составным из двух концентрично расположенных частей, разделенных средней частью экранирующего проводника, дает возможность электрически отделить экранирующий проводник от корпуса, образовав классическую коаксиальную линию, устойчиво работающую в широком частотном диапазоне с допустимым затуханием.
Выполнение средней части экранирующего проводника в виде цилиндрического экрана, в отличие от прототипа, где средняя часть экранирующего проводника выполнена в виде нескольких равномерно распределенных по окружности относительно центрального проводника электропроводных штырей («скелетной» организацией экрана), дает возможность обеспечить экранировку полезного сигнала на всем протяжении кабельного перехода, тем самым обеспечить помехоустойчивость перехода и минимизировать затухание полезного сигнала, повышая качество измерений в широком частотном диапазоне применения. В прототипе «скелетной» организацией экрана достигается прохождение высокочастотного сигнала с приемлемым затуханием в метровом и дециметровом диапазоне частот. Это связано с тем, что классический цилиндрический экран условно разделен на локальные отрезки (штыри). Конструкцию по прототипу можно отнести к открытой коаксиальной линии, которая представляет собой открытую систему и имеет низкую помехозащищенность, причем сама линия также может отрицательно влиять на другие радиочастотные тракты. Данное обстоятельство усиливается в сантиметровом диапазоне частот, при этом активные потери энергии через «открытый» экран нарастают с увеличением частоты, что приводит к значительной потере полезного сигнала. В заявляемом техническом решении высокочастотный тракт экранирован цилиндрическим экраном. В подобных коаксиальных линиях вся энергия полезного сигнала сосредоточена в замкнутом пространстве, ограниченном экраном. Такие тракты широкополосны и обеспечивают работу сопрягаемых радиотехнических устройств в сантиметровом и миллиметровом диапазоне частот, расширяя диапазон применения. Кроме того, данные высокочастотные тракты и имеют высокую помехозащищенность, и удобно встраиваются в другие радиочастотные тракты. В условиях подземного сооружения все оборудование штольни, как правило, соединено по общему корпусу и заземлено. По корпусу возможно прохождение различных сигналов (наводок), в том числе высоковольтных. В предлагаемом решении паразитная высокочастотная наводка, приходящая на корпус перехода, за счет единого экрана не влияет на полезный сигнал высокочастотного тракта, повышая качество измерения в отличие от прототипа, где наводка, излучающая корпусом, влияет на полезный сигнал за счет открытого экрана.
Оснащение корпуса соосно установленными хвостовиками, которые одними концами герметично соединены с торцами корпуса, а другими герметично соединены с наружной оболочкой подводимых с обеих сторон к стенке высокочастотных кабелей, позволяет разместить места соединения коаксиальной линии перехода с высокочастотными кабелями внутри объединенного с хвостовиками корпуса, приобретая жесткость и герметизацию перехода. При этом обеспечивается стабильность требуемого сопротивления изоляции электрических цепей, что в конечном счете повышает качество высокочастотных характеристик перехода и соответственно качество проводимых измерений.
Соединение концов центрального проводника, выполненного в виде цельного электропроводного штыря, с токоведущей жилой каждого кабеля, а боковых частей экранирующего проводника - с экранирующей оплеткой кабелей, дает возможность образовать единую (без разрывов) коаксиальную линию, надежно обеспечивающую экранировку полезного сигнала, повысить качество высокочастотных характеристик перехода и соответственно качество проводимых измерений, минимизируя переходные сопротивления электрических цепей и их внутренние электрические сопротивления.
Образование с каждой стороны центральной части стеклоизолятора воздушного промежутка, представляющего собой коаксиальный воздушный изолятор, предотвращает возникновение паразитных резонансов и соответственно повышает верхнюю границу рабочего диапазона частот перехода. Воздушный промежуток между магистральным изолятором кабеля и стеклоизолятором создает стабильно-однородную среду, при которой потери от отклонений формы торцов стеклоизолятора (менисков) минимизированы, так как диэлектрическая проницаемость воздуха всегда единица, и воздух контактирует с менисками стеклоизолятора по всей линии сопряжения.
Выполнение внутреннего диаметра каждой боковой части экранирующего проводника соизмеримым с внешним диаметром изолятора каждого кабеля дает возможность обеспечить плотное соединение, исключив воздушные зазоры вдоль кабеля, минимизируя тем самым потери полезного сигнала.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия повышения качества измерений в широком частотном диапазоне применения герметичного высокочастотного кабельного перехода.
Наличие в заявляемой полезной модели признаков, отличающих ее от прототипа, позволяет считать ее соответствующей условию «новизна».
На чертеже представлена конструктивная схема предложенного устройства.
Устройство выполнено следующим образом.
Высокочастотный кабельный переход в загрязненную зону через стенку защитного подземного сооружения (фигура) содержит герметично установленный в стенке (не показано) стальной цилиндрический корпус 1, в сквозном отверстии которого герметично закреплен стеклоизолятор с впаянными в него средней частью длины центральным и экранирующим проводниками.
Центральный проводник выполнен в виде цельного коварового электропроводного штыря 2, а экранирующий проводник, образующий с центральным электрическим проводником 2 коаксиальную пару, выполнен составным из последовательно соединенных, например посредством резьбы, частей: средней части в виде цилиндрического титанового экрана 3 и двух цилиндрических боковых частей 4 из латуни. Резьбовое соединение частей 3, 4 экрана дополнительно заполнено токопроводящим клеем. Стеклоизолятор выполнен составным из двух разделенных экраном 3 концентрично расположенных частей: центральной стеклотаблетки 5, через которую проходит штырь 2, и охватывающего экран 3 стеклянного кольца 6, сопряженного по образующей с внутренней поверхностью корпуса 1. Корпус 1 оснащен соосно установленными хвостовиками 7, 8, которые одними краями, например с помощью резьбы, герметично соединены с торцами корпуса 1, а другими концами герметично соединены с наружной оболочкой подводимых с обеих сторон к стенке высокочастотных кабелей 9. Резьбовое соединение хвостовиков 7, 8 с корпусом 1 дополнительно установлено на электропроводящий клей. Для обеспечения защиты от влажной среды, имеющей место при эксплуатации перехода в условиях подземных защитных сооружений, место соединения каждого хвостовика 7, 8 с кабелями 9 охвачено термоусадочной трубкой 10. Концы штыря 2 соединены пайкой с токоведущей жилой 11 каждого кабеля 9. Обе части 4 экранирующего проводника соединены пайкой с экранирующей металлической оплеткой 12 кабелей 9 с обеспечением образования с каждой стороны стеклотаблетки 5 воздушного промежутка. При этом внутренний диаметр каждой части 4 соизмерим с внешним диаметром изолятора каждого кабеля 9. Место соединения каждой части 4 с оплеткой 12 и свободная от изоляции оплетка 12 охвачены термоусадочной трубкой 13. На посадочной поверхности корпуса выполнены канавки 14 для установки в них уплотнительных колец (не показано).
Сборка устройства осуществляется следующим образом.
Высокочастотный кабельный переход является составной частью проходки высокочастотной, которую помещают в стенку герметичного подземного сооружения, предназначенного для проведения взрывных экспериментов. Изначально осуществляют заделку проводников 2, 3 в стелоизолятор. Для чего в вертикально ориентированный корпус 1 при помощи графитовых технологических оправок помещают концентрично расположенные детали: стеклотаблетку 5 с вставленным в нее штырем 2, очищенным в средней части длины от изоляции, экран 3 и стеклянное кольцо 6. После нагрева до температуры 1000°С стеклоизоляторы 5, 6 растекаясь, заполняют зазоры в сопрягаемых поверхностях. Сборку охлаждают, образуя согласованный металлостеклянный спай.
Каждый магистральный высокочастотный кабель 9 разделывают на концевых участках. Для чего освобождают центральную жилу 11, снимают с подсоединяемых концов кабелей 9 наружную изоляцию на длину, соизмеримую с длиной боковых частей 4 экрана, отгибают оплетку 12 кабеля вдоль его наружной изоляции. Части 4 соединяют с кабелями 9 путем проникновения их свободных концов под металлическую оплетку 12. Жилы 11 подпаивают к концам проводника 2. Затем оба экрана 4 скрепляют с экраном 3 при помощи резьбы и электроконтактного клея. А оплетку 12 каждого кабеля спаивают с экранами 4, образуя единый экранирующий проводник. Место соединения оплетки 12 с экранами 4 и оставшуюся часть экранирующей оплетки 12, свободную от наружной изоляции кабеля 9, охватывают термоусадочными трубками 13. В случае необходимости применения хвостовиков 7, 8 минимальной длины экраны 4 могут быть выполнены составными из нескольких частей. Затем хвостовики 7, 8 одними концами прикрепляют к торцам корпуса 1 при помощи резьбы с дополнительной герметизацией влагоустойчивым анатермом, а другими концами - герметично закрепляют на наружных оболочках каждого кабеля 9, дополнительно охватывая места соединения термоусадочными трубками 10. Переход проверяют на герметичность. Герметичный высокочастотный кабельный переход готов к помещению его в газоблокирующее устройство подземного сооружения.
Таким образом, конструкция кабельного перехода, содержащая согласованный металлостеклянный спай, обеспечивает герметичность и требуемые высокочастотные характеристики. При этом заявляемый переход является силовым элементом, на котором закреплены конструктивные элементы перехода, количество которых минимизировано. Конструкция кабельного перехода проста и технологична в изготовлении.
На предприятии была изготовлена опытная партия, которая подтвердила повышение качества измерений в широком частотном диапазоне применения заявляемого герметичного высокочастотного кабельного перехода.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
- заявляемый высокочастотный кабельный переход относится к области электротехники, а именно к магистральным электрическим высокочастотным линиям, применяемым в кабельных переходах;
- заявляемый высокочастотный кабельный переход при использовании способен обеспечить повышение качества измерений в широком частотном диапазоне применения герметичного высокочастотного кабельного перехода;
- для заявляемого высокочастотного кабельного перехода в том виде, в котором он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленный высокочастотный кабельный переход соответствует условию «промышленная применимость».