Kabelių konstrukcijų analizė

Tema	Elektronika
Tipas	Laboratorinis darbas
Aprašymas	Darbo tikslas. Praktiškai ištirti įvairių markių kabelių konstrukcijas. Susipažinti su kabeliuose naudojamomis medžiagomis, kebelių elementais.
Patalpinta	2005-08-20
Parsisiuntė	1232
	Parsisiųsti28 KB

Išsamus aprašymas

Teorinė dalis.
Kabeliu vadinama kreipiančioji sistema, kuri sudaryta iš tarpusavyje susuktų izoliuotų laidininkų, patalpintų į bendrą apsauginį apvalkalą ir šarvą.
Priklausomai nuo kabelio tarpusavio laidininkų padėties, fizinės grandys skirstomos į simetrines ir koaksialines 1 pav. ir 2 pav.
Simetrinė grandis 1 pav. sudaryta iš dviejų elektriškai ir konstruktyviškai visiškai izoliuotų laidininkų (gyslų).

1 pav. Simetrinė grandis
1) Laidininkas
2) Izoliacija

Koaksialinė grandis (2 pav.) – tai metalinis cilindras, kurio viduje patalpintas izoliuotas nuo jo laidininkas, kurio simetrijos ašis sutampa su cilindro simetrijos ašimi.
2 pav. Koaksialinė grandis
1) Vidinis laidininkas
2) Išorinis laidininkas
3) Laidininkų izoliacija

Simetrinėje grandyje kiekvienas laidininkas padengiamas izoliacija, o koaksialinėje izoliacija dedama tik tarp laidininkų. Todėl simetrinės grandies laidininkai dažnai vadinami srovei laidžiomis gyslomis,o koaksialinėje grandyje – vidiniu laidininku.
Laidu paprastai vadinamas vienas ar du izoliuoti arba neizoliuoti laidininkai neįeinantys į kabelio konstrukciją, o panaudojami savistoviai.
Kabeliai sudaryti iš simetrinių grandžių vadinami simetriniais, o iš koaksialinių grandžių – koaksialiniais. Kabelis, kuriame yra simetrinės ir koaksialinės grandys, vadinamos kombinuotu.
Tarpusavio ryšio tarp grandžių sumažinimui izoliuotos simetrinio kabelio gyslos tarpusavyje susukamos. Kartu susuktos gyslos vadinamos elementaria grupe. Į vieną grupę gali būt susukta viena, dvi, trys, keturios ir aštuonios simetrinės poros.
Koaksialinė grandis dažnai vadinama koaksialine pora.
Tarpusavyje susuktos elementarios grupės sudaro kabelio šerdį. Tai padidina kabelio mechaninį atsparumą, lankstumą ir jo atsparumą grandžių tarpusavio trukdžiams.
Šerdis, kaip taisyklė, apsukama keliais izoliacijos sluoksniais. Ji vadinama juostine izoliacija. Ji skirta:
- kabelio šerdies mechaninei apsaugai,
- šerdies sutvirtinimui,
- gyslų apsaugai nuo pavojingų išorinių įtampų,
- gyslų termoizoliacijai kabelio gamybos metu.

Apsauginiai hermetiniai apvalkalai, dedami virš juostinės izoliacijos ir yra skirti:
- gyslų izoliacijos apsaugai nuo drėgmės,
- apsaugai nuo mechaninių poveikių transportavimo, paklojimo ar eksploatacijos metu.
Priklausomai nuo medžiagos apvalkalai skirstomi į tris pagrindines grupes:
- metaliniai (švino, aliuminio, plieno)
- plastmasiniai (polietileniniai, polivinilehloridiniai ir kt.)
- metaloplastmasiniai (alpet, svipet, stalpet ir kt.)
Metaliniai apvalkalai apsaugo kabelį nuo išorinių elektromagnetinių laukų.
Kabeliuose su plastmasiniu apvalkalu virš juostinės izoliacijos dedamas aliuminių juostų ekranas. Juostų storis bei kiekis priklauso nuo kabelio talpos. Po arba virš ekrano randasi varinis laidas, kuris įžemina ekraną ir skirtas kabelio elektriniams matavimams.
Švino apvalkalas patikimas, hermetinis, tačiau blogas ekranas. Jis brangus ir deficitinis. Šiuo metu plačiau naudojami aliuminio, plieno bei plastmasiniai apvalkalai.
Aliuminiai apvalkalai pilnai tenkina apsauginiams apvalkalams keliamus reikalavimus ir turi geras ekranuojančias savybes.
Plieno apvalkalai turi geras mechanines savybes, tačiau plieninės juostos kaip apvalkalai retai naudojami.
Aliuminio ir plieno apvalkalai turi būti apsaugoti nuo korozijos. Kad kabelis su šiais apvalkalais būtų lankstūs (kai  > 2cm), jie yra gofruojami.
Plastmasiniai apvalkalai be ekrano negali būti naudojami. Plastmasė difuzijos pasėkoje laikui bėgant nustoja savo izoliacinių savybių.
Optimaliu sprendimo variantu yra laikoma, kai naudojamos kombinuotas apvalkalas iš aliuminio ar plieno ir polietileninio vamzdžio.
Kabeliuose su ištisine drėgmei atsparia gyslų izoliacija, geri rezultatai gaunami kai monolitinis apvalkalas padarytas iš aliuminio ir polietileno. Naudojami dvisluoksniai ekranuojantys apvalkalai: aliuminis – plienas, aliuminis – švinas, kurie patikimai apsaugo nuo elektromagnetinių poveikių ir žaibo.

Šarvų paskirtis apsaugoti kabelių apvalkalus nuo mechaninių poveikių ir korozijos. Kabelio išorinis apsauginis sluoksnis susideda iš trijų pagrindinių dalių:
- plieninio šarvo,
- viršutinio audinio sluoksnio,
- apatinio audinio sluoksnio.
Apatinis audinio sluoksnis, vadinamas pagalve, apsaugo kabelio apvalkalą nuo pažeidimo šarvu. Viršutinis audinio sluoksnis apsaugo šarvą nuo korozijos. Naudojamos keturios šarvų rūšys:
- dvi spirale užvyniotos plieninės juostos Б,
- plokščių plieninių laidų apvija П,
- apvalių plieninių laidų apvija K,
- kombinuotas dvigubas šarvas KK, ПK,
Bendras kabelio vaizdas ir šarvų tipai duoti 3 pav.
3 pav. Kabelio šarvų konstrukcija
Kabelio laidininkai būna variniai arba aliuminiai. Jų forma visuomet cilindrinė. Simetriniuose kabeliuose SK gyslos visuomet ištisinės (vienalytės), koaksialiniuose kabeliuose KK išorinis laidininkas būtinai vamzdelio formos. SK laidininkai gali būti daugialaidžiai.
KK išorinių laidininkų konstrukcijos dažniausiai būna aliuminio ar vario vamzdeliai, pynutė iš varinių laidų, varinių juostų spiralė (4 pav.).
SK naudojamų gyslų diametrai:
a) magistralinis – 0,8; 0,9; 1,0; 1,2; 1,4 mm
b) miesto telefono tinklams – 0,35; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 mm.
Jei naudojamos aliuminio gyslos, tai jų diametras 1,26 karto didesnis negu varinių gyslų. Tuomet išauga kabelio diametras ir reikia daugiau kabelio apvalkalui brangaus švino. Aliuminės gyslos rentabilesnės kabeliuose be švino apvalkalų.4 pav. Koksialinių kabelių laidininkų konstrukcija
1) Žaibo tipo,
2) Gofruotas,
3) Spiralinis,
4) Pinutė.

Izoliacijos kokybė priklauso nuo izoliacinės medžiagos savybių bei elektrinių parametrų:
- pramušimo įtampos
- dielektrinės skverbties, kuri charakterizuoja dielektriko poliarizaciją
- specifinės elektrinės varžos, kuri charakterizuoja nuotekio srovės dydį dielektrike
- nuostolių kampo tangento (tg δ), kuris charakterizuoja aukšto dažnio nuostolius dielektrike.
Ryšių kabeliuose svarbu gauti minimalius grandžių slopinimus. Tai gali būti pasiekta sumažinus grandžių talpumus ir izoliacijos laidumą. Tam tikslui kabelio gyslų izoliacijai naudojamas aukšto dažnio dielektrikas.
Geriausias dielektrikas yra oras, jo dielektrinė skverbtis E=1, turi mažą tg δ~0 ir laidumą artimą begalybei. Tačiau padaryti izoliaciją vien tik iš oro konstruktyviškai neįmanoma. Todėl naudojami kiri dielektrikai.
Perduodant elektromagnetinę energiją kabeliais, visuomet gaunami nuostoliai metale, kurie proporcingi dažniui, ir dielektrike, kurie proporcingi . Norint perduoti kabeliu platesnį dažnių spektrą, pirmiausia reikia mažint nuostolius dielektrike. Todėl naudojami dielektrikai su geromis elektrinėmis charakteristikomis: stirofleksas, polietilenes ir kt.
Kad sumažinti grandžių talpumus bei izoliacijos laidumą, didinamas atstumas tarp gyslų, panaudojant įvairius susukimus ir t.t.
SK naudojama sekanti kombinuota gyslų izoliacija: kordelinė – popierinė, kordelinė – stirofleksinė, balioninė, kordelinė – vamzdelinė ir kt.

Ištisinė izoliacija daugiausia naudojama povandeniniuose kabeliuose (polietileninė), radijo dažnių ir magistraliniuose kabeliuose, kurie neturi metalinio apsauginio apvalkalo.
Kabelių gyslų izoliacija būna popierinė ir plastmasinė (polivinilehloridas, polietilenas).
KK izoliacijai naudojama išimtinai aukšto dažnio dielektrikai, pirmiausia polietilenas, polistirolas. Izoliacijos konstrukcija būna diskinė, balioninė, akyta ir kt. Kabelio gyslų izoliacijų tipai duoti 5 pav.
Perspektyvoje numatoma panaudoti tik plastmasines medžiagas gyslų izoliacijai.
5 pav. Ryšių kabelių izoliacijos tipai
Gyslų susukimo į grupes būdai yra šie:
- porinis susukimas (Π),
- žvaigždinis susukimas (3),
- dvigubas porinis (DΠ),
- aštuoniukės susukimas.
Visi susukimo būdai yra parodyti 6 pav. Kartais gyslos susukamos į trejukę, šešiukę ir aštuoniukę pagal dvigubą žvaigždinį susukimą (D3).
Porinis susukimas (Π) naudojamas vietinio ryšio kabeliuose ir tik atskirais atvejais tolimojo ryšio kabeliuose. Žvaigždinis susukimas 3 yra pagrindinis tolimo ryšio kabeliuose, kuris užtikrina gerus elektrinius parametrus. Šis susukimas taip pat naudojamas konstruojant ir miesto magistralinius kabelius ypač su dideliu grandžių skaičiumi.
Paskutiniu metu naudojamas, taip vadinamas, aštuoniukės susukimas, kai aštuonios gyslos koncentriškai patalpinamos aplink izoliacinę šerdį.
Iš aštuonių gyslų sudaromos dvi ketveriukės: viena – su nelyginiais gyslų numeriais, o antra – su lyginiais gyslų numeriais. Be to dar sudaromos dvi fantominės grandys bei viena superfantominė, kuri sudaryta iš dviejų fantominių.
Į trejukę sukamos tiktai stotinių kabelių gyslos (2 gyslos sudaro telefoninę grandį, o trečioji gysla – signalinė grandis).
Susukta grupė, apvyniota keliais sluoksniais izoliacinės juostos, vadinama sustiprinta. Susukta grupė, apvyniota keliais sluoksniais popierinės juostos ir varine juosta arba metalizuota popierine juosta, vadinama ekranuota.
6 pav. Ryšių kabelių susukimų tipai
Kabelio šerdies sudarymas.
Pagal kabelio elementų rūšį skiriami šie susukimai:
- paprastas, kai atskiros izoliuotos gyslos susukamos kartu. Toks susukimas naudojamas daugiagysliuose kabeliuose, kurie dirba pagal vienlaidę ryšio schemą (signalizacijos ir blokavimo kabeliai);
- sudėtingas, kai atskiros izoliuotos gyslos papildomai susukamos į elementarias grupes, o paskui šios grupės susukamos kartu, kurios sudaro kabeliošerdį. Šis susukimas pagrindinai naudojamas visuose ryšių kabeliuose.
Sudėtingas susukimas skirstomas į:
- vienatinį susukimą, kai kabelio šerdis sudaryta iš vieno tipo grupių
- nevienatipį susukimą, kai šerdis sudaryta skirtingo tipo grupių pagal struktūrą (skirtingi gyslų diametrai, skirtinga gyslų izoliacija, įvairios susukimų rūšys) ir turinčios, tuo atveju nevienodą grupių diametrą.
Vienatipis sudėtingas susukimas naudojamas miesto ir kaimo ryšių kabeliuose, o taip pat žemų ir aukštų dažnių tolimojo ryšio kabeliuose.
Nevienatipis sudėtingas susukimas naudojamas tolimo ryšio kombinuotuose kabeliuose.
Priklausomai nuo kabelio šerdies sudarymo būdo, yra skiriamas sluoksninis ir pluoštinis susukimas 7 pav.
Esant sluoksniniam susukimui, grupės iš pradžių susukamos į pluoštus, kurie susideda iš kelių dešimčių grupių (50 ar 100) paskui pluoštai susukti tarpusavyje sudaro kabelio šerdį.
Sluoksninis susukimas naudojamas vietinio ir tolimojo ryšio kabeliuose, pluoštinis – tiktai daugelio porų miesto telefoniniuose kabeliuose.
Esant vienatipiam susukimui, grupių skaičiaus pasiskirstymas sluoksniuose skaitant nuo centrinio, didėja po šešias grupes einant nuo kabelio centro į periferiją, jei centriniame sluoksnyje yra nuo dviejų iki penkių grupių, jei centre bus viena grupė, tai antrame sluoksnyje bus ne septynios grupės, o šešios. Tuomet sekančiuose sluoksniuose grupių skaičiaus padidėjimas bus lygus 6.
Kiekvienos šerdies sluoksnis, išskyrus paskutinį apsaugomas audiniu.
Kad lengviau būtų surasti grupes sluoksnyje, įvedamos kontrolinės grupės. Kiekviename sluoksnyje turi būti ne mažiau kaip viena kontrolinė grupė, kuri būna nudažyta taip, kad smarkiai skirtųsi nuo kitų grupių, išdėstytų tame pačiame sluoksnyje. Tuomet reikiama grupė randama, atskaitant pagal tam tikrą dėsnį (pvz, pagal laikrodžio rodyklę) grupes nuo kontrolinės grupės.
Gyslų susukimo tikslas yra:
- tarpusavy stabilizuoti gyslų padėtį tuo pačiu ir grandinės parametrus ir sumažinti grandžių tarpusavio ryšį
- sumažinti įtempimus, atsirandančius kabelio gyslose lankstant kabelį
- sudaryti abiem grandies gysloms vienodas sąlygas išorinių trukdžių šaltinių atžvilgiu
Grupių susukimas šerdyje sumažina grandžių tarpusavio ryšį. Esant žvaigždiniam susukimui, išvengiama tarpusavio ryšio dėka to, kad išsilygina talpuminė ir induktyvinė grupių asimetrija.
Esant aštuoniukės susukimui, ryšio koeficientai tarp ketveriukės grandžių, o taip pat ryšio koeficientai tarp grandžių ir skirtingų ketveriukių lygūs nuliui.
Kuo mažesnis susukimo žingsnis, tuo geriau išsilygina elektromagnetinio ryšio ir simetrijos koeficientai, bet tuomet labiau padidėja grandies ilgis lyginant su kabelio ilgiu. Šiuo atveju:
1) padidėja medžiagų išlaidos gaminant kabelį – jis brangsta
2) padidėja grandžių slopinimo koeficientas
3) gaunamos grandžių deformacijos
Dideli susukimo žingsniai ekonomiškesni, net neužtikrina mechaninio grupių stabilumo.
Paprastai grupių susukimo žingsnis parenkamas 8 350 mm, o sluoksnių susukimo žingsnis 400-600 mm.

7 pav. Susukimo sistemos

Tolimojo ryšio kabelių žymėjimas ir numeracija.
Kabelio galai ant būgno žymimi: viršutinis – A, apatinis – Б, A gale, esant žvaigždiniam susukimui gyslos ketveriukėje išdėstomos kaip parodyta 8 pav. Tėvyninės gamybos kabeliuose ketveriukės pirmoji pora sudaryta iš 1 ir 2 gyslų, o antroji – iš 3 – 4 gyslų. A gale ketveriukių atskaitymas sluoksnyje vykdomas nuo kontrolinės ketveriukės pagal laikrodžio rodyklę.
Ketveriukių numeracija ir spalva kabelių MKC, MKCA, 4x4x, 1, 2 yra sekanti: 1 raudona, 2 - žalia, 3 – mėlyna, 4 – geltona.

8 pav. Gyslų atskaitymas ketveriukė, esant žvaigždiniam susukimui.

Ryšio kabelių markiravimas pažymi kabelio konstruktyvinius ypatumus, pažymint juos raidėmis bei skaičiais.
Pirmos markiruotės raidės pažymi kabelio panaudojimo sritį ir konstrukciją:
YK - magistralinis (tarpmiestinis) kabelis,
KM - koaksoalinis magistralinis,
T - miesto telefoninis,
3K - zoninio ryšio kabeliai,
KC - kaimo ryšio kabeliai,
KП - povandeniniai koaksialiniai kabeliai,
PK - radijo dažnių koaksialinis kabelis.
Sekanti markiruotės raidė MK, T tipo kabelių parodo gyslų izoliacijos medžiagą:
C - kordelinio – stirafleksinė izoliacija,
П – polietilenas,
ПП - akytas polietilenas.
Jei MK ir T tipo kabeliuose nėra raidės, kuri žymi izoliacijos tipą, tai gyslų izoliacija yra popierinė.
Sekanti kabelio markės raidė pažymi apvalkalo medžiagą:
A – aliuminis,
П – polietilenas,
B – polivinilchloridas.
Jei kabelis neturi šarvo, tai švino apvalkalas žymimas raide Г. Jei markiruotėje nėra raidės žyminčios apvalkalo tipą, tai bus kabelis su švino apvalkalu.
Sekanti raidė parodo kabelio šarvo tipą:
Б - dvi plieninės juostos,
K - apvali viela,
П - plokšti viela,
B - viršuje plieninių juostų – vinilinis vamzdis.
Po markiruotės raidžių eina skaičiai:
a) pirmas skaičius - skaičius elementarių grupių,
b) antras skaičius - gyslų skaičius grupėje,
c) trečias skaičius - gyslų diametras, mm,


KABELIŲ GRUPĖS

Magistraliniai koaksialiniai kabeliai.
Tėvyninės gamybos keturių koaksialinių porų kabelis KMБ – 4x2,6/9,4 su diskine polietilenine izoliacija ir su švino apvalkalu (9 pav.) turi aukštas elektrines charakteristikas. Jis naudojamas iki 8,5 MHz su aparatūra K – 1920. Patobulintas kabelis naudojamas iki 17 MHz.

Raktiniai žodžiai

• kabeliu markes
• kabeliu rusys
• kabeliu markiravimas