автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Исследование воздействия влаги на оптические кабели

Ы • íili-Ь/í8S8 '5

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Семенова Ирина Александровна ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЛАГИ НА ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ Специальность 05.09.02. - Электротехнические материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н. Рязанов И.Б.

Москва 1998

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВЛ - водопоглощающая лента

ВМ - водонабухающий материал

ВП - водонабухающий порошок

ВС - волоконный световод

ВЭ - водоблокирующий элемент

ОВ - оптическое волокно

ОК - оптический кабель

ОМ - оптический модуль

ПБТ - полибутилентерефталат

ПВХ - поливинилхлорид

ПЭ - полиэтилен

ПЭТФ - полиэтилентерефталат

ЦСЭ - центральный силовой элемент

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1. Анализ современного состояния проблемы исследования влагостойкости кабельных конструкций и их влагозащиты 10

1.1. Оптические волокна и влияние влаги на их свойства 11

1.2. Методы расчета радиальной герметичности электротехнических изделий 15

1.3. Современные способы защиты изделий от продольного распространения влаги 20

1.4. Выводы и постановка задачи 23

2. Исследование процесса диффузии влаги в многослойном цилиндре 25

2.1. Диффузия воды и влаги через полимерные материалы 25

2.2. Диффузия в однородном цилиндре 28

2.3. Диффузия в двухслойном цилиндре 32

2.4. Расчет коэффициента диффузии эквивалентного однородного сердечника 37

2.5. Диффузия в трехслойном цилиндре 40

2.6. Расчет коэффициента диффузии эквивалентного концентрического 42 слоя

3. Радиальная влагостойкость кабельных конструкций 44

3.1. Влияние влаги на характеристики ОВ 44

3.2. Экспериментальное определение концентрации насыщения влагой кабельных оболочек 51

3.3. Методика расчета радиальной герметичности ОК 5 5

4. Исследование процесса распространения влаги вдоль оси кабеля 60 4.1. Расчет длины проникновения влаги в кабель 60

4.2. Материалы, используемые для защиты кабеля от продольного распространения влаги 65

4.3. Исследование свойств водопоглощающих материалов в зависимости от составляющих компонентов 68

4.3.1. Свойства и состав водопоглощающих порошков 69

4.3.2. Факторы, влияющие на выбор компонентов водопоглощающего элемента 74

4.4. Исследование процессов, происходящих в канале с водопоглощ-ающим материалом при взаимодействии с водой 76

4.5. Расчет начальной длины проникновения воды в канал, содержащий водонабухающий материал 82

4.6. Исследование и разработка математической модели процесса распространения влаги в канале с водонабухающим материалом при длительном проникновении воды 85

4.6.1. Моделирование процесса с учетом гидрофильных и гидрофобных свойств водонабухающего материала 85

4.6.2. Моделирование процесса продольного распространения влаги в порошкообразном материале 90

4.6.3. Расчетно - экспериментальное определение "диффузионной" длины проникновения воды вдоль оси трубки, содержащей водонабухающий материал 96

5. Разработка конструкции и технологии изготовления оптического кабеля с использованием водонабухающих материалов 98

6. Технико-экономическое обоснование разработки 109 Заключение 112 Список литературы 115 ПРИЛОЖЕНИЯ 123

ВВЕДЕНИЕ

Создание оптических кабелей ( ОК) в настоящее время является приоритетным направлением развития кабелей связи. Своей полной нечувствительностью к электромагнитному полю оптические волокна (ОВ) гарантируют прекрасное качество передачи, кроме того длины регенерацион-ных участков ОК оставили далеко позади тот же показатель для коаксиальных кабельных линий. Существенным преимуществом ОК является их легкость и малый диаметр, емкость, надежность, универсальная инфраструктура на любом уровне сетей, таких как магистральная, областная, сеть доступа и др., а также возможность создания полностью неметаллических конструкций кабелей, что позволяет избежать повреждений от молний и образования водорода, вызванных металлом.

Необходимо обеспечение надежной эксплуатации волоконно-оптических линий связи в течение длительного времени, часто в экстремальных условиях.

Вода - один из факторов, оказывающих существенное отрицательное влияние на характеристики ОК. Основным функциональным элементом ОК является волоконный световод (ВС), по которому распространяется электромагнитное поле в виде информационных сигналов в оптическом диапазоне волн. Теоретически рассчитанная прочность ВС превышает ее экспериментальные значения. Это связано с наличием технологических дефектов, которые увеличиваются в процессе эксплуатации, в том числе и под воздействием влаги. Непосредственное влияние влаги на механические характеристики ВС изучено довольно хорошо. Но современные технологии производства ОК исключают возможность непосредственного контакта оптического волокна (ОВ) с влажной средой, а хорошая адгезия

акрилатных лаков, используемых в качестве первичной оболочки волокна, отверждаемых с помощью ультрафиолетового излучения, к поверхности кварцевого стекла устраняет возможность конденсации влаги на поверхности ОВ . В результате диффузии влага может проникнуть к ОВ только в виде отдельных молекул, которые будут адсорбироваться на активных центрах кварцевого стекла. Поэтому термин "относительная влажность воздуха" или "парциальное давление паров воды" в этом случае неприменимы. Необходимо определить концентрацию влаги, адсорбирующейся на поверхности световода в результате диффузии влаги через полимерные материалы, окружающие ОВ, а также выявить зависимость между концентрацией молекул воды на границе с ОВ и сроком службы.

Вопросы влагопроницаемости полимерных оболочек и конструкций электрических кабелей достаточно освещены в литературе. Но несмотря на то, что ОК давно и широко используются в различных областях, их влагопроницаемость почти не изучена.

В настоящее время при конструировании ОК стали уделять большое внимание его влагозащите, т. к. влага, проникающая в кабель, не только ухудшает характеристики ОВ, но и представляет угрозу для подключенной к кабелю аппаратуры.. Разрабатываются новые гидрофобные заполнения, создаются методики по определению совместимости влагозащитных материалов с другими материалами конструкции. Для защиты ОК от продольного проникновения влаги в случае его повреждения или неисправности соединительной муфты в конструкциях начали использовать водонабухающие материалы, обладающие некоторыми преимуществами в сравнении с традиционными герметизирующими составами. Но появление этих материалов многие потребители встретили с недоверием, в связи с тем, что нет необходимой информации об их

свойствах. Действительно, процессы, происходящие в водонабухающих материалах, и механизм проникновения влаги в конструкцию с таким материалом мало изучены и недостаточно освещены в литературе. Недостаточно проработана и технология производства кабелей с водопоглощающими элементами.

Изложенное определяет актуальность задачи изучения влагопроницаемости ОК в радиальном и продольном направлении, создания на основе этих исследований методик расчета влагостойкости конструкций в обычном и аварийном режиме и разработки рекомендаций по конструированию и технологии изготовления влагостойких ОК.

Целью настоящей работы являлась разработка методов определения продольной и радиальной влагостойкости ОК, проектирование конструкции ОК с использованием водопоглощающих материалов и разработка рекомендаций по технологии ее изготовления.

Предметом исследования данной работы являлись вопросы, связанные с разработкой методов определения влагостойкости ОК. К основным из этих вопросов относятся:

- изучение процесса диффузии влаги через многослойную систему, каковой является ОК;

- разработка методики расчета радиальной влагостойкости ОК;

- исследование процессов, происходящих в канале кабеля с водопоглощающим элементом, создание математической модели этого процесса;

- разработка методики расчета длины проникновения воды в ОК в случае аварии в течение времени, необходимого для устранения повреждения;

разработка конструкции и технологии изготовления кабеля с водонабухающим элементом.

При решении поставленных задач использовались методы математического анализа, операционного исчисления, теории диффузии и теплопередачи, экспериментальные методы, а также методы вычислительной математики, базирующиеся на ЭВМ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что разработан подход к решению проблемы определения влагостойкости конструкций ОК. Разработаны методы расчета герметичности ОК, в том числе и с использованием новых материалов, которые получили распространение в мировой практике конструирования ОК.

- исследовано влияние влаги, растворенной в материале ОВ на его характеристики ;

разработана методика расчета радиальной влагостойкости ОК;

- исследованы процессы, происходящие в канале кабеля с водонабу-хающим материалом;

- разработана методика расчета продольной, герметичности ОК с во-донабухающим материалом;

- спроектирована новая конструкция ОК с заполнением водонабу-хающим материалом не только промежутков между защитными элементами конструкции, но и межмодульного и внутримодульно-го пространства. Внесены предложения по технологии производства такого ОК.

Практической ценность работы: 1. Исследование поведения водонабухающего материала в канале кабеля при контакте с водой позволило подтвердить, что их использование в конструкциях ОК действительно позволяет защитить кабель от продольного распространения воды в течение времени, необходимого для устранения аварии. Технико-экономическое исследование конструкции с водонабухающими материалами подтверждает экономическую целе-

сообразность их использования. Следовательно можно рекомендовать их для изготовления конструкций ОК.

2. Разработанные в процессе работы методики расчета продольной и поперечной герметичности позволяет определить расчетным путем соответствие проектируемого кабеля требованиям заказчика. Эти методики могут использоваться для выбора конструктивных параметров ОК с точки зрения их герметичности.

3. Даны рекомендации по выбору оптимальной конструкции многоволоконного ОК с улучшенной герметичностью и технологии изготовления таких ОК, которые могут быть внедрены при создании серийного ОК связи.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса продольного распространения влаги в канале ОК;

метод определения продольной герметичности ОК с водонабу-хающим материалом;

результаты исследования процесса диффузии в многослойном

цилиндре;

- метод расчета радиальной герметичности ОК;

рекомендации по выбору конструкции с водопоглощающим материалом и технологии изготовления такого кабеля.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛАГОСТОЙКОСТИ КАБЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИХ ВЛАГОЗАЩИТЫ

Анализ зарубежной и отечественной научно-технической и патентной информации о конструировании и эксплуатации ОК позволяет выделить следующие тенденции:

- расширение функциональных возможностей ОК;

- уменьшение уровня затухания и модовой дисперсии передаваемых оптических сигналов;

- увеличение ширины полосы пропускания;

- повышение работоспособности в жестких эксплуатационных условиях (низких и высоких температурах, повышенном гидростатическом давлении, при воздействии агрессивных сред, в условиях повышенного содержания влаги в окружающей среде и в воде).

К числу наиболее жестко и постоянно действующих эксплуатационных воздействий на подводные и судовые ОК относится гидростатическое давление. В [ 1 ] исследована величина прироста коэффициента затухания в выпрямленном ОВ и ОК повивной скрутки в диапазоне гидростатического давления (0 - 600 атм). Выяснено, что одной из причин прироста коэффициента затухания при воздействии гидростатического давления на ОК является скручивание ОВ в кабельный сердечник. В работах [ 2, 3 ] рассматриваются конструкции, обладающие повышенной устойчивостью к гидростатическому давлению. В рассматриваемых кабелях волокна уложены в трубку из стали или прессованной пластмассы, заполненную герметизирующим материалом, поверх трубки сделан повив из стальных проволок.

Проблема устойчивости ОК к температурным воздействиям в литературе представлена в большей степени для низких температур, потому что обычно повышение потерь в ОК при низкой температуре больше, чем при высокой. Прирост коэффициента затухания в волокнах при низкой температуре в основном обусловлен изгибами и микроизгибами волокон и тесно связан с материалами первичной и вторичной оболочек ОВ и технологией. Микроизгибы ОВ возникают как вследствие поперечного, так и продольного сжатия. Применение кремнийорганического компаунда в качестве амортизирующего слоя позволяет существенно снизить прирост коэффициента затухания при поперечном сжатии.

Уменьшить низкотемпературное нарастание потерь можно за счет использования для ограничения аксиального сжатия ОВ в качестве компонента кабеля стальной проволоки [ 4, 5 ].

Особое внимание в последнее время уделяется вопросам влагостойкости кабелей [ 6 - 13] и созданию герметичных конструкций ОК для подводной, судовой прокладки, для работы в полевых условиях [14, 15, 16].

1.1. Оптические волокна и влияние влаги на их свойства

Как уже было сказано выше ВС является основным функциональным элементом ОК, по которому распространяется электромагнитное поле в виде волн оптического диапазона .

В случае проникновения молекул воды в оболочку ОВ, могут появиться оптические потери из-за нарушения режима распространения мод, их взаимодействия, появления дополнительных мод излучения и т.п. Эти потери определяют дополнительное затухание ВС и кабеля в целом. Но раньше, чем молекулы воды проникнут к оптической сердцевине, может начаться механическое разрушение волокна. ОВ неоднородно из-за неод-

нородности стекла, из которого оно изготовлено, а также из-за микротрещин, посторонних включений, структурных дефектов и т.д., являющихся механическими концентраторами напряжений. Под воздействием механической нагрузки эти дефекты приводят к разрушению ОВ. Вода является фактором существенно ускоряющим этот процесс. В работах [17-21] описываются процессы происходящие в стекле в результате его взаимодействия с влагой, поступающей в него из окружающей среды . Процесс разрушения волокна в условиях воздействия статической нагрузки и влаги рассматривается исходя из водной коррозии. Разрыв химических связей между молекулами особенно интенсивно протекает в вершине трещины ( в зоне с наибольшей концентрацией напряжений). Водная коррозия - это гидролиз напряженного кварцевого стекла, уменьшающий энергетические затраты на разрыв химической связи Si-O, энергия которой равна 106 ккал/моль. При гидролизе (рис. 1.1 ) происходит сначала реакция между атомом водорода молекулы воды и атомом кислорода растянутой механическим напряжением цепочки -Si-0-Si- ( рис. 1.1а). Образуется водородная связь (рис. 1.16). Неподеленная пара электронов атома кислорода молекулы воды образует ковалентную связь со свободными 3d- орбиталями атома кремния. Затем происходят переходы от водорода молекулы воды протона к кислороду стекла и от кислорода воды электрона к атому кремния. При этом образуется водородная связь (рис. 1.1 в), которая легко разрывается тепловыми движениями атомов. Энергия активации этого процесса U « 29 ккал/моль, что почти в четыре раза меньше энергии связи Si-O. Этим объясняется снижение прочности кварцевого стекла в присутствии паров воды.

Скорость роста трещины определяется скоростью реакции гидролиза кварцевого стекла

IM/.АМех^-т^} (1Л)

УЗ

у 0-и

Н I

_q__ ^ Рис.11. Модель гидролитического

| | -разрыва нйпряжгнной сьяъи -St-D-Sí

И I п0 тРе/Ч этапам

/к 1 6)

Si—D 0-5i —

SL-MH-Q-SL-*

и,м/с.

iо

■¿

10

;3

10 fo5

,-é

40

40

•2 /0

409

/

2

/

/

/

0,4 0,5 0,6 0,7 K<Mh¡M'Z

P^c. ^<2.. Ъъътимость скорости

РОСТА ТРЕЩИНЫ ь КВАРЦЕ&О/Ц стекле

от коэффициента интенсивности напряжении

4~ ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЛАЖНОСТЬ ОКРУЖАЮ-

ЩЬй среды 1оо'!<, 2- Важность ¿>°/

-23 ь

где ив- энергия активации химической реакции; у/ = 1,43- 10 см - ак-тивационный объем; А(ОН) - активность гидроксильных ионов на поверхности стекла; У0 - константа; а - действующее напряжение в окрестности дефекта; К - постоянная Больцмана; Т - температура, О- коэффициент диффузии.

и. и от влажности не зависят. Для постоянной температуры окружающей среды А(ОН) = Вс , где В„ - влажность среды, %; х - показатель степени.

Определена зависимость скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений и влажности (рис. 1.2).

Среднее время разрыва одной связи 8ьО с учетом гидролиза

г с= 0,25 • 1б'в"*'* ехр В , Х> = ^¿Г^ ■ (1.2)

Срок �