Коаксиальные кабели с изоляцией физического вспенивания

Идея вспенивания полиэтилена с помощью сжатого газа родилась в нашей стране, но как это уже неоднократно случалось в истории, перебралась вместе со своим создателем на запад. Там эта идея получила техническое воплощение и развитие. Новая технология получила название физического вспенивания или газовой инжекции и теперь широко используется при производстве изоляции телефонных, компьютерных и, конечно, радиочастотных кабелей (РК). Первая такая линия на постсоветском пространстве была запущена в Самарской кабельной компании (СКК) в 1995 году для производства кабелей связи. Используя накопленный опыт, в плане расширения производства, в 2002 году СКК приобрел более мощную экструзионную линию, позволяющую обеспечить производство радиочастотных кабелей.

В основу производства была положена новая серия коаксиальных кабелей, разработанная научно-производственным предприятием «Спецкабель» - ТУ 16.К99-006-2001. «Кабели для систем кабельного телевидения и видеонаблюдения», которые предполагают два варианта технологии наложения изоляции: химическое вспенивание, как наиболее доступную в современных российских условиях технологию, и физическое вспенивание, позволяющее повышать технический уровень кабелей по мере развития производственной базы кабельных предприятий. Внешне кабели с химически и физически вспененной изоляцией отличить достаточно трудно: габаритный ряд (диаметр по изоляции) у кабелей одинаковый, принятый в соответствии с отечественным (ГОСТ 11326.0-78) и международным (МЭК61196-1) стандартами, позволяющими соблюсти унификацию используемых соединителей.

Физическое вспенивание позволяет делать изоляцию с меньшей плотностью, чем при химическом, что в свою очередь, при нормированном волновом сопротивлении кабелей дает возможность увеличить (в пределах допуска) диаметр внутреннего проводника и, как следствие, снизить потери в кабелях (примерно на 5%). В целом, снижение коэффициента затухания в кабелях с пористой изоляцией, полученной по методу физического вспенивания, гораздо более значительное и при частотах 1-1000 МГц может достигать 30-35%, что связано с уменьшением коэффициента диэлектрических потерь (tgδ) материала изоляции с (6...9)·10^-4 до (1...3)·10^-4. Это обусловлено тем, что при химическом вспенивании используются химические реагенты, которые с одной стороны обеспечивают процесс порообразования, но с другой — ухудшают диэлектрические свойства изоляции. Процесс физического вспенивания полиэтилена лишен данного недостатка, поскольку не требует введение пенообразующих химических добавок, ухудшающих его диэлектрические свойства.

Физически вспененный полиэтилен приобретает еще одно важное свойство: образующиеся микропоры имеют замкнутую ячеистую структуру. Такая структура препятствует проникновению влаги вглубь изоляции и, как это будет показано ниже на примере сравнительных климатических испытаний, повышает эксплуатационную надежность кабелей. Изоляция современных кабелей имеет три слоя и изготавливается по так называемой технологии «skin-foаm-skin», это значит, что на внутренний проводник одновременно накладывается три слоя изоляции: тонкий слой сплошного полиэтилена, основной слой вспененной изоляции и, опять же, тонкий наружный слой полиэтилена. Такая конструкция изоляции обеспечивает хорошую адгезию с внутренним проводником и гладкую наружную поверхность, что в свою очередь, обеспечивает высокую однородность волнового сопротивления по длине кабеля и позволяет получить высокую стабильность параметров передачи кабелей, как в исходном состоянии, так и после их монтажа на объекте и в процессе эксплуатации.

Преимущества современной технологии наложения пористой полиэтиленовой изоляции физического вспенивания очевидны и в наших современных условиях, речь может идти о ее доступности или недоступности для отдельных производителей кабелей. Эту проблему НПП «Спецкабель» решает в кооперации с кабельными заводами имеющими необходимое экструзионное оборудование. Помимо изоляции, существенное значение, с точки зрения надежности и уровня электрических параметров, имеет конструкция внешнего проводника радиочастотного кабеля. Внешние проводники кабелей могут быть в виде оплетки из медных или медных луженых проволок. Медная оплетка плотностью 92% обеспечивает затухание экранирования порядка 45...50 дБ. Такая же оплетка, но луженая повышает уровень экранирования еще на 10 дБ. Однако, при частотах выше 100 МГц, из-за многопроволочности в кабелях с внешними проводниками в виде оплетки существенно возрастают потери, которые растут с повышением частоты сигнала. Поэтому в радиочастотных кабелях, используемых для передачи телевизионных сигналов, практикуется использование двойных экранов, где поверх ламинированной алюминиевой фольги накладывается оплетка из медных луженых проволок. Для кабелей, требующих повышенной надежности при эксплуатации в условиях повышенной влажности, алюминиевою фольгу лучше заменить на медную. Использование в качестве внешнего проводника ламинированной медной фольги и оплетки из медных проволок позволяет уменьшить коэффициент затухания на 5%, и примерно, на такую же величину повысить затухание экранирования.

Как уже говорилось выше, разработанные в рамках ТУ 16.К99-006-2001 коаксиальные кабели допускают два варианта наложения вспененной изоляции. Поэтому, чтобы различать кабели с физически вспененной изоляцией, в их маркировке добавляется индекс «ф». Так, например, кабель по типу RG 6/U c изоляцией полученной по методу физического вспенивания, имеет маркировку РК 75-4,8-31ф.*

* В данном случае и в дальнейшем, упоминание о принадлежности кабелей к тому или иному типу «RG» имеет, по большей части, условный характер и используется для обозначения габаритного ряда кабелей, возможности использования типовых соединителей для их оконцевания.

В таблице 1 представлены конструкции телевизионных кабелей типа RG-59 — кабели с изоляцией полученной по методу физического вспенивания марок РК 75-3,7-35ф, РК 75-3,7-33ф и РК 75-3,7-311ф. Для сравнительной характеристики, в таблице 1приведены параметры кабеля марки РК 75-4-11, имеющего сплошную полиэтиленовую изоляцию и выпускаемого по ГОСТ113268-79. Частотные зависимости коэффициента затухания представлены в таблице 2 и на рис. 1. Кабели марок РК 75-4-11 и РК 75-3,7-35ф имеют схожие конструкции: однопроволочный внутренний проводник и внешний проводник в виде оплетки, но, тем не менее, кабель марки РК 75-3,7-35ф при меньшем габарите, как мы видим, имеет меньший уровень потерь, что обусловлено применением изоляции физического вспенивания. У кабеля марки РК 75-3,7-35 с изоляцией химического вспенивания уровень потерь выше, чем у РК 75-3,7-35ф, а при частотах более 100 МГц, график частотной зависимости коэффициента затухания пройдет выше кривой 1 (на рисунке не показано). Указанные кабели используются в отечественной абонентской сети для передачи телевизионных сигналов в диапазоне частот 48...862 МГц, при этом в современных условиях диапазон частот может быть значительно расширен, поэтому мы ведем нормирование параметров телевизионных кабелей до частоты 2150 МГц. В системе интерактивного телевидения используется обратный канал, который занимает полосу частот 5...42 МГц. Если использовать кабели в системе видеонаблюдения, то частотный спектр видеосигнала определяет частотную полосу работы кабелей — 0...10 МГц. В данном случае для работы в низкочастотной области лучшие параметры будет иметь кабель марки РК 75-3,7-311ф. К сожалению, при подготовке этого материала у нас не было возможности измерить коэффициент затухания при частотах ниже 100 кГц, но тенденцию изменения потерь уже можно определить по значениям, приведенным для данной частоты (табл. 2).

Наиболее массовое применение в системах кабельного и спутникового приема телевидения в абонентской распределительной сети получили радиочастотные кабели типа RG-6. В таблице 3 представлены конструкции двух марок кабелей этой серии, причем один из кабелей дан в двух исполнениях — РК 75-4,8-31 с изоляцией химического вспенивания и РК 75-4,8-31ф с изоляцией физического вспенивания. Сопоставление частотных зависимостей коэффициента затухания показано в таблице 4 и на рис. 2. Такое сопоставление наглядно иллюстрирует на сколько отличаются частотные параметры двух кабелей, изготовленных с применением различных технологий вспенивания полиэтиленовой изоляции. Более того, отличается стойкость указанных кабелей к воздействию повышенной влажности воздуха. Пунктирной линией показано предполагаемое изменение коэффициента затухания кабелей после их выдержки в климатической камере с относительной влажностью воздуха 98% при температуре 350С в течение 21 суток. При проведенном испытании было зафиксировано увеличение потерь в кабеле с полиэтиленовой изоляцией химического вспенивания при частоте 1 ГГц до 20%, а в кабеле с изоляцией физического вспенивания соответствующее увеличение потерь составило 3%. Другим важным фактором, влияющим на надежность коаксиальных кабелей при эксплуатации в условиях повышенной влажности, являются коррозионные процессы, разрушающие алюминиевую фольгу в конструкции внешнего проводника широко используемых в настоящее время кабелей типа РК 75-4,8-31ф. Речь идет о слабой, но все же реально существующей электрохимической паре, возникающей при контакте алюминиевой фольги ламинированной лавсановой пленкой и лужеными припоем медными проволоками оплетки. Как показали наблюдения автора, после нескольких лет эксплуатации кабеля аналогичной конструкции в условиях уличной прокладки, в местах контакта с оплеткой алюминиевый слой со временем начинает разрушаться. Такой проблемы не возникает у кабелей, в которых алюминиевая фольга заменена на медную. С этой точки зрения, следует обратить внимание на кабели марок: РК 75-3,7-311ф, РК 75-4,8-34ф, РК 50-3-35 и РК 50-7-35, у которых внешний проводник выполнен из продольно завернутой медно-лавсановой ленты и наложенной сверху оплетки из медных проволок.

Конструкции коаксиальных кабелей с волновым сопротивлением 50 Ом представлены в таблице 5. Из традиционных, давно используемых для систем радиосвязи, здесь приведены конструкции кабелей со сплошной полиэтиленовой изоляцией (РК 50-3-15 и РК 50-7-11), имеющие многопроволочный внутренний проводник и внешний проводник в виде оплетки. Не вдаваясь в особенности физико-механических и эксплуатационных параметров кабелей различного конструктивного исполнения, сравним их частотные зависимости коэффициента затухания (табл. 6 и рис. 3). Весьма показательна характеристика для кабеля марки РК 50-7-11, для которого из-за частотных зависимостей потерь в многопроволочном внутреннем проводнике и оплетке, коэффициент затухания при частотах более 20...30 МГц превысит величину характерную для кабеля меньшего габарита — РК 50-4,8-32, а при частотах более 2000... 2500 МГц РК 50-7-11 можно заменить на РК 50-3-35.

НПП «Спецкабель» совместно с другими кабельными заводами, будет продолжаться по мере развития, необходимой для этого, технологической базы производства пористой полиэтиленовой изоляции физического вспенивания. Выпускаемые в настоящее время, относительно не большие партии кабелей (в том числе, приведенных в данной статье марок) пока не рассчитаны на массового потребителя. Однако, те заводы которые нацелены на массовое производство телевизионных кабелей и внедряют современную технологию наложения вспененной изоляции, смогут, на мой взгляд, занять заметное место на отечественном рынке между дешевой китайской и качественной европейской кабельной продукцией.

В данном плане, НПП «Спецкабель» ориентируется на разработку и производство относительно дорогих, но высококачественных радиочастотных кабелей с изоляцией физического вспенивания под запросы конечных потребителей, работающих в области создания современных систем телевидения, видеонаблюдения и радиосвязи.

Таблица 1. Конструктивные параметры испытуемых кабелей

Таблица 2. Частотные характеристики испытуемых кабелей

Таблица 3. Конструктивные параметры испытуемых кабелей

Таблица 4. Частотные характеристики кабелей до и после климатических испытаний

Таблица 5. Конструктивные параметры испытуемых кабелей

Таблица 6. Частотные характеристики испытуемых кабелей

Принятые сокращения:

1. ПЭ = сплошной полиэтилен;
2. ППЭ = пористый полиэтилен химического вспенивания;
3. ППЭф = пористый полиэтилен физического вспенивания;
4. СПЭ = светостабилизированный полиэтилен;
5. ПВХ = поливинилхлорид;
6. Ал.лавс. = ламинированная полиэтилентетрафтолатом алюминиевая фольга;
7. М.лавс.= ламинированная полиэтилентетрафтолатом медная фольга;
8. М. = мед.

Лобанов А.В.,
кандидат технических наук, Генеральный директор ООО НПП «Спецкабель»

* информация получена из частной беседы от руководителя отдела высокомолекулярных соединений ОКБ КП г-на Рывкина Г.А.