Для прокладки в грунтах категорий I–III, а также для мест (территорий) с наличием грызунов, как правило, применяют кабели с дополнительной защитой от механических нагрузок и повреждений [1–3].
В качестве такого рода защиты монтажных кабелей, в том числе, кабелей для передачи данных может выступать броня (защитный элемент), выполненная в одном из следующих видов:
- оплётка стальными оцинкованными проволоками номинальным диаметром не менее 0,3 мм с коэффициентом поверхностной плотности не менее 70 %;
- повив из стальных оцинкованных круглых проволок диаметром не менее 0,9 мм, наложенный поверх оболочки кабеля.
Повышенные механические нагрузки, испытываемые кабелем, которые могут возникать как во время прокладки (тяжения), так и при его эксплуатации, необходимо устанавливать в технических условиях в качестве руководства для потребителя с тем, чтобы оградить кабель от преждевременного повреждения до начала функционирования, а также гарантировать его надёжную работу в различных грунтах.
Для этого была поставлена задача экспериментальной оценки зависимости основных электрических параметров монтажных кабелей от прикладываемой к ним в продольном направлении растягивающей нагрузки, а также их прочности при разрыве.
Применённая методика оценки, конечно, носит ориентировочно-моделирующий характер и не показывает напрямую поведение кабелей при непосредственном расположении в грунте, поскольку испытания проводились на воздухе и при комнатной температуре. Тем не менее, полагаем, что полученные данные испытаний, представленные в настоящей статье, будут полезны специалистам, разрабатывающим данные виды кабелей и проектировщикам систем автоматизации, их применяющим.
Проведённые в предшествующие годы специалистами НПП «Спецкабель» испытания на растяжение кабелей с оплёточной бронёй позволили определить разрывную прочность данных кабелей. В среднем значения предельных усилий, в зависимости от количества и суммарного сечения токопроводящих жил (ТПЖ) составили от 1,5 до 3,5 кН.
В последующем были проведены новые испытания по определению характеристик кабелей с бронёй в виде повива из стальных оцинкованных проволок диаметром 1,2 мм в процессе приложения к ним растягивающего усилия до момента разрыва кабелей.
Результаты проведённых исследований и выводы по ним представлены далее в настоящей статье.
Для исследований было отобрано четыре типа монтажных кабелей. Конструкция кабелей указана в таблице 1; при этом образец № 4 был выбран в качестве контрольного для подтверждения ранее проведённых испытаний и получения дополнительной информации по поведению электрических параметров при воздействии растягивающей нагрузки на кабель.
Таблица 1
Конструкция испытанных образцов
| Элемент | № образца | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Тип кабеля | ||||
| «КунРс В» ТУ 16.К99-043–2011 | «Скаб 250» ТУ 16.К99-061–2013 | «КИПвЭ» ТУ 16.К99-025–2005 | «Скаб 660» ТУ 16.К99-061–2013 | |
| Токопроводящая жила (ТПЖ) | Медные многопроволочные | Медные лужёные многопроволочные | ||
| 6 мм2 | 1,5 мм2 | 0,37 мм2 | 1,0 мм2 | |
| Изоляция | Кремнийорганическая резина | Безгалогенная композиция | Вспененный полиэтилен | ПВХ-пластикат |
| Скрутка | В пучок 5 жил | В пучок 4 жилы | В пары с полипропиленовыми нитями; 4 пары – в пучок | В пары;2 пары – параллельно друг другу |
| Общий экран | Нет | Ламинированная алюминиевая фольга и оплётка из лужёных медных проволок плотностью | ||
| 60 % | 90 % | 60 % | ||
| Заполнение под оболочкой | Полимерное, экструдированное | Нет | Полимерное, экструдированное | |
| Оболочка | ПВХ-пластикат | Безгалогенная композиция | Светостабилизированный ПЭ | ПВХ-пластикат |
| Броня | Повив стальными оцинкованными проволоками Æ1,2 мм  | Оплётка из стальных оцинкованных проволок Æ0,3 мм; плотность 70 %  | ||
| Защитный шланг | ПВХ-пластикат | Безгалогенная композиция | Светостабилизированный ПЭ | ПВХ-пластикат |
| Наружный диаметр кабеля, мм | 26,5 | 17,5 | 17,5 | 20,5 |
Общая длина каждого из испытуемых образцов кабелей составляла 100 м, из которых длина участка кабеля, подвергавшегося растяжению, – 42 м; длина на заправочных колёсах и выводные концы – 13 и 45 м, соответственно (суммарно 58 м).
Стоит отметить, что для большей корректности и точности измерений длина выводных концов могла быть сведена до нескольких метров, но это намеренно не было сделано в предположении, что в реальных условиях длина кабеля, подвергаемая растяжению (усилиям сдвига) в грунте может быть далека от 100 % строительной длины кабеля. То-есть она составит около половины общей длины проброса от выхода до входа приёмо-передающей аппаратуры в системе.
Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 12182.5 «Кабели, провода и шнуры. Метод проверки стойкости к растяжению» в лаборатории АО «Москабель-Фуджикура» на испытательной установке FA-10 производства компании Swiss Cab с предельным разрывным усилием 100 кН. При этом для контроля изменяющихся при растяжении электрических параметров испытываемых образцов кабелей использовался измеритель иммитанса Е7-20.
Процедура испытаний заключалась в следующем. После заправки кабеля на испытательном стенде и вывода двух остаточных концов производилось измерение параметров кабеля в исходном состоянии. Далее к образцу прикладывалось продольное усилие, кабель растягивался, после чего процесс растяжения кабеля намеренно прерывался при определённых значениях прикладываемого усилия, и производился замер заданных электрических параметров кабеля в этом положении. Процесс растяжения и замера требуемых значений производился до тех пор, пока не происходил полный разрыв кабеля.
Для образца № 1 в качестве контролируемого параметра было выбрано электрическое сопротивление ТПЖ; для образцов № 2–4 дополнительно измерялись электрическая ёмкость, волновое сопротивление и затухание выбранных рабочих пар на растягиваемом участке. В качестве конечного результата принимались их относительные изменения в сравнении с исходными значениями, абсолютным и на единицу длины кабеля (погонным).
Обработка результатов измерения электрических параметров производилась по следующим формулам.
Относительное изменение погонного сопротивления токопроводящей жилы на растягиваемом участке испытуемого кабеля, %:
 | (1) |
 | (2) |
 , | (3) |
где
rисхрастяг – погонное сопротивление ТПЖ на растягиваемом участке в исходном состоянии, Ом/км (соответствует погонному сопротивлению выводных и заправочных концов и кабеля в целом);
Rисх – сопротивление ТПЖ испытуемой длины кабеля в исходном состоянии, мОм;
Lкаб – общая длина испытуемого кабеля, равная 100 м;
rизмрастяг – погонное сопротивление ТПЖ на растягиваемом участке в момент растяжения при фиксированном значении растягивающего усилия F, Ом/км;
RизмF – сопротивление ТПЖ в момент растяжения при фиксированном значении растягивающего усилия F, Ом;
Lвывкол – суммарная длина испытуемого кабеля на заправочных колёсах и его выводных концов, равная 58 м;
Lрастяг – длина растягиваемого участка испытуемого кабеля, равная 42 м;
DLрастяг – удлинение растягиваемого участка испытуемого кабеля (двукратный ход машины), м; полное отведение заправочного колеса составляет 0,8 м.
Относительное изменение погонной электрической ёмкости рабочей пары на растягиваемом участке испытуемого кабеля, %:
 | (4) |
 | (5) |
 | (6) |
где
cисхрастяг – погонная ёмкость рабочей пары на растягиваемом участке, в исходном состоянии, нФ/км (соответствует погонной ёмкости выводных и заправочных концов и кабеля в целом);
Сисх – ёмкость рабочей пары на испытуемой длине кабеля в исходном состоянии, пФ;
cизмрастяг – погонная ёмкость рабочей пары на растягиваемом участке в момент растяжения при фиксированном значении растягивающего усилия F, нФ/км;
СизмF – электрическая ёмкость рабочей пары в момент растяжения при фиксированном значении растягивающего усилия F, нФ.
Относительное изменение волнового сопротивления рабочей пары на растягиваемом участке испытуемого кабеля, %:
 | (7) |
где
Zисхрастяг – волновое сопротивление рабочей пары на испытуемой длине кабеля в целом в исходном состоянии, нФ/км;
Zизмрастяг – волновое сопротивление рабочей пары на испытуемой длине кабеля в целом в момент растяжения при фиксированном значении растягивающего усилия F, нФ/км.
Относительное изменение коэффициента затухания рабочей пары на растягиваемом участке испытуемого кабеля, %:
 | (8) |
 | (9) |
 | (10) |
где
aисхрастяг – коэффициент затухания рабочей пары на растягиваемом участке, в исходном состоянии, дБ/км (соответствует коэффициенту затухания выводных и заправочных концов и кабеля в целом);
Aисх – затухание в рабочей паре на испытуемой длине кабеля в исходном состоянии, дБ×10;
aизмрастяг – коэффициент затухания рабочей пары на растягиваемом участке в момент растяжения при фиксированном значении растягивающего усилия F, дБ/км;
AизмF – затухание в рабочей паре в момент растяжения при фиксированном значении растягивающего усилия F, дБ.
Кроме того, прочность кабеля при растяжении предлагается определять, как среднеквадратичное значение из прочности при растяжении всех проволок в повиве (оплётке) брони (защитного элемента), ТПЖ и экрана (оплётки) кабеля, а именно, Н:
 | (11) |
 | (12) |
 | (13) |
 | (14) |
где
Fбр – суммарное усилие при разрыве проволок брони, Н;
Fтпж, Fэкр – суммарное усилие при разрыве ТПЖ и экрана (оплётки), Н;
Sпрбр – номинальное сечение проволоки брони (в повивной броне с проволоками Æ1,2 мм, равное 1,13 мм2; в оплёточной броне с проволоками Æ0,3 мм, равное 0,07 мм2);
Sтпж – номинальное сечение ТПЖ, мм2;
Sпрэкр – номинальное сечение проволоки экрана (в оплёточном экране с проволоками Æ0,15 мм, равное 0,0177 мм2);
sсталь – временное сопротивление разрыву стальной проволоки, равное 570 Н/мм2 для используемой проволоки в повивной и оплёточной броне;
sмедь – временное сопротивление разрыву медной проволоки, равное 270 Н/мм2 для используемой проволоки в ТПЖ и экране;
nпрбр , nпрэкр – число проволок в броне и в экране (оплётке);
nтпж – число ТПЖ.
Учёт участия в прочности кабеля проволок ТПЖ и экрана производился, исходя из предположения поэтапного распределения нагрузки по металлическим элементам сердечника по мере перехода их в выпрямленное состояние и различия в коэффициентах укрутки. Вклад от полимерных материалов по причинам большого относительного удлинения и малой разрывной прочности в расчёт не принимался.
В качестве пределов в поведении параметров кабеля при растяжении было принято:
допустимое относительное удлинение кабеля – не более 2 %; 
– не более 2 %; 
– не более 10 %; 
– не более 6 %; 
– не более 8 %.
Рассмотрим результаты испытаний, представленные на рис. 1–13, по каждому образцу.
Образец кабеля № 1 (рис. 1)
Число проволок в броне nпрбр – 46. Расчётное разрывное усилие кабеля по формуле (11) составило:
Относительное изменение погонного сопротивления ТПЖ и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 1. ΔrF для образца кабеля № 1 по жилам
Образец кабеля № 2 (рис. 2–5)
Число проволок в броне данного образца было 24; в оплётке( проволока Æ0,15) – 128. Расчётное разрывное усилие кабеля по формуле (11) составило:
Относительное изменение погонного сопротивления ТПЖ и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 2. ΔrF для образца кабеля № 2 по жилам
Относительное изменение погонной ёмкости пар и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 3. ΔсF для образца кабеля № 2 по парам
Относительное изменение волнового сопротивления пар и относительное удлинение кабеля
Рис. 4. ΔZF для образца кабеля № 2 по парам
В процессе испытания после 13 кН наблюдался участок остаточной деформации кабеля. То есть при постоянно растущем удлинении кабеля потребовалась повторная заправка, так как был использован полный ход машины – приложенное усилие росло очень медленно. Полный обрыв кабеля произошёл примерно при 15 кН.
Характер поведения сопротивления ТПЖ при растяжении почти схож, и у всех жил имеет место тенденция к резкому росту при усилиях 10–12 кН, что составляет также 70–80 % до момента разрыва кабеля. Относительное удлинение кабеля также пересекает установленный порог 2 % в этом диапазоне.
В данном диапазоне усилий относительное изменение ёмкости пар составляет порядка 8–12 %, что практически укладывается в установленный допуск. Для данной марки в качестве рабочих пар приняты расположенные диаметрально противоположно ТПЖ в скрученной четвёрке.
Поведение низкочастотных значений (31,25 кГц) волнового сопротивления и затухания в парах в этом диапазоне усилий показывает относительный рост, в общем, примерно на 4–7 %; высокочастотных значений (1 МГц) – на 1–4 %, что укладывается в установленные пределы.
Относительное изменение погонного затухания пар и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 5. ΔαF для образца кабеля № 2 по парам
Образец кабеля № 3 (рис. 6–9)
Число проволок в броне данного образца – 24; в оплётке экрана – 128. Расчётное разрывное усилие кабеля по формуле (11) составило:
Изменение погонного сопротивления ТПЖ и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 6. ΔrF для образца кабеля № 3 по жилам
Изменение погонной емкости пар и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 7. ΔcF для образца кабеля № 3 по парам
Относительное изменение волнового сопротивления пар и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 8. ΔZF для образца кабеля № 3 по парам
Изменение погонного затухания пар и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 9. ΔαF для образца кабеля № 3 по парам
Подобно образцу № 2 в процессе испытания после 14 кН наблюдался участок остаточной деформации кабеля. То есть при постоянно растущем удлинении кабеля потребовалась повторная заправка, так как был использован полный ход машины – приложенное усилие росло очень медленно. Полный обрыв кабеля произошёл, как у предыдущего образца, примерно при 15 кН.
Характер поведения сопротивления ТПЖ при растяжении почти совпадает друг с другом и у всех жил имеет место тенденция к резкому росту при усилиях 10–12 кН, что составляет также 70–80 % до момента разрыва кабеля. Относительное удлинение кабеля также пересекает установленный порог 2 % в этом диапазоне.
Изменение электрической ёмкости происходит плавно и возле указанного диапазона натяжений достигает 12–15 %, что несколько превышает оговоренный предел в 10 %.
Волновое сопротивление кабеля на полной испытуемой длине на низких частотах (31,25 кГц) меняется незначительно, вырастая до 8 % к 10 кН, немного выходя за установленную границу. Однако на высоких частотах (1 МГц) волновое сопротивление растёт очень сильно, увеличиваясь в 1,5 раза, что делает затруднительной передачу по кабелю данных на таких скоростях.
Ощутимый прирост затухания в районе 10 кН до 10 % (небольшое превышение установленных 8 %) и 30% (чрезвычайно большое изменение) для низких и высоких частот соответственно наблюдается также в виде плавно возрастающих зависимостей, не- смотря на отличающееся поведение двух пар.
Образец кабеля № 4 (рис. 10–13)
Число проволок в оплётке брони данного образца при коэффициенте поверхностной плотности 70 % – 120; в оплётке экрана (60 %) – 128. Расчётное разрывное усилие кабеля составило:
Изменение погонного сопротивления ТПЖ и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 10. ΔrF для образца кабеля № 4 по жилам
Изменение погонной емкости пар и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 11. ΔсF для образца кабеля № 4 по парам
Относительное изменение волнового сопротивления пар и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 12. ΔZF для образца кабеля № 4 по парам
Изменение погонного затухания пар и относительное удлинение кабеля на растягиваемом участке
Рис. 13. ΔαF для образца кабеля № 4 по парам
Подобно двум предыдущим образцам в процессе испытания после 3,5 кН наблюдался участок остаточной деформации кабеля, так как при постоянно растущем удлинении кабеля приложенное усилие росло плавно и медленно – в диапазоне 4–4,5 кН потребовалось четыре перезаправки кабеля. Полный обрыв кабеля произошёл примерно при 5 кН.
Характер поведения сопротивления всех ТПЖ при растяжении практически совпадает друг с другом, и имеет место тенденция к монотонному росту при усилиях выше 1,5 кН. Данный рост достигает предела в 2 % для ΔrF при усилии около 3,5 кН, что составляет около 70 % до момента разрыва кабеля; далее наблюдается резкий рост сопротивления. Относительное удлинение кабеля также пересекает установленный порог 2 % в этом диапазоне.
Одна пара показала очень сильный рост изменения ёмкости, волнового сопротивления и затухания, что расходится с поведением четырёх пар в предыдущем образце кабеля № 3, и может рассматриваться как аномальное. При этом по второй паре прирост ёмкости составил при 3,5 кН допустимые 10–12 %.
Затухание в парах на низкой частоте изменялось более интенсивно (12–15 %), чем на высоких частотах (4–8 %). Однако при этом низкочастотные значения волнового сопротивления, наоборот, изменились в допустимых пределах (10 %) и менее, чем в 1,5–2 раза, по сравнению с его высокочастотными значениями (15–30 %). Такое поведение говорит о необходимости снижения допустимого порога растягивающих усилий при эксплуатации.
Скачки кривых на графиках соответствуют моментам перезаправок и повторных измерений параметров, моментам обрывов.
По результатам проведённых исследовательских испытаний можно сделать следующие выводы:
- При растягивающей нагрузке на кабель, составляющей 70–80 % от предельной разрывной нагрузки, относительное удлинение конструкции кабеля составляет 2 %. При этой же нагрузке происходит рост погонного электрического сопротивления ТПЖ кабеля также на 2 %, что косвенно подтверждает верность ранее выбранного критерия.
В этом случае в качестве предельного усилия при прокладке и эксплуатации кабеля могут быть рекомендованы усилия, составляющие, соответственно, 65 % и 75 % от предельного разрывного усилия кабеля. - Для кабеля в повивной броне с сечением жил от 0,75 мм2 и толстостенной полимерной изоляцией воздействие растягивающего усилия по совокупности изменяющихся характеристик передачи в области низких и высоких частот позволяет установить порог прокладки и применения кабелей, соответственно, до 60 % и 70 % от предельной разрывной нагрузки (9,0–10,5 кН).
- Кабель передачи данных в повивной броне с сечением ТПЖ до 0,5 мм2 и тонкостенной полиэтиленовой изоляцией по совокупности параметров передачи оказывается крайне чувствителен к растягивающим нагрузкам в высокочастотной области, особенно это относится к волновому сопротивлению.
Таким образом, если кабель будет эксплуатироваться в низкочастотной области, то здесь рекомендованные нагрузки при прокладке и эксплуатации можно ограничить, соответственно, до 50 и 60 % от разрывной нагрузки (7,5–9,0 кН); в высокочастотной области – лишь до 15 и 20 % (2,3–3,0 кН). - Кабели с оплёточной бронёй остаются в допустимых пределах параметров передачи до нагрузок, не превышающих порядка 35 % и 45 % от предельной разрывной нагрузки при прокладке и эксплуатации кабеля (1,8 и 2,3 кН).
- Предложена и подтверждена формула определения предельного разрывного усилия кабеля, как среднеквадратичной суммы прочности при растяжении всех проволок брони и ТПЖ кабеля.
При этом допустимые усилия при прокладке и эксплуатации могут выбираться, исходя из определённых выше процентных отношений к предельному разрывному усилию, в зависимости от частотной области применения кабелей или их назначения. - Разрывная прочность кабелей со стальной броней из повива проволок диаметром 1,2 мм не менее, чем в 3 раза превышает прочность аналогичных кабелей с оплёткой проволоками диаметром0,3 мм; при том, что высокочастотные параметры кабелей с повивной броней сохраняются в установленных пределах при нагрузках, соответствующих разрывным для кабелей с оплёточной бронёй.
- Кабели с повивной бронёй проволоками диаметром 1,2 мм могут быть рекомендованы к применению для прокладки в грунты всех категорий, кроме подверженных мерзлотным деформациям – здесь уже потребуется второй повив стальных проволок.
ЛИТЕРАТУРА
- Лобанов А.В., Кузнецов Р.Г. Кабели для современных сетей промышленной автоматизации // Кабель-news. – 2008. – № 4. – С. 42–50.
- Лобанов А.В. Специальные кабели для систем пожарной безопасности // Кабели и провода. – 2016. – № 4. – С. 12–17.
- Кабели для нефтегазовой отрасли // Сфера. Нефть и газ. – 2018. – № 1. – С. 100–101.