shadow png

Триаксиальный кабель с низким уровнем собственных шумов

Кабельный завод Спецкабель

Для диагностики и контроля над радиационным фоном на атомных электростанциях или в медицинских учреждениях, где имеются рентгеновские отделения, применяют высокочувствительные приборы (дозиметры) для измерения уровня ионизирующих излучений.

Поскольку уровень измеряемых параметров и, соответственно, возникающих сигналов в таких устройствах может быть крайне низким, такие приборы очень восприимчивы к внешним электромагнитным и механическим возмущениям. Поэтому для соединения измерительной части прибора с датчиком применяют специальные кабели, которые лишены трибоэлектрического эффекта – наведения внутреннего заряда при механических деформациях и трениях в сердечнике кабеля, обладающим в то же время достаточной степенью экранирования от внешних электромагнитных полей.

Для таких прецизионных измерений слаботочных сигналов используют триаксиальные кабели повышенной помехоустойчивости, имеющие низкий уровень собственных шумов и повышенное экранирование от внешних электромагнитных полей. Потенциалы внутреннего проводника и внешнего проводника, выполненного в виде оплётки, при этом поддерживаю проводником и экраном, однако это никак не сказывается на результатах измерений тока через внутренний проводник, который и подключают к исследуемому объекту.

Общий вид кабеля марки РК 50-1,9-11В

Рис. 1. Общий вид кабеля марки РК 50-1,9-11В

На рис. 1 представлен общий вид триаксиального кабеля марки РК 50-1,9-11-В с низким уровнем собственных шумов, который изготавливают согласно ТУ 27.32.13-123-47273194–2022, разработанным ООО НПП «Спецкабель». Кабель соответствует требованиям ГОСТ Р 58416–2019 «Кабели радиочастотные. Общие технические условия». Аналогичные кабели выпускают за рубежом, например, кабель марки G-2330_HT, изготавливаемый фирмой Huber-Suhner (Швейцария).

Марка отечественного кабеля обозначает следующее: РК – радиочастотный коаксиальный; 1,9 – номинальный диаметр по первому слою изоляции по жиле, мм; 1 – сплошная изоляция обычной теплостойкости; 1 – порядковый номер разработки; В – класс экранирования.

Триаксиальный кабель марки РК 50-1,9-11-В, конструкция которого изображена на рис. 2, представляет собой коаксиальный кабель с экраном поверх поясной изоляции, придающим кабелю триаксиальную конфигурацию.

Особенностью триаксиального кабеля является экран, имеющий, как и внешний проводник, высокий коэффициент поверхностной плотности (не менее 92 %), который, будучи разделённым с внешним проводником слоем диэлектрика, обеспечивает повышенное экранирование за счёт отражений на границах раздела сред, в том числе при приложении к кабелю механических воздействий.

В случае триаксиальных кабелей, применяемых для высокочувствительных датчиков, в изоляцию между внутренним и внешним проводником вводится слой полупроводящего полимера. Основное назначение данного слоя – рассеивать наведённый электрический потенциал в сердечнике кабеля за счёт пониженного значения объёмного электрического сопротивления.

Разработанный триаксиальный кабель обладает тремя преимуществами по сравнению с зарубежным аналогом по основным эксплуатационным параметрам:

  1. Внутренний проводник выполнен многопроволочным из семи скрученных проволок, с последующим уплотнением скрутки по длине (в аналоге – не уплотнён), что обеспечивает, наряду с сохранением гибкости, более плотное сцепление с изоляционным слоем и исключение пустот в проводнике, а значит и отсутствие механических внутренних сдвигов, приводящих к наведению паразитного заряда внутри кабеля.
  2. Полупроводящий слой выполнен из саженаполненного полиэтилена (в аналоге – из полупроводящего ПВХ-пластиката), что обеспечивает более высокую стабильность электрических параметров кабеля и отсутствие галогенов в конструкции кабеля.
  3. Оболочка кабеля выполнена из не распространяющего горения термопластичного полиуретана (в аналоге – из ПВХ-пластиката), не содержащего галогенов, что обеспечивает пожаробезопасность кабеля, при применении в том числе в местах, содержащих микропроцессорную технику. Кроме того, полиуретановая оболочка придаёт кабелю более высокую стойкость к климатическим и механическим воздействиям. В условиях ионизирующих излучений полиуретановая оболочка кабеля проявляет повышенную устойчивость, сохраняя механическую прочность при дозах в несколько сотен Мрад.
Конструкция кабеля марки РК 50-1,9-

Рис. 2. Конструкция кабеля марки РК 50-1,9-11В:

1 – внутренний проводник многопроволочный уплотнённый из медной мягкой лужёной проволоки;
2 – изоляция из сплошного полиэтилена низкой плотности;
3 – полупроводящий слой из полимерной композиции с низким удельным объёмным электрическим сопротивлением (не более 100 Ом×см при температуре 20 0С);
4 – внешний проводник в виде оплётки из медных проволок;
5 – поясная изоляция из сплошного полиэтилена низкой плотности;
6 – экран в виде оплётки из круглых медных проволок;
7 – оболочка из термопластичного полиуретана

Измерение амплитудного значения напряжения электрического сигнала, возникающего при деформационных воздействиях между внутренним проводником и экраном, проводят на образцах кабеля длиной не менее 0,5 м при нанесении механического удара по образцам через резиновую прокладку толщиной 5–8 мм свободно падающим грузом массой 50±2 г с высоты 100±10 мм. Измерение амплитудного значения напряжения электрического сигнала проводят с помощью осциллографа с длительностью развёртки не менее 0,2 с.

При определении изменения фазы при однократном изгибе кабеля на 3600 вокруг цилиндра один конец испытуемого образца кабеля соединяют с одним из портов векторного анализатора цепей, работающего в режиме измерения фазы отражённого сигнала (S11 или S22), производят измерение и фиксируют фазу отражённого сигнала испытуемого образца кабеля в исходном состоянии на частотах 200 и 1000 МГц. После чего свободный конец испытуемого образца кабеля плавно изгибают полным оборотом на 3600 вокруг испытательного цилиндра, после чего образец выпрямляют и определяют изменение фазы на частотах 200 МГц и 1000 МГц. Кабель считают выдержавшим испытание, если ½ разности (изменения) между фазой испытуемого образца кабеля до изгиба и фазой испытуемого образца кабеля в исходном состоянии после изгиба на частотах 200 и 1000 МГц не превышает установленного значения.

В табл. 1 представлены основные электрические параметры кабеля марки РК 50 1,9-11-В.

Таблица 1. Электрические параметры кабеля марки РК 50 1,9-11-В

Наименование параметра Частота, МГц Значение параметра
Электрическое сопротивление изоляции, пересчитанное на длину 1 м и температуру 20 °С, МОм, не менее Постоянный ток 1×106
Волновое сопротивление, Ом 10–200 50,0±2,0
Коэффициент затухания, пересчитанный на температуру 20 0С, дБ/100 м, не более 200 1000 95,0 400,0
Затухание отражения, дБ, не менее 1–1000 20
Сопротивление связи (для класса экранирования В), мОм/м, не более 5–30 15
Затухание экранирования (для класса экранирования В), дБ, не менее 30–1000 75
Испытательное напряжение изоляции переменного тока в течение 1 мин, кВ 0,05×103 1,0
Изменение фазы, при однократном изгибе кабеля на 3600 вокруг цилиндра диаметром 25 мм, 0 эл. 200
1000
0,2
1,0
Амплитудное значение напряжения электрического сигнала, возникающего при деформационных воздействиях между внутренним проводником и экраном, мВ, не более 10

Кабель предназначен для стационарной эксплуатации с радиусом однократного изгиба радиусом не менее 5 наружных диаметров кабеля в диапазоне температур от минус 70 °С до 85 °С и при повышенной влажности воздуха до 98 %. Кабель стоек к воздействию ультрафиолетового излучения при прокладке на открытом воздухе, выдерживает воздействие минерального масла и дизтоплива, и не распространяет горение при одиночной прокладке. Минимальная температура монтажа кабеля – до минус 40 °С с радиусом многократного изгиба кабеля не менее 10 наружных диаметров кабеля.

Разработанный кабель марки РК 50-1,9-11-В прошёл испытания непосредственно у потребителя в составе устройства по измерению поглощённой дозы. Испытания позволили оценить основные функциональные свойства устройства с указанным кабелем – быстрота выхода электрометра на «Ноль», устойчивость к внешнему электромагнитному воздействию – наносекундной импульсной помехе в ёмкостных клещах, – результаты которых в сравнении с зарубежным аналогом рассматриваемого устройства представлены в табл. 2.

Наносекундные импульсные помехи, например, от переключения коммутационных устройств, дуговой сварки, работы двигателя постоянного тока, представляют угрозу чувствительному оборудованию. Устойчивость оборудования можно повысить, приняв меры по их снижению. Наносекундные импульсные помехи – это низкоэнергетические переходные процессы, которые распространяются вдоль цепи питания или излучаются от проводников с обеих сторон от коммутатора. Частота повторения разрядов изменяется от 10 кГц до 1 МГц. Продолжительность и время нарастания этих переходных процессов малы по сравнению со временем их распространения в проводной системе. Типичное время нарастания каждого разряда – менее 10 нс, а продолжительность – от десятков до сотен наносекунд; скорость распространения – примерно 5 нс/м.

Испытание на устойчивость к наносекундным импульсным помехам (схема испытательной установки показана на рис. 3) необходимо, чтобы подтвердить устойчивость оборудования при кратковременном воздействии описанной выше помехи.

Таблица 2. Основные функциональные свойства устройства для измерения поглощённой дозы, в котором прошёл испытания разработанный кабель марки РК 50-1,9-11-В

Показатель Устройство с кабелем
марки G-2330_HT
Устройство с кабелем
марки РК 50-1,9-11-В
Выход электрометра на «Ноль» ~ 10 мин ~ 1 мин
Устойчивость к наносекундной помехе в ёмкостных клещах 1 кВ + Воздействие: 2,7 Е-14 эВ
Фон: 1,3 Е-14 эВ
Воздействие: 2,0 Е-15 эВ
Фон: 2,0 Е-15 эВ
Устойчивость к наносекундной помехе в ёмкостных клещах 1 кВ – Воздействие: 1,1 Е-14 эВ
Фон: 1,0 Е-14 эВ
Воздействие: 2,0 Е-15 эВ
Фон: 2,0 Е-15
Устойчивость к наносекундной помехе в ёмкостных клещах 2 кВ + Воздействие: -4,1 Е-13 эВ
Фон: 1,0 Е-14 эВ
Воздействие: -2,0 Е-15 эВ
Фон: 2,0 Е-15 эВ
Устойчивость к наносекундной помехе в ёмкостных клещах 2 кВ – Воздействие: -1,1 Е-13 эВ
Фон: 1,0 Е-14 эВ
Воздействие: -2,0 Е-15 эВ
Фон: 2,0 Е-15 эВ
Вывод по испытанию в ёмкостных клещах (группа исполнения технических средств, поставляемых на ядерно и радиационно опасные объекты народнохозяйственного назначения, в том числе, атомные станции) Третья группа – соответствует
Четвёртая группа –
Не соответствует
Четвёртая группа –
Соответствует
Схема установки для испытания на устойчивость к наносекундным импульсным помехам

Рис. 3. Схема установки для испытания на устойчивость к наносекундным импульсным помехам

Импульс частотой 5 кГц продолжительностью 15 мс повторяется каждые 300 мс при общей длительности испытательного воздействия равной 1 минуте с изменением комбинации воздействий, полярности и уровня [1, 2].

Кабель подвергали воздействию наносекундных импульсных помех с помощью ёмкостных клещей связи, которые устанавливали над пластиной заземления на высоте 10 см, и кабель в них располагали между двумя плоскими металлическими пластинами, на каждую из которых подавали испытательный импульс относительно пластины заземления. Собственная ёмкость этого устройства составляла, примерно, 50–200 пФ.

Испытание проводили в составе устройства детектирования гамма-излучения БС-А02Д. Все исследуемые образцы кабелей имели длину 7 м. Один конец кабеля штатно подключали к измерительному входу устройства БС-А02Д. У второго конца снимали оболочку на расстоянии 3 см от края и кабель через ЭМС гермовод вводили в корпус дозиметра фонового излучения ИК ДБГ-С101Д. Наружный экран и внутренний проводник кабеля не подключали.

Таким образом, проведённые исследования подтверждают, что вновь разработанный триаксиальный кабель марки РК 50-1,9-11-В представляет собой

эффективное решение для высокочувствительных приборов систем радиационного контроля. Параметры этого кабеля превосходят зарубежный аналог, обеспечивая надёжную эксплуатацию в условиях применения. Разработка является существенным вкладом в область технологий систем радиационного контроля.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

  1. Уильямс Т., Армстронг К. ЭМС для систем и установок. – М.: Технологии, 2004. С. 430–432, 484.
  • Хренков Н.Н., Лобанов А.В., Кузнецов Р.Г. Разработка и методы испытаний радиочастотных кабелей согласно рекомендациям стандартов МЭК. – М.: Филинъ, 2018. С. 176.

Статья в формате pdf – https://spetskabel.ru/files/articles/triaxial_cable.pdf

Статья опубликована в журнале «Кабели и провода» № 4 за 2024 год

Кабельный завод Спецкабель