RAPORT. Projekt: Opracowanie kabla samonośnego- napowietrznego ADSS w konstrukcji 12- włóknowej

Transkrypt

1 RAPORT Cz.1. Zwiększenie i zróżnicowanie potencjału B+R Firmy Elmat poprzez realizację projektu badawczego w zakresie osprzętu światłowodowego prace przemysłowe. Projekt: Opracowanie kabla samonośnego- napowietrznego ADSS w konstrukcji 12- włóknowej Okres realizacji: wrzesień grudzień 2013

2 Spis treści Wprowadzenie... Założenia koncepcyjne Charakterystyka i konstruowanie kabla Proces badawczy i produkcyjny, oraz kontrola jakości kabla optotelekomunikacyjnego Badania kwalifikacyjne Instalacja kabla ADSS 4kN... Podsumowanie... Załączniki...

3 Wprowadzenie Niniejszy raport stanowi podsumowanie wyników badań przeprowadzonych w ramach Projektu, składającego się z dwóch części: Cz.1. Zwiększenie i zróżnicowanie potencjału B+R Firmy Elmat poprzez realizację projektu badawczego w zakresie osprzętu światłowodowego prace rozwojowe, Cz.2 Zwiększenie i zróżnicowanie potencjału B+R Firmy Elmat poprzez realizację projektu badawczego w zakresie osprzętu światłowodowego prace przemysłowe, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej. Działania realizowane w ramach projektu zmierzają do stworzenia nowych rozwiązań i technologii w dziedzinie kabli światłowodowych i w sposób bezpośredni, przyczyniają się do osiągniecia zaplanowanych rezultatów projektu. Obserwując w ostatnich latach wysoki wzrost zapotrzebowania na produkty z zakresu kabli i osprzętu światłowodowego, firma Elmat w nowym zakładzie produkcyjnym, przy pomocy doświadczonych inżynierów i odpowiednio wyposażonego centrum badawczo - rozwojowego, będzie wdrażać innowacyjne rozwiązania, wychodzące naprzeciw rosnącym oczekiwaniom Klientów. Odpowiedzią na powyższe jest wprowadzenie innowacyjnych rozwiązań między innymi z zakresu Mikrokanalizacji światłowodowej. W ramach projektu Firma Elmat będzie opracowywać kabel samonośny - napowietrzny ADSS 6 elementowy w konstrukcji 12 - włóknowej, czego prace badawcze i wyniki zostaną przedstawione w dalszej części raportu.

4 Założenia koncepcyjne Opis grupy produktowej Kable światłowodowe, w zależności od przeznaczenia mogą różnić się konstrukcją oraz cechami charakterystycznymi. Ogólny podział kabli światłowodowych przedstawiony jest na schemacie poniżej. Kable światłowodowe Kable wewnętrzne Kable zewnętrzne Kable specjalne Rys.1. Podział kabli światłowodowych Kable samonośne wykorzystywane są do rozbudowy i modernizacji linii napowietrznych niskiego napięcia w terenach zabudowanych, zadrzewionych, leśnych i jako przyłącza dla obiorców wiejskich, miejskich i małych obiektów przemysłowych. Wśród kilku stosowanych rozwiązań linii napowietrznych są kable typu ADSS. Wybór rodzaju nie jest tu przypadkowy jako ośrodek kabla stosuje się najczęściej ośrodek skręcany z luźnymi tubami jako zabezpieczeniem włókna światłowodowego przed czynnikami zewnętrznymi. Takie rozwiązanie daje największe okno naprężeń. Okno naprężeń kabla - zakres wydłużenia/skurczu kabla pod wpływem czynników zewnętrznych nie powodujący wystąpienia naprężeń rozciągających/ ściskających we włóknie światłowodowym.

5 Inną ważną zaletą kabli ADSS jest ich okrągły kształt, co w porównaniu z innymi rozwiązaniami, takimi jak kable podczepiane czy ósemkowe zmniejsza ich obciążenie wiatrem i lodem. Powinien być zaprojektowany i wykonany tak, aby skutecznie zabezpieczał światłowody przed uszkodzeniem w trakcie instalacji i eksploatacji kabla, oraz zapewniał stabilność ich charakterystyk transmisyjnych przez cały okres eksploatacji. Ponadto dzięki odpowiednim właściwościom mechanicznym powinien zachować odporność na działanie czynników mechanicznych i środowiskowych, na które kable samonośne narażone są w sposób szczególny. Wielkości tych czynników powinny być uwzględnione w projektowaniu i wykonaniu kabla oraz zweryfikowane przez odpowiednie badania potwierdzające jego zakładaną sprawność mechaniczną i optyczną. Użytkownikowi kabla zależy przede wszystkim na tym, aby kabel mechanicznie i transmisyjnie zniósł wszelkie obciążenia, na jaki może zostać narażony. Oprócz strat spowodowanych uszkodzeniem linii i ewentualnymi konsekwencjami wynikającymi z tego faktu, naprawa linii napowietrznych bywa bardzo kosztowna. Konstrukcja: tuba centralna wypełniona żelem, włókna szklane jako wzmocnienie i ochrona przeciwgryzoniowa, odporność na wnikanie wody według IEC F5, lekka i zwarta konstrukcja, całkowicie dielektryczny, odporność na UV.

6 1. Charakterystyka i konstruowanie kabla Firma Elmat zamierza opracować nowy typ kabla światłowodowego samonośnego ADSS o maksymalnie zoptymalizowanej konstrukcji. Konstrukcja kabla ma też umożliwiać jego rozszycie i odseparowanie pojedynczej tuby na odległość do 50 m w celu wykonania połączenia między końcami linii bez potrzeby przecinania całego kabla i łączenia jego poszczególnych odcinków za pomocą procesu spawania włókien światłowodowych i stosowania tzw. mufy światłowodowej. Kabel ten ma być przeznaczony do stosowania w typowych liniach napowietrznych rozwieszanych na słupach. Założeniem jest, by badany kabel znalazł zastosowanie między innymi w: zewnętrzne napowietrzne łącza światłowodowe, sieci FTTH, podłączenia napowietrzne dla abonentów ostatniej mili.

7 Rys. 2. Przekrój poprzeczny kabla samonośnego napowietrznego Podstawowe parametry instalacyjne konstrukcji linii napowietrznej Rozstaw podpór zwis Rys.3. Instalacja konstrukcji linii napowietrznej przy montażu kabla samonośnego

8 Rozstaw podpór odległość w linii prostej pomiędzy kolejnymi słupami w linii. Może to być wartość stała dla linii lub też zmienna, co może być powodowane np. warunkami geograficznymi Naciąg siła osiowa, działająca na elementy nośne kabla. Jej wartość zależy od zwisu kabla oraz obciążeń mechanicznych i środowiskowych. Jego wartość maleje wraz ze zwiększaniem zwisu, nie jest to jednak prosta zależność liniowa, ale wynikająca z rozkładu sił w krzywej łańcuchowej. Do jego określenia standardowo używa się specjalistycznego oprogramowania komputerowego, jak np. ADOC firmy Teijin. Zwis kabla największa pionowa odległość pomiędzy linią poziomą łączącą punkty mocowania kabla a kablem. Standardowo podawany jako procent rozstawu podpór, a jego wartość wynosi najczęściej 1 2 %. Zerowe naprężenia w kablu Siły, jakie pojawiają się w kablu podczas i po instalacji, nawet bez występowania jakichkolwiek dodatkowych zjawisk zewnętrznych określają stan zerowy pracy kabla. Na wartość naprężeń pojawiających się w kablu od razu po instalacji mają wpływ następujące czynniki: - rozstaw podpór, na których montowany jest kabel; - zwis, podawany często jako procent odległości pomiędzy słupami; - różnica poziomów pomiędzy sąsiadującymi słupami; - ciężar kabla na jednostkę długości (to właśnie on powoduje występowanie obciążeń zerowych). Tak więc kabel bezpośrednio po montażu jest już poddany naprężeniom rozciągającym. Bardzo ważne jest aby konstrukcja kabla była dobrana tak, aby te naprężenia, które, można przyjąć, działają na kabel już stale po jego instalacji, nie powodowały

9 rozciągnięcia go więcej, niż wynosi wspomniane wyżej okno naprężeń, czyli zakres, w którym włókno światłowodowe nie jest jeszcze poddane rozciąganiu/ściskaniu. Standardowo przyjmuje się, - a wynika to z obserwacji statystycznych - że stałe wydłużenie włókna wynoszące 5% jego prooftestu, czyli najczęściej 0,05% nie skraca jego żywotności. Podstawowe założenia konstrukcji kabla są następujące 1. dopuszczalna siła rozciągająca MAT (maximum allowable tension) określana dla kabli typu ADSS powinna wynosić 4 kn jak wynika z analizy rynku jest to najczęściej zamawiany kabel typu ADSS. 2. ze względu na możliwość rozszycia i wyodrębnienia pojedynczej tuby światłowodowej należy zastosować konstrukcję ośrodka kabla skręcaną rewersyjnie, tzw. skręt S-Z. 3. dobór geometrii tuby światłowodowej zoptymalizowanej w taki sposób, że zapewnione przez nią i przez geometrię skrętu S-Z okno rozciąganie i ściskania oraz uzyskana średnica i ciężar jednostkowy kabla dadzą w rezultacie kabel o możliwie małej średnicy przy minimalnym koniecznym wzmocnieniu obwodowym. 4. dobór geometrii skrętu w celu uzyskania maksymalnego okna naprężeń kabla. 5. obwodowe wzmocnienie kabla za pomocą włókniny aramidowej owijanej helikalnie na ośrodku kabla pojemność kabla do 72 włókien światłowodowych (standardowa wartość dla konstrukcji 6 tub po 12 włókien światłowodowych i jednocześnie standardowe wymaganie rynku) wstępny dobór materiałów zapewniający przyszłą konkurencyjność rynkową konstrukcji pod względem ceny standardowy zakres temperatury pracy kabla, przyjęty zgodnie z wymaganiami rynku na tego typu produkty, od minus 40 st. Celsjusza do plus 70 stopni Celsjusza zgodnie z IEC F1(załącznik numer 4) konstrukcja kabla umożliwiająca bezproblemowe przygotowanie do instalacji przez instalatorów kablowych, czyli łatwy i szybki dostęp do włókien światłowodowych.

10 10. konstrukcja kabla zapewniająca dopuszczalne obciążenie występujące krótkoterminowo w trakcie eksploatacji kabla samonośnego, tzw. MAT, na poziomie 4 kn. 11. konstrukcja odporna na zgniatanie rzędu 2000 N/100 mm zgodnie z IEC E3(załącznik numer 4). 12. Zakładane parametry optyczne: Maksymalna 0,35 db/km Maksymalna 0,25 db/km 13. zakładana standardowa wzdłużna wodoszczelność kabla zgodnie z IEC F5B (załącznik numer 4): 3 m próbka, 1 m słupa wody, 24 h brak wycieku na odległym końcu. 14. odporność kabla na udar: zgodnie z IEC E4 (załącznik numer 4): energia uderzenia 10J, R=30cm. 15. zapewnienie standardowej żywotności kabla na poziomie 20 lat. Przyjęte wstępnie rozwiązania: Ad 1. Zgodnie z przyjętą powszechnie praktyką konstrukcyjną jako siłę MAT przyjmuje się mniejszą z dwóch sił: siłę powodującą wydłużenie włókna światłowodowego o 1/3 ich prooftestu, 1/3 siły powodującej rozerwanie kabla. Ad 2. W ramach tego założenia przyjęto wstępnie, jako wartość najbardziej odpowiednią ze względu na okno naprężeń, skręt S-Z o skoku 80 mm i liczbie obrotów w każdym kierunku 8. Ad 3. Jako wartość najbardziej odpowiadającą założeniu maksymalnej optymalizacji konstrukcji, przyjęto tuby światłowodowe o średnicy zewnętrznej 2,0 mm. Przy założeniu grubości ścianki takiej tuby światłowodowej na poziomie 0,3 mm pozwala to na zachowanie średnicy wewnętrznej 1,4 mm. Taki wymiar tuby zapewnia wolne miejsce w tubie zarówno

11 po umieszczeniu w niej 6 jak i 12 włókien światłowodowych, a co za tym idzie pozostawia wolne miejsce na okno naprężeń. Analiza różnych wartości podana jest w tabelce w następnym punkcie. Ad 4. Do analizy przyjęto zarówno zakres tub światłowodowych o średnicach od 1,80 mm do 2,00 mm, jak i zakres skoków skrętu od 60 mm do 100 mm. Przyjęto, że średnica rdzenia wytrzymałościowego powinna być większa od średnicy tuby światłowodowej o 0,0 0,1 mm. Takie założenie zapewnia prawidłową geometrię ośrodka kabla i nie powoduje nadmiernych luzów pomiędzy tubami ani ściskania tub spowodowanego zbyt małą ilością wolnego miejsca. Tab. 1. Wyniki obliczeń promienia gięcia włókna Konstrukcja Śr.zewn. tuby Śr.wewn. tuby Grubość ścianki tuby Skok skrętu Okno rozciągania Promień gięcia włókna [mm] [mm] [mm] [mm] [%] [mm] A 1,8 1,2 0,3 60 0,43 51 B 1,8 1,2 0,3 70 0,31 69 C 1,8 1,2 0,3 80 0,24 89 D 1,8 1,2 0,3 90 0, E 2,0 1,4 0,3 60 0,67 47 F 2,0 1,4 0,3 70 0,49 63 G 2,0 1,4 0,3 80 0,38 81 H 2,0 1,4 0,3 90 0, I 2,2 1,6 0,3 60 0,85 47 J 2,2 1,6 0,3 70 0,63 63 K 2,2 1,6 0,3 80 0,48 81 L 2,2 1,6 0,3 90 0,38 102

12 Ponieważ przyjęto, że promień gięcia włókna, spowodowany skrętem, w rozprostowanym kablu nie powinien być dla współczesnych standardowych włókien mniejszy od 65 mm, konstrukcje A, B, E, F, I i J zostały wykluczone z dalszych rozważań. Do dalszych analiz zostały wybrane konstrukcje kabli z tubami 1,8; 2,0 mm oraz 2,2 mm i ze skokiem 80 mm, czyli C, G i K. Większy skok daje za małe okno rozciągania (dodatnia część okna naprężeń), mniejszy powoduje zbyt mały promień gięcia włókna. Wybór jednego z rozwiązań będzie zależał głównie od analizy kosztowej każdej z tych konstrukcji. Ad 5. Wybór włókniny aramidowej jako wzmocnienia jest wyborem, przy obecnym stanie wiedzy i inżynierii materiałowej, naturalnym. Włóknina aramidowa posiada moduł Younga (który jest podstawowym parametrem do obliczeń konstrukcyjnych) około 50 % większy niż włóknina szklana, zapewnia również znacznie lepszy wskaźnik płynięcia w czasie, co jest ważne ze względu na zapewnienie ponad 20 letniego okresu eksploatacji kabla. Ad 6. Przyjęta do badań konstrukcja kabla: 2 tuby po 6 włókien światłowodowych posiada ośrodek kabla geometrycznie identyczny z rozwiązaniami 6 tub po 12 włókien światłowodowych. Jedyna różnica polega na ilości koniecznego wzmocnienia obwodowego w przypadku kabli z tubami po 6 włókien i po 12 włókien w tubie, gdyż ta ilość wpływa na zmianę zakłada się konieczność uzyskania dużej przyczepności pomiędzy powłoką a ośrodkiem kabla, co zapewni prawidłową pracę kabla w okresie eksploatacji. Ad 7. Niezbędna będzie optymalizacja pomiędzy właściwościami surowców i półproduktów a ich ceną. Dodatkowa analiza przedstawiona w punkcie Ad 10. Ad 8. Zakładana konstrukcja kabla kabel skręcany na rdzeniu z włókniny szklanej utwardzanej żywicą (FRP) i praktycznie dowolny współczesny żel tiksotropowy zastosowany do uszczelnienia wzdłużnego tub światłowodowych, powinna pozwolić na osiągnięcie zakładanego zakresu temperatur eksploatacji kabli. Tym niemniej musi to zostać zweryfikowane poprzez badanie w komorze klimatycznej. Ad 9. Zastosowanie standardowej, sprawdzonej w praktyce budowy kabla powinno zapewnić spełnienie tego założenia. Niezbędna będzie weryfikacja odcinków testowych pod kątem zdejmowalności powłoki kabla i dostępu do tub światłowodowych. Jednocześnie zakłada się konieczność uzyskania dużej przyczepności pomiędzy powłoką a ośrodkiem kabla, co zapewni prawidłową pracę kabla w okresie eksploatacji.

13 Ad 10. Zgodnie z założeniem, kabel będzie posiadał wzmocnienie włóknem aramidowym. Ilość niezbędnego aramidu, dobrana na podstawie wielokrotności włókniny dostępnej komercyjnie, oraz wynikowa średnica kabla i jego ciężar podane przy założeniu grubości powłoki polietylenowej równej 1,5 mm została pokazana w tabeli poniżej: Tab. 2. Średnica kabla i jego ciężar przy grubości powłoki polietylenowej 1,5 mm Konstrukcja Okno Ilość aramidu MAT Średnica kabla Waga kabla rozciągania [%] [dtex] [kn] [mm] [kg] C 0, ,0 75 G 0, ,50 81 K 0, ,9 86 Tab. 3. Wstępna analiza kosztowa, oparta tylko na podstawie cen surowców Konstrukcja Koszty surowców jednostka przeliczeniowa C 568 G 540 K 512 Dalszym niezbędnym krokiem wyboru podstawowej konstrukcji do testów będzie określenie dopuszczalnego rozstawu podpór dla każdej z nich, przy przyjęciu najbardziej niekorzystnych warunków atmosferycznych występujących na terenie Polski NESC Heavy. Obliczenia przeprowadzono dla przyjętego zwisu wstępnego równego 1% rozstawu podpór. Tab. 4. Wstępna analiza określenie dopuszczalnego rozstawu podporu Konstrukcja Rozstaw podpór Siła działająca na kabel Siła dopuszczalna [m] [N] [N] C G K Z obliczeń wynika, że najkorzystniejsze rozwiązania stanowią konstrukcje G i K, pozwalające na większy rozstaw podpór niż konstrukcja C, i zapewniające niższe koszty produkcji. Ad 11. Przyjęta grubość powłoki 1,5 mm powinna zapewnić odporność na zgniatanie na pożądanym poziomie. Parametr powinien zostać zweryfikowany poprzez odcinków testowych badania

14 Ad12. Niezbędny będzie taki dobór włókien światłowodowych do testu, którego parametry wstępne będą przynajmniej o 0,02 db/km lepsze od założeń wynikowych dla kabla. Ad 13. Niezbędne będzie zastosowanie w kablu elementów zapewniających jego wzdłużną wodoszczelność, w postaci nici, taśm owijających oraz włókniny wzmacniającej zawierającej środki pochłaniające wodę i blokujące jej wzdłużny przepływ przez strukturę kabla. Ad 14. Zakładana wielkość odporności kabla na udar powinna być w przypadku tej konstrukcji zapewniona przez zewnętrzną powłokę kabla wykonaną z polietylenu wysokiej gęstości. Konieczna będzie weryfikacja tego parametru w testowych odcinkach kabla Ad 15. Głównym elementem zapewniającym żywotność kabla jest nienarażanie włókien światłowodowych na mikropęknięcia spowodowane nadmiernymi naprężeniami w procesie produkcyjnym oraz, co jest bardzo ważne w przypadku kabli samonośnych ADSS, także w procesie eksploatacji. Kable te są narażone na obciążenia dynamiczne, spowodowane warunkami klimatycznymi, przede wszystkim przez wiatr i oblodzenie oraz przez cały okres swojej eksploatacji poddane są naprężeniom wewnętrznym spowodowanym podwieszaniem kabla między odległymi słupami. Dlatego należy przyłożyć dużą staranność do obliczeń wstępnych i dokładności wykonania, oraz dokonać weryfikacji konstrukcji szczególnie pod względem odporności na rozciąganie. Ważne jest także stosowanie odpowiednich materiałów, takich jak włóknina aramidowa zamiast szklanej, zapewniająca niski współczynnik pełzania w czasie. Zapewnia to stabilność geometrii linii napowietrznej w czasie, a co za tym idzie bezawaryjną pracę kabla.

15 2. Proces badawczy i produkcyjny, oraz kontrola jakości kabla optotelekomunikacyjnego Proces badawczy kabli optotelekomunikacyjnych obejmuje dwie linie (załącznik 4): wytłaczania tuby i wytłaczania powłok. Na poszczególnych liniach są dobierane odpowiednie parametry, wymiary. Zostają określone odpowiednie profile temperatur, w zależności od wybranego tworzywa, które są zgodne z certyfikatami i posiadają odpowiednie atesty ( załącznik 1), dane techniczne (załącznik 2) i dane bezpieczeństwa (załącznik 3). Pierwszy proces to wytłaczanie pokrycia wtórnego na włóknach światłowodowych. Jest prowadzony na linii wytłaczania tuby Rosendahl-Austria (tubiarka RLR załącznik 4). Proces ten pozwala zabezpieczyć światłowody w pokryciu pierwotnym od czynników

16 zewnętrznych, a w szczególności wody (tiksotropowy żel hydrofobowy wypełniający tubę lub tzw. suche uszczelnienie) oraz naprężeń mechanicznych przez otrzymanie określonej nad- długości włókna w stosunku do długości tuby. Rys.4. Urządzenie do badań: Urządzenie do wytłaczania tuby Źródło: Prezentacja Rosendahl-Austria Po wyprodukowaniu odpowiedniej ilości tub następuje ich skręcenie wokół elementu centralnego. Proces ten jest realizowany na linii skręcania tub Rosendahl-Austria (RLV załącznik 4) - krótko skręcarce. Jest to podstawowy proces determinujący okno naprężeń (dopuszczalny zakres temperaturowy oraz naprężeń rozciągających) dla kabla. Zmieniając długość skoku skrętu tub zmienia się odporność kabla na siły rozciągające i kontrakcję (skurcz w niskich temperaturach). W procesie skręcania odbywa się również aplikacja szeregu środków zabezpieczających kabel przed wnikaniem wody (wzdłużną penetracją wody) takich jak nitki i taśmy wodnopuchnące, o różnej zawartości środka wodnoblokujacego determinującego szybkość puchnięcia i ilość tworzonego żelu. Suche elementy wodnoblokujące stosuje się na centralnym elemencie wytrzymałościowym (ang. FRP) oraz na skręconych wokół FRP tubach. Możliwe jest tu wykorzystanie nitek wodnoblokujacych jako oplotu na tubach i/lub wzdłużne nałożenie taśmy wodnoblokującej.

17 Rys.5. Urządzenie do badań: Urządzenie do skręcania kabli Źródło: Prezentacja Rosendahl-Austria Procesem kończącym jest proces badawczy wytłaczania powłok (osłon). Odbywa się on na linii wytłaczania powłok Rosendahl-Austria (RLM załącznik 4). Na ośrodku kabla wytłaczana jest zewnętrzna powłoka chroniąca ośrodek kabla i światłowody przed czynnikami zewnętrznymi głównie atmosferycznymi (wilgoć, woda), mechanicznymi uszkodzeniami podczas instalacji oraz eksploatacji kabla (odporność kabla na uderzenie, ściskanie, gryzonie) oraz termicznymi (szczególnie dla kabli napowietrznych w tym ADSS). W linii powłok jest możliwość ułożenia na ośrodku kabla lub na wcześniej wytłoczonej osłonie (powłoce wewnętrznej) dodatkowego wzmocnienia w postaci obwoju standardowego lub wodnoblokujacego z wysokomodułowych, lekkich włókien aramidowych (twaron, kevlar, kolon) lub rowingu szklanego, bądź zastosowanie wzdłużnych sztywnych prętów z kompozytu szklano epoksydowego (lub poliestrowego).

18 Rys.6. Urządzenie do badań: Urządzenie do wytłaczania powłoki Proces badawczy i produkcyjny kabla optotelekomunikacyjnego zawiera wykonanie prób, dążących do otrzymania końcowego wyniku pozytywnego. W pierwszej kolejności zostały założone wymiary, oraz określone parametry, aby wykonać tuby światłowodowe, następnie wykonano próby ośrodków, końcowym efektem było uzyskanie z wykonanych prób kabla światłowodowego 6 elementowego ADSS w konstrukcji 12 włóknowej. W celu uzyskania odpowiedniego okna rozciągania kabla ADSS wykonano następujące próby: 1. Wykonano tubę światłowodową 2.0 mm/1.4 mm 12F wg karty prób nr 17/13. Wynik próby: negatywny. Za duża tłumienność na długości fali 1550 nm. Wniosek: zbyt duży nadmiar długości włókna w tubach światłowodowych. 2. Wykonano próbę nr 18/13 zmieniając ustawienie współczynnika wyprzedzenia odciągu kołowego SCC w celu zmniejszenia nadmiaru długości włókna. Wynik: negatywny. Za duża tłumienność na długości fali 1550 nm. Wniosek: zbyt luźno nawinięta tuba na szpulę.

19 3. Wykonano próbę nr 19/13 zmieniając naciąg kompensatora nawijarki. Wynik: pozytywny. 4. Wykonano wkładkę (wypełniacz) o średnicy 2.0 mm wg karty prób nr 20/13. Wynik próby: negatywny. Wkładka urywa się co kilka kilometrów. Wniosek: nieodpowiedni profil temperatury przetwórstwa zastosowanego materiału. 5. Wykonano próbę nr 21/13 korygując profil temperatury przetwórstwa. Wynik próby: pozytywny. 6. Wykonano ośrodek kabla 6x2.0 mm z taśmą wodnoblokującą wg karty prób nr 22/13. Wynik próby: pozytywny. 7. Wykonano kabel ADSS 4kN 10.1 mm wg karty prób nr 23/13. Wynik próby: negatywny. Kabel nie przechodzi badań na rozciąganie. Wniosek: zbyt duży nadmiar długości włókna w tubie światłowodowej. 8. Wykonano kolejny test tuby 2.0 mm/1.4 mm 12F wg karty prób nr 24/13 zmieniając ustawienie współczynnika wyprzedzenia odciągu kołowego SCC, odległość pomiędzy kołami napędowymi odciągu SCC oraz naciąg włókien światłowodowych celem uzyskania nadmiaru długości włókna w tubie światłowodowej w zakresie 3-4 mm. Wynik próby: pozytywny. 9. Wykonano ośrodek 6x2.0 mm z taśmą wodnoblokującą wg karty prób nr 25/13 wykorzystując tuby światłowodowe ze skorygowanym nadmiarem długości włókna. Wynik próby: pozytywny. 10. Wykonano kabel ADSS wg karty prób nr 26/13 wykorzystując ośrodek wyprodukowany podczas próby nr 25/13. Wynik próby: negatywny. Kabel nie przechodzi badań na rozciąganie. Wniosek: nieodpowiedni skok skrętu tub w ośrodku kabla. 11. Wykonano ośrodek 6x2.0 mm z taśmą wodnoblokującą wg karty prób nr 27/13 zmieniając wartość skoku skrętu elementów ośrodka kabla. Wynik próby: pozytywny. 12. Wykonano kabel ADSS wg karty prób nr 28/13 wykorzystując ośrodek wyprodukowany podczas próby nr 27/13. Wynik próby: negatywny. Kabel nie przechodzi badań na rozciąganie. Wniosek: za mało włókien aramidowych w oplocie ośrodka kabla.

20 13. Wykonano kabel ADSS wg karty prób nr 29/13 zmieniając ilość włókien aramidowych w oplocie. Wynik próby: negatywny. Kabel nie przechodzi badań na rozciąganie. Wniosek: za mały naciąg oplotu włókien aramidowych. 14. Wykonano kabel ADSS wg karty prób nr 30/13 zmieniając naciąg włókien aramidowych. Wynik próby: pozytywny.

21 3. Badania kwalifikacyjne Proces wdrażania nowej konstrukcji kabla światłowodowego przebiega dwuetapowo. W pierwszym etapie opracowuje się technologię produkcji wyrobu wg jego założeń konstrukcyjnych, w drugim następuje weryfikacja konstrukcji na podstawie standardowych badań wytworzonych odcinków testowych. Należy zwrócić uwagę, że wiele parametrów końcowych wyrobu może odbiegać nawet znacząco od pierwotnych założeń konstruktora. Jest to wynikiem specyficznej technologii, obejmującej m.in. przetwórstwo tworzyw sztucznych z jednej strony, i bardzo dużą wrażliwość mechaniczną włókien światłowodowych z drugiej strony. Na podstawie weryfikacji wyników testów zwykle konieczna jest korekta procesów technologicznych i ponowne sprawdzenie wyników. Konstrukcja kabla światłowodowego powinna zabezpieczać światłowody przed uszkodzeniem w trakcie jego wytwarzania, instalacji i użytkowania, zapewnić stabilność charakterystyk transmisyjnych światłowodów przez cały okres eksploatacji kabla. Osiąga się to przez odpowiednie zaprojektowanie własności mechanicznych i środowiskowych kabla nadając mu odporność na naprężenia rozciągające, ściskające, skręcające, zginające, niskie i wysokie temperatury, wilgoć itp. Konstrukcja kabla z luźnymi tubami oparta jest na tzw. oknie naprężeń zwanego oknem ściskania/rozciągania (dopuszczalne wydłużenie/skurcz), dla którego siła ciągnąca i zmiany temperatury nie powinny powodować przekroczenia dopuszczalnych naprężeń oraz wydłużenia włókna. Jeżeli ten margines jest osiągany to włókna jedynie dotykają powierzchni wewnętrznych ścianek luźnej tuby. przy rozciąganiu brak naprężeń przy ściskaniu

22 % 2 ε F % 2 wyboczenie ε TK ε K ε -1 ściskanie rozciąganie Rys.7. Okno naprężeń dla kabla skręcanego Dalsze wydłużenie włókien lub skurcz tub w kablu powodują naprężenia włókien i ich tłumienność zaczyna rosnąć co jest niekorzystne z punktu widzenia parametrów transmisyjnych jak i niezawodności (czasu życia) włókien światłowodowych. 0.6 α [db/km] ściskanie zakres pracy rozciąganie temperatura [ oc] siła rozciągająca [N] Rys. 8. Odpowiednie zaprojektowanie konstrukcji kabla światłowodowego jak i jego wykonanie z precyzyjną kontrolą parametrów procesu technologicznego pozwalają na osiągnięcie założonego okna naprężeń tj. pożądanej charakterystyki = właściwości kabla.

23 Etapy badań testowych podczas wdrażania technologii kabli optotelekomunikacyjnych Badania przedprodukcyjne Pomiar parametrów transmisyjnych włókna światłowodowego używanego do produkcji odcinków testowych - kontrola wstępna. Praktyka wskazuje, że parametry włókien światłowodowych od różnych dostawców, pomimo deklaratywnego spełniania wymogów danej rekomendacji ITU-T G.65x, często się różnią. Dotyczy to zwłaszcza włókien nowych lub nietypowych standardów, np. G.657A2 lub G.656. Dlatego też pomiar parametrów włókna od różnych dostawców odgrywa niezwykle istotną rolę w pracach B+R, a następnie statystyczna kontrola ich parametrów jest kluczowa dla procesu kontroli jakości. Do zakresu pomiarów wykonywanych na tym etapie należy pomiar tłumienności jednostkowej włókien jednomodowych w drugim i trzecim oknie transmisji dla fal 1310 nm i 1550 nm, oraz dla włókien wielomodowych dla pierwszego i drugiego okna transmisji czyli 850 nm i 1300 nm. Zebrane na tym etapie informacje są archiwizowane i następnie porównywane z podobnymi danymi, zebranymi na innych etapach procesu (załącznik numer 4). Na każdym etapie procesu badawczego i później dalszego rozwoju musi być bezwzględnie zachowana pełna procedura identyfikacji wykorzystanych włókien pozwalająca na śledzenie wsteczne. Badania półproduktów Pomiar nadmiaru długości włókna w tubie. Pomiar nadmiaru włókna wykonuje się dla tuby wyprodukowanej przy stałej prędkości w jednakowych, stabilnych warunkach. Do wykonania tego pomiaru służy specjalna, precyzyjna ława pomiarowa - urządzenie do pomiaru nadmiaru włókna w tubie. Urządzenie to stanowi v-rowek, w którym umieszczana jest tuba, za pomocą układu próżniowego tuba jest przytrzymywana w rowku i jednocześnie odcinana ceramicznymi nożami z dwóch końców. Długość odciętego odcinka tuby jest ściśle zdefiniowana i powtarzalna. Po wyciągnięciu włókien z tuby są one kolejno umieszczane w tym samym v-rowku i dokonywany jest pomiar ich długości przy pomocy precyzyjnej śruby mikrometrycznej. Długość próbki z badanej tuby wynosi około 5 m. Tolerancja

24 nadmiaru włókien w tubie powinna być nie większa niż +/- 0.05% długości testowanej. Pomiarowi podlega 10 próbek tuby, wartości max. i min. są odrzucane, liczona jest średnia arytmetyczna z ośmiu pozostałych wartości. Pomiar nadmiaru włókna w tubie i jego precyzja są podstawą do prawidłowej optymalizacji i kontroli procesu produkcji kabli światłowodowych. Nadmiar włókna w tubie stanowi pierwszy parametr technologiczny procesu, kształtujący okno naprężeń dla kabla. Zmieniając ten parametr można przede wszystkim kształtować dopuszczalny zakres temperaturowy pracy kabla i jego odporność na siły rozciągające (mogące wystąpić w procesie instalowania i eksploatacji kabla). Pomiary nadmiaru ilości włókien w tubie ukazane są w załączniku 4. Rys.9. Przyrząd do pomiaru włókna w tubie Źródło: Materiały własne

25 Parametry transmisyjne włókna w pokryciu wtórnym - pomiar reflektometryczny OTDR ma na celu przede wszystkim zweryfikowanie stabilności tłumienności jednostkowej, a także ciągłości włókna i ewentualne wykrycie punktowych strat wtrąceniowych, sugerujących obecność mikropęknięć lub lokalnych naprężeń, wynikających np. z niedobranych optymalnie parametrów tuby. Dla celów kwalifikacyjnych przy kontroli jakości wykonywany jest pomiar zmian tłumienności. Dla prawidłowej i powtarzalnej oceny pomiarów parametrów transmisyjnych badane są sezonowane próbki tuby poddane relaksacji naprężeń w czasie nie krótszym niż 24 godziny. Pomiar geometrii tuby - grubości ścianki, średnicy zewnętrznej i wewnętrznej wykonuje się w płaszczyźnie X, Y w 3 miejscach co 120º (6 punktów pomiarowych) dla każdej pierwszej badanej próbki. Pomiar parametrów transmisyjnych OTDR wszystkich światłowodów w gotowym kablu (kontrola 100%). Wszystkie włókna światłowodowe w wytworzonej próbce gotowego kabla podlegają kontroli parametrów transmisyjnych przy pomocy reflektometru OTDR dla długości fal 1310 nm i 1550 nm. Mierzona jest tłumienność jednostkowa oraz ciągłość charakterystyk, co pozwala na wykrycie ewentualnych niezgodności spowodowanych przez mikropęknięcia, mikro i makro zgiecia lub naprężenia mechaniczne oddziałujące na włókna. Kontrola parametrów geometrycznych powłok kabli badana jest grubość, centryczność, średnica wytworzonych powłok. Pomiar parametrów geometrycznych powłok jest wykorzystywany do statystycznej oceny procesu, która następnie służy do optymalizacji procesu również pod względem kosztów materiałowych dla danej konstrukcji kabla.

26 Badania gotowego wyrobu ODPORNOŚĆ KABLA NA ROZCIĄGANIE Metoda badania IEC E1, IEC C10 (załącznik 4) Warunki badania Siła rozciągająca x kn. F2: ciężar 2 km kabla, F1: 0,5 F2, lub inne Czas działania siły - 15 min. Długość odcinka rozciąganego min 150 m Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienia oraz wydłużenia włókna PK2800. Rys. 10. Urządzenie do badań: Maszyna wytrzymałościowa wg IEC E1.

27 Kryteria oceny: Zmiany tłumienności dla λ=1550 nm toru optycznego względem wartości początkowej nie mogą przekraczać: 0,10 db/km podczas badania, 0,05 db/km po ustąpieniu działania siły rozciągającej. przy F1 P 0,05 db/km, przy F2 P 0,10 db/km. Po ustąpieniu działania siły tłumienność musi wrócić do wartości początkowej z tolerancją ± 0,05 db/km. Dokładność pomiaru nie powinna być gorsza od 0,05 db. Wydłużenie włókien - mierzone przy sile F1 0,05%, mierzone przy sile F2 0,33%. Ze względu na wagę długotrwałej niezawodności włókien w kablu zalecane jest kontrolowanie w tym teście wydłużenia włókien. Wynik badania odporności kabla na rozciąganie: Maksymalna zmiana tłumienności względem wartości początkowej monitorowanego toru optycznego dla λ=1550 nm X db/km w trakcie badania, X db/km po zakończeniu badania. Wykres zmian tłumienności oraz wydłużenia włókien dla badanego toru światłowodowego kabla w funkcji siły rozciągającej. ODPORNOŚĆ KABLA NA ZGNIATANIE Metoda badania IEC E3, IEC C10 (załącznik numer 4) Warunki badania Maksymalna siła zgniatająca X N/10 cm działająca w czasie 5 minut w trzech miejscach odległych od siebie o 0,5 m. Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienności: laserowe źródło światła 1550 nm + detektor optyczny

28 Rys.11. Urządzenie do badań: Maszyna zgniatające wg IEC E3. Kryteria oceny: Zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm nie mogą przekraczać 0,05 db. Brak uszkodzeń mechanicznych kabla widocznych gołym okiem. Nie powinno wystąpić uszkodzenie żadnego z elementów składowych kabla Powinna być zachowana ciągłość optyczna światłowodów. Wynik badania odporności kabla na zgniatanie: Maksymalna zmiana tłumienności monitorowanego toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm X db. Nie stwierdzenie żadnych uszkodzeń elementów składowych kabla. Zachowanie ciągłości optycznej światłowodów w próbce kabla.

29 ODPORNOŚĆ KABLA NA UDERZENIA Metoda badania IEC E4, IEC C10 (załącznik numer 4) Warunki badania Udar o energii 10 Nm w trzech miejscach odległych od siebie o 0,5 m. Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienności: laserowe źródło światła 1550 nm + detektor optyczny Rys.12. Urządzenie do badań: Urządzenie do uderzania kabli wg IEC E4.

30 Kryteria oceny: Zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm nie mogą przekraczać 0,05 db. Brak uszkodzeń mechanicznych kabla widocznych gołym okiem. Nie powinno wystąpić uszkodzenie żadnego z elementów składowych kabla Powinna być zachowana ciągłość optyczna światłowodów. Wynik badania odporności kabla na uderzenia: Maksymalna zmiana tłumienności monitorowanego toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm X db. Nie stwierdzenie żadnych uszkodzeń elementów składowych kabla. Zachowanie ciągłości optycznej światłowodów w próbce kabla. ODPORNOŚĆ KABLA NA SKRĘCANIE Metoda badania IEC E7, IEC C10 (załącznik numer 4) Warunki badania Próbka kabla o długości 2m poddana 5 cyklom skręcania o kąt ± 360 o. Naciąg próbki 100 N. Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienności: laserowe źródło światła 1550 nm + detektor optyczny

31 Rys.13. Urządzenie do badań: Urządzenie do skręcania kabli wg IEC E7. Kryteria oceny: Zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm nie mogą przekraczać 0,05 db. Wynik badania odporności kabla na skręcanie: Maksymalna zmiana tłumienności monitorowanego toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm X db. ODPORNOŚĆ KABLA NA WIELOKROTNE ZGINANIE

32 Metoda badania IEC E6 (załącznik numer 4) Warunki badania Obciążenie próbki: 100 N Tarcza o promieniu gięcia: 20 x średnica kabla Ilość cykli zginania: w zależności od rodzaju kabla Kąt zginania: ± 90 o Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienności: laserowe źródło światła 1550 nm + detektor optyczny Rys.14. Urządzenie do badań: Urządzenie do zginania kabli wg IEC E6.

33 Kryteria oceny: Zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm nie mogą przekraczać 0,05 db. Wynik badania odporności kabla na zginanie: Maksymalna zmiana tłumienności monitorowanego toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1550 nm X db. ODPORNOŚĆ KABLA NA CYKLICZNE ZMIANY TEMPERATURY Metoda badania IEC F1, IEC C10 (załącznik numer 4) Warunki badania: 2 cykle termiczne w zakresie temperatur -40 o C +70 o C (opcjonalnie +85 o C) Czas ekspozycji w temperaturach ekstremalnych 18h. Aparatura badawcza i pomiarowa Zestaw do pomiaru tłumienia oraz wydłużenia włókna PK2800.

34 Rys.15. Urządzenie do badań: Komora klimatyczna Kryteria oceny: Zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowej dla λ=1310 nm i λ=1550 nm nie mogą przekraczać 0,10 db/km w trakcie badania oraz 0,05 db/km po ustąpieniu działania temperatury. Wynik badania odporności kabla na cykliczne zmiany temperatury: Maksymalne zmiany tłumienności toru optycznego względem wartości początkowych dla λ=1310 nm i λ=1550 nm X db/km w czasie badania i X db/km po ustąpieniu działania temperatury. Wykres zmian tłumienności toru optycznego w cyklu termicznym w zakresie temperatur -40 o C +70 o C dla kabla. WODOSZCZELNOŚĆ KABLA

35 Metoda badania IEC F5 Maksymalna długość badanej próbki nie powinna przekraczać 3 m. Warunki badania Próbka kabla o długości 1 m poddana działaniu słupa wody o wysokości 1m w czasie 24h. Badanie w temperaturze otoczenia 20 o C (±3 o C). Aparatura badawcza

36 Rys.16. Urządzenie do badań: Urządzenie do badania wzdłużnej wodoszczelności kabla wg IEC E5. Kryteria oceny: Brak śladów wody na wolnym końcu kabla po 24h trwania próby. Dla ułatwienia obserwacji do wody dodawany jest środek fluorescencyjny pobudzany do świecenia lampą UV. Wyniki badania odporności kabla na wzdłużne przenikanie wody: Nie stwierdzenie żadnych przecieków wody na wolnym końcu próbki. Po rozcięciu próbki stwierdzenie wniknięcie wody na odległość Xcm.

37 4. Instalacja kabla ADSS 4kN Dwa warunki klimatyczne - wiatr i oblodzenie - określają dynamiczne obciążenia, jakim może zostać poddany kabel samonośny. Dla usystematyzowania tych warunków wiele krajów i organizacji na świecie używa predefiniowanych warunków określonych w amerykańskich National Electrical Safety Code (NESC). NESC określa trzy zakresy możliwych obciążeń klimatycznych, które mogą wystąpić w danym regionie: lekkie, średnie i ciężkie. Siła z jaką wiatr działa na kabel oraz możliwa ilość osadzającego się na kablu lodu / szadzi uzależnione są przede wszystkim od jego średnicy. Powodują one powstanie dodatkowych naprężeń w kablu, często wydłużając go poza okno naprężeń. W takim przypadku rozciąganiu poddane jest również włókno światłowodowe. Wzmocnienie kabla powinno być tak dobrane aby, przy wystąpieniu ekstremalnych dla danego terenu obciążenia wiatrem i lodem, nie powodowało wydłużenia włókna ponad 1/3 prooftestu tego włókna, czyli 0,33 % dla włókien światłowodowych z prooftestem 1%. Zapewnia to wieloletnią żywotność włókna w kablu przez zmniejszenie do minimum ryzyka jego pęknięcia. Prooftest włókna światłowodowego to standardowe badanie włókna, przeprowadzane przez jego dostawców, któremu poddawane jest 100% produkcji. W trakcie badania włókno poddawane jest wydłużeniu o zadaną wartość, np. 1%. Badanie to ma na celu wyeliminowanie nieciągłości w strukturze włókna, które mogłyby spowodować jego pęknięcie w trakcie instalacji czy eksploatacji. Bardzo ważnym parametrem kabla jest więc maksymalna siła rozciągająca, jaką kabel może przenieść bez uszczerbku dla swoich właściwości transmisyjnych i żywotności. Często określana jest jako MAT Maximum Allowable Tension lub MWT Maximum Working Tension, czyli maksymalny dopuszczalny naciąg. Innym ważnym dla projektantów linii napowietrznych parametrem kabla jest jego zwis pod obciążeniem. Obciążenie lodem i wiatrem powoduje wydłużenie kabla, zwiększając zwis i powodując jego odchylenie boczne. Kabel pod obciążeniem nie powinien wchodzić w interakcje z innymi kablami zawieszonymi na słupach ani stanowić zagrożenia dla ludzi i pojazdów.

38 Do produktów instalacji zawiesi kabli światłowodowych ADSS na różnorodnych powierzchniach elementów konstrukcyjnych, możemy zaliczyć: uchwyty do instalacji zawiesi kablowych; rozwiązania dedykowane do powierzchni płaskich, owalnych i okrągłych, elementy do przygotowania obejm w niestandardowej długości; taśmy stalowe oraz zamki spinające (dostępne w wersji stalowej ocynkowanej oraz nierdzewnej). Komponenty te zostały opracowane w sposób zapewniający ich uniwersalne zastosowanie - mogą być zamontowane zarówno na elewacjach budynków, jak i na podbudowie słupowej, z uwzględnieniem różnorodności materiału oraz szczegółów konstrukcyjnych. Rys. 17. Uchwyt do powierzchni okrągłych

39 Rys. 18. Taśma Rys. 19. Zamki do taśmy Rys. 20. Uchwyt do powierzchni płaskich

40 Rys. 21. Uchwyt do powierzchni owalnych

41 Podsumowanie Działania zrealizowane w ramach Projektu, składającego się z dwóch części: Cz.1. Zwiększenie i zróżnicowanie potencjału formy B+R Firmy Elmat poprzez realizację projektu badawczego w zakresie osprzętu światłowodowego prace rozwojowe, Cz.2 Zwiększenie i zróżnicowanie potencjału B+R Firmy Elmat poprzez realizację projektu badawczego w zakresie osprzętu światłowodowego prace przemysłowe miały na celu stworzenie nowych rozwiązań, oraz opracowanie innowacyjnych technologii w dziedzinie kabli światłowodowych. Zaplanowane działania i ich realizacja pozwoliły na opracowanie kabla samonośnego napowietrznego 6 elementowego ADSS w konstrukcji 12 włóknowej. Do przeprowadzonych badań wykorzystano trzy linie: linie tuby, skręcania ośrodka, i wytłaczania powłok kabla, których ilustracje ukazane są w początkowych rozdziałach raportu. Przeprowadzono dokładną kontrolę jakości powstałych półproduktów oraz w dalszej kolejności produktu finalnego kabla ADSS w konstrukcji 12 - włóknowej. Wykonując próby na linii tuby dobrano odpowiedni profil temperatur i parametry takie jak: obroty wytłaczarki, obroty pompy do żelu tiksotropowego oraz naciąg włókien światłowodowych. Ustalono odpowiednią średnicę wewnętrzną tuby światłowodowej i nadmiar długości włókna (EFL). Przetestowano kilka typów tworzywa do produkcji wkładki (wypełniacza), w wyniku czego dokonano ostatecznego wyboru. Linia skręcania ustalono parametry skrętu: skok oplotu wodno-blokującego, skok skrętu tub i wkładek wokół elementu centralnego oraz naciągi wszystkich półwyrobów oraz surowców stosowanych w opisanej wyżej konstrukcji. Końcowym etapem było wytłoczenie właściwej powłoki zewnętrznej kabla na ośrodku skręconym. Ustalono profil temperatury przetwórstwa, temperaturę wody chłodzącej oraz obroty wytłaczarki w celu uzyskania odpowiedniej średnicy kabla. Dostosowano ilość wzmocnienia oraz jego naciąg w celu uzyskania odpowiedniej odporności kabla na rozciąganie. Szereg przebytych prób, dobór odpowiednich parametrów, warunków badań, aparatów, narzędzi i materiałów pod okiem doświadczonych specjalistów w odpowiednio wyposażonym centrum badawczo rozwojowym, pozwoliło na osiągniecie i opracowanie zamierzonego działania wyznaczonego w projekcie.

42 Załączniki 1. Załącznik numer 1 segregator z atestami, certyfikatami i specyfikacjami, 2. Załącznik numer 2 segregator z danymi technicznymi materiałów, 3. Załącznik numer 3 segregator z danymi bezpieczeństwa materiałów, 4. Załącznik numer 4 segregator z danymi wewnętrznymi z procesu badań i rozwoju kabli