Избранные тезисы докладов с 7 Международной Конференции

• Оптический модуль – основа волоконно-оптического кабеля (ВОК)
• Виртуальная лабораторная работа “Определение параметров кабельной линии методом ХХ и КЗ”
• Трехфазная кабельная линия как асинхронная машина с заторможенным внешним ротором
• Выбор оптимальных кабелей для структурированных кабельных сетей
• Силанольная сшивка полиолефиновой изоляции
• Автоматическое управление экструзионным процессом

Оптический модуль – основа волоконно-оптического кабеля (ВОК)

Автор: Е.Н. Барышников, рук. И.Б, Рязанов, к.т.н., доц. (МЭИ)

Во всем мире наблюдается стремительный рост потребления ВОК, и Россия - не исключение. Однако развитие производства ВОК в России имеет ряд отличительных особенностей. Основная из них - это применение импортного оптического волокна. С этим связано ослабление интереса к собственным исследованиям в этой области. Российские потребители приняли как должное рекордно низкий уровень оптических потерь и малую дисперсию сигнала. Другая проблема - понимание тонкостей изготовления сердечника ВОК, и, в частности, оптического модуля - стала основной. За последние десятилетия фрагментарно многие стороны этой проблемы достаточно хорошо изучены. Однако целостные работы, которые бы отслеживали изготовление ВОК от оптического волокна, авторам не известны. Одной из главных причин невозможности применения волоконного световода из кварцевого стекла в натуральном виде является его низкая механическая прочность. Приблизить реальную механическую прочность получаемого волоконного световода (5...7 ГПа) к теоретической (25 ГПа), а также защитить световод от взаимодействия с окружающей средой можно нанесением на него защитного покрытия. Волоконный световод в первичном защитном покрытии получил название оптического волокна.

Однако нанесение на световод защитного покрытия до конца не решило всех проблем, связанных с применением оптического волокна. Стойкость оптического волокна к внешним воздействиям по сравнению с “гольш” световодом значительно увеличилась, хотя и осталась недостаточной для его использования в качестве самостоятельного канала связи. В результате появилась возможность использования оптического волокна в производственном процессе, заключающееся, по существу, в нанесении дополнительных защитных покрытий, обеспечивающих выполнение разносторонних требований, предъявляемых к работе оптического волокна в составе волоконно-оптического кабеля.

В докладе проанализированы возможные конструкции вторичных покрытий волоконного световода, в том числе и оптических модулей, описан механизм работы оптического модуля и сердечника ВОК на его основе при температурных и механических воздействиях.

Виртуальная лабораторная работа “Определение параметров кабельной линии методом ХХ и КЗ”

Автор: A.Н. Васильев, рук., A.M. Тихонов, к.т.н., доц. (МЭИ)

Одной из виртуальных лабораторных работ, входящих в разрабатываемый на кафедре ФТЭМК учебно-методический комплекс по электротехническому материаловедению, является работа “Измерение параметров кабельной линии методом XX и КЗ”. В ней исследуются частотные зависимости первичных и вторичных параметров кабельных линий. Эти параметры используют для проектирования кабельных линий связи, диагностики отказов при производстве и эксплуатации.

Для определения первичных и вторичных параметров кабеля, как правило, используют метод холостого хода и короткого замыкания, заключающийся в измерении входного сопротивления Z_BX при замкнутой и разомкнутой цепи, и дальнейшем расчете по Z_bx (хх) Z_вх(КЗ) вторичных и первичных параметров кабеля.

Измерения входных сопротивлений цепи осуществляются с помощью моста полных сопротивлений, позволяющего измерять комплексные сопротивления. С его помощью можно проводить измерения на симметричных и несимметричных относительно земли объектах без каких-либо дополнительных переключений.

Виртуальная лабораторная работа “Измерение параметров кабельной линии методом XX и КЗ” моделирует измерение входного сопротивления Z_BX реальной кабельной цепи на различных частотах и длинах.

Данная лабораторная работа реализована в виде HTML документов, сценарии, имитирующие реальный лабораторный стенд, написаны с использование языка программирования JavaScript.

Для уменьшения объема данных, передаваемых пользователю с сервера, было решено рассчитывать входное сопротивление непосредственно в клиентском приложении.

На сервере осуществляется случайный выбор задания на проведение лабораторной работы, которое пересылается клиентскому компьютеру.

Трехфазная кабельная линия как асинхронная машина с заторможенным внешним ротором

Автор: Е.А Криворучко, рук. А.И. Инкин, д.т.н., проф. (НПУ, Новосибирск)

При конструировании линий с оболочками в виде сплошных тонкостенных цилиндров или сформированной из стальной проволоки возникают сложные проблемы, связанные с минимизацией габаритов и активных потерь в жилах и оболочке, с расчетами продольных параметров кабеля и его эксплуатационных характеристик. Особый интерес представляет исследование внешних электромагнитных полей трехфазных кабельных линий. Решению этих комплексных проблем должны предшествовать исследования потенциальных электрических и электромагнитных синусоидальных полей в системе “кабель - окружающая среда”.

Если кабель имеет пространственно симметричное расположение жил и цилиндрическую оболочку, то при симметричной системе токов в жилах в объеме кабеля и окружающем пространстве устанавливается режим, который может быть охарактеризован следующими факторами:

1. Исследуемое поле является двухмерным, плоскопараллельным.

2. Электромагнитное поле во всем объеме может быть разложено на пространственные гармонические с периодом кратным 2 пи.

3. Аналогичные электромагнитные поля существуют и в поперечном сечении гипотетической “асинхронной машины”, в которой статор имеет обмотку в виде жил кабеля, а внешний заторможенный ротор представляется в виде тонкостенной проводящей цилиндрической оболочки.

Форма жил не оказывает существенного влияния на интегральные эксплуатационные характеристики кабеля. Рассматривается следующая расчетная модель: реальный ток в каждой жиле сосредотачивается в дугообразном настиле. Эта модель учитывает в одномерном представлении поперечный размер жилы. Источником поля являются бегущие пространственные плотности настилов тока.

Для пассивных зон кабеля вектор напряженности Е_к удовлетворяет уравнению Лапласа. Для проводящей ферромагнитной оболочки кабеля электрическая напряженность удовлетворяет уравнению Гельмгольца.

Если рассмотреть несимметричную систему токов, то расчетная модель останется неизменной. Однако до расчета поля по этой модели необходимо в схеме без нулевого провода несимметричную систему токов I_А,I_В и I_С разложить на симметричные составляющие прямой и обратной последовательностей. После этого для каждой последовательности рассчитать поле в следуемом объеме и, используя метод наложения, получить окончательный Результат.

Выбор оптимальных кабелей для структурированных кабельных сетей

Автор: Л.Е. Макшанцева, рук. И.Б. Рязанов, к.т.н., доц. (МЭИ)

Структурированные кабельные сети (СКС) обеспечивают надежную эффективную работу организаций, использующих современные средства связи и вычислительную технику. Экономическая выгода построения СКС обусловлена длительным сроком эксплуатации (15...20 лет) и низкой стоимостью обслуживания.

Первоочередной задачей проектировщика СКС является оптимальный выбор компонентов с учетом архитектурных особенностей здания и условий Заказчика. Наиболее ответственен выбор типа кабеля, ведь в течение 15...20 лет передаточные характеристики должны оставаться на первоначальном уровне, а замена уже проложенного кабеля является трудоемкой и дорогостоящей операцией.

При построении СКС используются неэкранированная витая пара, экранированная витая пара и волоконно-оптический кабель (ВОК). При выборе кабеля должны учитываться следующие требования:

• пропускная способность сети; возможность расширения сети в будущем; продолжительность жизни сети;

• категория кабеля (для витой пары); многомодовый или одномодовый кабель (для ВОК);

• максимальная длина кабельной линии;

• условия прокладки кабеля (особенности кабельных трасс, климатические условия);

• защищенность передаваемых данных; электромагнитная совместимость; выбор типа экрана (для экранированной витой пары) и его заземление;

• противопожарная безопасность;

• стоимость кабеля; стоимость монтажных работ, стоимость компонентов и активного оборудования.

Только тщательный анализ перечисленных требований позволит проектировщику выбрать оптимальный кабель для конкретной сети.

Силанольная сшивка полиолефиновой изоляции

Автор: М.Л, Некрасов, рук. М.А. Боев, д.т.н., доц. (МЭИ)

Полиолефиновая изоляция кабельных изделий (КИ) обладает весьма ценным комплексом свойств: высокими диэлектрическими характеристиками в широком интервале температур, химической стойкостью, значительной теплостойкостью, прочностью, небольшим удельным весом и т. д. Однако даже кратковременный нагрев изоляции выше температуры плавления, например из-за короткого замыкания, приводит к выходу КИ из строя.

Наиболее широко используемым полиолефином в кабельной технике является полиэтилен (ПЭ). Изоляции проводов и кабелей, выполненной из ПЭ, присущи некоторые недостатки, предопределяемые самой природой этих полимеров, главными из которых являются ползучесть и резкое ухудшение механических свойств при температурах, близких к температуре плавления ПЭ (125...128°С) вплоть до потери формоустойчивости. Эти свойства ПЭ изоляции объясняются линейным строением макромолекул ПЭ.

Создание трехмерной структуры, благодаря образованию поперечных связей между макромолекулами ПЭ (так называемая сшивка), позволила бы улучшить отдельные свойства материала при сохранении комплекса остальных свойств.

В настоящее время в кабельной технике применяют метод сшивки, основанный на химической реакции между привитыми к макромолекулам ПЭ силаносодержащими органофункциональными группами (силанольное сшивание). Следует отметить, что связь между макромолекулами ПЭ через Si-OSi очень стабильна, так как энергия связи составляет (780 Дж/моль), что выше чем у связи С-С (630 Дж/моль), образующейся при пероксидном и радиационном сшивании. Применение сшиваемых материалов позволяет получить изоляцию, с улучшенными эксплуатационными свойствами: длительно допустимая температура нагрева токопроводящих жил (ТПЖ) 90° что на 20° С выше допустимой температуры нагрева ТПЖ кабелей с термопластичной изоляцией. Температура нагрева ТПЖ в аварийном режиме повышается с 80 до 130°С, а максимально допустимая температура при токах короткого замыкания повышается с 130 до 250°С. Кроме того, за счет улучшения механических свойств возможно снижение толщины изоляции, а значит уменьшение расхода материалов, массы и габаритов КИ.

Метод силанольного сшивания приводит к повышению нагревостойкости, улучшению механических свойств ПЭ изоляции и является более экологически чистым методом, требующим меньше капиталовложений no сравнению с уже давно применяемыми пероксидным и радиационным методами.

Автоматическое управление экструзионным процессом

Автор: И.И. Стародубцев, рук. И.Б. Рязанов, к.т.н., доц. (МЭИ)

До недавнего времени специалистами в области производства волоконно-оптических кабелей основное внимание уделялось оптимизации отдельного экструзионного процесса. При этом формализация задачи выбора параметров и режимов экструзии, как правило, сводится к использованию нескольких предельно простых математических соотношений, а основная нагрузка в принятии оптимального технологического решения в различных производственных ситуациях ложится на конкретного эксперта. Зачастую результаты такого подхода оказываются неудовлетворительными, что обусловлено рядом причин, а именно: повышенные требования к оптимизации сложных технологических процессов производства оптических кабелей, необходимость учитывать результаты предыдущих процессов и даже корректировать отклонение и т.д. При попытке же математически описать сложный технологический процесс в целом от поступления заказа на предприятие до выпуска готового изделия и прогнозирования его эксплуатационных свойств, неизбежно столкновение с многомерной и сложной математической моделью при низкой точности и неполноте исходной информации и неоднозначности критерия управления.

В связи с этим предложено рассматривать производство волоконно-оптических кабелей как организационно-ситуационный объект, а задачу оптимизации технологических процессов как неформализованную задачу интеллектуальной деятельности специалиста. В основе ситуационного управления лежит использование логико-лингвистической модели объекта. Рассматривается интеллектуальная автоматизированная система управления технологическими процессами кабельного производства на основе предикатно-фреймовых моделей представления знаний. В докладе приведена архитектура системы, анализируются ее свойства и режимы функционирования. Рассматриваются “начальные условия” и предположительные пути внедрения подобной системы на производстве волоконно-оптических кабелей.