Диэлектрические свойства полимеров для медных кабелей связи

Page 1
background image

Page 2
background image

КАБЕЛЬ−news / № 6-7 / июнь-июль  2009

93

Производство

Развитие систем связи и кабелей связи, как ком-

плектующих  изделий  для  этих  систем,  характе-
ризуется  сегодня  скачкообразным  увеличением 
скоростей передачи цифровой информации.

Для  наглядности  рассмотрим  историю  развития 

систем связи для локальных сетей. Первый стандарт 
Ethernet для локальных сетей появился в начале 80-х 
годов прошлого века. За ним последовали стандар-
ты: Fast Ethernet — в 1995 году, Gigabit Ethernet — в 
1998 году, 10G Ethernet — в 2002 году. Перечислен-
ным стандартам соответствует следующая иерархия 
скоростей  передачи  информации:  10  Мбит/с  — 
100 Мбит/с — 1000 Мбит/с — 10 Гбит/с [1]. 

Несмотря  на  давние  заявления,  полной  замены 

кабелей связи с медными токопроводящими жила-
ми на волоконнооптические кабели не произошла 
и,  по-видимому,  в  ближайшие  годы  не  осущест-
вится. 

Очевидно,  это  обусловлено  тем,  что  схема  по-

строения  волоконнооптических  сетей  связи  FTTB 
или FTTC (оптическое волокно до здания или до не-
которого центра) экономически в ряде случаев бо-
лее выгодна, чем схема FTTH (оптическое волокно 
до дома или квартиры, для многоэтажных домов). В 
этом случае абонентская часть линии прокладыва-
ется кабелями с медными токопроводящими жила-
ми: кабелями симметричными парной скрутки или 
коаксиального типа.

К  этому  следует  добавить  организацию  систем 

широкополосной  связи  на  базе  технологий  xDSL 
по  существующим  распределительным  сетям  на 
базе кабелей типа ТПП или с прокладкой кабелей 
широкополосного  абонентского  доступа  новых 
конструкций.

Многозначность  вариантов  построения  сетей 

связи  в  текущий  период  определяется  как  эконо-
мическими  причинами,  несовершенством  пред-
лагаемого  контента,  так  и  неопределенностью 
выбора решений конкретными операторами и раз-
нообразием самих операторов.

Однозначно можно утверждать одно: если будут 

применяться  кабели  связи  с  медными  токопрово-
дящими жилами парной скрутки, то максимальная 
частота диапазона их применения будет предполо-
жительно расти. 

Согласно  [2],  существует  градация  частотных 

диапазонов.  Последовательность  диапазонов  в 

порядке  возрастания  частоты,  отличающихся  ха-
рактерными  особенностями  поведения  функции 
потерь  в  них,  соблюдается,  как  правило,  для  всех 
проводниковых структур из меди:

• RC-область;
• LC-область;
• область поверхностного эффекта;
• область диэлектрических потерь;
• область волноводной дисперсии.

В [2] приведены формулы для расчета граничных 

частот  вышеперечисленных  диапазонов,  которые 
мы, однако, приводить не будем, так как они нахо-
дятся  несколько  в  стороне  от  рассматриваемых  в 
данной статье вопросов.

И  если  в  трех  первых  диапазонах  влияние  диэ-

лектрика  на  коэффициент  затухания  не  столь  су-
щественно,  то  в  области  диэлектрических  потерь 
оно становится превалирующим.

Рассмотрим  наиболее  известные  материалы, 

применяемые в качестве изоляции в конструкциях 
кабелей связи с медными токопроводящими жила-
ми. Наиболее широко используется для этих целей 
полиэтилен.

Согласно [3] для полиэтилена нормируется:
-  относительная  диэлектрическая  проницае-

мость: не более 2,3 на частоте 1 МГц и не более 2,3 
на частоте 500 МГц;

- тангенс угла диэлектрических потерь: не более 

3

·

10

-4 

на частоте 1 МГц и не более 4

·

10

-4

 на частоте 

500 МГц.

На  сегодняшний  день  этой  информации  уже  не 

достаточно:  во-первых,  потому,  что  на  очереди 
разработка  следующей  более  совершенной  кон-
струкции кабеля для структурированых кабельных 
систем  (СКС),  работающей  в  диапазоне  частот  до 
1000  МГц  и  даже  стандартизованная  7  категория 
работает  в  диапазоне  частот  до  600  МГц,  что  пре-
вышает  диапазон  нормирования;  во-вторых,  то-
чечное нормирование при таких частотах вряд ли 
можно считать объективным показателем.

Известно [4, 5], что в самом общем случае теоре-

тическая  зависимость  тангенса  угла  диэлектриче-
ских потерь выглядит так, как это представлено на 
рисунке.

В  зависимости  от  конкретного  значения  tg

θ

 

max

 

можно судить о возможности использования кабе-
ля в диапазоне частот близком к 

w

K

.

Диэлектрические свойства полимеров 
для медных кабелей связи


Page 3
background image

КАБЕЛЬ−news / № 6-7 / июнь-июль  2009

94

Производство

Конечно, можно говорить, что к полиэтилену это 

не  относится,  что  он  очень  чистый  материал.  Но 
и  в  полиэтилен  вводятся  антиоксиданты,  термо-
стабилизаторы и, что значительно хуже, пигменты 
красителей. А на концентраты пигментов и на окра-
шенный полиэтилен действие [3] не распространя-
ется. Известно влияние концентрации пигментов в 
окрашенной полиэтиленовой изоляции на резуль-
таты  испытания  электрическим  напряжением,  но 
не известно, какое влияние они будут оказывать на 
тангенс угла диэлектрических потерь в диапазоне 
частот до 10 ГГц. 

Если  кого-то  из  специалистов  волнует  возмож-

ность проведения таких измерений или появляется 
сомнение в необходимости таких измерений, при-
ведем  в  пример  издание  [2],  в  котором  представ-
лены  значения  относительной  диэлектрической 
проницаемости  и  тангенса  угла  диэлектрических 
потерь  сложных  диэлектриков  конкретных  ма-
рок,  применяемых  для  изготовления  печатных 
плат  приемопередающей  аппаратуры  связи  на 
частоте 10 ГГц. Вполне возможно, что в скором бу-
дущем  этот  частотный  диапазон  освоят  в  кабелях  
СКС.

Наличие ступенчатых скачков в функциональных 

зависимостях  относительной  диэлектрической 
проницаемости  и  тангенса  угла  диэлектрических 
потерь  равнозначно  разбиению  полосы  пропу-
скания кабеля на два неодинаковых участка. Если 
кабель предназначен для передачи широкополос-
ных сигналов, то не очень понятно, как будет вести 
себя широкополосный сигнал, захватывающий оба 
таких участка. Хотя, исходя из общих соображений, 
можно утверждать, что это приведет к искажениям 
сигнала. Возможно, что использование всей шири-

ны полосы для передачи сигналов окажется недо-
пустимым.

В  последнее  время  для  изоляции  высокочастот-

ных  кабелей  связи  наряду  с  полиэтиленом  стали 
применять полипропилен, однако о нормировании 
относительной диэлектрической проницаемости и 
тангенса угла диэлектрических потерь в зависимо-
сти от частоты нам ничего не известно.

Как  следует  из  вышеизложенного,  в  норматив-

ной документации на полиэтилен и полипропилен 
должны быть приведены функциональные зависи-
мости относительной диэлектрической проницае-
мости  и  тангенса  угла  диэлектрических  потерь  от 
частоты, а также метод измерений.

Кстати,  об  измерениях.  В  [3]  рекомендуется  из-

мерять  относительную  диэлектрическую  прони-
цаемость  и  тангенс  угла  диэлектрических  потерь 
на  частоте  1МГц  по  методике,  изложенной  в  [6],  а 
на  частоте  500  МГц  —  по  методике,  изложенной  
в [7].

Методика  [6]  описывает  метод  непосредствен-

ного  измерения  относительной  диэлектрической 
проницаемости  и  тангенса  угла  диэлектрических 
потерь и резонансный метод (с помощью опреде-
ления  добротности  измеряемой  цепи),  в  диапа-
зоне  частот  от  100  до  5

·

10

6

  Гц  на  образцах  в  виде 

круглых, квадратных пластин или цилиндрических 
трубок.

Методика  [7]  описывает  резонансный  метод, 

основанный  на  использовании  измерителей  до-
бротности,  тороидальных  резонаторов  и  коакси-
альных  резонаторов  постоянной  и  переменной 
длины, и метод измерения в линиях передач, осно-
ванный  на  использовании  коаксиальных  измери-
тельных  систем,  в  диапазоне  частот  0,2–1  ГГц  на 
образцах  в  виде  плоскопараллельного  диска  или 
коаксиальной шайбы.

Отсюда  видно,  что  существующие  методики 

позволяют  проводить  измерения  в  диапазоне 
частот  от  100  до  1000  МГц.  Для  проведения  ис-
пытаний  в  диапазоне  частот  до  10  ГГц  необходи-
мо  разрабатывать  и  стандартизовать  методику  
измерений. 

Ужесточение  требований  к  кабелям,  проклады-

ваемым в помещениях, в частности требования по 
нераспространению горения, приводят к тому, что 
полиэтилен  и  полипропилен  перестают  соответ-
ствовать  совокупным  требованиям,  предъявляе-
мым к материалу изоляции.

В качестве возможной замены в простейшем слу-

чае  могут  рассматриваться  поливинилхлоридный 
пластикат  или  полимерная  безгалогенная  компо-

мах

tgθ

θ

tg

k

ω  

ω  

Теоретическая зависимость тангенса угла 

диэлектрических потерь от частоты 

приложенного к полимерному диэлектрику 

напряжения


Page 4
background image

КАБЕЛЬ−news / № 6-7 / июнь-июль  2009

95

Производство

зиция.  Ввиду  того,  что  безгалогенная  полимерная 
композиция  в  России  не  производится,  проведем 
анализ изоляционного поливинилхлоридного пла-
стиката.

Изоляционный  поливинилхлоридный  пластикат 

в России производят по ГОСТ 5960-72 [8].

Поливинилхлоридный пластикат относится к по-

лярным  диэлектрикам,  у  которых  относительная 
диэлектрическая  проницаемость  и  тангенс  угла 
диэлектрических потерь не только имеют большие 
значения,  но  и  резко  возрастают  при  повышении 
температуры [5].

Однако в нормативном документе на изоляцион-

ный  поливинилхлоридный  пластикат  [8]  требова-
ния к таким параметрам просто отсутствуют.

Поиск  технической  информации  в  этом  направ-

лении привел к противоречивым результатам. Так, 
в  отечественной  информации  в  сети  Интернет  [9] 
сообщается следующее:

-  для  жесткого  ПВХ  (винипласта)  тангенс  угла 

диэлектрических  потерь  при  50  Гц  составляет 
0,01–0,02,  относительная  диэлектрическая  прони-
цаемость при 50 Гц — от 3,1 до 3,5;

- для мягкого ПВХ (пластиката) тангенс угла диэ-

лектрических  потерь  при  50  Гц  равен  0,1,  относи-
тельная  диэлектрическая  проницаемость  при  50 
Гц составляет 4,2–4,5.

По  информации  фирмы  «Alpha  Wire  Company» 

[10]  для  стандартного  поливинилхлоридного  пла-
стиката  тангенс  угла  диэлектрических  потерь  при 
частоте  1  МГц  равен  0,06–0,1,  относительная  диэ-
лектрическая  проницаемость  при  частоте  1  МГц 
составляет 4–6.

Расчетные  значения,  полученные  на  основании 

результатов  измерений  кабелей  с  поливинилх-
лоридной  изоляцией  марки  И40-13A  (рец.  8/2), 
показали,  что  относительная  диэлектрическая 
проницаемость  примененного  материала  превы-
шает 5 (на частоте 1кГц).

Здесь  важно  отметить  то,  что  области  поверх-

ностного  эффекта  и  диэлектрических  потерь  не 
являются  взаимно  независимыми  и  могут  пере-
крываться.  За  счет  большого  значения  тангенса 
угла  диэлектрических  потерь  поливинилхлорид-
ного  пластиката  нижняя  граница  области  диэлек-
трических  потерь  спускается  до  1  МГц,  и  кабель  с 
изоляцией  из  поливинилхлоридного  пластиката 
уступает  кабелю  с  изоляцией  из  полиэтилена  по 
коэффициенту затухания.

Можно предположить, что не лучше обстоит дело 

и с безгалогенной полимерной композицией.

В заключение обобщим изложенное.

Для того, чтобы рассчитать коэффициент затуха-

ния и волновое сопротивление кабелей связи для 
частот  выше  1  МГц,  необходимо  организовывать 
контроль  комплексной  диэлектрической  прони-
цаемости  в  диапазоне  частот  от  1  до  10000  МГц 
как  функции  от  частоты  или,  что  то  же  самое,  от-
носительной  диэлектрической  проницаемости 
(вещественной составляющей) и тангенса угла диэ-
лектрических  потерь  всех  полимерных  материа-
лов, которые могут применяться для изготовления 
изоляции этих кабелей.

Решить  такую  задачу,  по  нашему  мнению,  под 

силу  только  крупному  кабельному  заводу,  Ассо-
циации  «Электрокабель»  или  ОАО  «ВНИИКП»,  но 
то, что необходимость ее решения давно назрела, 
очевидно. Без знания подобных параметров мате-
риалов ни конструировать, ни изготавливать кабе-
ли невозможно. 

Эпоха,  когда  заводской  технолог  изготавливал 

любой  кабель,  измерив  конструктивные  размеры 
образца, уходит в прошлое.

Д.В. Хвостов, 

В.В. Бычков, 

Ю.Д. Дмитриев

Литература

1. Олифер В.Т., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Прин-

ципы, технологии, протоколы. Изд-во «Питер», 2006.

2. Джонсон Г.Д., Грэхэм М.  Высокоскоростная переда-

ча цифровых данных. М., СПб: Изд-во «Вильямс», 2005.

3.  ГОСТ  16336-77.  Композиции  полиэтилена  для  ка-

бельной промышленности. Технические условия.

4.  Тареев  Б.  М.  Физика  диэлектрических  материалов. 

М.: Энергия, 1973.

5.  Справочник  по  электротехническим  материалам  /

под  ред.  Ю.В.  Корицкого,  В.В.  Пасынкова,  Б.М.  Тареева. 
Т.1. М.: Энергоатомиздат, 1986.

6. ГОСТ 22372-77. Материалы диэлектрические. Мето-

ды определения диэлектрической проницаемости и тан-
генса  угла  диэлектрических  потерь  в  диапазоне  частот 
от 100 до 

5

·

10

6

 Гц.

7.  ГОСТ  8.358-79.  Государственная  система  обеспече-

ния  единства  измерений.  Методика  выполнения  изме-
рений относительной диэлектрической проницаемости 
и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне ча-
стот 0,2÷1 ГГц.

8.  ГОСТ  5960-72.  Пластикат  поливинилхлоридный  для 

изоляции и защитных оболочек проводов и кабелей. Тех-
нические условия.

9. Смола ПВХ. http://ekoresurs.ru/product/smola-pvc.ru.
10. http://www.alphawire.com/pages/346.cfm.


Читать онлайн

Развитие систем связи и кабелей связи, как комплектующих изделий для этих систем, характеризуется сегодня скачкообразным увеличением скоростей передачи цифровой информации

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»