Материал, применяемый для изоляции кабельных жил, должен обладать высокими и стабильными во времени электрическими характеристиками, быть гибким, механически прочным и не требовать сложной технологической обработки. В электрическом отношении свойства изоляции определяются следующими параметрами: электрической прочностью U, при которой происходит пробой изоляции; удельным электрическим сопротивлением ρ, характеризующим ток утечки в диэлектрике; диэлектрической проницаемостью ε, характеризующей степень смещения (поляризации) зарядов в диэлектрике при воздействии на него электрического поля; тангенсом угла диэлектрических потерь (или величиной диэлектрических потерь) tgδ, характеризующим потери высокочастотной энергии в диэлектрике.
Наилучшим диэлектриком является воздух, который обладает ε →1; ρ →∞ и tgδ → 0. Однако создать изоляцию только из воздуха практически невозможно. Поэтому кабельная изоляция, как правило, является комбинированной и содержит как воздух, так и твердый диэлектрик, причем количество твердого диэлектрика должно быть минимальным и определяться требованиями устойчивости изоляции и жесткости ее конструкции. Изоляция должна предохранять токопроводящие жилы от соприкосновения между собой и строго фиксировать взаимное расположение жил в группе по всей длине кабеля.
В качестве диэлектриков в кабелях связи широко используются по-лимеризационные пластмассы типа полистирол (стирофлекс), полиэтилен, фторопласт, полихлорвинил и др. Сочетание высоких электрических характеристик в широком спектре частот, влагостойкости, стойкости к различным агрессивным средам и сравнительной легкости технологической обработки обеспечило пластмассам широкое применение в кабелях связи в качестве изоляции и защитных оболочек.
При оценке пригодности того или иного типа кабеля следует иметь в виду, что ширина полосы частот, передаваемой по кабелю, обусловлена качеством используемого диэлектрика (ε, tgδ) и в первую очередь величиной диэлектрических потерь. Потери высокочастотной энергии в диэлектрике кабеля непосредственно связаны с величиной tgδ и прямолинейно возрастают с ростом частоты. Для сравнения укажем, что при частоте 1 МГц величина кордельно—бумажной изоляции составлет 400·10-4, а полиэтилена—не более 5·10-4. С ростом частоты эта разница в потерях линейно возрастает, и для высокочастотных кабелей становятся пригодными лишь определенные виды пластмасс.
Для изоляции кабельных жил применяют бумагу из сульфатной целлюлозы. Для местных используют бумагу толщиной 0,05 мм, а для магистральных — 0,08; 0,12 и 0,17 мм. Бумагу окрашивают в разные цвета (красный, синий, зеленый), чтобы различать жилы кабеля при монтаже. Бумага может быть также натурального цвета.
Поливинилхлорид (ПВХ) устойчив к действию химических реагентов, обладает высокой влагостойкостью, однако легко разлагается при нагревании. Обладает низкой теплостойкостью и подвержен интенсивному старению под действием тепла и света. При низких температурах ПВХ теряет прочность, при высоких резко ухудшает свои электрические свойства. Достоинством поливинилхлорида является негорючесть.
Полиэтилен по своим изоляционным свойствам превосходит бумагу. Получают его полимеризацией сжиженного этилена при высоких температурах и давлении. Полиэтилен обладает высокой эластичностью, прочностью, малой влагопоглощаемостью, имеет небольшую плотность, не тонет в воде. Кроме того, у полиэтилена малый коэффициент диэлектрической проницаемости, незначительный угол диэлектрических потерь и высокое объемное сопротивление, причем две последние характеристики с ростом частоты тока увеличиваются очень мало. Параметры полиэтилена стабильны в широком диапазоне температуры (от-45 до +100°С).
Пористый полиэтилен получают при специальной термической обработке смеси полиэтилена с газообразующим веществом (нарофором). Ячеистая структура материала с большим количеством мелких закрытых воздушных включений (35—55%) снижает расход полиэтилена, уменьшает массу и стоимость кабеля, диэлектрическую проницаемость материала, в результате рабочая емкость и затухание кабельной цепи уменьшаются. Существенным недостатком пористого полиэтилена является повышенная влагопоглощаемость.
Стирофлекс изготавливают из жидкого стирола, исходным сырьем для которого является нефть или каменный уголь. Из стирофлекса делают ленты толщиной 0,045 и шириной 10—12 мм и кордели для изоляции ВЧ кабелей связи. Для отличия жил друг от друга стирофлекс окрашивают в различные цвета. При работе со стирофлексом следует иметь в виду его невысокую теплостойкость (65— 80°С).
Полиизобугилен получают в результате соответствующей обработки изобутилена, который после полимеризации превращается в резинообразный материал, имеющий различные названия (полиизо-бутилен, оппанол, вистонекс и др.). Из-за текучести его редко применяют в чистом виде и обычно соединяют с другими материалами.
Полипропилен близок к полиэтилену, отличается от него более высокой теплостойкостью и допускает длительную эксплуатацию при температуре окружающей среды до 120°С, сохраняет гибкость при низких температурах, не разрушается под воздействием сильных кислот (за исключением концентрированной азотной кислоты), масел, ацетона, бензина, плохо пропускает водяные пары и газы.
Фторопласт является полимером производных этилена, в которых атомы водорода замещены фтором. Фторопласт имеет высокую теплостойкость (до 300°С) и стойкость к действию химических реагентов. Этот материал сохраняет гибкость при очень низких температурах.
В качестве диэлектрика могут применяться изоляционные лаки; шелк натуральный и синтетический; полистирольные и триацетатные ленты; хлопчатобумажная пряжа.
Для силовых и контрольных кабелей используется резиновая изоляция, которая изготавливается на основе каучуков.
Трубчатую изоляцию (рисунок 3.4, а)выполняют из бумажной или пластмассовой ленты. Кордельная изоляция (рисунок 3.4, б)состоит из нити корделя, располагаемой открытой спиралью на проводнике, и накладываемой на него ленты. Сплошная изоляция (рисунок 3.4, в)представляет собой слои пластмассы. Пористая изоляция (рисунок 3.4, г)— это сплошной слой пористой пластмассы, наложенный равномерно на проводник.
Баллонная (рисунок 3.4, д)изоляция представляет собой пластмассовую трубку диаметром 0,2...0,3 мм, внутри которой располагается проводник. Баллоны создаются обжатием по двум полуокружностям через каждые 7—12 мм, что обеспечивает удержание проводника в центре изоляции. Баллонно-кордельную изоляцию (рисунок 3.4 ,е)выполняют в виде пластмассовой трубки, внутри которой находится проводник. Трубка обжата по спирали пластмассовым корделем, благодаря чему проводник удерживается на линии продольной оси образовавшихся баллонов с воздухом.
Шайбовую изоляцию (рисунок 3.4, ж)изготовляют из твердого диэлектрического материала в виде шайб толщиной 1,5...2,5 мм, насаживаемых на проводник через равные промежутки.
Спиральная (геликоидальная) изоляция (рисунок 3.4, з) представляет собой равномерно распределенную по длине проводника пластмассовую спираль. Колпачковая изоляция (рисунок 3.4, и)состоит из цилиндрических пластмассовых или керамических колпачков, насаживаемых на проводник вплотную друг к другу.
Кордельно-трубчатая полистирольная и кордельно-трубчатая полиэтиленовая изоляция образуется корделем, наложенным на жилу по винтовой спирали, и полистирольными или полиэтиленовыми трубками или лентами, обмотанными вокруг корделя.
Рисунок 3.4 – Виды изоляции жил
Изоляция коаксиальных кабелей — баллонная, кордельно-трубчатая пластмассовая (полиэтиленовая или полистирольная), кордельно-бумажная, шайбовая, сплошная из пористого полиэтилена. Шайбовая изоляция образуется полиэтиленовыми шайбами, расположенными через определенный интервал на внутреннем проводнике коаксиальной пары.
Изоляция жил симметричных низкочастотных кабелей связи — кордельно-трубчатая бумажная, кордельно-трубчатая полиэтиленовая, кордельно-трубчатая полистирольная, сплошная из пористого полиэтилена.
Изоляция жил городских и местных телефонных кабелей — воздушно-бумажная, трубчато-бумажная и бумагомассная, полиэтиленовая сплошная, пористая, пористо-сплошная. Воздушно-бумажная изоляция образована сочетанием кабельной, или телефонной, бумаги или бумажной массы и воздуха; трубчато-бумажная изоляция — лентой, наложенной на жилу в виде трубки неплотно, с воздушным зазором; бумагомассная изоляция — пористой бумажной массой, наложенной на жилу коаксиальным слоем.
Изоляция жил кабелей для сигнализации и блокировки — полиэтиленовая. Изоляция жил контрольных кабелей — сплошная резиновая, полиэтиленовая или поливинилхлоридная.
Изоляция силовых кабелей — бумажная пропитанная, резиновая и пластмассовая.
Для изоляции применяется кабельная бумага, пропитанная не стекающим маслоканифольным составом. У силовых кабелей с обедненно-пропитанной бумажной изоляцией она освобождена от избытка пропиточного состава (пропиточный состав заполняет только микроструктуру бумажной изоляции). При выполнении изоляции жила обматывается лентами кабельной бумаги в несколько слоев. Резина на жилы силовых кабелей накладывается сплошным слоем.