Городские телефонные кабели. История изобретения телефона телефонные кабели
 Скачать 128.5 Kb.
|
|
Алюминиевые сплавы по своим механическим свойствам занимают промежуточное место между медью и алюминием, а по электрическим близки к алюминию. В последние годы привлекает внимание алюмомедная проволока. Это -алюминиевая проволока, покрытая тонким медным слоем толщиной всего 10-30 микрометров (0,01-0,03 мм). По своим свойствам биметаллическая проволока стоит ближе к меди, чем алюминиевый сплав, однако изготовить ее значительно сложнее. При незначительных дефектах столь тонкого медного покрытия, в присутствии влаги она корродирует еще сильнее, чем алюминиевая. 2.Изоляция Виды: 1) Трубчато-бумажная 2) Бумаго-массная (Стр.194) 3) Сплошная полиэтиленовая Хронологически третьим, но, пожалуй, сегодня первым по значимости типом изоляции современных городских телефонных кабелей является сплошная полиэтиленовая. Благодаря редкому сочетанию отличных электроизоляционных, физико-механических и химических свойств полиэтилен получил в кабельной технике широкое распространение. Главным среди многих преимуществ полиэтиленовой изоляции перед трубчато-бумажной и бумаго-массной является ее негигроскопичность. Полиэтилен не поглощает влагу. Применение не боящейся увлажнения полиэтиленовой изоляции позволило отказаться от обязательной свинцовой оболочки и заменить ее пластмассовой, также полиэтиленовой. Несмотря на перечисленные выше достоинства полиэтилена, оказалось, что эквивалентная диэлектрическая проницаемость у полиэтиленовой изоляции выше. В результате – увеличение рабочей емкости сплошной полиэтиленовой изоляции по сравнению с воздушно-бумажной и, следовательно, коэффициента ослабления кабелей. Чтобы сохранить рабочую емкость неизменной, приходится несколько увеличивать толщину изоляции и, значит, диаметр кабелей. Противоречие разрешила пористая полиэтиленовая изоляция. Если в полиэтилен в процессе его наложения на жилу посредством выдавливания на червячных процессах – экструдерах добавить гранулы пенообразующих веществ –порофоров, то при нагревании изоляции в головке экструдера, где температура 200-230С, порофоры разлагаются с выделением летучих составляющих. В изоляции образуются не сообщающиеся между собой поры размером 20-100 мкм. Благодаря воздуху в своем составе пористая полиэтиленовая изоляция сравнялась по электрическим и конструктивным параметрам с воздушно-бумажной. Однако, существуют три «но» пористой полиэтиленовой изоляции сравнительно со сплошной: большая влагопоглощаемость, которая может привести к потере электроизоляционных свойств, меньшая электрическая прочность, меньшая механическая прочность. В 1964г. английский инженер Георг Додд предложил заполнять свободный объем кабелей, на долю которого приходится около 40 общего объема сердечника, вязким компаундом на основе продуктов перегонки нефти – петролатумом, или «нефтяным желе» из смеси микрокристаллических нефтяных парафинов и масел. Опыт эксплуатации показал, что петролатум действительно не пускает влагу в кабель, но сам не прочь пообщаться с пористой изоляцией, проникнуть насколько возможно в ее поры. Подобное взаимодействие приводит к тому, что свойства изоляции ухудшаются, она преждевременно старится. В начале 1970г. канадские специалисты предложили комбинированную пористо – сплошную полиэтиленовую изоляцию. Внутренний пористый слой, на долю которого приходится 80 всей толщины изоляции, обеспечивает ее достаточно низкую диэлектрическую проницаемость. Внешний тонкий сплошной слой служит преградой, препятствующей контакту между заполнителем и внутренним пористым слоем. Конструкция оболочки. (Сочетание типов изоляции и оболочки – стр. 204) Попытки избавления от дефицитной свинцовой оболочки были предприняты в конце 1930-х и в 1940-е годы. В качестве заменителей свинца пробовали различные материалы, в частности одну из первых промышленных пластмасс – поливинилхлорид. Но пока изоляция жил оставалась воздушно – бумажной, ни одна из конструкций оболочек не могла предотвратить попадания влаги в кабель. Возможность применения невлагоемкой полиэтиленовой изоляции сразу облегчила решение задачи. В 1948г. появились кабели в оболочке под названием «Алюминий - ПолиЭТилен». Конструкция «алпэт» объединяла два самостоятельных разнородных элемента кабеля: алюминиевый экран и просто полиэтиленовую экструдированную, то есть выпрессованную оболочку. Назначение экрана – защищать цепи связи от мешающего и даже порой опасного влияния внешних магнитных полей, возбуждаемых линиями электропередачи, контактной сетью электрифицированных на переменном токе железных дорог, мощными радиостанциями. Сочетание полиэтиленовой оболочки с полиэтиленовой изоляцией (и обязательно с алюминиевым экраном) явилось основой классической современной конструкции городских телефонных кабелей. Поливинилхлоридную оболочку, а иногда и изоляцию применяют в кабелях, прокладываемых в пожароопасных местах. В отличие от полиэтилена, поливинилхлорид не распространяет горения. Новым явилась не только пластмассовая оболочка, но и конструкция алюминиевого экрана, который накладывался не традиционным методом спиральной обмотки, а продольно. Алюминиевая лента толщиной 0,2мм – гладкая в самых тонких кабелях и с мелкой поперечной гофрировкой во всех кабелях с диаметром сердечника свыше 15 мм – располагается по отношению к оси кабеля продольно и сворачивается вокруг движущегося сердечника так, что ее края взаимно перекрываются на 5-8 мм. Несмотря на простоту, как конструкции, так и технологии наложения, пластмассовые оболочки все же значительно уступают металлическим в главном – во влагозащитном действии. Через них проникают в кабель пары воды. В 1961г. английским инженером Д.В. Гловером была запатентована алюмополиэтиленовая оболочка. Она представляет собой соединенные в одно целое полиэтиленовую оболочку и алюминиевый экран. Но для экрана берется в этом случае не просто алюминиевая лента, а покрытая с одной стороны или с обеих сторон тонким (0,02-0,03 мм) слоем полиэтилена. Экран с односторонним покрытием накладывается на сердечник так, чтобы полиэтиленовый слой был сверху. В головке экструдера, где поверх экрана выпрессовывается полиэтиленовая оболочка, при температуре 200-230С оболочка и покрытие экрана свариваются между собой, в результате оболочка как бы металлизируется изнутри. Ее внутренний тонкий металлический слой служит барьером на пути паров влаги, пытающихся проникнуть через оболочку внутрь кабеля. Конструкция оказалась вполне эффективной и весьма технологичной. Продольное наложение на сердечник кабеля экранной ленты и экструдирование полиэтиленовой оболочки совмещены в одном технологическом процессе. Для паров влаги, прошедших сквозь толщу полиэтилена и «упершихся» в алюминиевый барьер, остается единственный проход между перекрывающимися кромками экранной ленты. При одностороннем покрытии алюминия полимером скорость диффузии в среднем в 100 раз меньше, чем через обычную полиэтиленовую оболочку. Значительно более эффективно двухстороннее покрытие, так как полиэтиленовые пленки обеих кромок шва свариваются между собой, и парам влаги приходится преодолевать узкий полиэтиленовый слой. Скорость диффузии через такую оболочку замедляется в 15000 раз. Вот почему «барьер Гловера» является предпочтительной модификацией полиэтиленовой оболочки. Развитие конструкций сердечника всегда шло по пути увеличения максимального числа пар и уменьшения диаметра токопроводящих жил. (Табл. 7, стр. 205) Процесс скрутки сердечников современных кабелей – многоступенчатый. Сначала скручиваются так называемые элементарные пучки из 10 пар или 5 четверок. Число цепей в них соответствует емкости распределительных коробок. Распределительные кабели с числом пар 10-100 скручиваются из элементарных пучков. В кабелях для магистральных и соединительных линий с числом пар от 100 и выше элементарные пучки сначала скручиваются в главные, состоящие из 50 или 100 пар. Затем главные пучки скручиваются по определенной системе в сердечник. Современные крутильные машины и технологические приемы позволяют осуществлять две или даже три последовательные операции скрутки одновременно, то есть совмещать их. 4.Междугородные кабели Перейти от городских телефонных кабелей к междугородным позволили теоретические исследования американского электротехника Михаила Пупина (1858-1935), известные под названием «пупинизация». Использовав открытие Хевисайда о возможности уменьшения потерь в линии путем искусственного увеличения ее индуктивности, то самое условие RC=LG, Пупин предложил включать в цепи кабеля специальные катушки индуктивности и рассчитал оптимальное расстояние между ними. Индуктивность линии благодаря этому могла быть повышена в десятки и сотни раз. После изобретения Пупина датский инженер Карл Краруп разработал другой способ искусственного увеличения индуктивности кабелей. Вместо того чтобы через каждые 1,5-2 км включать в линию катушки индуктивности, он предложил обматывать токопроводящие медные жилы тонкой лентой или проволокой из стали, магнитные свойства которой в 100-200 раз сильнее, чем меди. А индуктивность зависит от магнитной проницаемости. Толщина стальной ленты или диаметр проволоки были 0,2-0,3 мм. Эффективность крарупизации в несколько раз меньше, чем пупинизации, так как стальная обмотка увеличивает индуктивность цепей лишь в 8-10 раз. Но крарупизированные кабели оказались более удобными для подводной прокладки. Радикальное решение проблемы дальности связи принесли усилители. В 1904г. английский физик и радиотехник Джон Флеминг изобрел первую электронную двухэлектродную лампу – диод. В 1907г. американский радиотехник Ли де Форест изобрел трехэлектродную лампу – триод. В ней между катодом и анодом, ближе к катоду, была помещена также металлическая проволочная сетка. При отрицательном потенциале на сетке она частично задерживала поток электронов, стремящихся к аноду, при положительном потенциале, наоборот, усиливала электронный поток и, следовательно, текущий через лампу так называемый анодный ток. Эта способность управляющей сетки триода и была использована для создания промежуточных телефонных усилителей в линии связи. На сетку подаются прошедшие уже часть длины линии и, следовательно, ослабленные электрические сигналы телефонной передачи. Колебания напряжения в цепи сетки, соответствующие частотам передаваемых сигналов, вызовут подобные же, но значительно усиленные по величине (по амплитуде) колебания анодного тока. Благодаря этому дальше в линии пойдут сигналы восстановленной мощности. Таким образом, если в линии через определенное расстояние устанавливать усилители, то можно обеспечить дальность связи. 5.Многоканальные системы передачи. Кабели являются материалоемкой и дорогой частью сооружений связи. Поэтому на протяжении всей истории развития линий связи инженеры стремились к наиболее эффективному использованию каждой физической цепи. В 1882г. Франк Джекоб показал, что на каждых двух парах жил в кабеле можно получить кроме физических цепей еще одну – третью цепь путем использования специальных трансформаторов. Эта цепь была названа фантомной, так как самостоятельно она физически не существует: ее прямым проводом служат обе жилы первой пары, а обратным проводом – обе жилы второй пары. Таким образом, можно было повысить эффективность использования кабельных цепей на 50%. Радикальное решение проблемы наиболее эффективного использования кабелей связи принесло создание многоканальных систем передачи, позволивших осуществлять по физическим цепям высокочастотное, или широкополосное, телефонирование. (Схема стр. 220) Начиная с середины 1930-х годов возникло деление кабелей на низкочастотные и высокочастотные. Наряду с традиционными симметричными появился совершенно новый тип кабелей связи – коаксильный. (Рис. стр. 225) Если обе жилы выполнены из проволоки одинакового диаметра, имеют изоляцию одинаковых конструкций и толщины и расположены так, что между ними можно провести плоскость симметрии, то цепь является симметричной. Соответственно кабели, скрученные из симметричных пар или четверок, называют симметричными. Если же оба проводника цепи выполнены в форме соосных цилиндров, в поперечном сечении имеют форму концентрических окружностей, то цепь считается несимметричной и называется коаксильной. Кабели, скрученные из коаксильныхцепей, или пар, называются коаксильными. Если же кабель содержит и коаксильные, и симметричные цепи, то он комбинированный. Симметричные. Современные симметричные кабели дальней связи, как правило, высокочастотные. Низкочастотным отведена второстепенная роль – для отдельных линий небольшой протяженности, отводов от магистральных линий и т.д. Диаметр токопроводящих медных жил в высокочастотных симметричных кабелях 1,2 или 1,3 мм; в низкочастотных применяются и жилы меньших диаметров – 0,8и 0,9. Для высокочастотных кабелей заманчивы трубчатые или биметаллические алюмомедные жилы. Изоляция жил высокочастотных кабелей принадлежит к высшему классу изоляции симметричных кабелей. Это – кордельно – полистирольная, кордельно – бумажная, кордельно – полиэтиленовая. Основу ее составляет нить – кордель из соответствующего материала. Поверх корделя формируется изоляционная трубка – либо методом спиральной обмотки лентой из полистирольной пленки толщиной 0,05мм или из кабельной бумаги толщиной 0,12мм, либо методом экструдирования полиэтилена. Так как диаметр корделя равен примерно 2/3 диаметра токопроводящей жилы, то кордельный каркас обеспечивает наибольший, причем стабильный воздушный промежуток между токопроводящей жилой и изоляционной трубкой. Кабели с кордельной изоляцией характеризуются наименьшей эквивалентной диэлектрической проницаемостью и, следовательно, электрической емкостью. В зависимости от назначения и условий эксплуатации кабелей кроме кордельной применяются также сплошная и пористая полиэтиленовая изоляция. Коаксильные. Теория коаксильного кабеля связи была разработана и опубликована в 1934г. С.А. Щелкуновым. Уникальность коаксильного кабеля состоит в том, что в противоположность симметричным кабелям с расширением спектра передаваемых частот помехозащищенность цепей не ухудшается, а улучшается. Благодаря повышению помехозащищенности с ростом частоты по коаксильным парам возможно передавать в десятки и сотни раз большее число разговоров, чем по симметричным. Разнообразны варианты изоляции коаксильных пар: шайбовая, баллонная, бамбуковая и др. Характерной особенностью современных коаксильных кабелей является то, что они большей частью комбинированные. (Стр. 242, 244) Экономичность коаксильных кабелей по сравнению с симметричными - табл.13, стр. 246. 6.Подводные кабели 1 период – 1850- 1900гг.- телеграфные одножильные морские и океанские кабели с гуттаперчевой изоляцией. 2 период – 1900-1930 гг.- телефонные низкочастотные симметричные морские кабели с гуттаперчевой и воздушно-бумажной изоляцией. В отличие от прошлого века, когда телеграфные подводные кабели опередили в своем развитии кабели подземной прокладки, в текущем столетии подводные телефонные кабели развивались параллельно с подземными. Для увеличения дальности связи началось без промедления внедрение крарупизации и пупинизации подводных кабелей. Гуттаперчевую изоляцию постепенно начала вытеснять воздушно – бумажная, обладающая вдвое меньшей электрической емкостью. В этом случае изоляция защищалась от воздействия воды свинцовой оболочкой, под которой располагалась опорная спираль из стальной ленты или стальных профилированных проволок. Кабели с гуттаперчевой изоляцией состояли из одной четверки, а с воздушно – бумажной – имели от одной четверки до 12 четверок. Но ни искусственное увеличение индуктивности, ни применение с 1920г. ламповых усилителей не позволяло решить проблему трансокеанской телефонии. Все дело в различии передаваемых частот. Частоты телеграфирования – нсколько герц или десятков герц, частоты телефонирования в начале века – от 300 до 2700 Гц. В 1921г. был проложен первый в мире коаксильный кабель между Ки Уэст (Флорида) и Гаваной (Куба). Это был низкочастотный крарупизированный телефонно-телеграфный кабель с гуттаперчевой изоляцией. В полосе частот до 3800 Гц можно было организовать четыре телеграфных канала и один телефонный. 3 период – 1930- 1950 гг.- телефонные морские высокочастотные коаксильные кабели с изоляцией из парагутты (1930-е годы) и полиэтилена (1940-е годы), без промежуточных усилителей. В 1937г. на линии Олдборо – Домбург длиной 150 км были проложены параллельно два коаксильных кабеля. По каждому кабелю передавалось в одном направлении 16 телефонных каналов. В 1940г. в Англии был проложен экспериментальный коаксильный кабель со сплошной полиэтиленовой изоляцией. Не следует полагать, что начиная с 1930г. все подводные телефонные кабели были только коаксильными. Прокладывались и симметричные высокочастотные кабели, предназначенные для многоканальных систем передачи. Проблему трансокеанской телефонии позволило решить создание в 1940г. подводных усилителей. Первый промежуточный усилитель был встроен в 1943г. в экспериментальный кабель, проложенный в Ирландском море. По коаксильному кабелю длиной 82 км организовывалось 48 каналов связи в диапазонах частот 16-208 и 312-504 кГц. 4 период – телефонные морские и океанские высокочастотные кабели со сплошной полиэтиленовой изоляцией, с промежуточными усилителями. В 1950-1956г. был проложен ряд преимущественно морских кабельных телефонных линий с промежуточными ламповыми усилителями, число которых составляло от 1 до 7. Все кабели с усилителями двустороннего действия в механически жестких корпусах прокладывались на глубинах не более 500 м. Для прокладки кабеля в океанских глубинах пришлось сконструировать усилители одностороннего действия, смонтированные в гибких цилиндрических корпусах, выполненных из сочленных стальных колец. В1948г. была осуществлена опытная прокладка кабеля с усилителями в районе Багамских островов. С 1952г. началось проектирование первой трансатлантической телефонной линии, а с 1954г. – изготовление кабеля для нее. Открытие состоялось 25 сентября 1956г. Пропускная способность первой трансатлантической кабельной линии, названной ТАТ-1, была 36 каналов. Но главным было доказательство принципиальной и практической возможности осуществления телефонной связи по кабелям через океан, обеспечения долговечной бесперебойной работы всех элементов системы. |