ИСТОРИЯ КАБЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ Передача электрического заряда на расстояние • Член Лондонского королевского общества Стефан Грей (1670–1736) осуществил передачу статического электричества по пеньковой веревке, опущенной с балкона его дома. Затем он провел опыта с веревкой расположенной горизонтально, чтобы убедится, что заряд перемещается не под действием силы тяжести. Грей впервые обнаружил, что медная проволока хорошо проводит электричество. Он (1729) разделил тела на проводящие и непроводящие электричество, сегодня это проводники и диэлектрики. Проект первого электрического телеграфа Шотландский ученый из города Ренфрю Чарлз Морисон в 1753 г. опубликовал в журнале статью, в которой предложил между двумя пунктами протянуть 26 параллельных проволок Проект электрического телеграфа с подземной прокладкой проводов, 1782 г. Во французском журнале «Journal de Paris» № 150 от 30 мая 1782 г. было помещено письмо анонимного автора, прелагавшего: «Соединить два пункта позолоченными железными проволоками, проложенная каждая в заполненной смолой деревянном желобе. Все желоба закопать в землю. Между каждой парой проволок на приемном конце укрепить вырезанную из фольги букву, которая под воздействием разряда лейденской банки (лейденская банка это конденсатор) давала бы в темноте свечение». Проект подземной кабельной линии Лесажа с шайбовой изоляцией, 1782 г. Женевский физик Жорж Луи Лесаж (1724–1803) в 1782 г. предложил проект прокладки 26 медных проволок в общей глиняной трубе, внутри которой через каждые 2 метра устанавливались фарфоровые шайбы с 26 отверстиями, через которые пропускались бы проволоки (рис. 3). Это есть протопит кабеля связи с шайбовой изоляцией. В 1774 г. Лесаж провел несколько удачных опытов телеграфирования точно по схеме Морисона – с электризацией бузиновых шариков, притягивающих буквы. При этом передача одного слова занимала 10–15 минут Технология изолирования проволоки Технологию изготовления изолированных проводов предложил (1780) проживающий в Англии итальянский ученый Тиберио Кавалло (1749–1809): натянутую отожженную медную или латунную проволоки нагреть в пламени свечи или просто куском раскаленного железа, покрыть смолой и обматывать полотняной пропитанной смолой лентой. Изолированная таким методом проволока дополнительно защищалась чехлом из шерсти. Провод предполагалось изготавливать отрезками длиной по 6–9 метров. Места соединения отрезков между собой следовало тщательно обматывать промасляным шелком. Кабель Испанский врач Франсиско Сальва (1751–1828) доложил Барселонской академии наук в 1795 г. о своей системе электростатического телеграфа и рекомендуемой им линии связи. Сальва прелагал использовать для каждой буквы самостоятельную пару проволок. В его докладе было впервые произнесено слово кабель: «Все-таки нет необходимости поддерживать проволоки удаленными друг от друга, они могут быть скручены в кабель и подвешены на большой высоте. Во время моих первых опытов с кабелями этого вида каждая проволока обматывалась пропитанной смолой бумагой. Затем все вместе проволоки скручивались и обматывались многими слоями бумаги. Таким образом, предотвращалась утечка электричества». В 1796 г. по проекту Сальвы военным инженером Бетанкуром, была сооружена телеграфная воздушная линия длиной 42 км между Мадридом и Аранхаусом. Закон Кулона и постоянный ток • • Исторически первым законом электротехники был закон Кулона, он позволяет количественно оценить силу взаимодействия между двумя заряженными частицами. Сила прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Закон был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Огюстеном Кулоном (1736–1806) в 1785 г. До 1785 г. были известны только явления статического электричества. Итальянский анатом профессор медицины в Болонье Луиджи Гальвани (1737–1798) обнаружил, что при касании металлическим предметом нерва препарированной лягушки происходит сокращение мышцы. Это явление объяснил Алессандро Вольта (1745–1827) - источником электричества является контакт двух разнородных проводников. Опыты Вольта завершились в 1800 г. созданием первого источника постоянного электрического тока, составленного из чередующихся медных и цинковых кружков, переложенными суконными прокладками, смоченными кислотой. В первое время его называли «вольтов столб», но впоследствии он получил официальное название гальванический элемент. Подобные элементы в виде сухих батарей, в которых применен электролит не в виде раствора, а в форме пасты, широко распространены в настоящее время. Первая опытная подземная линия связи 1816 г. Лондонский купец Френсис Рональдс (1788–1873) в 1816 г. продемонстрировал первую опытную подземную линию связи. В траншею глубиной 1,2 м и длиной 150 м был уложен пропитанный смолой деревянный желоб сечением 50х50 мм. На дне желоба были уложены стеклянные трубки с пропущенными через низ проводникам. Сверху желоб покрывался просмоленными досками и затем засыпался землей. Азбука Морзе • Сэмюэл Морзе (1791–1872) был известным художником, профессором живописи, первым президентом национальной Академии художеств, однако он прославился в электротелеграфировании. В отличие от Шиллинга Морзе с самого начала стремился создать не показывающий, а самозаписывающий телеграфный аппарат. В 1837 г. в здании Нью-Йорского университета состоялось публичное испытание его аппарата, была передана и записана телеграмма: «Успешный опыт с телеграфом, сентябрь 1837». Морзе придумал принципиально новый код – сочетание точек и тире – свою знаменитую «азбуку Морзе». В 1838 г. по воздушной линии длиной 15 км велись пробные передачи телеграмм и только в 1843 г. конгресс Соединенных Штатов дал согласие на сооружение воздушной телеграфной линии Вашингтон – Балтимор. В 1844 г. линия начала действовать. Особенностью кода Морзе, обеспечившей его долговечность, является то, что наиболее часто встречаемые буквы передаются меньшим числом точек и тире. Подземные телеграфные кабельные линии • Унстон проложил в Англии телеграфную линию длиной в 30 км в чугунных трубах. • Якоби в 1841 г. проложил двухпроводную телеграфную линию длиной 400 м между Зимним дворцом и зданием Главного штаба в Петербурге. Токопроводящие жилы из отожженной мягкой медной проволоки диаметром 3 мм изолировались путем обмотки хлопчатобумажной пряжей в два слоя с последующей пропиткой специальной мастикой из воска и канифоли. Изолированные жилы затягивались в последовательно соединенные жестяные гильзы. Недостатком такой кабельной линии было то, что гильзы не защищали изоляцию от влаги, которая проникала в местах соединения • По проекту Якоби в 1842 г. была сооружена вторая линия протяженностью 2,7 км, которая соединяла Зимний дворец с Главным управлением путей сообщения. Жестяные гильзы в ней были заменены стеклянными трубками диаметром 20 мм и длиной 2 м. Концы стеклянных трубок шлифовались и соединялись между собой каучуковыми втулками, так что вся система могла легко следовать каждому изгибу траншеи. Трубки укладывались на песок и засыпались песком. В дальнейшем от стеклянных трубок пришлось отказаться вследствие их хрупкости. Подземная телеграфная линия Петербург – Москва • В 1843 г. Якоби приступил к прокладке 25 – километровой линии. Медные проволоки для новой линии обматывались двумя слоями узкой каучуковой ленты и зарывались в землю на глубину 0,5 м без каких-либо защитных труб. Вскоре Якоби, так же как и ранее Шиллинг, окончательно убедился в недолговечности подземных линий и признал единственно приемлемым сооружение воздушных линий. Именно такую линию он предложил соорудить вдоль железной дороги Перербург – Москва. Однако правительство не согласилось и отдало подряд на устройство подземной телеграфной линии немецкой фирме «Сименс и Гальске», которая в 1851–1852 гг. проложила подземную линию длиной 651 км из проводов, изолированных гуттаперчей. Линия не просуществовала и двух лет, из-за частых повреждений изоляции и сложности их нахождения была снята с эксплуатации. Механизированная прокладка кабеля • При сооружении в 1844 г. первой телеграфной линии между Вашингтоном и Балтимором длиной 60 км по проекту Морзе, сначала попытались прокладывать многожильный кабель в свинцовой трубе. Был даже сконструирован специальный плуг, который рыл траншею, укладывал в нее кабель и закапывал траншею. Однако подземная прокладка окончилась неудачей из-за многочисленных коротких замыканий жил. После этого стали подвешивать провода на столбах Воздушные телеграфные кабельные линии После неудач, связанных с прокладкой подземных линий, связь во всех странах осуществлялась преимущественно по воздушным линиям. Короткие кабельные вставки в воздушные линии прокладывались главным образом в железнодорожных тоннелях, при пересечении озер и рек, в редких случаях в городах. В 1871 г. была открыта самая длинная в мире телеграфная линия Москва – Владивосток вдоль железной дороги протяженностью 12000 км. Протяженность воздушных телеграфных линий 1860 г. 1. Франция – 22000 км, 2. Россия – 17446 км, 3. Великобритания – 17336 км. 1865 г. 1. Россия – 35400 км, 2. Франция – 31600 км, 3. Великобритания – 25700 км Изоляция – каучук и гуттаперча Тропическое дерево гевея дает каучуковый сок («кау-чу» значит «слезы дерева»). Из сока деревьев изонадра-гутта и изонадра-перча получалась гуттаперча. В 1819 г. шотландский химик Чарльз Макинтош растворил каучуковую смолу в каменноугольном масле – «нафта». Растворенную каучуковую смолу каучука использовали для пропитки и покрытия тканей. Шиллинг применил сок каучука для пропитки волокнистой изоляции, Якоби – каучуковые ленты для обмотки проволоки. Промышленный способ наложения изоляции В 1847 г. немецкий инженер Вернер Сименс (1816–1892) сконструировал пресс для наложения гуттаперчевой изоляции на проволоку. Первый морской кабель 1850 г. 1851 г. В 1849 г. был предложен проект прокладки кабеля через Ла-Манш в самом узком его месте Па-де-Кале. Проект представили англичане братья Бретт. Кабель, а точнее изолированный провод, имел следующую конструкцию: медная проволока диаметром 2 мм была покрыта слоем гуттаперчи толщиной 5,5 мм, общий диаметр 13 мм. Провод длиной 45 км был намотан на барабан диаметром 4 м и длиной 5 м, масса составляла 6 т. Барабан был установлен на корме небольшого парового буксира «Голиаф». К удивлению всех оказалось, что кабель плавает (плотность гуттаперчи 0,8-0,9 г/см3). Пришлось через каждые 100м привязывать свинцовые грузила массой 10 кг. Первый трансатлантический телеграфный кабель • • Инженер Вредерик Гисборн и предприниматель Сайрус Филд в 1854 г. основали «Нью-Йорско – Ньюфаундленскую и Лондонскую телеграфную компанию» для прокладки кабеля через Атлантический океан. Предстояло проложить кабель длиной 4000 км на океанских глубинах до 4500 м. Чаттертон-компаунд: три части гуттаперчи, одна часть смолы и одна часть гудрона. Прокладка трансатлантического телеграфнного кабеля Были противники прокладки кабеля: «Погрузить кабель на такую огромную глубину с точки зрения математики невозможно, а если, вдруг, почему-либо получится, то по такому кабелю все равно не удастся передать ни одного сигнала, поскольку на такой глубине сигналы не смогут продвигаться». Для изготовления трансатлантического кабеля необходимо было проволочить 30 000 км медной и 500 000 км стальной проволоки. Весь кабель был изготовлен за полгода. Жилу изолировала компания «Гутта Перча», бронировали кабель две другие фирмы. Изолированные жилы изготавливали длинами 3200 м и наматывали на барабаны. Затем измеряли электрическое сопротивление токопроводящей жилы и изоляции. После испытания отрезки кабеля сращивали между собой. Каждую медную проволоку сваривали серебром. Вместе соединения склеивали гуттаперчевую изоляцию и обматывали гуттаперчевой лентой. Заключительной операцией было наложение проволочной брони. Из-за несогласованности двух фирм бронепроволоки были наложены в противоположном направлении, что в дальнейшем не позволило соединить два отрезка кабеля. Кабель пришлось бронировать заново. Первая прокладка трансатлантического телеграфного кабеля началась из маленькой бухты Валенсия в юго-западной части Ирландии 6 августа 1857 г. Для этой цели были специально приспособлены два военных судна: самый большой паровой фрегат мира (водоизмещение 5200т) американский «Ниагара» и английский парусник (водоизмещение 3200 т) «Агамемнон». Трюмы кабелей были расширены, на корме была установлена кабелеукладочная машина, снабженная натяжными и тормозными механизмами. Общая масса кабеля составляла 2000 т, большая часть его была размещена на «Неагаре». • • • • • Прокладку кабеля начала «Неагара» со скоростью 4-7 км/ч. Все шло хорошо. «Неагара» поддерживала постоянную связь с берегом по прокладываемому кабелю, но на расстоянии 620 км из-за слишком резко при торможения кабелеукладочной машины, кабель оборвался и остался лежать на дне на глубине 3500 м. Экспедиция, длившаяся неделю, возвратилась ни с чем. За год был восполнен запас кабеля и реконструирована кабелеукладочная машина, в ней был установлен саморегулирующейся тормоз. Прокладку кабеля в океане начали от средней точки трассы. «Ниагара» и «Агамемнон» должны были расходиться в противоположные стороны. 16 августа 1857 г. по кабелю была передана первая приветственная телеграмма английской королевы Виктории пятнадцатому президенту США Джеймсу Бьюкенену. Всего по линии было передано 400 телеграмм. 1 сентября кабель вышел из строя. Причиной пробоя изоляции стало то, что для увеличения уровня сигнала было поднято напряжение береговых питающих батарей до 2000 В. Специальная правительственная комиссия почти год расследовала причины трансатлантической, а также другой подводной кабельной линии длиной 2250 км, проложенной через Красное море в Персидский залив для связи с Индией. Неудачи объяснялись главным образом плохой конструкцией кабелей, слабой квалификацией их создателей, низким качеством применяемых материалов, а также отсутствием навыков подводной прокладки и удовлетворительных средств для нее. Уильям Томсон (лорд Кельвин) К составлению технических условий на новый кабель были привлечены видные ученые инженеры, среди них профессор Чарльз Уитстон, братья Вернер и Вильям Сименс, Латимер Кларк. Главным консультантом по электрической части был выдающейся ученый XIX столетия Уильям Томсон (1824– 1907). Он внес весомый вклад в термодинамику, гидродинамику, математику и электротехнику. Он ввел понятие абсолютной температуры, создал основы теории электрических колебаний, изобрел много физических приборов и инструментов. Томсон – первый ученый, получивший (1892г.) за свои научные заслуги звание пера – лорда Кельвина. Его именем названа единица термодинамической температуры. Еще в 1854 г. Томсон занялся исследованием условий передачи электрического тока по телеграфному кабелю, поставив перед собой задачу, определить скорость распространения сигнала. Он вывел дифференциальные уравнения, определяющие значения напряжения и тока в любой точке линии в зависимости от параметров кабеля. Томсон первым предложил скручивать токопроводящие жилы для увеличения их гибкости. Он способствовал усовершенствованию технологии кабельного производства, ужесточению контроля материалов, настоял на применении проволок из меди высокой электропроводности. Слово «Кельвин» в титуле лорда – это название небольшого ирландского городка неподалеку от бухты Валенсия, откуда был проложен первый трансатлантический телеграфный кабель. Второй трансатлантический телеграфный кабель 1865 г. Кабель был сконструирован в соответствии рекомендаций Томсона. Жила диаметром 3,74 мм скручивалась из 7 медных проволок и покрывалась влагозащитным клейким «чаттертон-компаундом». Каждый слой изоляции покрывался этим же компаундом. Изоляция выполнялась четырехслойной с тем, чтобы технологические дефекты одного слоя закрывались нормальной изоляцией другого слоя. Изолированную жилу обматывали слоем просмоленного джута и покрывали броней. Для уменьшения веса каждая проволока обматывалась джутом. Береговые концы кабеля имели второй слой брони из двенадцати стренг, каждая из которых была скручена их трех проволок. Второй слой брони защищал кабель от повреждений при трении о камни во время приливов и отливов и случайных ударов корабельных якорей. Прокладка второго трансатлантического телеграфнного кабеля Прокладка кабеля началась 23 июля 1865 г. из Ирландии с корабля «Грейт Истен» (Великий Восток), который имел длину 210 м и водоизмещение 32000 т. Сначала проложили 55-километровый мелководный конец. На второй и седьмой день плавания приборы зафиксировали повреждение изоляции. Пришлось поднимать несколько километров кабеля из воды. Оказалось, что изоляции была проткнута насквозь куском стальной проволоки. Твердая сталь, из которой были изготовлены проволоки брони, оказались очень хрупкими и под действием силы тяжести уложенных в трюме один на другой многочисленных витков кабеля ломались и пропарывали изоляцию. При ликвидации третьего повреждения изоляции кабель оборвался и ушел на дно. Девять дней после этого пытался «Грейт Истен» поднять затонувший кабель, кружась вокруг места зафиксированного буем. Для подъема служил крюк с пятью лапами, называемый грапнелью (крюк-кошка), который волочили по дну. Три раза удавалось захватить кабель и поднять его до половины глубины океана, но каждый раз недостаточно прочный стальной трос обрывался. Экспедиция закончилась неудачей. Был изготовлен новый кабель с броней из мягких оцинкованных проволок. Запасли 35 км специального стального троса, который выдерживал массу 30 т. Прокладка кабеля началась 13 июля 1866 г. Ежедневно на «Грейт Истен» типографским способом издавалась газета, в которой по мимо судовых новостей печатались известия из Европы, получаемые по прокладываемому кабелю. Прокладка закончилась через две недели (27 июля 1866) в бухте Хартс-Контент Ньюфаундленда. Этим днем датируется начало регулярной электрической связи между Европой и Америкой. Другие кабельные линии • • Успех 1866 г. способствовал небывалому развитию подводных кабелей. В 1869 г. был проложен третий трансатлантический кабель из Бреста (Франция) до Ньюфаундленда. Затем в течение пяти лет Атлантику пересекли еще три кабеля, последний из них был проложен напрямую между Ирландией и США без промежуточной станции в Ньюфаундленде, его длина составляла 5700 км. К концу XIX века через Атлантический, Тихий, Индийский океаны и Средиземное море проложили 1750 кабельных телеграфных линий общей протяженностью 300 000 км. Из отечественных подводных кабельных линий конца XIX века наиболее значительны каспийская, проложенная в 1879 г. между Красноводском и Баку, сахалинская 1881 г. между заливом Де-Кастри и Дуэ, а также черноморские: ОдессаКонстантинополь и Севастополь-Варна. В 1902 г. проложен кабель от Канады до Австралии. К 1930 г. было проложено 650 000 км подводных телеграфных кабелей, сыгравших определенную роль не только в области экономических и культурных связей, но и в политике и военном деле. Именно подводные телеграфные кабели соединили до того разобщенные сети электросвязи в единую мировую систему связи. Телеграмму вокруг земного шара можно было передать за 40 минут. Изобретение телефона Телефон Рейса • • Идею телефонирования посредством электричества первым разработал в 1849-1854 гг. инженер механик вице-инспектор парижского телеграфа Шарль Бурсель. Однако до практической реализации свою идею он не довел. Наиболее близок к этому был немецкий учитель физики из Франкфурта-на- Майне Филипп Рейс (1834–1874), занимавшийся исследдованием органов слуха. Устройство, называемое им телефоном, Рейс демонстрировал 26 октября 1861 г. во Франкфуртском физическом обществе. Телефон Белла 1876 г. В день столетия независимости США 14 февраля 1876 г. Белл подал заявку в Вашингтонское патентное бюро на свое изобретение: «Телеграф, при помощи которого можно передавать человеческую речь». Двумя часами позже заявку на «Устройство для передачи и приема вокальных звуков телеграфным способом» подал Э. Грей из Чикаго. Развитие телефонии • • • Первая в мире телефонная линия связала квартиру и канцелярию мэра Бостона (1876). К концу года в США были установлены 9300 телефонных аппаратов. В 1878 г. фирма «Белл телефон компани» открыла в Нью-Хейвине (штат Коннектикун) телефонную станцию на 50 абонентов. Первая в Европе телефонная линия длиной 2 км была сооружена 5 ноября 1877 г. в Берлине между почтамтом и телеграфом, в 1878 г. было установлено 1000 аппаратов. Телефонная станция в Париже была открыта в 1879 г., в Берлине – 1881 г. В России первые телефонные станции частного пользования были смонтированы на заводах Уфимской губернии в 1880 г. В том же году вошла в эксплуатацию первая в России телефонная воздушная линия военного ведомства длиной около 1 км. В 1881 г. в Нижнем Новгороде смонтирована линия протяженностью 1,5 км, которая соединила Георгиевскую пристань с квартирами директоров-распорядителей пароходного общества «Дружина». В 1882 г. были построены первые телефонные станции в Москве, Петербурге, Одессе и Риге. Московская центральная станция обслуживала 26 абонентов. Сначала провода были стальными диаметром 2,2 мм, затем – бронзовые диаметром 1,4 мм. Угольный микрофон В 1878 г. английский физик Дэвид Юз (1831-1900) изобрел угольный микрофон, который позволил повысить дальность связи. На Мюнхенской электротехнической выставке 1883 г. микрофон получил следующую экспертную оценку: «Пригоден для передачи звуков на расстояние до 10 километров». Телефонные кабели • • • • Первые телефонные кабели длиной 1200 м, содержащий семь изолированных жил и включенный по однопроводной системе, был проложен по Бруклинскому мосту в Нью-Йорке в 1880 г. Первый подземный телефонный кабель в России был проложен в 1885 г. при строительстве Нижегородской телефонной сети. Десятижильный кабель был длиной 1 км. Первый морской телефонный кабель соединил Англию и Францию в 1891 г. К тому времени в мире насчитывалось полмиллиона телефонов. Первые пять лет становления телефонии использовались конструкции и способы изготовления телеграфных кабелей. В 1869 г. телефонные кабели изготавливались следующим образом. Медные проволоки изолировались хлопчатобумажной пряжей, предварительно вываренной в парафине. Пряжа накладывалась методом обмотки в двух противоположных направлениях. Требуемое количество изолированных жил затягивалось в свинцовую трубу, которая затем наматывалась на барабан. Барабан помещался в резервуар, заполненный расплавленным парафином. Один конец свинцовой трубы подключали к насосу, который вытеснял воздух, заполняя трубу парафином. Затем кабель протягивался через волоку и наматывался на барабан, находящийся в резервуаре с холодной водой. Отличие телефонного кабеля от телеграфного Информация по телеграфному кабелю передается путем подачи и снятия с него постоянного напряжения от источника питания с помощью ключа. На входе кабеля, при подаче напряжения, возникает импульс прямоугольной формы. Двигаясь по кабелю, импульс искажается, так как токопроводящая жила имеет сопротивление R, а кабель емкость C. Происходит заряд емкости C через сопротивление R, а потом разряд. По телефонному кабелю передается ток звуковых частот, поэтому необходимо учитывать четыре параметра, которые называются первичные параметры: • L – индуктивность токопроводящей жилы, • C – емкость между жилами, • R – активное сопротивление токопроводящей жилы, •G – проводимость изоляции. Увеличение дальности связи Член Лондонского королевского общества автор пятитомной монографии «Электромагнитная теория» О. Хевисайд (1850–1925) создал свой знаменитый операторный метод расчета переходных процессов в электрических цепях, который до сих пор применяется в электротехнике. В 1893 г. опубликовал свои исследования распространения токов звуковых частот по кабельной линии и показал, что дальность связи будет максимальной при выполнении условия: RC = LG Для существующих в то время кабелей, это условие не выполнялось из-за большой емкости. Для уменьшения емкости необходимо было увеличить расстояние между жилами, что являлось неприемлемым из-за существенного возрастания габаритов кабеля. Хевисайд предложил искусственно увеличивать индуктивность путем включения в линию катушек. Современники встретили с недоверием предложение Хевисайда включать в линию катушки индуктивности, так как считали, что всякий дополнительный элемент, в данном случае катушка индуктивности, должен вызвать затухание сигнала Практическую реализацию условия Хевисайда осуществил известный американский электротехник, серб по происхождению, профессор Михаил Пупин (1858–1945), получив свой патент в 1899 г. • Успешной пупинизацией в 1902 г. линии Нью-Йорк Ньюарк длиной 16 км, выполненной кабелем 200х2х0,9 (двести парный пучок с диаметром одной жилы 0,9 мм). Благодаря пупинизации дальность связи стремительно ворастала. В 1903 г. она достигла 32 км, в 1904 г. – 70 км, а в 1906 г – 145 км. Во всех случаях прокладывались кабели парной скрутки с жилами диаметром 1,3-1,6 мм. • Вскоре после изобретения Пупина датский инженер Карл Краруп разработал другой оригинальный способ искусственного увеличения индуктивности кабелей. Вместо того, чтобы через каждые 1,5–2 км включать в линию катушки индуктивности, он предложил обматывать токоведущие медные жилы тонкой лентой или проволокой из магнитного материала – стали. Эффективность крурупизации в несколько раз меньше, чем пупинизации, но такие кабели оказались более удобными для подводной прокладки, так как имели одинаковый диаметр по всей длине. Электрическая изоляция • Наряду с увеличением индуктивности кабеля, шли работы по уменьшению емкости. Диэлектрическая проницаемость хлопчатобумажной пряжи, пропитанной парафином в 4 раза больше чем воздуха. В 1882 г. была предложена конструкция изоляции жил, частично состоящая и воздуха, благодаря чему электрическая емкость кабеля несколько уменьшилась. Токопроводящая жила обматывалась по открытой спирали корделем – крученой волокнистой нитью, поверх которой накладывались также спирально несколько лент из влагонепроницаемой пропитанной каучуковым соком бумаги. Трубчато-бумажная изоляция Трубчато-бумажная изоляции накладывается путем обмотки токопроводящей жилы бумажными лентами. Бумага изготавливается из целлюлозы, которая, в свою очередь, получается путем варки щепы древесины хвойных пород в щелочном растворе. Целлюлоза является природным линейным полимером. Волокна целлюлозы покрыты гладкой оболочкой и поэтому не могут связатся между собой. Механическим размолом оболочку повреждают, в результате образуется волокно с ветвистой структурой Это есть бумажная масса. При отливе бумажной массы на сетке бумагоделательной машины вода стекает, волокна связываются между и после отжима и сушки получается бумага. Обмотка бумажными лентами токопроводящих жил бумажными лентами применялась в течение трех десятилетий, других видов изоляции не было. Пара и четверка • В 1880 г. было предложено отказаться от однопроводной несимметричной цепи, где в качестве обратного провода использовалась земля, и перейти на симметричные цепи из двух жил. Это существенно снизило взаимное влияние, что проявлялось в прослушивании соседних разговоров из-за емкостных связей. Первая конструкция скрученной двухпроводной цепи была предложена 1881 г. Законодательное решение о переходе на двухпроводные телефонные цепи было принято на Втором международном конгрессе электриков в Париже в 1889 г. • В 1886 г. С.Ф. Шелбурном (США) запатентовал скрутку жил в четверку, при этом цепь составлялась из жил расположенных по диагонали, емкость между ними была в =1,41 раз больше. Свинцовая оболочка • Наличие герметичной влагонепроницаемой оболочки позволило отказаться от пропитки изоляции. Первоначальная идея накладывать свинцовую оболочку на движущуюся заготовку с помощь пресса принадлежит швейцарскому инженеру Франсуа Борелю. Первый патент на вертикальный свинцовый пресс был выдан франко-швейцарской фирме в 1879 г. Но конструкция пресса оказалась непрактичной. На нем можно было опрессовывать относительно небольшую длину кабеля, на оболочку которого хватало одного слитка. В 1880 г. были предложены конструкции прессов, допускающие опрессование строительных длин кабелей с периодической остановкой для загрузки в контейнеры очередного слитка. Окончательно конструкция свинцового поршневого гидравлического кабельного пресса была внедрена 1885 г. Защита свинцовой оболочки • В 1885 г. В. Сименсом была изобретена кабельная броня из стальных лент. . В патенте говорилось: «Проложенный в земле освицованный кабель необходимо защитить от повреждения извне, например, от возможных сильных ударов острой лопатой, для чего предлагается обматывать кабель по спирали двумя стальными узкими лентами, при чем каждая накладывается с зазором (примерно 1/3 ширины ленты), перекрываемым соседней лентой». Промышленное производство кабелей • 1885-й год следует считать началом промышленного производства кабелей, имеющих все признаки современных кабеле: токопроводящую жилу, электрическую изоляцию, влагозащитную свинцовую оболочку и броню для защиты от механических повреждений. • Применение воздушно бумажной изоляции позволило снизить емкость кабеля. Бумага изготавливалась из тропического растения – манильской конопли (пеньки) и джута. Она отличалась высокой плотностью, долговечностью, малой водопоглащаемостью и механической прочностью, что позволило накладывать манильскую бумагу механическим способом на лентообмоточных машинах. • Первый освинцованный кабель с воздушно бумажной изоляцией был изготовлен в 1889 г. сдан в эксплуатацию в Нью-Йорке в 1890 г. С этого времени и до середины ХХ века воздушнобумажная изоляция была единственным типом изоляции кабелей связи. Радиосвязь через Атлантику • Первое радиотелеграфное сообщение через Атлантику было осуществлено 12 декабря 1901 г. С помощью проволочной антенны, прикрепленной к воздушному змею, запущенному неподалеку от города Сент-Джонс на острове Ньюфаундленд, Гульельмо Маркони удалось принять радиотелеграфное сообщение, посланное из Польдю на полуострове Корнуэлл (Южная оконечность Англии). Сообщение состояло из одной буквы S (три точки в азбуке Морзе) было послано на частоте 200 кГц. Человеческая речь впервые была передана через океан усилиями военных радистов 23 октября 1915 г. из Арлингтона, штат Виргиния, и принята на Эйфелевой башне в Париже. В феврале 1927 г. вступила в действие первая гражданская радиотелефонная линия Лондон – Нью-Йорк. Передачи велись на частоте 800 кГц (длинные волны). Вскоре предпочтение было отдано более эффективной коротковолновой радиотелефонной связи. С 1928 года между Европой и Америкой существовала радиотелефонная связь по 16 каналам Трансатлантический телефонный кабель С 1952 г. началось проектирование первой трансатлантической кабельной линии, а с 1954 г. – изготовление кабеля для нее (рис. 21). Линия была смонтирована в 1955-1956 гг. Она состояла из двух кабелей находящихся на дне моря на расстоянии 40 км одна от другой. По каждому кабелю информация шла в одном направлении. Официальное открытие состоялось 25 сентября 1956 г. – через 90 лет после установления постоянной телеграфной связи через Атлантику. Первая трансатлантическая телефонная линия ТАТ-1 • • Первая трансатлантическая телефонная линия ТАТ-1 имела 36 каналов, которые распологались в спектре частот 20–164 кГц. Линия состояла из трех участков: глубоководного между городами Обан (Шотландия) и Кларенвил (остров Ньюфаундленд) протяженностью 3620 км; короткого 100-километрового наземного, пересекающего Ньюфаундленд от Кларенвилла до Терренсвилла, и мелководного между до Терренсвиллом и Сидней-Майнс (полуостров Новая Шотландия) длиной 510 км. Из Сидней-Майнс сигналы передавались в Нью-Йорк и Монреаль по наземным коаксиальным кабелям. Через каждые 70 км в кабельную линию были вмонтированы ламповые усилители одностороннего действия, которые представляли собой цилиндр диаметром 170 мм и длиной 4 м. В каждый из двух кабеле был вмонтирован 51 усилитель. Для питания усилителей требуется постоянное напряжение для анодной цепи и для накала катода. Подводные усилители питались от источников, находящихся на береговых оконечных станциях. На линии ТАТ-1 по внутреннему проводнику подавалось с одной оконечной станции напряжение плюс 2300 В, с другой – минус 2300 В. Обратным проводом для питания служила земля. Глубоководный телефонный кабель без брони • В 1951 г. английский инженер Роберт Альстон Брокбэнк предложил отказаться от брони для глубоководных кабелей, так как на больших глубинах механические повреждения исключены. Для обеспечения продольной механической прочности на момент прокладки трос помещался в центр жилы, что не уменьшало электропроводности из-за поверхностного эффекта. Трансатлантические подводные кабельные телефонные линии и спутники связи № Наименовани е линии Год прокладки 1 ТАТ-1 1956 Великобритания – США 48 2 ТАТ-2 1959 Франция – США 48 3 «Кантат-1» 1961 Великобритания – Канада 80 4 ТАТ-3 1963 Великобритания – США 128 5 ТАТ-4 1965 Франция – США 138 п / п Соединяемые страны Число каналов Спутник связи Наименование Число кана лов «Ранняя пташка» 240 6 1966 Интелсат II 240 7 1968 Интелсат III 1200 Интелсат IV 6000 Интелсат IV-A 6000 Интелсат V 12000 8 ТАТ-5 9 1970 Испания – США 845 1971 10 «Кантат-2» 1974 Великобритания – Канада 1840 11 ТАТ-6 1976 Франция – США 4000 12 13 1980 ТАТ-7 1983 Великобритания – США 4000 Оптические кабели. Световод • История световодов начинается с английского физика Джона Тиндаля (1820–1893). Он в 1870 г. продемонстрировал оригинальный опыт. Оптическое волокно • Оптическое волокно имеет двухслойную конструкцию, и состоят из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина имеет больший показатель преломления, поэтому, луч, посланный с торца волокна, претерпевает отражение и не выходит из волокна, распространяясь вдоль оси. • • Оптические волокна подразделяются на две группы: многомодовые и одномодовые. В многомодовых волокнах диаметр сердцевины больше длины волны, поэтому по нему распространяется большое число лучей (мод). В одномодовых волокнах диаметр сердцевины соизмерим с длины волны, поэтому по нему распространяется только одна мода (тип волны). Условия передачи по одномодовому волокну лучше, чем по многомодовым. В одномодовых в несколько раз меньше затухание передаваемого сигнала и меньше искажается его форма, однако изготовить, как более тонкое, одномодовое волокно сложнее. Стекловолокно изготавливают из плавленого кварца – кремнезема SiO2 высокой чистоты. Показатель преломления кварцевых стекол лежит в пределах 1,45–1,45. Даже при небольшом различии в показателях преломления, например, n1= 1,525 и n2 = 1,51 предельный угол полного внутреннего отражения равен: sinθпр =1,51/1,525 = 0,99737, откуда θпр = 85º. Существуют следующие виды оптических волокон: 1) кварцевая сердцевина и кварцевая оптическая оболочка; 2) кварцевая сердцевина и полимерная оптическая оболочка; 3) сердцевина и оптическая оболочка из полимерного материала. Сердцевина служит для передачи энергии. Основное назначение оболочки – создание лучших условий отражения на границе сердцевина-оболочка и защиты от излучения энергии в окружающее пространство. Снаружи оптическое волокно имеет покрытие из эпоксиакрилата, кремнийорганического или полимерного соединения (полиэтилена, политетрафторэтилена, полиамида). Таким образом, оптическое волокно имеет трехслойную структуру: сердцевина, оболочка и покрытие. Оптический кабель • Оптический кабель состоит из профилированного сердечника, внутри которого находится силовой элемент для восприятия растягивающих усилий. В пазах профилированного сердечника свободно расположены оптические волокна, на них не действуют механические нагрузки. Первые линии для передачи электрической энергии • • В 1882 г. под руководством французского электротехника Депре была построена первая линия электропередач постоянного тока от Мисбаха до Мюнхена, протяженностью в 57 км. Энергия от генератора передавалась на электродвигатель, приводивший в действии насос. При этом потери в проводе достигли 75%. В 1885 году Депре осуществил электропередачу между Креймом и Парижем на расстояние 56 км при напряжении 6 кВ, потери снизились до 55%. Для снижения потерь в линии электропередач необходимо было строить генераторы постоянного тока на высокое напряжение. Однако потребителю требовалось низкое напряжение, порядка 100 В. Приходилось дополнительно ставить высоковольтный двигатель, который вращал низковольтный генератор. Переменный ток более удобен, его можно трансформировать, т.е. повышать или понижать напряжение. В 1884 году на Туринской выставке Голяр осуществил электропередачу на расстояние 40 км, подняв с помощью трансформатора напряжение до 2 кВ. Однако однофазный переменный ток не получил распространение, так как электродвигатели однофазного переменного тока по всем параметрам уступали двигателям постоянного тока. Однофазные двигатели переменного тока не имеют начального пускового момента и не могли использоваться для целей электропривода. В следующие годы были разработаны две системы многофазных токов – двухфазная Теслы и трехфазная Доливо-Добровольского. Передачи электроэнергии на большие расстояния 1891 году была проведена международная электротехническая выставка, ее главная цель была демонстрация передачи электроэнергии на большие расстояния. Доливо-Добровольский построил линию длиной 170 км от из местечка Лауфен до Франкфурта. В Лауфене была построена небольшая гидроэлектростанция, турбина мощностью 250 кВт вращала генератор трехфазного тока. Два трансформатора мощностью по 150 кВт, вторичные обмотки которых были соединены последовательно, поднимали напряжение до 15 кВ. Во Франкфурте напряжение понижалось до 116 В. К одному трансформатору было подключено 1000 ламп накаливания по 55 Вт каждая, к другому трехфазный асинхронный двигатель мощностью 75 кВт, который приводил в действие гидравлический насос, который подавал воду для ярко освещенного декоративного десятиметрового водопада. Трехфазный ток получил очень высокую оценку. Так была разрешена главная энергетическая проблема конца XX века – проблема централизации производства электроэнергии и передача ее на большие расстояния. В 1889 г. Доливо-Добровольский изобрел удивительно простой трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, конструкция которого в принципе сохранилась и до наших дней. В том же году он создает трехфазный трансформатор. Силовые кабели • • Практическое применение резины в качестве изоляции кабелей началось в 60-е годы XIX века. Главное преимущество резины – эластичность и влагостойкость. Одножильные силовые кабели с пропитанной джутовой изоляцией на рабочее напряжение 2 кВ начали применять с 1884 г. С 1890 г. перешли на пропитанную бумагу, что позволило повысить рабочее напряжение до 10 кВ. Силовой кабель с пропитанной бумажной изоляцией на напряжения до 10 кВ • 1 – токопроводящая жила секторной формы; 2 – фазная изоляция; 3 – поясная изоляция; 4 – межфазное заполнение; 5 – полупроводящая бумага; 6 – металлическая (свинцовая или алюминиевая) оболочка Силовой маслонаполненные кабель низкого давления на напряжение 110 кВ 1 – токопроводящая жила с каналом; 2 – полупроводящая бумага; 3 – первый слой изоляция; 3 – первый слой изоляция; 4 – второй слой изоляция; 5 – полупроводящая бумага; 6 – свинцовая оболочка; 7 – Zобразные проволоки токопроводящей жилы; сегментные проволоки Силовой маслонаполненные кабель высокого давления на напряжение 500 кВ 1 –антикоррозионный покров; 2 – стальная труба; 3 – масло; 4 – экран из медных перфорированных лент и проволоки скольжения; 5 – первый и второй слой изоляция; 6 – токопроводящая жила СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ СО СШИТОЙ ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ Марка кабеля АПвП СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ СО СШИТОЙ ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ Марка кабеля АПвПг СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ СО СШИТОЙ ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ Марка кабеля АПвП2г СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ С ПОЛИВИНИЛХЛОРИДНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ АВБбШв 3*120 (ож), 6 кВ СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ С ПРОПИТАННОЙ БУМАЖНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ААБ2л СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ С РЕЗИНОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ Конструкция кабеля КПБП и КПБК 1 – токопроводящая жила; 2 – изоляция; 3 – оболочка; 4 – заполнитель; 5 – подушка под броню из волокнистого материала; 6 – броня Изоляция соприкасается со скважинной жидкостью, поэтому это не кабель, а бронированный провод. Броня защищает изоляцию только от истирания, но не защищает от раздавливания и растяжения в осевом направлении.
