Реферат: Телеграфные кабели

Чем отличается провод от кабеля? Провод состоит либо из одной как голой, так и изолированной проволоки, либо из нескольких изолированных скрученных вместе жил. Провод, как правило, не предназначен для прокладки под водой и в земле, чем он и принципиально отличается от кабеля. Для защиты от внешних воздействий могут служить легкая, неметаллическая оболочка, обмотка или оплетка из волокнистых материалов: хлопчатобумажной пряжи, шелковой нити, синтетических волокон. Разумеется длительное время она не могла предохранять изоляцию от влаги.

Исходя из этого, мы можем сказать, что Шиллингом был изобретен не кабель, провод.
Шиллинг, вероятно, первый применил в качестве изоляционного материала эластичную смолу каучук ,- начав с пропитки шелковой изоляции жил и защитной обмотки каучуковым соком. В дальнейшем судя по записям самого Шиллинга, он поверх шелковой изоляции накладывая вручную (магнитного способа еще не было) сырую невулканизированную каучуковую массу. Каучук того времени слабо предохранял изоляцию от увлажнения. При повышении температуры в летнее время он терял свои свойства, размягчался, становился липким, клейким, текучим. Применялся и другой способ. Проволоку, обмотанную пряжей, пропитывали в нагретом масле, содержащей пчелиный воск, сало, смолу и другие компоненты, например битум, льняное масло ( испытывались различные смеси), после чего вторично обматывали пряжей и обматывали массой

В 1840 г. Уитстоном было продолжена в Англии телеграфная линия длиной в 30 км. в чугунных трубах. Были предложения вместо стальных использовать асфальтовые или глиняные трубы и прокладывать их на глубине 0,9 м.

Б.С. Якоби  1841 г., прокладывая линию между Зимним дворцом и зданием главного штаба в Петербурге, использовал токопроводящие жилы из обоженной мягкой медной проволоки диаметром 3 мм. Они изолировались путем обмотки хлопчатобумажной пряжей в два слоя с последующей пропиткой специальной мастикой из воска, сала и смолы хвойных деревьев- канифоли. Изолированные жилы затягивались в последовательно соединенные узкие гильзы. Первый опыт оказался неудачным, гильзы не защищали изоляцию от влаги.

Стремясь уменьшить утечку тока, Б.С. Якоби принял оригинальное решение- он выбрал стеклянные трубы. Но и этот опыт оказался неудачным вследствие хрупкости.

В Англии была проложена подземная линия в деревянных пропитанных креозотом брусках, в которых были выдолблены канавки прямоугольной формы. Желоба вмещали до 5-10 проводов и ложили  деревянную крышку, а позднее закрывались стальной оцинкованной пластиной. На замощенных улицах города провода протягивались в трехдюймовых трубах газопровода

В Париже в 1855-1857 гг. был опробован следующий вид подземной прокладки. Десять голых проволок в траншее глубиной 1,2 и шириной 0,9 м. Туго натягивались на длине 60-80 м. Их положение фиксировалось посредством железных гребенок с зазором между зубьями в 2,5 см. Дно траншеи застилалось плотной бумагой, ее стенки укреплялись досками и в ней периодически устанавливались вертикальные бруски. Полученная таким образом форма заливалась из 65% асфальта и 35% промытого гравия. Когда залитая масса отвердевала, железные гребенки и доски извлекались наружу и оставались изолированные одна от другой жилы. Любопытно, что в качестве токопроводящих жил использовалась не медная, а стальная оцинкованная проволока диаметром 4 мм. Изоляцией служила хлопчатобумажная пряжа, пропитанная лаком на основе смолы «шеллак».

Занимательной кабельной техникой можно назвать описание изготовления и прокладки 25-километрового подземного участка Алипур-Раджхат телеграфной линии Калькутта-Кедгери в Индии. Для изготовления токопроводящих жил были взяты стальные прутки длиной 4 м. и диаметром 9,6 мм. Каждый пруток закреплялся на бамбуковых шестах высотой 0,9м  и обматывались в ручную узкими (шириной 6,3 мм) лентами пропитанного мадрасского полотна, наложенными во взаимно противоположных направлениях подобно хирургической повязке, так что верхний виток ленты перекрывал нижний на половину его ширины. Смола для пропитки приготавливалась таким способом, что не затвердевала в холодном состоянии. Руководитель прокладки линии директор Ост-Индской телеграфной компании О. Шоннеси считал, что подобная четырехслойная изоляция «защищает от воды и грязи, не боится червей и насекомых». Двадцать индийцев изолировали в день 600м. прутков. Следовательно, производительность одного человека составляет 30 м в день. Современные изолировочные машины накладывают на медную проволоку диаметром 0,5-0,7 мм. двухслойную обмотку из бумажных лент такой же, как в индийских проводах, ширины скоростью 30 м/мин. При этом одна работница обслуживает 4-6 машин.

По 15 изолированных прутков сваривались последовательно, образуя 60-метровый отрезок, и пучками по 10 штук доставлялись на слонах к месту прокладки. Механической защитой пучка проводов служили черепицы полуцилиндрической формы, накладываемые одна на другую. Образованный таким образом черепичный желоб после прокладки проводов заполняли смесью из трех весовых частей песка и одной части смолы. Песок тщательно очищали от загрязнений, промывали для удаления глины и солей и, наконец, высушивали на железном листе, нагреваемом пламенем. Песок смешивался со смолой в железном котле, подогреваемом на костре. По мере расплавления смолы смесь перемешивали, а затем черпаком на длинной ручке заливали в отверстие черепичного желоба. После заливки и охлаждения массы траншею с проводом засыпали глиной, утрамбовывали и поверхность ее выравнивали.

Вернемся к Б.С Якоби. В период использования стеклянных трубок, он заметил, что каучуковые соединительные втулки на линии 1842 г. хорошо сохранились. Медные проволоки для новой линии обматывались двумя слоями узкой каучуковой ленты. Изолированные каучуком провода зарывались в землю на глубину 0,5 м без каких-либо защитных труб. Но и этот способ оказался не надежным.

Так была проиграна кабелями их первая битва за существование. Впрочем, проиграна временно и не полностью. Парадоксально, но факт: свой плацдарм кабели сумели отстоять не на земле, а … в воде

II.Морские кабели.

В 1735 году французские ученые во время экспедиции в Южную Америку обратили внимание на сок пятнистых деревьев, который получали, делая надрезы на коре. Этим соком покрывали пироги, и они становились непроницаемы для воды. Древесное молоко на воздухе быстро сгущалось и темнело, превращаясь в твердые эластичные комочки.

Со временем в Европу стали завозить готовые каучуковые изделия-гелогии, бутылки. Однако как доставить сок, что бы использовать его на листе, ни кто не знал. Лишь в 1819г.
шотландский химик Ч. Макинтош растворил каучуковую смолу, применив каменноугольное масло «нафта»- отход при переработке каменного угля в светильный газ. Вскоре были найдены и другие растворители, в частности скипидар. Привезенный из Бразилии каучук, затвердевший в дороге, превращали снова в сок, который использовался для пропитки и покрытия тканей.

Заинтересовались  новым материалом и электротехники. Но оказалось, что каучук плохо переносит колебания температуру.

Тем временем  ученые обнаружили некоторое расхождение в свойствах смол, получаемых из сока  тропических  деревьев.  Натуральный каучуковый сок-латекс-продукт дерева гевеи. А из сока деревьев изонандре- гутта и гуонандра-перча, получалось родственное каучуку вещество- гуттаперча. Каучук и гуттаперча- изомеры. Оба они высокомолекулярные полимеры изопрена С5Н8, химические формулы записываются одинаково, но только метильные группы СН3 в молекулах обеих изомеров расположены немного по разному: в гуттаперче по одну сторону основной цепи, а в каучуке- по обе. В отличие от каучука гуттаперча при нагревании до 70 градусов Цельсия становится мягкой, наподобие теста, а затем при охлаждение затвердевает, сохраняя форму, полученную в нагретом состоянии, и не становясь при этом хрупкой. Это оказалось удобным для переработки.

В 1847 г. немецкий инженер В. Сименс сконструировал пресс для наложения гуттаперчевой изоляции на проволоку

Подземная прокладка не защищенных свинцовой оболочкой проводов даже с гуттаперчевой изоляцией вновь потерпела фиаско. Оказалось, что в присутствие кислорода воздуха и особенно при колебаниях температуры гуттаперча быстро окисляется, ссыхается и теряет свои физические и электрические свойства. К счастью, обнаружилось, что в воде гуттаперча чувствовала себя превосходно и способна была сохранять свои свойства длительное время.

В 1849 г. был предложен проект подводного кабеля через пролив Па-де-Кале. Сделанный без всяких инженерных расчетов кабель был архипримитивен. Вес кабеля оказался равен весу вытесненной воды, поэтому приходилось привязывать к нему грузила.

Тогда еще не умели рассчитывать не условия передачи по телеграфной линии, ни электрические характеристики, или параметры кабеля. Поэтому первый морской опыт оказался неудачным. Несмотря на неудачу, все же была доказана принципиальная возможность телеграфирования по подводному кабелю.

На следующий год был изготовлен новый кабель, совершенно не похожий на предыдущий. Он состоял из четырех медных жил диаметром 1,5 мм., изолированных каждая слоем гуттаперчи толщиной 2,5 мм. Изолированный жилы скручивались между собой. Затем скрученный сердечник обматывался просмоленной пенькой толщиной 2 мм. Главной же примечательностью кабеля была стальная броня. Так в 1850 г. была изобретена броня подводных кабелей из круглых стальных оцинкованных  (во избежании коррозии проволок). Поверх пеньки на кабель 1851 г. накладывались десять стальных проволок диаметром 7,5 мм. Все они располагались по спирали (как повив в стальном тросе) в один слой, прилегая одна к другой и образуя сплошное защитное покрытие. Наружный диаметр кабеля был 33 мм, его масса (4,5 кг/т) в тридцать с лишнем раз превышало массу предыдущего кабеля. Новый кабель не нуждался в дополнительных свинцовых грузилах.  (рис.1)

Наконец появился настоящий кабель, содержащий три составные части: токопроводящую, изолирующую и защитную.

Второй морской кабель был проложен 25 сентября 1851 г. между Дувром и местечком Санчат на глубине около 50 м. Первое время передача депеш между Парижем и Лондоном длилась от получаса до часа. Целый год не решались соединить подводную кабельную линию с наземной воздушной. Только 1 ноября 1852 г. было установлено прямое сообщение между обеими столицами. Успех действующей морской телеграфной линии послужил мощным толчком к развитию кабельного производства

III.Трансатлантические кабели.

Эпопея прокладки первого трансатлантического телеграфного кабеля длилась 10 лет- 1857 г. по 1866 г. Для того, что бы кабель соединил Европу с Америкой понадобилось пять экспедиций. В 1854 г. Г. Филдом была основана «Нью-Йорско-Ньюфаундлендская и Лондонская телеграфная компания». Ей ставилась грандиозная задача: предстояло проложить кабель длиной около 4000 километров на океанских глубинах до 4500 м.

Что бы подготовить 4000 км. кабеля (с запасом на неровности океана по трассе), нужно было проволочить почти 30000 км. медной и свыше 500000 км. стальной проволоки.

Токопроводящая  жила была не однопроволочной, а скручивалась из семи проволок, после чего покрывалась тремя тремя тонкими слоями гуттаперчивой изоляции. Сложной была конструкция брони: сначала семь тонких стальных проволок скручивались между собой в сренгу, затем 18 таких стренг накладывались на подушку из пропитанного джута. Весь кабель был изготовлен за полгода, следовательно производственная мощность составляла в среднем около 700 км в месяц. Жилу изолировала компания «Гутта Перча», бронировали кабель две другие фирмы.

Первая прокладка трансатлантического телеграфного кабеля началась из маленькой бухты Валенсия в юго-западной части Ирландии 6 августа 1857г. и окончилась неудачей из-за обрыва кабеля. Во время следующих прокладок кабель неоднократно обрывался. Тем не менее, 5 августа 1858г. подводная кабельная линия электросвязи длиной 3800 км была проложена. Наконец, электрический телеграф связал Европу с Америкой. Однако, уже 1 сентября аппарат не смог принять ни одного ясного сигнала. Линия, работавшая крайне неустойчиво, потеряла работоспособность и прекратила свое существование. Причиной выхода кабеля из строя, скорей всего, стал пробой изоляции слишком высоким для нее напряжением береговой питающей батареи-2000В. Напряжение увеличивали, чтобы усилить передаваемые сигналы.

Несмотря на неудачи, был накоплен огромный опыт, позволивший в корне изменить конструкцию кабеля, поднять на совершенно новую ступень уровень его производства и испытаний, повысить требования к материалам  и к качеству  сращивания отдельных строительных длин. К составлению технических условий на новый кабель были привлечены научные учреждения и видные ученые и инженеры.

Основоположником теории конструирования телеграфных кабелей является Уильям Томсон. Он вывел дифференциальные уравнения, определяющие значения напряжения и тока в любой точке линии в зависимости от параметров кабеля. Томсон первым предложил скручивать токопроводящую жилу из проволок  для увеличения ее гибкости. Он способствовал усовершенствованию технологии кабельного производства, ужесточению контроля материалов, настоял на применении проволок из меди высокой электропроводности.

По конструкции и свойствам  кабель, разработанный в 1860-х г. заметно отличался от своего предшественника. (рис.2) Сечение кабеля было увеличено в трое, следовательно, втрое уменьшилось сопротивление жилы. Несмотря на некоторое увеличение емкости, постоянная времени кабеля уменьшилась в 2,5 раза. Соответственно увеличились скорости распространения тока и телеграфной передачи.

Изоляция жилы была выполнена не из трех, а из четырех слоев гуттаперчи, причем сама токопроводящая жила и каждый слой гуттаперчи покрывались  влагозащитным клейким компаундом, состоящим  из трех частей гуттаперчи, одной части смолы и одной части гудрона. Изолированную жилу обматывали слоем просмоленного джута и покрывали броней, насей раз из одиночных стальных проволок. Новым явилось то, что каждая бронепроволока, в свою очередь, была  покрыта слоем пропитанного джута толщиной, около 3мм. Делалось это главным образом для того, чтобы уменьшить вес кабеля при погружении в воду. Благодаря усилению конструкции в целом разрывная прочность кабелей 1865 и 1866 гг. по сравнению с кабелями 1857 и 1858гг. возросла в 2,4 раза.

Береговые концы линии имели усиленную – двойную броню для защиты от повреждений при трении о камни во время приливов и отливов и при случайных ударах корабельных якорей. Для этого поверх глубоководного бронированного кабеля накладывалась подушка из пропитанного джута и дополнительная более мощная броня, состоявшая из 12  стальных стренг, каждая из которых была скручена из трех проволок.

Четвертая прокладка трансатлантического кабеля началась 23 июля 1865г. из Ирландии. И снова возникли трудности. Приборы сигнализировали о повреждении изоляции. Оказалось, что твердая сталь, из которой были изготовлены проволоки брони,    оказалась очень хрупкой и под действием тяжести уложенных один на другой витков кабеля ломалась на куски. Такие куски пропарывали изоляцию. Экспедиция закончилась неудачей.

Для следующей экспедиции  был изготовлен новый кабель; на этот раз он имел броню не из твердых, а из мягких  стальных оцинкованных проволок. Усовершенствовали приборы и механизмы на корабле.

Пятая экспедиция началась 13 июля 1866г. Она оказалась наиболее успешной. 27 июня 1866г. корабль бросил якорь в бухте Ньюфаундленда. Этот день принято считать началом регулярной постоянной электрической связи между Европой и Америкой.

Тогда же был поднят со дна океана кабель, затонувший ранее, испытан и сращен с запасным кабелем на судне. Таким образом, 8 сентября 1866г. второй кабель соединил оба материка.

Успех1866г. способствовал небывалому развитию техники подводных кабелей. Еще 4 кабеля пересекли Атлантику. Кабели прокладывали в Тихом и Индийском океанах, Средиземном море, Южной Атлантике.

Из отечественных подводных кабельных линий конца прошлого столетия наиболее значительны Каспийская (1879г. Красноводск-Баку), Сахалинская(1881г. залив Де-Кастри-Дуэ), Черноморские: Одесса-Константинополь и Севастополь-Варна.

В 1880-е годы конструкция подводных кабелей была значительно усовершенствована. Токопроводящая жила скручивалась не из семи одинаковых проволок, а состояла из центральной медной проволоки диаметром 3-3,1 мм и повива из 12 медных проволок диаметром 1,05 мм. Диаметр такой жилы возрос всего на 35-40%, а ее сечение увеличилось вдвое. Сопротивление жилы постоянному току уменьшилось, следовательно, еще более возросли скорости распространения тока и телеграфной передачи. Усилена была броня  кабеля, ее теперь составляли не 12, а 18 (и даже 24) проволок  диаметром 2,1-2,4 мм.

Заключение.

Прокладка подводных и подземных телеграфных кабелей продолжалась до конца  30-х годов нашего столетия. Телеграфные кабели сыграли существенную роль в развитии экономических и культурных связей, в политике и в военном  деле. Именно подводные телеграфные кабели первыми соединили до того разобщенные сети электросвязи  отдельных континентов в единую мировую систему связи. Однако, постепенно по мере развития линий телефонной связи, по которым, кроме телефонных, можно было передавать также телеграфные сообщения, чисто телеграфные кабели начали терять самостоятельное значение. В настоящее время они используются для целей железнодорожной сигнализации и блокировки.

Следует отметить значение телеграфных кабелей в развитии кабельной техники в целом. Именно при разработке телеграфных кабелей появились кабели как таковые, была разработана теоретическая база конструирования  кабельных линий, разработаны первые конструкции кабелей и технологические процессы производства кабельных изделий.

Список литературы:

1. Д.Л. Шарле «По всему земному шару» М. «Радио и связь»1985