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 200-230°С, 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 200-230°С 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.
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.
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%.