Текст
                    Г.И.БАБАТ
Электричество
работает
ГОСЭНЕРГОИЗДАТ

Г. И. БАБАТ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО РАБОТАЕТ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКВА 1950 ЛЕНИНГРАД Scan AAW
ээ-з-з Автором сделана попытка изложить в попу- лярной форме важнейшие вопросы современной электротехники. В главе первой — Язык электро- техники — излагаются основы построения схем и кратко описываются свойства наиболее употреби- тельных схем. Во второй главе—Строительные материалы— описаны основные электротехнические материалы и простейшие конструкции. Повсюду указаны процессы в материалах и поведение материалов в работе. В третьей главе — Мера и число — изложены основы измерительной техники и описаны совре- менные электроизмерительные приборы и устрой- ства. В четвертой главе — Завод без складов гото- вой продукции — описан технологический процесс электрических станций. В пятой главе — Распределение и управле- ние— изложены основы действия аппаратуры и устройств управления. В шестой главе — О волнах, о ситах, о раз- ных других вещах, а, главным образом, о даль- ней связи — изложены основы связи по проводам и без проводов. В главе седьмой — Искания лучших реше- ний — рассматриваются задачи современной элек- тротехники. Книга предназначена для широких кругов читателей, интересующихся электротехникой. Редактор В. Ю. Ломоносов Техн, редактор С» Н. Бабочкин Сдано в набор 26/1 1950 г. Подписано к печати 26/V 1950 г. Бумага 82x108*/m — 61/® бумажных — 21,32 п. л., уч.-изд. л. 23. Т-04322 Тираж 25 000 экз. Зак. 27 Типография Госзнергоиздата. Москва, Шлюзовая наб., 10
Стр. СОДЕРЖАНИЕ Введение ................................................ 9 первые слов 4................... 15 Глава первая. Язык электротехники ......... 18 1-1. Условные обозначения............................... 18 1-2. Выпрямление переменного тока....................... 20 1-3. Схема с нулевым вентилем......................... 22 1-4. Свет в коридоре.................................... 24 1-5. Где еще применяются схемы?......................... 25 1-6. Абстракция ........................................ 28 1-7. Начертания электрических схем...................... 29 1-8. Скелеты.............................................32 1-9. Разные принципиальные схемы.........................33 1-10. Свернутые и развернутые схемы..................... 36 1-11. Самые подробные................................... 38 1-12. Печатный монтаж................................... 38 1-13. Снова о лампе в коридоре.......................... 43 1-14. Электрические замки............................... 44 1-15. Приведенное сопротивление......................... 46 1-16. Эквивалентные схемы............................... 48 1-17. Точечная электротехника и электротехника простран- ственная ........................................... 51 1-18. Анализ схем помогает улучшить конструкцию......... 54 1-19. Растекание токов ................................. 55 1-20. Решение задачи о кубическом каркасе............• . 57 1-21. Замечательное Т................................. 58 1-22. П вместо Т........................................ 61 1-23. Сильноточники и слаботочники ..................... 61 1-24. Связь слабая, сильная, критическая................ 63 1-25. К вершинам схемного искусства.................. . 63 3
Стр. ПРАВДИВЫЙ ПОВЕСТВОВАТЕЛЬ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ. ... 63 Глава вторая. Строительные материалы.................... 66 2-1. Общие сведения.................................... 68 2-2. Эпсилон, мю, сигма................................. 70 2-3. Классификация по ро............................... 73 2-4. Проводники и изоляторы............................. 76 2-5. Природа электрической проводимости................. 77 2-6. Не проводники и не изоляторы- •................... 78 2-7. Токи в объеме и на поверхности .................... 79 2-8. Разные виды электрических сопротивлений............ 81 2-9. Безвоздушное пространство ......................... 83 2-10. Рабочая температура 100 000°...................... 85 2-11. Плазма ........................................... 86 2-12-Сжатые газы....................................... 90 2-13. Проволока......................................... 91 2-14. Волны в проводниках и вдоль проводников........... 95 2-15. Бумажная электротехника........................... 97 2-16. История электрического кабеля .................... 99 2-17. Силовые кабели 100 2-18. Вести издалека ...................................102 2-19. Конденсаторы.................................... 106 2-20. Магнитный железняк................................108 2-21. Точка магнитного превращения..........•...........110 2-22. Три железных брата ...............................111 2-23. Твердые и мягкие магнитные материалы..............112 2-24. Магнитная проницаемость............................ИЗ 2-25. Магнитодиэлектрики............................... 115 2-26. Гистерезис........................................117 2-27. Намагничение......................................118 2-28.* Выявление пороков.............•..................120 2-29. Размагничение.....................................121 2-30. Электроматериалы будущего.........................122 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО НАЧИНАВ! РАБОТАТЬ...........126 Глава третья Мера и число...............................128 3-1. Общие сведения.................................«... 128 3-2. От электронов к стрелке............................128 3-3. Электростатические измерительные приборы...........130 3-4. Измерители тока....................................133 3-5. Рамка между полюсами...................‘...........134 3-6. Амперметром измеряют вольты........................136 3-7. Шунты и добавки.................................. 138 3-8. Электромагниты и грелки............................140 4
Стр, 3-9.. Преобразование для измерений......................142 3-10. Клещи для измерения силы тока.....................143 3-11. Разные амперы и разные вольты.....................145 3-12. Движение на тормозах..............................146 3-13. Вихри в воздухе и в металле.......................147 3-14. Измерители ударов ................................150 3-15. Частотомеры.......................................151 3-16. Ламповые приборы..................................154 3-17. Самописцы.........................................156 3-18. Запись колебаний ............................. . 160 3-19. Вибраторы . . . •.................................161 3-20. Электронно-лучевой осциллограф....................162 3-21. Запись аварий.....................................164 3-22. Электронная память ...............................165 3-23. Молоток в роли измерительного прибора.............166 3-24. История электрических измерений...................168 3-25. Установление единства системы.....................169 3-26. Электрифицированная математика....................170 3-27. Умножение и деление...............................171 3-28.Дифференцирование и интегрирование ................171 3-29. Разумные машины...................................172 РУССКИЙ СВЕТ...................174 Глава четвертая. Завод без складов готовой продукции 4-1. О складах и запасах................................177 4-2. О средних цифрах . . • • . . ...................180 4-3. Графики нагрузки...................................181 4-4. Типичная электростанция......................... . . 183 4-5. Сырье для тепловых электростанций..................184 4-6. Топливоподача............................ • . . . 187 4-7. Фабрика пара.......................................191 4-8. Внутри топки.......................................192 4-9. Прошлое котлостроения..............................193 4-10. ЦЭС на Васильевском острове •.....................196 4-11. Приготовление пыли..........•................’ . . 198 4-12. Автоматическая котельная..........................201 4-13. Как повышают экономичность тепловой ЦЭС . • . . . 205 4-14. Дымовые трубы.....................................207 4-15. Очистка дыма......................................208 4-16. Путь пара.........................................210 4-17. В машинном зале . . . . •.........................211 4-18. Паровая турбина...................................214 4-19. В конденсаторном помещении........................217 5
Стр, 4-20. Путь воды..........................................220 4-21. Пуск турбогенератора...............................221 4-22. Резонанс...........................................223 4-23. Уход от резонанса..................................223 4-24. Дать нагрузку!................................... 225 4-25. Собственные нужды..................................226 4-26. Гидроэлектростанции—ГЭС............................227 4-27. Водяные турбины и гидрогенераторы..................235 4-28. Конструкторское бюро...............................233 4-29, Производство крупных машин.........................234 4-30. Дальние дороги.....................................237 4-31.0 любви и преданности ..............................239 ТВОРЕЦ ТЕХНИКИ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА.............242 Глава пятая. Распределение и управление..................245 5-1. Энергопотоки 1......................................245 5-2. Защита от врагов....................................250 5-3. Пробки и жучки......................................251 5-4. Короткое замыкание на сборных шинах.................253 5-5. Выключатели для малых мощностей.....................254 5-6. Спасение в быстроте.................................255 5-7. Свинки .............................................256 5-8. Магнитное дутье.....................................257 5-9. Масло в огонь.......................................260 5-10. Горшки ............................................262 5-11. Пластинчатые дугогасители......................... 262 5-12. Отказ от масла.....................................263 5-13. Выключатель выбирают не по потребителю, а по сети . . 266 5-14. Ограничители токов.................................267 5-15. Часовые у подъемных мостов.........................268 5-16. Ограничители бытовой нагрузки......................269 5-17. Пускатели для электродвигателей ...................271 5-18. Избирательная защита......................• . . . . 272 5-19. Предохранительные клапаны..........................275 5-20. АПВ................................................278 5-21. Совместная работа..................................279 5-22. Уравнивание скоростей..............................280 5-23. Синхронное движение ...............................281 5-24. Прыжок на ходу.....................................282 5-25. Случай в Киеве.....................................283 5-26. Автоматическая синхронизация ......................285 6
Стр. ИССЛЕДОВАТЕЛЬ ЗАКОНОВ КОЛЕБАНИЙ.............286 Глава шестая. О волнах, о ситах, о разных других вещах, а главным образом, о дальней связи...............289 6-1. Перевозка зерновой смеси...........................289 6-2. Зачем смешивают электрические токи ................289 6-3. По каким признакам разделять токи..................291 6-4. В каких случаях токи надо фильтровать .............291 6-5. Сита частые и сита крупные.........................292 6-6. Механические фильтры для комфорта .................294 6-7. Еще механические фильтры ..........................295 6-8. Анатомия фильтров..................................295 6-9. Самые простые разделители токов....................296 6-10. Как сравнивают фильтры?...........................299 6-11. Согласование входа и выхода ......................300 6-12. Резонансная частота и коэффициент фильтрации .... 302 6-13. В погоне за высокой фильтрацией . . •.............303 6-14. Отсев с уничтожением..............................306 6-15. Гасители волн.....................................308 6-16. Фильтрация с малыми потерями......................311 6-17. Общие рассуждения о волнах и частицах.............313 6-18. Снова о зерновой смеси....................... ... 315 6-19. Отличия создавать искусственно....................316 6-20. Модуляция колебаний ..............................317 6-21. Подробнее о модуляции, фильтрации и демодуляции . . . 320 6-22. Еще о модуляции в технике и природе...............325 6-23. Частотные фильтры вместо замков...................327 6-24. Долой фильтры.....................................328 6-25. Твердое расписание................•...............329 6-26. Быстрое переключение..............................330 6-27. Точное переключение...............................330 6-28. Проверьте Ваши часы...............................331 6-29. Многоканальная импульсная связь по проводам и без проводов ..........................................332 6-30. Циклофоны и циклодосы.............................333 6-31. Потери при транспорте.............................336 6-32. Потери в линиях связи.............................336 6-33. Усиление и борьба с потерями......................340 6-34. Трансляционные усилители..........................346 МАСТЕР ТОЧНЫХ ПРОПОРЦИЙ................351 Глава седьмая. Искания лучших решений...................353 7-1. Самый большой ящик.................................353 7-2. Гонец с корабля....................................354 7
Стр. 7-3. Экстремальное значение функции ....................354 7-4. Инженерные примеры...............•.................355 7-5. Исследования Чебышева..............................356 7-6. Наилучшая линия электропередачи....................356 7-7. Экономичная плотность тока.........................359 7-8. Математические формулировки........................360 7-9. Наивыгоднейшее напряжение .........................361 7-10. Самый прочный кабель..............................361 7-11.0 лучшем трансформаторе............................365 7-12. Предостережение............................ • . 367 7-13. Снова о самом большом ящике.......................368 7-14. Наилучшая индукционная печь.......................369 7-15. Еще о линиях передачи электроэнергии..............370 7-16. Согласование нагрузки в эквивалентной схеме ......371 7-17. Высокочастотники и низкочастотники ...............376 7-18. Частные максимумы и максимум м ксим*>рум.........378 7-19. Горная страна.....................................379 7-20. Опять „наилучший кабель"..........................384 7-21. Еще наилучшие кабели..............................386 7-22. Разные точки зрения ..............................388 7-23. Электрический пробой •............................391 7-24. Плоскогорье вместо вершины .......................394 7-25. О катании с ледяных гор...........................397 7-26. Задача Дидоны ....................................400 7-27. Вариационные задачи в электротехнике.............401 7-28. Лучшей формы изоляторы............................402 7-29. Поверхностная закалка стальных изделий............406 7-30. Живопись теплом .....................-............407 7-31. Впадины горячее выступов .........................408 7-32. Мыльные пузыри ...................................409 7-33. Резиновые мембраньгдля исследования электронных ламп "410 7-34. Вариационные методы для закалки .... •............411 7-35. Практика и теория.................................414 7-36. Заключение........................................415
ВВЕДЕНИЕ Как я люблю эти редкие, тихие вечера, когда белый лист плотной бумаги наколот посреди стола. Прозрачные утиные лапы чертежного прибора остановились среди за- путанных линий. Чуть колеблется над столом конус све- та, прикрытый зеленым колпаком. Карандаш замер на незаконченном эскизе. И сами собой возникают и нето- ропливо плывут по шершавому листу десятки, сотни фан- тастических вариантов, и уставшие глаза уже нехотя следят за странным сплетением линий и цифр. Кремлевские куранты отбивают полночь в приглушен- ном приемнике. Смолкают последние аккорды гимна. Невнятные звуки ночных мазурок и вальсов сливаются с далеким грохотом случайного трамвая. Я сижу, не шевелясь, чтобы продлить эти минуты, когда мысль собралась, сосредоточилась и напряжена точно тетива лука перед тем как толкнуть стрелу в полет. И вот Среди калейдоскопа отрывочных образов возникает идеальная конструкция. Сначала это бесформенный электронный вихрь, пуль- сирующий сгусток электромагнитной энергии. Но его размытые контуры постепенно уточняются. ВокруС элек- тронного облака возникает изогнутая, гофрированная ра- ковина резонансной камеры. Очертания ее становятся все резче и определеннее. Утвердить конструкцию может только точный расчет. Но как это скучно проверять все размеры и пропорции: делить, складывать, умножать, педантично отыскивать максимумы и минимумы. Лукавая мысль уводит от кро- потливого монотонного труда. Где-то далеко, в подсозна- нии, тушуются неясные места. Как неотразимо привлека- тельны вот эти — самые главные и ответственные детали конструкции. Как они новы и понятны. И вмиг весь технологический процесс изготовления нового небывало- 9
го, сверхмощною, сверхвысокочастотного генератора ка- жется ясным и простым. Я уже в цехе. Пущены на полный ход станки, вопло- щая мою мечту. Мелкозубая дисковая фреза счищает белую чешую с заготовки сердечника электромагнита. Узкое победитовое лезвие токарного резца сбрасывает рыжие кудри с медной болванки Вот полностью готова и отделана моя резонансная раковина из чистейшей электролитической, прокаленной в водороде, розовой меди. Точно пригнаны к месту воль- фрамовые катоды... Последняя операция — сборка и заварка. Фиолетовое пламя газовых горелок лижет цилиндр тонкого кварцевого стекла. Его хрупкие стенки налива- ются румяным жаром. Накаленное стекло теряет про- зрачность. Сначала оно еще просвечивает, как спелая черешня. Потом стекло становится как темновишневый бархат. В нем уже нет хрупкости и звона. Стекло теперь вязко и гибко. Мой старый приятель — лучший заводский стеклодув — вводит в пламя горелки черную графитовую лопатку. Он оглаживает тонкий край накаленного ци- линдра, осаживает и расширяет его. Он прижимает раз- мягченное стекло к острым истонченным краям резонанс- ной камеры. Стекло липнет к меди, образуя плотный, непроницаемый для воздуха спай. Стеклодув поворачи- вает краны, уменьшает подачу воздуха и газа на зава- рочном станке. Пламя слабеет, меняет свою форму и цвет. Оно становится желтым, коптящим. Готовый спай остывает, пропадает его вишневый накал. Вот шумное пламя затихло, опало. Мечта воплощена, передо мной готовый прибор. Я подымаю карандаш и торопливо и осторожно, что- бы не спугнуть эти хрупкие виденья, зарисовываю при- чудливые контуры. Точный расчет, от которого я, казалось, ушел, увер- нулся, теперь уже неизбежен. Все ли прилажено, все ли согласовано в этой восхитительной инженерной мечте? Нет, от расчетов никак не уйти. Сколько их, этих без- жалостных и неумолимых судей. Расчеты электрические, механические, гидродинамические, тепловые... Выдержит ли напор тепловых потерь экран катода — эта вот несу- щественная вспомогательная деталь? Не будет ли пере- грет в работе спай металла со стеклом? Строгий расчет выносит приговор: удельная тепловая нагрузка выше ю
нормы. Экран надо расширить, катод надо пере- местить. Дрогнул и покатился маленький, совсем незаметный винтик. Скользят, исчезают в темноте одна за другой де- тали. Распадается их взаимная связь. Остается лишь груда битого стекла, мертвой, тяжелой, необработанной меди. Потом и она пропадает, и передо мной лишь хаос карандашных штрихов и желтая прозрачная тень от утиных лап чертежного прибора. Как жалко и больно расстаться с мыльным пузырем ошибочной мечты, отвергнуть, казалось бы, такую хитро- умную, но ведь ненадежную, недостаточно работоспособ- ную конструкцию. * * * Тысячи вариантов отбрасываются в черновых эскизах, может быть десятки доходят до технического проекта, и совсем немногие воплощаются в материале. А сколько из них, из этих воплощенных, выдержит самый суровый из всех экзаменов — проверку временем? Где «кольцо Грамма», с описания которого начина- лись все учебники электротехники в начале нашего сто- летия? Исчезло из машиностроения это кольцо и исчезло навсегда. Но ровесники граммовского кольца — барабан* ный якорь П. Н. Яблочкова и ротор с беличьей клеткой М. О. Доливо-Добровольского живут и долгие годы будут еще важнейшими конструкциями. Беличьи клетки будут строиться в миллионах экземпляров, их теорию изучают и будут изучать тысячи инженеров. Только историки электротехники вспоминают о дина- момашинах Эдисона. Безвозвратно исчезли эти знамени- тые в былое время «Джумбо-динамо». А вот трансформатор Усагина—две медные спирали, охваченные замкнутым пучком стальных проволок или пластин — существует три четверти века. Почему именно так, а не иначе сложилась электро- техника наших дней? Это вопрос не узко технический. Это вопрос экономи- ки и политики. История электротехники — лишь одна из глав вели- кой истории образования материального базиса человече- ского общества «...истории образования, как говорит Маркс, производительных органов общественного человека,...». Промышленная электротехника возникла
первоначально стихийно на несоответствующей ей мате- риальной основе. На известной ступени развития электро- техника сама производит переворот в этой основе, пере- рабатывает ее, обновляет материальный базис общества. В непрестанной борьбе противоречивых тенденций вырабатывалась современная электротехника. В ней нет раз навсегда застывших, незыблемых форм и положе- ний. Электротехника движется вперед, следуя диалекти- ческим законам развития. Пионеры промышленной электротехники столкнулись с явлением вихревых токов, как с вредной помехой, кото- рая заставила их расслаивать стальные сердечники ма- шин и трансформаторов. Прошло несколько десятилетий и вихревые токи получили огромное технологическое применение: они плавят металлы, нагревают сталь для закалки. Ныне вихревые токи превратились из врага в союзника. В прошлом веке материалы с проводимостью средней между медью и фарфором не находили в электротехнике полезного применения. Электрики избегали применять полупроводники. Ныне многие полупроводники относят- ся к важнейшим электротехническим материалам. Они нужны для преобразования тока, для усиления электри- ческих импульсов, для передачи изображений... Я стремился в своей книге показать именно это не- престанное движение вперед, показать динамику раз- вития электротехники, показать дух борьбы и неизмен- пых исканий, дух советской электротехники — самой передовой электротехники мира. * * ♦ Россия —- родина многих открытий и изобретений. Ве- лик ее вклад и в науку об электричестве, и в промыш- ленную электротехнику. М. В. Ломоносов создал первые теории электрических явлений. В. В. Петров в начале прошлого века открыл электрическую дугу, изучил прохождение тока в разре- женных газах. Б. С. Якоби создал первый промышленный электродвигатель, положил основу электрическому транс- порту, изобрел гальванопластику. П. Л. Шиллинг про- ложил первый в мире подводный кабель и сделал боль- шой вклад в развитие телеграфии. Пионерские работы П. Н. Яблочкова послужили на- 12
чалом практического распространения электрического освещения не только в России, но и во всех странах Европы. Благодаря его трудам «русский свет» засиял во Франции и в Англии. А. Н. Лодыгиным была создана лампа накаливания. Первый трансформатор был создан П. Н. Яблочковым и И. Ф. Усагиным. Д. А. Лачинов впервые выдвинул идею передачи электроэнергии на далекие расстояния и обос- новал ее теоретически. М. О. Доливо-Добровольский создал современную систему передачи и распределения энергии трехфазным током. Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов создали электро- сварку и тем положили основу новой технологии метал- лопромышленности. Величайшее изобретение сделано А. С. Поповым. Он положил основы и радиосвязи, и радиолокации. С именем А. Г. Столетова связаны классические ис- следования фотоэлектрических и магнитных явлений. П. Н. Лебедев дал окончательное подтверждение элек- тромагнитной теории света и исследовал область самых коротких радиоволн. Трудно хотя бы только перечислить основные работы русских электриков. На прочном научном фундаменте строилась электротехника Советской страны. На заре Советской власти В. И. Ленин и И. В. Сталин оценили огромное значение электротехники. По инициа- тиве В. И. Ленина был создан Государственный план электрификации России — знаменитый план ГОЭЛРО. Стремительно и плодотворно развивалась электротех- ника в Советском Союзе за годы сталинских пятилеток. Задача техники социалистического общества — поста- вить на службу людям возможно больше сил, взятых от стихий, от окружающей нас природы. Советские ученые и инженеры неустанно работают над тем, чтобы повысить могущество и богатство человека Советской страны: дать мощь руке рассечь горы, осушить болота, оросить пусты- ни, повернуть реки в новые русла, дать зоркость глазу, чтобы увидеть далекие миры... В Советской стране входят в жизнь те изобретения и конструкции, что лучше всего отвечают этой задаче. 13
Каждый отряд трудящихся штурмует свои крепости и все усилия сливаются в едином гармоничном порыве. Славные задачи поставлены перед армией советских электриков в сталинском плане великих работ. Мы долж- ны научиться добывать электрическую энергию в таких количествах, как никогда раньше, передавать ее на такие далекие расстояния, о которых прежде не смели и меч- тать. Мы нашли новые применения электроэнергии и в быту, и в промышленности. Электромагнитные волны плавят металлы. Электрическая искра режет твердые сплавы с точностью до тысячных долей миллиметра. Все это сделано в Советском Союзе впервые в мире. В своих проектах мы шагаем дальше. Сеть сверхвы- соковольтных электропередач соединит в единое энерге- тическое целое широкие просторы нашей великой Родины. Мы мечтаем о единой сети связи, которая позволит вести разговоры между любыми двумя пунктами СССР и на любом расстоянии видеть друг друга. Мы научимся свободно передавать электричество без проводов. Незримые реки энергии направим вдоль дорог; по дорогам побегут новые советские машины, получаю- щие для своих двигателей энергию без проводов. Техника становится все сложнее, все большие коллек- тивы людей, работающих согласованно, нужны для ре- шения новых задач. В высокочастотных установках для плавки и закалки металлов стоят лампы из Ленинграда, выпрямители из Новосибирска, конденсаторы из Москвы... Сотни людей в разных концах Советского Союза трудились над от- дельными узлами этой установки. Они незнакомы друг с другом, но они работали по единому сталинскому плану и четко слаженным трудом создали гармоничное целое. В капиталистических странах цепляются за старое. За рубежом слышны голоса, каркающие, что людей на земле стало слишком много. Там все думают, кого бы уничтожить, чтобы было просторнее. Нам же людей нужно все больше и больше, потому что мы все время йдем вперед. Те великие задачи, что стоят перед нами, можно будет выполнить только друж- ной работой многих людей. Нас должно быть много. Производительные силы социалистического общества должны умножаться непрестанно.
ПЕРВЫЕ СЛОВА М. В. Ломоносов (1711—1766 гг.) В 1741 г. Михаил Васильевич Ломоносов был зачис- лен в Петербургскую Академию наук. Он производил физические и химические опыты, изобретал и строил оптические и навигационные приборы, изучал рудные месторождения, основал производство цветных стекол и мозаик, писал стихи и прозу, создавал новую русскую литературу. Четверть века труды Ломоносова были гордостью и славой Академии. Ломоносов открыл великие законы природы*, закон сохранения движения (энергии) и закон сохранения ма- терии (вещества) и дал широкую и объединенную фор- мулировку их, с гениальным предвидением, что это не два разных закона, а один «всеобщий закон». Ломоносов делал обобщения, далеко уходящие вперед от общего уровня науки 18 в. Точный анализ ученого соединялся у него с поэтическим чутьем и вдохновением. Вот строки из стихотворения «Вечернее размышление при случае великого северного сияния (около 1743 г.)»: 15
С полночных стран встает заря! Не солнце-ль ставит там свой трон! Не льдисты-ль мещут огнь моря? Се хладный пламень нас покрыл! Се в нощь на землю день вступил! ...Что зыблет ясный ночью луч? Что тонкий пламень в твердь разит? Как молния без грозных туч Стремится от земли в зенит? Как может быть, чтоб мерзлый пир Среди зимы рождал пожар?... Ломоносов первый высказал мысль, что северные сия- ния вызваны электрическими явлениями в атмосфере. Ежегодно Ломоносов печатал латинские диссертации в академических изданиях. Но еще больше он представ- лял в Академию «Российских речей ученой материи». Ломоносов написал: «Слово о пользе химии». Эти «слово» начинается доказательством превосходства «уче- ния» перед дикостью «скитающихся американцев». Здесь говорится о важном значении математики для химии, об ожидаемых результатах дальнейшего движения науки. Затем последовали новые слова: «О происхождении света, новую теорию о цветах представляющее», «О рож- дении металлов от трясения земли», «О большой точно- сти морского пути», «Явление венеры, на солнце наблю- денное». В 1753 г. Ломоносов представил в Академию «Слово о явлениях воздушных, от Електрической силы происхо- дящих». Он отверг существовавшие до него учения об особых жидкостях: теплотворной, световой, электриче- ской. Он учил, что теплота и электрические явления вызваны движением мельчайших частиц материи. Он не только указал на единство грозовых и электрических яв- лений, но и дал теорию электризации грозовых туч пото- ками воздуха. Вместе с Рихманом Ломоносов строил «указатели электрические» — первые приборы для количественного измерения электрических явлений. Ломоносов неустанно занимался испытанием при- роды. Всей его научной деятельностью руководило стрем- ление: глубже проникнуть в природу строения материи и с помощью физики, химии и математики прийти к «рас- крытию внутренних чертогов тел». 16
Самые отвлеченные научные понятия Ломоносов умел связывать с обыденной жизнью, с русской жизнью и бы- том того времени. Ломоносов не только творил науку, он заложил основы русского научного языка. Ломоносов писал по этому поводу: «Принужден я был искать слов для наименования не- которых физических инструментов, действий и натураль- ных вещей, которые (т. е. слова) хотя сперва покажутся несколько странны, однако надеюсь, что они со временем через употребление знакомее будут». Надежды Ломоносова сбылись вполне. Введенные им впервые названия: атмосфера, барометр, воздушный на- сос, вязкость, кристаллизация, материя, манометр, опти- ка, э(е)лектрический навсегда вошли в русскую печь. Ломоносов ввел в русский язык еще много других новых слов, оборотов и выражений, дошедших до наших дней. Ломоносов обработал и русский литературный язык. Он создал прозаический язык для научных сочинений и поэтический язык, претерпевший значительные изменения только во времена Пушкина. «Российская Грамматика Михайла Ломоносова» вы- шла впервые в 1755 г. и выдержала 14 изданий. «Ломоносов создал первый русский университет; он, лучше сказать, сам был первым нашим университетом»,— писал о Ломоносове А. С. Пушкин. Основные научные идеи Ломоносова были восприняты и разрабатывались дальше передовыми учеными России. Работы Ломоносова дали мощный толчок развитию всех естественных наук. Неумирающую силу сохраняют для нас слова Ломо- носова: «мужеству и бодрости человеческого духа и проницательству смысла последний предел еще не по- ставлен». Первым крупным продолжателем электрических ис- следований Ломоносова был академик В. В. Петров. 2 Г. И. Б«бат.
ГЛАВА ПЕРВАЯ ЯЗЫК ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Слова — великое средство для выражения самых раз- нообразных мыслей. Но язык слов — не единственный способ общения людей друг с другом. С детства мы при- выкаем к языку цифр. Затем мы узнаем язык условных алгебраических выражений, пользуемся языком химиче- ских формул... Есть области человеческой деятельности, где словами пользоваться сложно, неудобно, нецелесообразно. Музы- канты, например, применяют поты, инженеры-механики выражают свои мысли чертежами. Электрики говорят схемами. Схемы — это язык элек- тротехники. /-/. Условные обозначения На языке схем каждый электрический аппарат обо- значается своим особым значком. Источник постоянного электрического тока, батарея к примеру, — это две чер- точки, одна покороче и потолще, другая длиннее и тонь- ше: —|f— . А электрический конденсатор — это две оди- наковые черточки: -Ц— . Катушка изображается вот так: нгтп- , а сопротивление так: -ллллл-- * Когда тре- буется показать, что величина сопротивления может меняться, то оно перечеркивается стрелкой: '5ДЯЛР-. Такой же стрелкой перечеркивают и катушку и конден- сатор, чтобы показать, что они переменные. В электротехнических схемах условные обозначения соединяются линиями, которые представляют проводники тока. Там, где проводники соединяются между собой, ставится точка: —. А где нет соединения, там линии просто пересекаются:Прежде в местах пересечений без соединений ставились скобки: —У . Одно и то же сочетание букв латинского алфавита по-разному может выговариваться и обозначать разные вещи в зависимости от того, к какому языку отнесено это сочетание букв. 18
И в языке электрических схем существуют различные наречия. Вот мы указали, что две черточки — это услов- ное обозначение конденсатора. Но так говорят связисты, слаботочники. А электрики-энергетики, сильноточники, R Фиг. /•/. Включение генератора постоян- ного тока на реостат через амперметр. Внизу дано истинное расположение отдельных приборов, вверху слева электрическая схема. иногда изображают конденса- тор иначе: —снР-. Значком же две черточки сильноточни- ки обозначают контакты — место, где электрическая цепь может быть замкнута либо разомкнута. Различных электротехниче- ских символов существует не- сколько сотен. Их больше, чем букв в русском или латинском алфавите, но меньше, чем иеро- глифов в китайском языке. Фиг. 1-2. Старое и новое условные обозначения газо- наполненного электроваку- умного прибора (газотрона) в электрической схеме. В прошлом веке условных электротехнических симво- лов еще не существовало. Пионеры-электротехники про- сто рисовали общие виды или разрезы самих приборов или аппаратов и соединяли их между собой линиями (фиг. 1-1). Подобным образом поступают иногда и в на- ше время в популярных изданиях, рассчитанных на не- электриков. Такие наглядные схемы требуют кропотли- вого труда для их вычерчивания. А электрики непрестан- 2* 19
но стараются упростить и ускорить работу по составле- нию схем. Прежде, например, наполненный газом прибор рисо- вали в виде кружка, покрытого косой штриховкой. А те- перь часто ставят внутри кружка жирную точку (фиг. 1-2). Новое обозначение рисуется быстрее и легче. Чтобы облегчить составление схем, отменили также скоб- ку в местах пересечений проводников без соединений. Электрики непрестанно придумывают все новые и но- вые комбинации электрических аппаратов, создают все новые и новые схемы, т. е. говорят новые слова на языке электротехники. 1-2. Выпрямление переменного тока Вот такой пример: в электрических сетях наших горо- дов, в сетях, от которых питаются осветительные лампы, циркулируют переменные токи. Сто раз в секунду меняет Вентиль Фиг. 1-3. Схема питания электромагнита черезодно- полупериодный выпрями- тель от сети переменного тока. этот ток свое направление. Если такой переменный ток пустить в простой электромаг- нит, то этот электромагнит будет притягивать стальной якорь, но плохо. Ток для пи- тания электромагнитов часто превращают из переменного в постоянный. Десятки лет электротехники применяли для этого такую схему (фиг. 1-3). Т р еу го льни чек, котор ы й упирается своим острием в черточку, это электрический вентиль — прибор, пропу- скающий электрический ток только в одном направлении. Следовательно, одна половина волны переменного тока через вентиль пройдет, а другая задержится. Когда элек- тромагнит присоединен через вентиль к сети переменного тока, то через этот электромагнит ток будет проходить также только в одну сторону. Но это будет не чисто постоянный ток, а ток, состоящий из отдельных толчков,— пульсирующий ток, как его называют’ (фиг. 1-4). Электрическая лампа накаливания или электроплитка полностью потребляют всю подводимую к ним в каждый 20
Фиг, 1-4. Кривые напряжения в сети—1 и тока через электромаг- нит и вентиль—2 и 3, записанные при помощи осциллографа (ОС' циллограф описан в разделе 3-18 и показан на фиг. 3-28 и 3-29); А и В—(кяьыъ линии для кривых /, 2 и 3, Часть времени ток вовсе не проходит через обмотку электромагнита. Пульсация тока- отношение его наибольшего значения к среднему—велика. Форму тока в обмотке электромагнита можно не только определить опытным путем, но также вычислить теоретически. момент энергию, в каком бы виде она к ним ни посту- пала, т. е. принесена постоянным или переменным током. Электромагнит же запасает часть подведенной к нему энергии. Этот запас пропорционален количеству магнит- ных линий, сцепленных с витками обмотки электромаг- нита. Запас электромагнитной энергии остается в покое, если не меняется ток в обмотке. При пульсирующем же токе, с нарастанием его вели- чины, электромагнит накапчивает энергию, а при спада- нии тока он вынужден возвращать этот запас. В прими- тивной схеме выпрямления с одним вентилем электро- магнит при спадании тока посылает часть своего запаса энергии обратно в сеть. Такое перебрасывание энергии из обмотки в сеть и обратно сопряжено с лишними потерями. Количество циркулирующей взад и вперед энергии может в несколь- ко десятков раз превышать собственное потребление об- мотки электромагнита. Кроме того, в подобной примитивной схеме магнитный поток на некоторую часть периода падает до нуля и в эти моменты времени притягивающая сила на якорь не действует. Только из-за инерции якорь, не успевает отпасть. 21
1-3. Схема с нулевым вентилем Около 20 лет тому назад я нарисовал такую схему (фиг. 1-5). Кажется, отличие не столь уже большое между этой схемой и предыдущей. Вместо одного вентиля, как было в старой схеме, добавлен еще второй, параллельно обмот- ке электромагнита. А в действии этих схем имеется боль- шая разница. Ток из сети через Фазобый бентиль Фиг. 1-5. Схема питания электромаг- нита от сети переменного тока через выпрямитель с нулевым вентилем. Направление тока в обмотке электромагнита показано стрелкой. Через вентили ток идет также по стрелке. первый вентиль идет в обмотку электромагни- та, а когда наступает отрицательная полувол- на напряжения в сети, то этот ток не преры- вается, а замыкается через второй вентиль, приключенный парал- лельно обмотке. В этой новой схеме ток через электромагнит не име- ет разрывов. Сила то- ка в этой схеме увели- чена, а пульсации тока ослаблены (фиг. 1-6). При новой схеме элек- тромагнит крепче притягивает якорь, якорь не дрожит, не вибрирует. На эту схему мне выдали авторское свидетельство. Добавочный вентиль, подключенный параллельно к ка- тушке, получил специальное название: «нулевой вентиль». А вентиль, через который ток поступает из сети, стал называться «фазовый». Схема с нулевым вентилем получила разнообразные практические применения. Фазовый вентиль в такой схе- ме можно сделать управляемым. Тогда выпрямленный ток будет плавно регулироваться от нуля до максималь- ного значения. Можно сочетать с одним нулевым венти- лем несколько фазовых. Это уменьшит пульсации тока. Перед войной на заводе «Динамо» был построен опытный электровоз для магистральной тяги с установ- ленными на нем выпрямителями, и на этом электро- возе схему с нулевым вентилем применили, чтобы сгла- дить пульсации тока в электродвигателях. Во время Великой Отечественной войны развилась радиолокация, И в некоторых локационных установках 22
2 Фиг. 1‘6. Осциллограмма, снятая в схеме фиг. 1-5. /— напряжение в сети; 2—jo к через обмотку электромагнита; 5—-ток через фазо- вый вентиль; 4—ток через нулевой вентиль. Половину периода ток идет в обмотку электромагнита через фазовый вентиль из сети переменного тока, в другую половину периода ток электромагнита замы- кается через нулевой вентиль. Ток в обмотке электромагнита не прерывается. Сре/;нее значение тока в схеме с нулевым вентилем значительно больше, а пульсация тока значительно меньше, нежели в простой однополупериодьой схеме. Все кривые токов на фиг. 1-4 и 1-6 построены в одном масштабе. Включение нулевого вентиля увеличило средний ток через электромагнит в 20 раз. схема с нулевым вентилем также оказалась полезной. Передатчик локационной установки работает отдельными импульсами, вспышками. Этот передатчик питают толч- ками напряжения от специальной цепочечной схемы. Ча- сто в эту схему питания вклю- чается нулевой вентиль. Там он поглощает отрицательную волну напряжения, которая могла бы возникнуть при рассогласовании цепочки и ее нагрузки. Но стоит лишь немного изме- Фиг. 1-7. Такая схема не пригодна для пиония обмоток электромагнита выпрямленным током. нить схему с нулевым вентилем— скажем, повернуть этот нулевой вентиль иначе, поместить его, как указано на фиг. 1-7, и получается бессмыслица — это уже неразум- ная схема, для такой схемы не известны пока полезные применения. Каждая идея, каждая мысль должна быть выражена присущим ей языком. Нельзя мелодию рассказать слова- ми, невозможно полно изложить словами идею живопис- ца — она должна быть воплощена в картине, 23
И если бы я—электрик — попытался описать только словами без схемы мой нулевой вентиль, то эксперты из бюро изобретательства не стали бы и разбираться в этом сочинении. Они не выдали бы мне авторского сви- детельства. Ни один электрик не принял бы всерьез сло- весные рассуждения без схемы. И он был бы прав. Кто желает работать в области электротехники, дол- жен прежде всего изучить язык электротехники — на- учиться читать и составлять электрические схемы. 1-4. Свет в коридоре Попробуйте сами составить такую схему: длинный коридор, в который выходят двери нескольких комнат, освещается одной электрической лампочкой. У всех две- рей имеются соединенные с лампочкой выключатели. Вы- ходя из своей комнаты, каждый жилец может зажечь лампу, повернув свой выключатель, и, пройдя коридор, погасить затем лампу, повернув другой,выключатель. Выключатели и лампа должны быть так соединены, чтобы каждым выключателем можно было зажечь лампу, если она до того была погашена, и каждым же выклю- чателем можно было погасить лампу, если она горит. Сеть Лампа ВыЬлючатели. Фиг. Ь8. Последовательное соединение выключателей. В электротехнике известны разные способы соедине- ния лампы и выключателей. Можно, например, лампу и все выключатели соединить гуськом один за другим. Та- кое соединение называется последовательным (фиг. 1-8). Лампа будет гореть, когда все выключатели замкну- ты. Достаточно разомкнуть один из выключателей — лю- бой — и лампа погаснет. Другое соединение выключателей — параллель- ное (фиг. 1 -$). 24
Фиг. 1-9. Параллельное соединение выключателей. . При параллельном соединении выключателей лампа будет погашена лишь в том случае, когда все выключа- тели разомкнуты. Достаточно замкнуть один из выклю- чателей и лампа загорится. Ни параллельная, ни последовательная схемы соеди нения выключателей не годятся для решения нашей за- дачи о лампочке в коридоре. При последовательной схе- ме можно погасить лампу любым выключателем. Но чтобы зажечь лампу, надо все без исключения выключа- тели поставить в положение «замкнуто». При параллель- ном соединении, наоборот, можно любым выключателем зажечь лампу, но погасить ее другим выключателем не- возможно. Нужна иная схема, в которой любой из выключате- лей, независимо от положения всех остальных, и гасил и зажигал бы лампу. Намек к решению дадим тут же: проще всего соста- вить требуемую схему для случая управления лампой из двух пунктов. Для трех пунктов управления надо не- сколько видоизменить это решение. При дальнейшем уве- личении числа пунктов управления — вплоть до любого их количества, принцип решения, пригодный для трех пунктов, все остается в силе. 1-5. Где еще применяются схемы? Множество процессов, происходящих в природе, мож- но моделировать при помощи электрических схем. Про- сачивание воды под основание плотины, изгиб самолет- ного крыла при крутом повороте, распространение тепла в закалочной печи, качка корабля на океанской волне — все эти явления часто изучают, составляя схемы из со- противлений й проводников. Метод электрических анало- 25
гии — острое оружие для многих сложных исследовании. На моделях удается с меньшей затратой труда, нежели при исследованиях в натуре, выяснить многие закономер- ности. Существуют специальные машины — электроинтегра- торы. В одном агрегате работают тысячи электронных ламп, реле, сопротивлений. Такой электроинтегратор про- изводит за несколько минут вычисления, на которые че- ловек, вооруженный простым арифмометром, должен был бы потратить целые месяцы. Физиологи изучают нервные проводящие пути, работу больших полушарий головного мозга. Схемы прохожде- ния нервных токов во много раз сложнее самых запутан- ных сплетений медных проволочек, применяемых в элек- тротехнике. Часто физиологи составляют схемы, подобные элек- трическим. На фиг. 1-10, взятой из книги а^демика Бехтерева, показана одна из схем прохождения нервных токов. Изучение различных систем электрических блокиро- вок, взаимных связей, изучение схем автоматических те- лефонных станций могли бы помочь физиологам в их работе. Различные построения формальной логики могут быть выражены электрическими схемами. Силогизмы, посылки можно изобразить системой контактов, различным спосо- бом соединенных. Так же, как и формальная логика, схемы ни в коей мере не могут заменить правильное диалектическое мышление, но они являются полезным техническим под- спорьем. Читать и составлять электрические схемы должны бы уметь не только инженеры, но и каждый кончающий среднюю школу. Начатки «схемной премудрости» следо- вало бы внести в учебники физики. Для этого, пожалуй, следовало бы несколько потеснить бузиновые шарики и электрофорные машины, которые нынче интересны уже не для электриков, а только для историков электротех- ники, 26
фиг. 1-10. Схема демонстрирует, как человек говорит. Звуковые волны, воспринимаемые ухом при разговоре с другим лицом, достигают Кортиева органа во внутреннем ухе, откуда воз- буждение передается в центростремительном направлении по VIII нерву и в дальнейшем по слуховому пути до подкоркового вну- треннего коленчатого ядра Сдг, после чего то же возбуждение по центростремительным подкорковым проводникам достигает центра Wernlkea в средней части коры первой левой височной извилины, от последнего же возбуждение передается с одной стороны к об- ласти сосредоточания в предлобной части мозговой коры, с дру- гой—к двигательному речевому центру Broca В, от которого по нисходящим проводникам возбуждение передается к ядрам XII и IX нервов, управляющих движением языка и гортани. Вместе с тем активное сосредоточение на предмете разговора обуславли- вается распространением возбуждения от области a Wernike к центру сосредоточения С в предлобной области, а от последнего с одной стороны к области Broca В, с другой стороны по нисхо- дящим проводникам до ядер И/, IV и III глазных нервов, уста- навливающих взоп в соответствующем направлении. (Из книги академика В. М. Бехтерева „Общие основы рефлексо- логии человека*). 27
1-6. Абстракция Мы говорим и пишем по-русски, не задумываясь над тем, какой огромный путь развития прошел наш родной язык, прежде чем приобрести свою современную гиб- кость и красоту. Этнографы изучили языки первобытных племен, сто- явших на очень низкой ступени развития. Нынче эти языки исчезли, но записи о них сохранились. «Индеец племени понка для того, чтобы сказать: «че- ловек убил кролика», должен был выразиться так: «человек, он, один, живой, стоя (в именительном падеже), нарочно убил, пустив стрелу, кролика, его, живого, сидя щего (в винительном падеже)». Этот язык отличается тем, что все в нем должно быть выражено конкретными деталями, которые в наших со- временных языках остаются невыраженными или подра- зумеваемыми. Форма глагола в языке индейцев выража- ла, совершено ли действие убийства случайно или пред- намеренно, совершено ли оно при помощи снаряда и если при помощи снаряда, то какого именно, посредством лука и стрелы или ружья. В этом языке вместо неопределенного выражения «мы» имеется несколько выражений, обозначающих «я и ты», «я и вы», « я и вы двое», « я и он», «я и они». Сила нашего современного языка — в его способности к абстракции — отвлечению. Для дуба, березы, ольхи, сосны есть у нас обобщающее слово — дерево. Еще более общим словом будет «предмет». В отличие от мышления первобытных людей наше мышление способно к большим обобщениям и отвлечениям. Благодаря возможности от- бросить несущественные признаки наш язык весьма эко- номен. Малым количеством слов можно выразить много понятий. Язык схем, язык современной электротехники разви- вался стремительно. При своем возникновении 100 лет тому назад он был так же примитивен, как язык перво- бытных племен. Тогда не было в электротехнике даже условных обозначений. Нынче электрики широко приме- няют мощное оружие абстракции. Существует множество типов электрических схем, которые не отражают собой ни конструкции, ни разме- ров электрической установки. Эти схемы показывают только токопрохождение. только структуру токопроводя- 28
щих цепей. И огромный высоковольтный выключатель, весящий десятки тонн, и крохотный контакт реле, кото- рый весит доли грамма, могут быть изображены на условной схеме одним и тем же значком — двумя парал- лельными черточками. Схема силовых цепей центральной электростанции на бумаге может выглядеть более простой и занимать меньше места, нежели схема какого-нибудь автоматического радиопередатчика, который и весь-то умещается на ладони. Такие электрические схемы — это очень высокая сте- пень отвлечения, абстракции. Командующий армией, рассматривая географическую карту, на которой нанесены красные и синие стрелы, кружки, овалы, видит не беспорядочные карандашные штрихи, а полки, занимающие оборону, дивизии, идущие в атаку, танки, авиацию... Так, электрик за спиралями, черточками и точками схемы уясняет себе взаимодействие магнитов, конденсаторов, двигателей, реостатов. 1-7. Начертания электрических схем Земля — шар, а географические карты рисуются, на плоскости. Существует множество приемов перенесения поверхности шара на плоскость. Карты рисуются в кони- ческих, цилиндрических и еще многих других проекциях. Любая проекция — это искажение подлинного масштаба. Но в одних больше искажаются площади, а в других расстояния. Для разных целей нужны разные карты. И подробности на картах бывают разные: на одних пока- заны политические границы, административное деление районов. На других картах нанесена сеть изогипсов, высоты и глубины. Можно по-разному представлять при помощи линий на бумаге токопрохождение в системе электрических при- боров и аппаратов. Всех вариантов начертания электри- ческих схем здесь не перечислить. Они различаются меж- ду собой куда больше, нежели географические карты в разных проекциях. Электрические схемы вырабатывались применительно к требованиям практики. Но одни задачи у диспетчера крупной энергосистемы, другие — у монтера, собирающе- го релейный щит на командном пульте одной из подстан- ций той же энергосистемы. 29
Фиг. 1-11. Однолинейная схема электрической стан- ции с двумя генераторами, с двойной системой сборных шин, с тремя отходящими линиями и паеаллельным масляным выключателем, который служит для соединения шин между собой при различных переключениях. Диспетчер энергосистемы, подобно начальнику штаба армии, должен охватывать крупные основные события и соотношения. Он должен отвлечься от второстепенных деталей и мелочей. Он имеет дело с направлением основ- ных энергопотоков. Его интересует именно не токопро- хождение, а энергопрохождение. Для этого рисуются однолинейные схемы (фиг. 1-11). Трансформатор на та- кой схеме — это два перекрещивающихся кружочка, а многокилометровая трехпроводная линия электропереда- чи — одна черточка. Все вспомогательные и защитные аппараты, стоящие у генераторов, трансформаторов, вы- ключателей, жгуты контрольных и сигнальных кабелей с десятками жил — на этих схемах опускаются. Схема энергосистемы не есть нечто неизменное, за- стывшее. В этой схеме все время происходят различные переключения. Питание переводится то на одну, то на
Станция А Станция В Фиг, 1-11а. Темная^отображающая схема на пункте дальнеуправления энергосистемой. Провода показаны начерченными на щите линиями или наложенными полосами. В местах соединения проводов находятся светящиеся знаки—указатели „включено" и „отключено-4. Для экономии места размещение линий на схеме не соответствует географическому расположению установок. Фиг. 1-116. Светящаяся отображающая схема. Линии схемы сделаны светящимися при помощи ламп, находящихся за щи- том. Светятся только про- вода под напряжением. Разъединиетль 1\ включен, а Тл— выключен. другую систему сборных шин (для осмотра, для ремон- та). Меняется состояние выключателей и разъедините- лей: они то замыкаются, то размыкаются. Одни машины пускаются в ход, другие останавливаются. На командном пункте находятся сигнальные устрой- ства, оповещающие дежурного инженера, какие цепи включены, а какие разомкнуты. Для большей наглядности отдельные сигнальные устройства иногда объединяются в отображающую схему. Существуют светящиеся схемы. На них светятся те линии, которые находятся под напряжением, а отсоеди- няемые участки схемы гаснут. Иногда освещение делает- ся разных цветов, иногда в линии схемы встраиваются измерительные приборы, которые показывают нагрузку. Бывает, что делают изображение схемы, соответствен- но географическому расположению установок с показа- нием всех соединений между отдельными станциями. Иногда же для экономии места схему деформируют. От- дельные линии изображаются не полностью, а на схеме даются лишь их концы, соответственно пронумерованные. 31
1-8. Скелеты При однолинейном начертании схем энергосистем пренебрегают многим. Но самой упрощенной, наиболее общей и абстрактной из всех видов схем является ске- летная схема. Эти схемы применяются во всех областях электротехники — ив энергетике, и в радиотехнике, и в проводной связи — для самого первого знакомства с предметом. Скелетная схема — это часто только мнемо- ническое пособие для более прочного запоминания обще- го принципа работы изучаемой установки. Отдельные узлы установки обозначаются кружочками или квадрати- ками и между ними прокладываются линии, показываю- щие пути прохождения рабочей энергии и командных сигналов между этими отдельными узлами (фиг. 1-12). Иногда для обозначения отдельных частей крупной уста- новки применяется термин «блоки» и скелетную схему называют «блок-схемой» (фиг. 1-13 и 1-14). Соединительная черточка на скелетной схеме может обозначать и простую двухпроводную линию, и пучок из многих сотен проводников, и радиоволну между антенна- ми, и световой луч, а в некоторых случаях даже механи- ческую связь — трос или тягу. 'телефонные аппараты 'коммутаторы Р}_2 -радиостанции Фиг. 1-12. Скелетная схема связи на большом самолете. По этой схеме командир А> при помощи своего коммутатора может получить связь с любым абонентом или со своей рацией Рж; А,—радист, имеет коммута- тор /ft—для связи с коммутатором командира или со своей рацией Р,. Летчик А8 и бортмеханики А< имеют коммутаторы КЛ и для связи с командирским ком* мутатором и между собой (А5. А«, А7—прочие лица экипажа). 32
Фиг, 1-13. Скелетная схема связи в укрепленном районе. Стрелки на соединительных линиях иногда показы* вают соподчинение блоков, иногда указывают на то, дву- сторонняя или односторонняя связь между узлами. Бы- вает, что стрелка — просто указание на уходящую за пределы схемы цепь сигнализации или энергопитания. На кружочках и квадратиках, составляющих скелет- ную схему, делают надписи, разъясняющие, что именно эта часть собой представляет. Существуют и условные значки для некоторых наиболее употребительных частей схем. Усилитель обозначают так: [ > ] . Для фильтра ри- суют кривую его прозрачности (подробнее о фильтрах будет сказано в гл. 6). Полосовой фильтр изображается таким значком: 1 , а фильтр низких частот таким: 1-9. Разные принципиальные схемы Самый обширный класс электротехнических схем — это принципиальные схемы. Они могут быть то более, то менее подробными. На некоторых принципиальных схе- мах указываются решительно все соединительные про- воднички, все приборы и контакты. Это полные принци- пиальные схемы. Иногда на принципиальных схемах указывается только часть цепей. Для сложной установки 3 Г. И. Бабат. 33
Линий связи \нп~‘ I Передающее • селекторное устройство Линия связи ~вГ ИП о передающее селекторное устройство $ I § Контролируемые объекты Объекты [ Командные сигналы Рабочие цели объектов Местный у Приемное селекторное \дстроиство Линия связи 6) Фиг. 1-14. Скелетные схемы телемеханических устройств, а—односторонняя телесигнализация; б—телекомандованйе с обратной телесигнал лизацией; в—телеуправление с обратной телесигнализацией. Слева изображены распорядительные пункты—Р/7, справа—исполнительные пунк- ты— ИП. ИП Передающее селекторное устройство Контрольные контакты объектов 'Приемное селекторное ^устройство Рабочие цепи объектов СТО) (сто 3 £ рисуется часто ряд принципиальных схем. Одна, скажем, принципиальная схема силовых цепей, другая — прин- ципиальная схема измерительных и контрольных цепей, схема цепей связи и т. д. Электротехника — очень разветвленная наука, и для разных ее областей выработались разные приемы изобра- жения принципиальных схем. Радиотехнические схемы, в которых участвуют десят- ки многосеточных электронных ламп, множество индук- 34
тивносгей, емкостей, сопротивлений, имеют достаточно сложное токопрохождение. Но зато это токопрохождение не меняется в процессе работы схемы. Поэтому в изобра- жении принципиальных радиотехнических схем нет боль- шого разнообразия — все радиотехнические схемы рису- ются по одному примерно шаблону. По одной или по нескольким линиям выстраиваются лампы, изображаемые в виде кружочков или овалов, и вокруг ламп протягива- ются соединительные провода. Более редко лампы вы- страиваются не по прямой линии, а, например, по кольцу или по вершинам многоугольника (фиг. 1-15). Иной характер имеют схемы телефонных станций или устройств для автоматического управления различными Фиг, 1-15, Кольцевая схема с электронными лампами. Подобные схемы служат для счета импульсов, быстро следующих один за другим с интервалом в микросекунды. Показан пятиступенный кольцевой счетчик. Последова- тельные импульсы напряжения, подаваемые на шины им- пульсов, проводят счетчик через пять ступеней. Каждый импульс переводит ток с одной лампы на последующую. На шестом импульсе цикл возобновляется. В схеме применены двойные триоды для упрощения начертания половины ламп разнесены одна от другой. 3* 35
агрегатами. Здесь характерно то, что действие установки связано с видоизменением ее схемы. В схеме происходят переключения, токопрохождение в ней меняется. Разли- чают иногда спокойное положение схемы и ее рабочее положение. Эта изменчивость, «динамичность» схем телефонии и автоматики резко отличает их не только от многих дру- гих абстракций — например от географической карты или строительного плана, но и от других электрических схем — схем энергетики или радиотехники. Для схем автоматики удобно иметь такое начертание, чтобы изучающий эту схему возможно меньше загружал- ся утомительной работой по переводу одного состояния схемы в другое. Существует два сильно отличающихся один от дру- гого метода изображения схем электроавтоматики. 7-10. Свернутые и развернутые схемы В годы младенчества электроавтоматики, в прошлом веке впервые возникли сверну т.ы е схемы. На свер- нутых схемах стремились изобразить не только электри- ческие соединения между отдельными приборами, но и систему механических связей внутри каждого прибора. Когда в свернутой схеме рисуют реле, то обязательно все его контакты помещаются вблизи обмотки, а между кон- тактами и обмоткой протягивают еще линию — она условно указывает на механическую связь между обмот- кой и контактами. Свернутые схемы — это еще не «чистая» электротех- ника. Такие схемы имеют еще много общего с машино- строительным чертежом. Токовые цепи в свернутых схемах имеют обычно много изгибов и поворотов, про- следить за переключением цепей в свернутой схеме до- вольно затруднительно. Легче всего мысленно переводить схему из одного состояния в другое, когда отдельные токовые цепи вы- черчены возможно проще — лучше всего в виде прямых линий. Такая схема с наиболее простым ходом отдельных электрических цепей называется «развернутой». От- дельные контакты и обмотки реле располагаются в раз- вернутых схемах без всякого учета их механической связи друг с другом. Два контакта, тесно сидящие на 35
Фиг. 1-16, Дуальная схема в развернутом а) и свернутом б) на- чертаниях. Схема предназначена для направления тока из проводника О в любой из восьми проводников 8. Электромагниты /, 2 и 3 переключают контакты. В загиси- мости от положения якорей ток из провода О может попасть в тот или иной проводник. Первый электромагнит переключает один контакт. Остальные два переключают по три контакта каждый. Когда по электромагниту проходит ток, якорь притягивается в верхнее положение и замыкает верхние контакты. При выключении тока якорь опускается и замыкает нижние контакты. Когда все контакты гсех реле опущены, как и показано на рисунке, ток из О идет в 8. Число возможных цепей т равно: т*=2п, где п число каскадов пира- миды, т. е. число реле. Дуальные схемы применяются иногда для телеуправления. якоре одного реле, в развернутой схеме могут оказаться в противоположных углах огромного листа. Развернутые схемы стали широко применяться в по- следние десятилетия ввиду все большего развития авто- матики и управления на расстоянии—телемеханики. Развернутая схема — это более высокая степень абстрак- ции, чем схема свернутая. Требуется известная трениров- ка, чтобы научиться быстро читать и составлять развер- нутые схемы (фиг. 1-16). Бывают еще начертания схем, промежуточные между свернутыми и развернутыми. Их можно было бы назвать «п о л у р а з в е р н у т ы м и» схемами. Они имеют недо- статки и тех, и других схем, но в малой степени их достоинства. Много еще есть тонкостей в схемной технике. Особая проблема — это индексация различных элементов схемы: кнопок, обмоток реле, контактов. Тот или иной подбор букв или цифр для условного обозначения элементов схемы может существенно облегчить или, наоборот, за- труднить работу с ней. 37
I-1I. Самые подробные Радиолюбитель часто собирает свой самодельный радиоприемник или передатчик прямо по принципиаль- ной схеме. Уже в самом процессе монтажа он решает, как пустить тот или иной проводничок. Но в промышлен- ности такое свободное творчество недопустимо. Высокой производительности труда при таком методе монтажа не получить. При массовом производстве все соединитель- ные проводнички часто заготавливаются заранее, заранее Телефон Батарея Фиг. 1-17. Принципиальная схема полевого телефонного аппарата УНА-И-28 (унифицированный аппарат индукторный образца 1928 г.). РК— рабочий контакт на микротелефонной трубке, который надо прижимать при разговоре; Шк—шунтовой контакт в виде кнопки, нажимаемой при вьзове; Гз—' грозовой разрядник для зашиты аппарата от атмосферного электричества; Л, и Л*— зажимы, к которым присоединяются провода линии связи; За-вызывной звонок: Тр -трансформатор, передающий колебания тока от микрофона в линию. же делаются на них все петельки, загибы, ушки. Для руководства постройкой и ремонтом аппаратов рисуются монтажные схемы. Это самые детальные из всех возможных электрических схем (фиг. 1-17 и 1-18). На монтажных электрических схемах все детали по- казаны в тех местах, где они находятся в действитель- ности. Все проводники протянуты так, как должно быть в натуре. В монтажных схемах изменен только масштаб. Но часто и масштаб равен натуре. 1-12. Печатный монтаж Напечатать на бумаге типографским способом любую монтажную схему обходится куда дешевле, нежели вы- полнить эту схему в натуре, изгибая медные проводни- ки, подгоняя их к месту и спаивая между собой. В связи с развертыванием массового выпуска различ- ных радиоаппаратов, возникла мысль применить мае- 38
внутренний вид крышки выемной, рамы CQ [Фиг. 1-18. Монтажная схема телефонного аппарата УНА-И-28. Отдельные элементы схемы помечены теми же обозначениями, что и на принципиальной схеме фиг. 1-17.
Фиг, 1-19, Схема двухкаскадного усилителя звуковых частот на пентодах. На фиг. 1-20 показано изготовление этой схемы мето- дом печатания на керамиковой пластинке. Конденса- торы и сопротивления находятся на керамиковой пластинке и соединены между собой при помощи серебряных проводящих путей. совую и дешевую технику книгопечатания для производ- ства не только руководств к монтажу, но и самого мон- тажа. В понятие «печатные схемы», «печатный монтаж» входят самые разнообразные способы производства Ч Не- которые почти точно воспроизводят обычную типограф- скую технику, другие имеют с ней меньше общего. Но все это высокопроизводительные массовые дешевые способы. Требуемые проводящие пути создаются из металличе- ских полосок на изоляционной поверхности (фиг. 1-19). Это может быть пластинка из пластмассы, керамики, стекла. В качестве проводникового материала чаще все- го применяют серебро, медь, цинк, алюминий. Суще- ствуют следующие способы нанесения проводящих путей на изоляцию. Мелкий металлический порошок смешивают с жидким связующим веществом и с растворителем. Получившуюся металлическую краску наносят на поверхность изолятора через трафарет или другим способом. После этого пла- 1 Слово «печатание® здесь понимается, как воспроизведение рисунка на поверхности путем какого-либо процесса, 43
стину нагревают до высокой температуры, а затем в схе- му впаиваются сверхминиатюрные электронные лампы. Это способ окрашивания. Можно расплавленный металл или краску разбрызги- вать на изоляционную поверхность при помощи пульве- ризатора (пистолета). Часто изоляцию предварительно обдувают песком, чтобы она стала шероховатой и лучше сцеплялась с металлом. Применяют часто химическое осаждение. Раствор азотнокислого серебра восстанавливают на не- проводящей поверхности. Этот способ имеет нечто общее с изготовлением зеркал, где на стеклянной пластинке также восстанавливается слой металлического серебра. Только при изготовлении схем слой не сплошной, а в ви- де полосок, которые могут служить и проводниками, и сопротивлениями. Фиг. 1-20. Четыре стадии печатания схемы фиг. 1-19 через трафарет. Вверху, слева—чистая стеатитовая плата, справа—проводники из серебряного покрытия, нанесенные через трафарет; внизу слева-шесть сопротивлений, нанесенных угольным покрытием с помощью второго трафарета; слева—миниатюрные лампы-пен- тоды, выводы которых припаяны к схеме. Высокого качества схемы получаются путем распы- ления в вакууме. Металл заставляют испаряться в пространстве с высоким разрежением. Осаждаясь на изоляцию, он прочно сцепляется с ней. 41
Хороша и штамповка. Из металлической фольги штампуют проводники схемы и впрессовывают их в изо- ляционную панель с одной или с обеих сторон. Иногда поверхность металлического штемпеля подогревают, что- бы размягчить пластическую массу основания и крепче сцепить с ней полоски фольги. Делаются опыты и с фоторепродукцией, и с гальва- нопластикой. Всеми этими способами изготовляют монтажные про- водники, сопротивления (для этого часто вместо метал- лических полосок применяют графитовые составы), кон- денсаторы, катушки индуктивности, экраны, антенны (фиг. 1-20). Так можно получить аппаратуру минимального раз- мера и веса. Мал и расход материалов в производстве. 30 г серебра достаточно, чтобы напечатать 125 схем двух- каскадного усилителя на электронных лампах. Часто схема печатается на баллонах самих ламп. В «силовой электротехнике» — в энергетике — печат- ные схемы пока мало известны. Их область — сигнализа- ция, управление, связь. Печатные схемы применяются в маленьких радиопередатчиках, в коммутаторах, усилите- лях. В частности, таким образом изготавливаются миниа- тюрные приборы для тугоухих. Иногда печатанием изготавливается только часть схе- мы всего аппарата — подсборка, а затем из отдель- ных подсборок монтируется весь аппарат (фиг. 1-21). В технике будущего все эти методы производства должны получить дальнейшее развитие и усовершенство- вание. Приборы из изоляторов, пронизанных проводниками и полупроводниками, многим напоминают структуру нерв- ной системы, структуру мозга. Они быстро эволюциони- руют, становясь все более совершенными, способными решать все более сложные задачи. Но, что самое важное, новые методы производства дают возможность массового и дешевого изготовления самых тонких и сложных аппаратов. Десятки, сотни за- путанных соединений создаются в изоляционной массе без кропотливого труда. Методы промышленности при- обретают некоторые черты сходства с методами сельского хозяйства, где умелое использование сил природы обес- печивает большой урожай на затраченный труд. В буду- щем будут найдены еще более совершенные, еще более 42
о о Фиг. 1-21. Детали аппаратуры, изготовлен- ные по методу разбрызгивания с примене- нием обработки песком. Вверху—коммутатор радиозонда, внизу, слева—кату- шка индуктивности ультравысокой частоты, внизу, справа—сопротивление с отводом в центре. эффективные способы «выращивания» тонких электриче- ских аппаратов. Больше электрических слуг станет в про- мышленности и в быту. 1-13. Снова о лампе в коридоре После общих рассуждений о схемах надо все же вер- нуться к маленькой задаче о лампе, управляемой из многих пунктов. Ее решение было предоставлено самому читателю. В условии было сказано, что когда одним выключа- телем лампа зажжена, то другим она может быть пога- шена. Значит, одно и то же положение любого выклю- чателя, в зависимости от положения остальных выклю- чателей, может соответствовать либо свету, либо темноте. Следовательно, для управления лампой должен быть при- менен прибор, который не просто замыкает или размы- кает цепь, а направляет ток то по одному, то по другому пути. Для гашения и зажигания лампы необходимо поль- зоваться переключателями. 43
Сеть Однополюсный переключатель Однополюсный переключатель Фиг. 1-22. Управление лампой из двух пунктов. Сеть Однополюсный переключатель Двухполюсные переключатели Однополюсный переключатель Фиг. 1-23. Управление лампой - из произвольного числа пунктов. Когда управление происходит только из двух пунктов, ю применяются два однополюсных переключателя, как показано на фиг. 1-22. При большем числе пунктов в схему вводятся двухполюсные переключатели (фиг. 1-23). Число их неограничено. Схема фиг. 1-22 очень примитивна (тому, кто сразу не решил § 4, наверно обидно, до чего это решение про- сто). Но эта схема является зачатком того, что теперь называют следящими системами. Один пункт переключения будем считать задающим, второй — приемным. Лампу примем за указатель. Можно пристроить электромагнит, который всегда будет пере- водить приемный переключатель на положение «погаше- но». При этом переключатель на приемном пункте'будет автоматически следить за переключателем на передаю- щем пункте. Это будет двухпозиционная система дальней передачи — дальнеуправления. Эту схему можно развить в более сложные, более тонкие. 1-14. Электрические замки Изображения замков и даже остатки разного рода запоров находят между древностями самых различных 44
Фиг. 1-24. Развернутая схема электрического замка. Сверху и снизу схемы—про- водники питающей сети. Xlt Ха, Х3, Y и Z— обмотки элек- тромагнитов. Каждый из них пршягивает свой якорь, когда включенные последовательно с ним контакты образуют замкнутую цепь. Все контак- ты обозначены соответствую- щими буквами. Например, Tj—это контакты, связанные с якорем электромагнита Хх. Буквы с чертой наверху обо- значают нормально замкнутые контакты, а буквы без черты — нормально разомкнутые кон- такты. Когда электромагнит Хг обесточен, то три контакта xt разомкнуты, а один контакт .Vj —замкнут. Буквамй я, Ь и с обозначены контакты кнопок А, В и С. Как видно из рисунка, все эти контакты являются мно- гократными, т. е. при нажатии одной кнопки замыкается сразу несколько контактов. По шифру за лка полагается нажать первой кнопку С. При этом замыкается цепь электромагнита Xv Все контакты г, замыкаются, а конга^ разрывается. При отпускании кнопки G электромагнит Хх остается включен- ным, так как параллельно контактам С имеется контакт и разрыв контактов г после замыкания .г, не вьзывает разрыва тока в цепи электромагнита Xi. После нажатия кнопки С контакт с оказался „заблокированным". Крайний левый контакт хх является .блокировочным контактом" или, как говорят еще, „блок-контактом" для С. После кнопки С полагается (по шифру) нажать А. Тогда включится электромаг- нит Ха, контакты ха замкнутся, а ха разомкнется. Далее при нажатии В вклю- чится Хв, а тогда последнее нажатие А включит электромагнит Y и замок отопрется. Но если спутать порядок нажатия, например, первой нажать кнопку А или В, то включится через контакт электромагнит сигнала тревоги Z. Любое нару- шение порядка нажатия вызывает сигнал тревоги. Для нового запирания замка необходимо нажать кнопку G. Нормально замкнутый контакт разрыгается, прекращается питание всех электромагнитов, схема приходит в начальное положение. эпох — скифскими, ассирийскими, египетскими, гречески- ми, римскими. Замок считается тем совершеннее, чем труднее подо- брать или подделать к нему ключ. Есть весьма надежные замки и вовсе без ключей. Эти замки состоят из набора дисков или колец, по окружности которых нанесены циф- ры или буквы. Замок открывается только тогда, когда все кольца его установлены в одно определенное положение. При двух кольцах подобрать секрет не составляет труда. Если на каждом кольце 10 цифр, то, перебрав 100 комби- наций, можно подобрать ту, при которой замок отпи- 45
рается. При трех кольцах уже требуется затратить около часа, чтобы подобрать секретную комбинацию цифр, при пяти кольцах придется работать несколько дней подряд. Отмычек для таких замков не существует. Некоторой аналогией такого секретного замка являет- ся телефон. Трудно попасть к абоненту, не зная его условного номера. Можно составить довольно простые электрические схемы из набора реле, которые будут действовать подоб- но замку. Предположим, имеются три кнопки или ключа: Д, В, С (фиг. 1-24). Если нажимать на эти ключи или кнопки в определенной последовательности, например такой: С—А—В—А, то сработает исполнительный эле- мент (электромагнит) Y и освободит защелку замка. Если же нажимать на кнопки А, В, С в любой другой последовательности, то не только электромагнит Y не сможет включиться, но еще придет в действие другой исполнительный элемент Z, который включит звуковой сигнал тревоги. Кроме того, в этом электрическом замке есть еще кнопка G, которая возвращает всю схему в исходное положение. Можно сразу же высказать некоторые общие положе- ния относительно структуры схемы такого электрического замка. Исполнительный элемент должен срабатывать только после нескольких воздействий на элементы Л, В, С, поэтому для фиксации, для запоминания всех проме- жуточных действий в схеме должны быть предусмотрены вспомогательные исполнительные элементы Xi, Х2, Х3 — это электрическая память устройства. 1-15. Приведенное сопротивление И задачу о лампе в коридоре, и более сложную зада- чу об электрическом замке можно назвать «задачами на определение структуры». Ни силы токов, ни величины напряжений, действующих в отдельных цепях, в этих задачах несущественно было определять. Требовалось найти только токопрохождение, только структуру схемы. Другой обширный класс электротехнических задач — это те, в которых требуется определить токи, циркули- рующие в схеме под действием тех или иных приложен- ных к ней напряжений. 46
Если к источнику напряжения подключено известное сопротивление, то чтобы определить силу тока в амперах, достаточно разделить величину напряжения в вольтах на величину сопротивления в омах. При двух сопротивле- ниях, включенных последовательно одно за другим, что- бы определить ток, надо разделить напряжение на сумму этих сопротивлений. Но когда электрическая схема со- ставляется из многих сопротивлений, то определить в ней все токи может быть не так просто. Возьмем к примеру такую задачу: Из проволоки сделан каркас куба, как это представ- лено на фиг. 1-25. Каждое ребро куба имеет сопротив- ление, равное точно 1 ом. К двум проти- воположно расположен- ным вершинам куба (обозначенным на фи- гуре Ох и О2) подво- дятся проводники, ко- + торыми этот куб при- соединяется к источни- ку напряжения. - Требуется опреде- лить, какое сопротивле- ние электрическому то- Фиг. 1-25, Каркас в форме куба, составленный из двенадцати одина- ковых сопротивлений. ку будет представлять собой этот кубический каркас и какой силы токи будут в его от- дельных ребрах. Двенадцать сопротивлений, составляю- щих! куб, надо заменить одним приведенным или эквивалентным сопротивлением. Возможно, читатель сам быстро найдет это приве- денное сопротивление кубического каркаса. На схеме фиг. 1-25 показано стрелками токопрохождение в кар- касе. Ток входит в вершину О\ и растекается из нее на три пути. Затем для тока открывается шесть путей. Пройдя их, ток через последние три ребра сходится к вершине О2. Во многих случаях приходится изучать значительно более сложные электрические схемы и заменять их более простыми комбинациями сопротивлений. 47
1-16. Эквивалентные схемы Для разных целей нужны разные степени абстракции. Всякое изучение начинают с того, что сосредоточи- вают внимание на основных признаках явления. Менее существенным на первых стадиях пренебрегают. Эквивалентные схемы, схемы замещения, как их еще называют, учитывают игру только главных сил, отбрасы- вая все второстепенное, отбрасывая детали. Возьмем к примеру электродвигатель. У него об- мотка на статоре, обмотка на роторе. В различных участках магнитной цепи двигателя может накапливаться электромагнитная энергия. В стальных сердечниках и обмотках часть энергии превращается в тепло. Часть энергии двигатель превращает в полезную механическую работу. В двигателе одновременно идет множество сложных преобразований энергии. Но в общих чертах, по отно- шению к питающей его сети, двигатель ведет себя, как комбинация всего двух последовательно или параллельно включенных сопротивлений: одного чисто активного, другого реактивного. Эти два сопротивления и будут схемой замещения электродвигателя. Сложная разветвленная электрическая сеть, с десят- ками тысяч включенных в нее осветительных ламп, сотнями электродвигателей, промышленных печей, вы- прямителей, бытовых нагревателей также может быть замещена всего лишь двумя сопротивлениями. Если строго подойти к вопросу, то все схемы, кото- рые рисуются на бумаге, суть только эквивалентные схемы, только схемы замещения. Возьмем к примеру катушку, намотанную из медной проволоки. На фиг. 1-26 даны некоторые ее схемы заме- щения. Среди прочих своих свойств катушка обладает способностью запасать энергию в своем магнитном поле. Для некоторых случаев катушку можно обозначить на схеме значком L, т. е. приписать этой катушке только индуктивность, пренебрегая всеми ее остальными каче- ствами. Поместим в катушку стальной шар. Сталь имеет боль- шую магнитную проводимость, нежели воздух. Индук- тивность катушки увеличится. Но это будет иметь место лишь в том случае, когда к катушке подведен ток низ- кой частоты. Если же направить в катушку ток высокой 48
частоты, то в стальном шаре возникнут вихревые токи. Они парализуют действие повышенной магнитной прово- димости стали. При высокой частоте индуктивность ка- тушки со стальным шаром внутри будет меньше, нежели индуктивность катушки без шара. Токи, наведенные в шаре, будут вызывать выделение в нем тепла. В более точной эквивалентной схеме катушки со стальным шаром должны быть учтены эти затраты энергии на нагрева- ние стали. На эквивалентной схеме нагревание стали отображают в виде сопротивления /?, которое включено либо последовательно, либо параллельно индуктивно- сти L. Сопротивление, которое включается параллельно ка- кой либо части схемы, называют иногда утечкой. Боль- шей частью применяют этот термин к активной утечке, которая только поглощает энергию. Такую утечку обоз- начают буквой G. Но 'иногда говорят и о такой цепи утеч- ки, которая частично' или даже полностью запасает энер- гию, — это реактивная утечка. Итак, в некоторой области частот можно представ- лять катушку со стальным шаром в виде комбинации L и /?, или L и G. Но повысим еще частоту тока. В ка- тушке между отдельными ее витками начнут проходить емкостные токи. Эквивалентную схему надо рисовать, учитывая эти емкости. Тот, кто составляет схему, дол- жен еще рассудить, как подключить их к L и /?. Иногда лучше представить параллельное, а иногда и последова- тельное включение. При еще более высокой частоте тока катушка ведет себя, как длинная цепочечная линия. Эквивалентную схему катушки надо рисовать в виде очень большого ко- личества элементов. Новые особенности вносит повышение частоты тока в поведение изоляционных материалов. При низких часто- тах изоляторы часто считают эквивалентными конденса- торам, т. е. принимается во внимание только способность изолятора запасать в своем объеме электрическую энер- гию. Быстропеременное же электрическое поле, прони- зывая изолятор, вызывает его нагревание, в изоляторе происходит поглощение мощности. Эквивалентная схема изолятора уже не просто конденсатор, а конденсатор со включенным параллельно или последовательно с ним активным сопротивлением. 4 Г. И. Бабат. 49
Фиг. 1-26. Катушка из медного проводника с помещенным внутри нее стальным шаром и различные схемы замещения, которыми мож- но представить этот объект. 1. При постоянном токе или токе, весьма медленно меняющемся, катушка ведет себя подобно чисто активному сопротив- лению. 2. Для тока низкой частоты катушку можно рассматривать, как большую индуктивность. 3. Ток достаточно высокой чгсготы вы- зывает нагревание помещенного внутри катушки стального шара. Это индукци- онное Нагревание. Эквивалентную схему катушки составляют в этом случае в виде трех последовательно включенных сопротивлений. Два из них: Ra и R[ активные сопротивления-множители по- глощения мощности в шаре и в катушке. Коэффициент полезного действия ин- дукционного нагрева, т. е. отношение мощности, выделяемой в шаре, к полной, подводимой к катушке мощности, равно: ——=— ; Z—соответствует индук- тивности системы. При индукционном нагревании энергия, запасаемая в индук- тивности 2, обычно в несколько раз больше потребления энергии в и Ra за один полупериод тока. 4. При дальнейшем повышении частоты переменный ток будет проходить не только по виткам катушки, но и через емкость С между витками. При f 50
Эквивалентная схема никогда не отображает истин- ного токопрохождения в приборе или аппарате. Эквива- лентная схема — это такое простейшее сочетание А, и С, которое дает соотношение токов и напряжений лишь в общих, основных чертах, такое, как в изучаемом при- боре. Каждая эквивалентная схема верна лишь в узкой области частот токов. Включим наш аппарат в цепь тока с другой частотой, бросим на него электромагнитную волну другой длины,— и старая эквивалентная схема окажется негодной. Надо составлять новую эквивалент- ную схему. Все, решительно все схемы электротехники суть только эквивалентные схемы. Но как определить область, в которой справедлива та или иная схема? Для инже- нерных расчетов нельзя довольствоваться такими рас- плывчатыми критериями, как «более высокая частота», «более низкая». Инженеру необходимы точные цифры. 1-17. Точечная электротехника и электро- техника пространственная Символы: индуктивность Л, сопротивление 7?, емкость С и утечка G — это язык, пригодный для той электро- техники, где размеры катушек, сопротивлений и емко- стей значительно меньше длины падающей на них элек- тромагнитной волны. Язык схем начал создаваться в прошлом веке, когда электротехника имела дело, главным образом с длин- ными волнами. На центральных электростанциях и те- — —- наступает резонанс, собственная частота катушки совпадает с часто- 2aV LC той питающего тока. Можно рассматривать теперь катушку, как колебательный контур, или как весьма большое чисто активное сопротивление (в несколько раз большее нежели сопротивление катушки постоянному току в случае 1). 5. При еще более высокой частоте ток, идущий по провохникам катушки, умень- шается, и основное значение имеет емкостной ток между витками. В эквива- лентной схеме катушку необхохимо представлять в виде конденсатора с после- довательно или параллельно включенным активным сопротивлением. Это сопро- тивление также очень отлично от сопротивления катушки постоянному току (в эквиваленте 1). В эквивалентном сопротивлении (5) содержатся и потери в изо- ляции и потери на излучение. 6. Когда длина электромагнитной волны, падающей на катушку, становится сравнимой с ее размерами, эквивалентную схему надо представлять в виде цепочки из ряда индуктивностей и емкостей. Вместо точечной схемы замещения дается теперь пространственная одномерная линейная схема. 7. Когда электромагнитная волна короче длины и диаметра катушки, то и одно- мерная схема замещения оказывается неудовлетворительной. Для процесса прохождения этой короткой электромагнитной волны через катушку с шаром может быть нарисована эквивалентная схема в виде двухмерной или даже трех- мерной (как и представлено на фигуре) сетки из большого числа точечных элементов. На фигуре показана кубическая сетка из множества сопротивлений, обозначенных Z. Это все комплексные сопротивления. Каждое из них и погло- щает энергию, и запасает ее, либо как индуктивность, либо как емкость. 4* 51
Пёрь производится ток с частотой 50 гц, т. е. с длиной волны 6 000 км. По сравнению с такой волной даже огромный турбогенератор в 100 тыс. кет — это точка. Когда мы говорим, что в катушке может накапли- ваться только магнитная энергия, в конденсаторе — только электрическая, а сопротивление лишь поглощает электрическую энергию, то этим самым мы делаем мол- чаливое допущение, что геометрические размеры этих катушек, конденсаторов и реостатов бесконечно малы. Малы, понятно, не в абсолютном смысле, а сравнительно с падающей на них электромагнитной волной. * Это безразмерная электротехника — схемы ее состоят из геометрических точек. Но вот линия электропередачи. При длине в сотни километров даже ток малой частоты 50 гц укладывает на такой линии значительный участок своей волны. Что эта линия: конденсатор или катушка? Она и то и другое. В длинной линии энергия запасается и в электрическом, и в магнитном виде. Из этого положения вышли, заменив реальную ли- нию цепочкой из ряда одна за другой стоящих индук- тивностей и емкостей. Это непрерывный ряд точек. Длин- ные линии — это уже не точечная электротехника, а электротехника одномерная, линейная. Но что считать длинной линией, а что короткой? Это зависит от длины электромагнитной волны, дви- жущейся вдоль линии. Ток с частотой 50 гц в свободном пространстве со- здает волну длиной 6 000 км. Для такого тока линия длиной 10 км — это короткая линия. На ней уклады- вается 7боо доля волны (меньше 1 град.). В радиолокации применяется токе частотой 3 млрд, гц— длина волны 10 см. Для этого тока линия длиной 1 м— это уже очень длинная линия — на ней помещается 10 волн — 3 600 град. Для длинных линий вводится понятие о «постоян- ных», т. е. о сопротивлении, емкости и индуктивности на единицу длины линии: на 1 см, м или км. Понятно, что эта единица длины должна быть меньше длины электро- магнитной волны. Низкочастотники берут свои «посто- янные» на километр, а высокочастотники на метр и даже сантиметр. Длинная линия разбивается на ряд последовательно включенных отрезков. 52
Каждый такой отрезок и будет звеном схемной це- почки. Длинные линии называются цепями с распре- деленными постоянными. Надо впрочем огово- риться, что и само это понятие о «постоянных линии» весьма условно. С изменением’частоты и емкость, и ин- дуктивность на единицу длины линии меняются. В еще большей «степени меняется с частотой активное сопро- тивление линии. При переходе от частоты 50 гц к радио- частотам активное сопротивление обычной двупроводной линии возрастает в десятки, а иногда и в сотни раз. Поэтому значения «постоянных» действительно постоян- ны только в узком интервале частот. Больше того, во многих конструкциях величины Л, R и С изменяются с изменением напряжения и силы тока, соотношения между током и напряжением нелинейны. Но и этого нельзя отобразить в простой эквивалентной схеме. Обычно для составления схемы принимают какие-то усредненные значения A, R и С и эти значения могут быть большими или меньшими в зависимости от того, какие напряжения в схеме действуют, какие токи в ней протекают. Более точные методы анализа подобных схем разрабатывает нелинейная электротехника, в этой области много сделано советскими учеными ака- демиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. За последние годы все большее практическое приме- нение получают короткие волны: метровые, сантиметро- вые. Они служат для радиолокации, для дальней связи, для нагрева. Сантиметровые волны часто передаются не по провод- ным линиям, а по трубам. Такие каналы передачи кон- структивно напоминают водопроводную технику, канали- зационную технику. Если и здесь пытаться применять эквивалентные схемы «точечной электротехники», то надо принять, что постоянные L, С и R распределены уже не в одном измерении, а во всех трех. Не только длина волновода в виде полой трубы может во много раз пре- вышать длину электромагнитной волны, но и его попе- речные размеры велики — близки к длине волны, а иногда и превышают ее. Поглощение электрической энер- гии, ее накопление, переход энергии из магнитного поля в электрическое и обратно происходят не одновременно во всех точках пространства, занятого электромагнит- ными колебаниями. 53
Чтобы перевести на язык точечной электротехники сущность процессов, происходящих в устройствах «про- странственной электротехники», где волна пульсирует в трехмерном пространстве, рисуют сетки из многих индуктивностей, емкостей и сопротивлений. Отношение размера конструкции I к длине действую- щей в этой конструкции электромагнитной волны X — вот критерий для суждения о применимости той или иной эквивалентной схемы. Чем глубже мы хотим проникнуть в сущность про- цесса, чем точнее требуется провести расчет, тем мень- ше то отношение , которое можно принять за точку. Для многих грубых приближенных расчетов принимают за точку отрезок /, равный даже четверти длины волны. Высокая степень приближения требует отношения у = —0,1 или 0,01. Отношение у иногда называется вол- новым коэффициентом. Поэтому ответ на по- ставленный в конце предыдущего параграфа вопрос: когда справедлива эквивалентная схема? можно сформу- лировать следующим образом: элемент схемы — это мо- жет быть только такая часть конструкции, для которой волновой коэффициент мал. 1-18. Анализ схем помогает улучшить конструкцию Вот пример: самый мощный трансформатор, преобра- зующий ток с частотой 50 гц, имеет размеры, в мил- лионы раз меньшие, нежели длина волны этого тока. Инженер, изучающий процесс преобразования энергии в этом трансформаторе, рисует его схему замещения в виде двух спиралей — двух связанных общим магнит- ным потоком индуктивностей. Но перед этим же инжене- ром могут поставить задачу защитить трансформатор от перенапряжений. Чтобы изучить действие резкого толчка перенапряже- ния на изоляцию трансформатора, не пригодна простая схема замещения в виде двух точечных индуктивностей. Надо составлять иную, более детальную схему. И это уже дело таланта инженера быстро сообразить, как точ- 54
нее, проще составить эквивалентную схему, схему за- мещения. При атмосферных разрядах в линии передачи возни- кают грозовые перенапряжения. При включе- ниях и отключениях линий возникают коммутацион- ные перенапряжения. В виде волн эти перена- пряжения блуждают по линиям. Блуждающие электро- магнитные волны приходят к зажимам трансформатора, проникают в его обмотки. Эти волны могут повредить изоляцию трансформатора, проколоть, прожечь ее. Надо сгладить эти волны, растянуть их по обмотке трансфор- матора, не допустить удара крутого фронта напряжения в тонкую изоляцию. Длина такой блуждающей волны может быть даже короче полной длины обмотки транс- форматора. Изучая поведение волны в обмотке, электрик рисует схему замещения в виде цепочки или сетки емко- стей и индуктивностей. Верный диагноз определяет исход болезни. И подобно врачу инженер должен не только определить болезнь, но и назначить лечение. Одну ем- кость он увеличивает, другую уменьшает. Он изменяет конструкцию обмоток, их взаимное расположение, ставит иногда специальные экраны и щиты. Так, академик А. А. Чернышев изобрел свои знаме- нитые нерезонирующие трансформаторы. В них обмотки и изоляция так размещены, что почти любая волна распределяется равномерно. Обмотка не «резонирует». Какова бы ни была частота волны, коле- бания в обмотке не возбуждаются,, перенапряжений, ве- дущих к пробоям, в обмотке не возникает. Эти исследования А. А. Чернышева были крупным вкладом в развитие электромашиностроения. Впослед- ствии еще многие инженеры изучали волны в обмотках электрических машин, составляли эквивалентные схемы и на основе анализа их улучшали конструкцию, совер- шенствовали технологию, повышали надежность работы. Новая оригинальная система грозоупорного транс- форматора была разработана советскими конструкторами С. И. Рабиновичем и др. За эту работу им была при- суждена Сталинская премия. 1-19. Растекание токов Но не только требование малого волнового коэффи- циента должно быть удовлетворено для каждого 55
элемента эквивалентной схемы, чтобы обеспечить ее точ- ность. « 1 — условие необходимое, но недостаточное. И при длинных волнах при низких частотах схемы точечной электротехники могут стать неверными. Эти схемы требуют резкого разграничения материалов, из которых составлена электротехническая конструкция, на два класса: на изоляторы и на проводники. Токи в кон- струкции должны проходить лишь по тем линиям, кото- рые соединяют отдельные элементы в схеме. Комбинация меди — в качестве проводникового материала — и воз- духа, масел, фарфора, бумаги, эбонита и т. п.— в каче- стве изоляции — вполне удовлетворяет этим требованиям. Но в электротехнике известно и множество других кон- струкций. Существуют системы, в которых нет резкой границы между проводниками и изоляторами, где токи не образуют резко очерченных рек, а расплываются по всему объему. Примером служит железнодорожная автоблокировка. По рельсам пускают ток (могут быть применены как по- стоянный, так и переменный токи). Рельсовая линия делится на отдельные изолированные один от другого участки (блок-участки). С одного конца каждого участка включается источник тока, с другого — реле. Поезд, на- езжая на участок, замыкает своими скатами рельсы накоротко и лишает реле питания. Загорается красный сигнал — участок занят. Уйдет состав, прекратится ко- роткое замыкание, реле снова притянет свой якорь и вспыхнет зеленый сигнал: путь свободен. Рельсы лежат на шпалах, окруженных балластом. Это плохая изоляция, особенно в дождливую погоду. Между рельсами происходит утечка тока. Ток утечки рассредо- точен по всему пространству. Но эквивалентную схему рельсового пути иногда представляют в виде цепочки последовательно и паоаллельно соединенных сопротив- лений. Чем больше количество этих сопротивлений, тем ближе к действительности эквивалентная схема. С расплывающимися по объему токами приходится иметь дело во всех заземлениях. Заземление — это хоро- шо проводящие электроды, погруженные в массу грун- та. Множество методов расчета предложено для того, чтобы привести эти пространственные системы к одному единственному эквивалентному «сопротивлению заземле- ния». 53
Существуют таблицы, в которых приведены цифры эквивалентных сопротивлений заземлений для цепочек и букетов из железных труб при разном числе их и раз- ных удалениях одна от другой, в различных почвах, при различных атмосферных условиях. К объемным токам относятся и био-токи в живых организмах. Волновой коэффициент для этих токов всегда мал. Но эквивалентные схемы, достаточно полно- ценные для этих токов, мы все равно не в состоянии составить. Разница между «проводниковыми» и «изоляци- онными» материалами в живом организме невелика. Токи сопровождаются химическими процессами. Или быть может вернее будет выразить иначе — био-токи суть только сопровождение химических волн, распрост- раняющихся в нервах и других тканях. Для полноцен- ного отображения этих явлений нет еще адекватного языка. 1-20. Решение задачи о кубическом каркасе Трудная задача составить из точечных элементов эквивалентную схему сложного явления пространствен- ной электротехники. Всегда имеется множество решений одной и той же задачи. Но зато, когда сетка сопротивлений задана, она однозначно может быть замещена одним эквивалентным сопротивлением. Перед тем как перейти к некоторым типичным схемам замещения, приведем решение задачи о кубическом кар- касе. Он является симметричной конструкцией, и это сильно облегчает дело. Из каждой вершины О{ и О2 для тока имеется три пути и в силу симметрии токи в каждом из этих путей равны между собой. Между точкой и каждой из то- чек Ль А2, А3 имеется одна и та же разность напряже- ний. Если точки Ль Л2, Л3 соединить накоротко между собой, то в схеме ничего не изменится. Точно так же можно соединить между собой и точки Si, В2, В3. Поэтому можно заменить кубический каркас схемой, представленной на фиг. 1-27. Точки, соответст- вующие ребрам куба, помечены на этой схеме теми же буквами, что и на фиг. 1-25. От 01 до Л имеется три параллельно включенных со- противления по 1 ом каждое, и следовательно, полное сопротивление от 01 до Л будет Уз ом. Таково же будет 57
Фиг. 1-27. Эквивалентная схема кубического каркаса фиг. 1-25. сопротивление от О2 до В. Между Л и В включено па- раллельно шесть сопротивлений. Следовательно, между А и В — 7б ом. Полное сопротивление кубического каркаса между точками 01 и 02 будет 5/б ом. 1-2L Замечательное Т Три соединенных в виде буквы Т сопротивления — могущественное электрическое обобщение. Эта эквива- лентная схема отображает основные черты процесса передачи электромагнитной энергии в любом, решитель- но в любом электрическом (а пожалуй, и не только элек- трическом *) устройстве. Трансформатор, повышающий или понижающий на- пряжение, электродвигатель, который превращает элек- трическую энергию в механическую, многокилометровая воздушная или кабельная линия, электромагнитный луч между антеннами двух далеко одна от другой отстоящих радиостанций — все они могут быть отображены эквива- лентной Т-образной схемой. Это всеобщая эквивалентная схема. Для токов раз- ной частоты в разных устройствах — разные и условия передачи энергии. В эквивалентной схеме это отобра- жается разной величиной входящих в ее состав сопро- 1 Можно представить водяную аналогию этой Т-образной схе- ме замещения. С одной стороны, насос качает воду. Трубы пле- ча Т имеют сопротивление. И еще имеется шунтирующая труба- ножка, по которой происходит утечка воды. 58
тивлений. Но структура этой схемы одна и та же для то- ков всех частот, всех сил и напряжений. Эквивалентная схема позволяет выбрать наилучшие условия передачи энергии, согласовать канал передачи с данными производителя и потребителя электроэнергии. Сопротивление, которое составляет ножку Т (фиг. 1-28)—это сопротивление связи. Его можно еще назвать «сопротивлением утечки». Плечи бук- вы Т — сопротивления первичной (передающей) цепи и вторичной (принимающей)^ цепи. Для упрощения расче- тов стремятся сделать симметричное Т — с равными пле- чами. Но плечи вообще могут быть и неравны. Действие канала передачи зависит от соотношения его плеч и ножки в эквивалентной Т-схеме. Чем выше со- противление связи, сопротивление утечки по сравнению с сопротивлениями первичного и вторичного контуров, тем с меньшими потерями происходит передача энергии. Если же, наоборот, сопротивление связи мало по сравне- нию с сопротивлениями плеч, то мал и к. п. д. передачи. Три сопротивления, составляющих эквивалентную схему, могут быть разной природы. Все три могут быть чисто активными сопротивлениями, т. е. такими, в кото- рых происходит только поглощение электрической энер- гии, а запасание и обратная отдача ее не имеют места. Сопротивление Сопротивление входной цепи 1 выхода 11 Сопротивление т связи о- о Фиг. 1-28. Эквивалентная схема „слаботочного* канала передачи электроэнергии. Сопротивление связи меньше сопротивления потерь. Потери энергии при передаче больше, нежели полезная энергия, получаемая на приемном пункте. 59
Фиг. 1’29. Схема замещения типичного „силь- ноточного* канала передачи электроэнергии. Сопротивление связи больше сопротивления потерь. Полезная мощность на приемном пункте больше, чем потери при передаче. Такими схемами, составленными из трех чисто актив- ных сопротивлений, замещают устройства постоянного тока (фиг. 1-29). Например, рельсовые цепи автоблоки- ровки на постоянном токе (такая применяется в Совет- ском Союзе на всех неэлектрифицированных железных дорогах), о которых уже была раньше речь. Конденсаторы и катушки — это реактивные сопротив- ления. Правильнее было бы называть их не сопротивле- ниями, а складами электромагнитной энергии. В конден- саторах может накапливаться электрическая энергия, в катушках — магнитная. Существуют эквивалентные схе- мы из чисто реактивных сопротивлений. Так, например, изображают ячейки фильтров, о которых мы еще будем говорить подробнее. Часто эквивалентная Т-схема составляется из ком- плексных сопротивлений, т. е. являющихся одновремен- но и активными, и реактивными. В плечах и ножке этой схемы происходит не только потребление энергии, но так- же и ее накопление и обратная отдача. 60
1-22. П вместо Т Из трех сопротивлений можно составить не только Т-образную, но и П-образную схему замещения. Дело вкуса расчетчика, какую схему замещения выбрать. В П-образной схеме две утечки. Одна включается у гене- ратора, другая у потребителя. Одно сопротивление вклю- чается последовательно в линию. Относительно П-образ- ной схемы можно повторить все, что говорилось о Т-об- разной (фиг. 1-30). Для сильноточного канала эквивалентное П имеет малую перекладину и длинные ноги. Связисты-слаботоч- ники, наоборот, мирятся и с таким П, у которого ноги короткие, а перекладина длинная. Иногда идут на еще большее упрощение схемы заме- щения. Составляют ее всего из двух сопротивлений. У Т отрывают одно из плеч или у П одну из ножек. Получается Г-образная схема замещения. 1-23. Сальноточники и слаботочники Телеграф, телефон, радиосвязь, измерительные при- боры часто объединяются общим термином — слаботоч- ная техника. Сильные же токи — это генераторы, электро- двигатели, лампы, печи. Разница между этими двумя областями не в мощности отдельных устройств. Радио- вещательный передатчик может быть в тысячи раз мощ- нее привода токарного станка. Различие сильноточной и слаботочной техники в целевом назначении. Сильный ток работает, слабый — командует. Сильный ток пользуется квадратом скорости электронов, энергией их движения, слабый ток — скоростью, как таковой. Задача слаботочной техники — возможно точнее вос- произвести на приемном конце форму сигнала, послан- ного в начале цепи связи. Потери энергии при передаче интересуют слаботочника уже во вторую очередь. Он ча- 61
сто мирится с такими условиями передачи, когда на при- емном конце получается меньше одной миллионной от посланной вначале энергии. Сильноточника же обычно мало беспокоят возмож- ные искажения формы токов и напряжений в процессе их передачи. Сильноточник прежде всего озабочен тем, чтобы создать возможно меньшие потери энергии при ее передаче. Редко мирится он с к. п. д. передачи, мень- шим 50%, а во многих сильноточных устройствах к. п. д. передачи бывает выше 99%. И сильноточники, и слаботочники рисуют для своих каналов передачи эквивалентные схемы в виде буквы Т. При наилучшем подборе данных генератора и потреби- теля отношение потерь энергии при ее передаче к полез- ной энергии определяется отношением среднего геомет- рического активных сопротивлений плеч эквивалентной схемы к полному сопротивлению ее ножки. Все отличие техники слабых токов от техники силь- ных токов — в величине отношения плеч к ножке у бук- вы Т, являющейся эквивалентом канала передачи. Сла- боточники часто применяют каналы передачи, у которых в эквивалентном Т каждое плечо имеет сопротивление, во много раз большее сопротивления ножки. Сильноточ- ники же большей частью имеют дело с приборами и ап- паратами, в эквивалентной схеме которых сопротивление плеч в несколько раз меньше сопротивления ножки. Мы несколько раз повторяли, что геометрические раз- меры изображения сопротивления в эквивалентной схе- ме обычно не указывают на его величину. Но иногда при- нимают, что длина условного изображения на схеме соответствует величине электрического сопротивления. При таком условии можно довольно наглядно показать разницу между сильноточниками и слаботочниками. Эмблемой сильноточников может быть эквивалентная схема с маленькими плечами и большой ножкой. Эмблема слаботочников — это, наоборот, Т с больши- ми плечами и маленькой ножкой. Но зато слаботочники часто требуют, чтобы их Т не меняло своих пропорций для широкого спектра частот. Иногда они нарочно увеличивают потери при передаче энергии, включают в схему выравнивающие контуры, только бы у этого ухудшенного Т не менялись с частотой (в известных, понятно, пределах), отношения ножки и плеч. 62
1-24. Связь слабая, сильная, критическая Бывает, что в эквивалентной Т-схеме реактивные со- противления всех ее звеньев — плеч, и ножки — значи- тельно больше активных сопротивлений. Такая система может оказаться колебательной. Порция электрической энергии долго будет блуждать в этой схеме с одного склада на другой, лишь постепенно рассеиваясь и рас- ходуясь. Отношение среднего геометрического сопротивлений первичного и вторичного контуров к сопротивлению связи называют коэффициентом связи. Так же, как и к. п. д.,— это число не именованное и всегда меньшее единицы. Слаботочники работают со слабой связью: коэффи- циент связи в их системах может быть меньше десятой, сотой, даже тысячной доли. Сильноточники применяют системы с коэффициента- ми связи, достигающими 0,9—0,95. При слабой связи первичная и вторичная цепи колеб- лются каждая независимо, от другой. Если дать толчок колебательной системе со слабой связью, то возникнут колебания какой-то одной определенной частоты, одной длины волны. При сильной же связи могут возникнуть колебания сразу двух частот, двух длин волн. Тот коэф- фициент связи, меньше которого система одноволниста, а выше двухволниста, называется критическим. 1-25. К вершинам схемного искусства Эквивалентные схемы —схемы замещения — это пере- вод всевозможнейших явлений на язык «точечной элек- тротехники». Встречаются сложнейшие эквивалентные схемы из де- сятков, сотен и даже тысяч сопротивлений, включенных самым запутанным образом. Создаются специальные ме- тоды анализа этих схем. Схемы замещаются алгебраиче- скими символами — «матрицами». Из схем извлекают «древа». Электротехника здесь смыкается с тонкими под- разделениями высшей алгебры, геометрии, топологии. Часто эквивалентные схемы приносят огромную пользу, сокращая труд вычислителя и конструктора. Они помогают, как стенографическая запись, как счетная ма- шина. 63
Эквивалентные схемы — -интереснейший метод элек- тротехники. И не только электротехники. В акустике, ма- шиностроении, гидравлике, аэродинамике широко при- меняется метод электрических аналогий. Электрическая схема замещает собой более трудную для исследования конструкцию. Изучение эквивалентной схемы позволяет вскрыть внутренние закономерности, получить ценные чи- словые результаты. К примеру, коленчатый вал мощного авиационного двигателя можно заместить цепочкой из индуктивностей, емкостей и сопротивлений. Бросив на эту цепочку волну напряжения, можно записать колебания токов во всех звеньях цепочки. И эти колебания соответствуют кру- тильным колебаниям работающего в моторе коленчатого вала. Вот мы изменили одну из индуктивностей или емко- стей — и сразу изменился характер электрических коле- баний в эквивалентной схеме. В течение немногих минут можно изучить, как влияет на крутильные колебания толщина щек вала, диаметр его шеек, какие надо поста- вить успокоители, чтобы погасить ту или иную наиболее нежелательную составляющую колебаний. Но бывает, что перевод явлений пространственной электротехники на язык эквивалентных схем бессмыслен и вреден. Здесь невольно вспоминается старинная пого- ворка: «перевод — это измена». Когда изучают циркуляцию вихревых токов в сталь- ной шестерне, нагреваемой под закалку, нечего городить вместо куска стали многомерную сетку из десятков со- противлений и конденсаторов. Это только путает пони- мание процесса. Изучение шлифов в микроскопе в дан- ном случае принесет куда больше пользы, чем составле- ние эквивалентных схем. Современная техника имеет своей базой геометрию Декарта. Пространство мыслится как совокупность точек, каждая из которых определяется своим положением от- носительно осей координат. Эквивалентные схемы—это электротехническая интерпретация декартовой геометрии. Но эта геометрия — не единственная возможная. Матема- тики’ изучают еще и другие системы отображения про- странственных соотношений в окружающем мире. И для отображения электромагнитных процессов, быть может, будут созданы иные понятия, иные концепции, более со- ответствующие этим процессам во всех их деталях, не- жели современный язык «точечных эквивалентных схем». 64
Схемная наука все совершенствуется и усложняется. Она становится все более тонким орудием анализа. Но тем внимательнее надо следить за тем, чтобы не превра- тить анализ схем в бесплодную схоластику, в бесцельное вращение попусту. Отвлеченная и общая форма, в которую облеклись многие понятия, позволяет совершать двойную работу анализа и синтеза. Эта работа может продолжаться до бесконечности, оставаясь все время пустой, самодовлею- щей. Для непрерывного прогресса необходимо, чтобы поня- тия об электрических цепях и элементах схем оставались пластичными, изменчивыми, чтобы они расширялись, ог- раничивались, преображались, отделялись и соединялись беспрестанно под влиянием уроков, практики. Если же понятия застывают, костенеют, если они скла- дываются в систему, претендующую на самодостаточ- ность, то усвоивший эту систему и применяющий ее под- вержен опасности употреблять и отдельные понятия, и всю систему, из которых она состоит, без непосредствен- ной проверки их реальностью, которую они якобы пред- ставляют и выражают. Понятия эти становятся источни- ком роковой слабости. 5 Г. И, Бабат
правдивый повествователь ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В. В. Петров (176t—1834 гг.) Василий Владимирович Петров в 1795 г. получил звание экстраординарного профессора Медико-хирургиче- ской Академии и устроил при Академии богатый физи- ческий кабинет. Здесь он произвел множество ценных экспериментальных исследований. Он изучал процессы горения и окисления. Он первый установил различие в причинах свечения фосфора, плавикового шпата и само- светящихся веществ органического, происхождения. В конце 18 в. сведения о воздействии электрического тока на различные вещества были крайне неполны и от- рывочны. Да и сами понятия — ток, напряжение, сопро- тивление — не были И 3 В'Б С Т I Е О ГАЛЬВАНИ - ВОЛЬТОВСКИХЪ О П Ы Т А X Ъ, которые производилЬ ПрофессорЪ физики ВасилШ ПетпровЪ, посредствомЪ Ьгромной наипаче бат- тереи , состоявшей иногда изЪ 4 200 мЬдныхЪ и цинковыхЪ кружковЬ, и на- ходящейся при Саикт • Петербургской Медико • Хирургической Академхи. ВЪ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ^, ВЪ Типограф!и Государственной Ме- дицинской КоллеНх , I goj года,. еще установлены, «Гораздо надеж- ней, — писал Петров,— искать настоящего ис- точника электрических явлений не в умствен- ных мудрствованиях9 к которым доселе только прибегали все физики, но в непосредственных следствиях .самих опы- тов». Петров построил ог- ромную электрическую батарею. В свое время она была самой мощной во всем мире. Никто до этого не исследовал так систематически взаимо- действие между элек- трическим током и ве- ществом. Петров от- крыл факты, лежащие в основе современной на- уки об электричестве, в основе современной электротехники. 66
Петров обнаружил между проводниками, присоеди- ненными к большой батарее, «светоносное явление»— длительный электрический разряд, который теперь при- нято называть электрической дугой. Петров подметил, что не все угли, между которыми он возбуждал дугу, одинаково проводят электрический ток. Он первый дал классификацию углей и других про- водниковых материалов на «хорошо» и «дурно» прово- дящие. Петров исследовал поведение электрического разряда под колоколом воздушного насоса и первый установил, что с понижением давления воздуха облегчается прохож- дение электрического тока через пространство между электродами. Он же подметил влияние изолировки про- водников, идущих от батареи, на ее действие, дал первую классификацию изоляторов и придумал практические приемы повышения изоляции, применимые и поныне-, пропитывание дерева маслом, покрывание его лаком и т. д. Свои исследования по электричеству Петров изложил в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах», из- данной в 1803 г. В статье VII этой книги он пишет: «На- последок посредством огня, сопровождающего течение гальванивольтовской жидкости, при употреблении огром- ной батареи, пытал я превращать красные свинцовые и ртутный, а также сероватый оловянный оксиды в метал- лический вид». И эти опыты удались. Петров при воздей- ствии электрического тока получил из окислов восстанов- ленные металлы. Ныне электрометаллургия — одна ♦ из важных ветвей электротехники. Алюминий, магний, цинк и многие дру- гие металлы получаются теперь исключительно электро- техническим путем. В течение 4G почти лет неустанно производил В. В. Петров физические и химические исследования. Всю жизнь он соблюдал «священный закон-, быть всегда прав- дивым повествователем физических явлений, которые будут представляться его чувствам». Петров умер 3 августа 1834 г. Его преемником в Ака- демии наук был Э. X. Ленц, знаменитый своими иссле- дованиями по электромагнетизму. 5*
ГЛАВА ВТОРАЯ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 2-1. Общие сведения Электрики, которые работают в проектных бюро, зани- маются преимущественно схемами. Но схемы — это лишь маленькая часть электротехники. И схемы, и расчеты — только вспомогательные средства, чтобы строить машины, добывать электроэнергию, распределять ее, преобразовы- вать в другие виды энергии. Основа электротехники, ее фундамент — это материалы. Разнообразны материалы, применяемые в электротех- нике. Некоторые элементы периодической системы Мен- делеева используются в электротехнике в чистом виде. Другие входят в различные химические соединения, важ- ные для электротехники. В прошлом веке говорили, что электротехника дер- жится на «трех китах»: меди, железе, угле. Из меди — обмотки; из железа — сердечники, а уголь — для щеток и дуговых ламп. В наше время на службу электротехнике поставлены все элементы системы Менделеева. Первый элемент периодической системы — легчайший газ водород. Им охлаждают мощные турбогенераторы, наполняют тиратроны, разрядники. В водородных печах отжигают детали электровакуумных приборов. За водородом идет гелий. Он, как и остальные инерт- ные газы — неон, аргон, криптон, ксенон,—идет для на- полнения различных электровакуумных приборов. Багро- вым огнем светятся наполненные неоном стеклянные трубки. Они горят в рекламных надписях, на аэродромах, в маяках. Наполненные криптоном лампы накаливания отличаются высокой экономичностью и малыми разме- рами. В электровакуумном производстве применяются все щелочные и щелочноземельные металлы. Натрий, калий и цезий идут для фотоэлементов. Барием, кальцием и стронцием в виде окислов и чистых металлов покрывают катоды электронных ламп. Третья группа таблицы Менделеева начинается с бо- ра, соединения которого идут на изготовление прочно-го и тугоплавкого боросиликатного стекла. Из такого стекла выполняют колбы для генераторных ламп, газотронов. 68
Об элементе, с которого начинается четвертая груп- па таблицы Менделеева,— об углероде — не переска- зать даже самого главного. Углерод идет и в чистом виде: графитовые электро- ды для дуговых печей, нагреватели печей сопротивления, мембраны и порошок для микрофонов, угли для прожек- торов, сетки и аноды тиратронов и мощных ртутных вы- прямителей. Из соединений углерода получается бесчи- сленное количество изоляционных материалов. Из угле- водородов изготовляют и твердую изоляцию, и лаки, и эмали. Азотом наполняют осветительные лампы. Сжатым азотом изолируют высокочастотные конденсаторы. Мно- гие соединения азота используются также в качестве изоляционных материалов. Кислород в электротехнических конструкциях редко применяется в чистом виде. Но он входит в состав всех стекол, в фарфор. Применяются в электротехнике со- единения всех галоидов: фтора, хлора, брома, иода. Драгоценные металлы весьма важны для электротех- нических сооружений: из серебра делают контакты для реле, обкладки конденсаторов (керамических, например), серебром покрывают резонаторы и волноводы для санти- метровых волн. В предыдущей главе было уже сказано о применении серебра в печатных схемах. Ртуть — важный электротехнический материал. Ее парами наполняют преобразователи тока. Тонкие слои золота наносят на сетки некоторых ламп, чтобы уменьшить с них эмиссию электронов. Платиновые проволоки, платиновая жесть, платиновые тигли во мно- гих случаях применяются в электротермии и для других целей. Последний из естественных элементов — 92-й элемент уран 1 — и тот применяется в специальных сопротивле- ниях, которые должны понижать свое электросопротивле- ние с температурой. Это термисторы — пусковые и регу- лирующие сопротивления. Трудно назвать материал, который бы не относился к «строительным материалам электротехники». 1 Трансурановые элементы, следующие за ураном, № 93, 94, нептуний, плутоний неустойчивы. Это ядерное вгорючее“. При расщеплении они выделяют энергию. Как конструкционные мате- риалы, эти элементы ни в чистом виде, ни в соединениях пока не применяются и не предвидится, повидимому, их применение. 69
Разреженный газ, пронизываемый потоками электро- нов, — светящаяся плазма, кубический метр которой ве- сит ничтожные доли грамма, для электрика — важный конструкционный материал. Он значит не меньше, чем сталь и чугун. Электровакуумщики выкраивают из этой плазмы «ру- кава» в мощных преобразователях, заполняют этой плаз- мой разрядные камеры, процеживают плазму сквозь сет- ки. Подробные графики и таблицы указывают, через ка- кие дыры плазма просочится, а в какой сетке она завязнет. Электрика интересуют очень многие свойства тех строительных материалов, из которых он создает свои конструкции. Как и инженеру-механику, ему важно знать механическую прочность материалов. Как и теплотехник, он должен знать теплопроводность и огнестойкость ма- териалов. Но есть три специфические электротехнические ха- рактеристики всех материалов. С них и надо начать. 2-2. Эпсилон, мю, сигма Электротехника имеет дело с движением электриче- ских зарядов, с их накоплением, с возбуждением маг- нитных сил, с распространением электромагнитных волн, со взаимными превращениями электрической и магнитной энергии. Разные вещества по-разному влияют на эти процессы. В воздухе и в сильно разреженных газах электромагнит- ные колебания любой частоты распространяются с оди- наковой скоростью. Это скорость света 300 000 км/сек — верхний предел для скоростей всех возможных в природе процессов. Во всех формулах эту скорость обозначают буквой с. Многие твердые и жидкие вещества также пропу- скают через себя электромагнитные волны. Это вещества, в которых затруднено движение электрических зарядов. Те же вещества, в которых электрические заряды дви- жутся свободно, непрозрачны для электромагнитных волн. Падая на такие тела, электромагнитные волны растрачи- вают свою энергию на раскачивание зарядов и загасают в тонком слое вещества. Но и в прозрачных средах, в которых заряды связа- ны и прочно сидят на своих местах, электромагнитные волны движутся иначе, нежели в воздухе и разреженных 70
газах. Скорость распространения волн здесь меньше. Ве- личину, показывающую, во сколько раз эта скорость меньше с, называют коэффициентом прелом- ления п. Он обычно зависит от длины электромагнит- ной волны. Для луча желтого света вода имеет п = 1,33, оптическое стекло кронглас п = 1,5, а алмаз п — 2,4. Это очень высокий коэффициент преломления для световых волн, и потому так «играют» лучи света на гранях ал- маза. Для сантиметровых радиоволн, применяемых в радио- локации, вода имеет коэффициент преломления =^9. Не только' коэффициент преломления, но и прозрачность зависят от длины волны. Множество материалов, непроз- рачных для световых волн, пропускают с малым затуха- нием более длинные электромагнитные волны — это фар- фор, эбонит, многие смолы. В обиходном языке словом луч привыкли называть нечто тонкое, не имеющее ощутимой ширины и толщи- ны. Понятие луч часто ассоциируется с понятием геомет- рической линии. Но физик определит луч иначе. Он скажет, что луч — это поток энергии, поток волн. Такой поток может су- ществовать, только когда размеры его сечения во много раз больше длины волны. Волны видимого света имеют длину около половины микрона. В световом луче поперечником в 1 миллиметр уложится две тысячи длин волн. В радиолокации приме- няются сантиметровые волны и там о луче можно гово- рить, когда размеры его сечения измеряются метрами. В аппаратуре меньших размеров законы геометрической оптики неприменимы, понятие о луче здесь ничего не мо- жет дать для расчета. Для тока с частотой 50 гц минимальное сечение лу- ча — это десятки тысяч километров Все решительно ус- тановки, с которыми работают электрики-низкочастотни- ки, имеют размеры, во много раз меньшие длины элек- тромагнитной волны. Говорить о лучах таких волн вовсе не приходится. Лучу просто негде образоваться в такой установке. В этих случаях понятие коэффициент преломления п не применимо. Вместо него говорят о диэлектрической постоянной вещества. Она приблизительно равна квад- рату коэффициента преломления. Вот эту-то величину и обозначают греческой буквой эпсилон г. 71
Можно подойти к определению величины г, и вовсе не затрагивая волн и лучей. В пространстве вокруг элек- трических зарядов существуют электрические силы. Эти силы ослабевают, если разреженный газ заменить каким- либо твердым или жидким веществом. Диэлектрическая постоянная показывает, во сколько раз уменьшается ве- личина электрических сил, когда электрический заряд, находившийся до того в газе, окружают интересующим нас веществом. Для большинства электроизоляционных материалов, применяемых в электротехнике, величина диэлектриче- ской постоянной равна нескольким единицам. У парафина е 2. Фарфоровые массы имеют е = 6. В этих же пре- делах находится диэлектрическая постоянная слюды, эбонита, трансформаторного масла. Для накопления электрической энергии в конденсаторах применяют часто материалы с более высокими значениями з. Например, керамические массы, содержащие двуокись титана, имеют з 60. Диэлектрическая постоянная зависит еще от агрегатного состояния вещества. Лед имеет е = 3,1, а вода г =81. Но вообще дело с водой не так просто, о ней еще будет речь в следующем параграфе. Существуют вещества и со значительно большим диэлектрическим коэффициентом — такова, например, сегнетова соль, имеющая е несколько! тысяч. Такого же порядка з у соединений титана с барием — титанатов бария. Советские ученые усиленно исследуют эти соеди- нения. Предвидится много их интересных применений в науке и технике. Вторая буква, стоящая в заголовке этого параграфа — греческое «мю» (р). Движение зарядов или движение электрических силовых линий — это электрический ток, он неизменно порождает магнитный поток. Отношение магнитных сил к породившему их току характеризует магнитную проницаемость среды. Проницае мость воздуха принято считать за единицу и величина Р показывает, во сколько раз проницаемость данного вещества отличается от проницаемости воздуха. Наконец, третья характеристика веществ — это спо- собность их проводить электрические заряды. Удельную электропроводность принято обозначать греческой же буквой сигма (а ). Идеальный изолятор должен иметь сигма, равную нулю, а идеальный проводник — сигма, равную бесконеч- 72
ности. Часто пользуются обратной величиной ----ее называют удельным электрическим сопро- тивлением. Для него стандартное обозначение— буква ро (р). Для механических конструкций часто пользуются ма- териалами, которые во всех направлениях имеют одина- ковую прочность. Такова, например, хорошо выделанная сталь. Но есть и другие материалы, как дерево, к при- меру, которые в одном направлении (вдоль волокон) хо- рошо держат нагрузку, а в другом (поперек волокон) имеют незначительную прочность. Так и с электротехническими свойствами материалов. Медь, например, имеет электропроводность, одинаковую во всех направлениях. Одинакова диэлектрическая постоянная во всех направлениях для парафина, стекла, янтаря. Другие материалы ведут себя по-иному. Кри- сталлы часто имеют разную проводимость и разную диэлектрическую постоянную по разным осям. Трансфор- маторная сталь, применяемая для сердечников транс- форматоров, имеет различные магнитные проницаемости в разных направлениях. В таблицах, где приводятся характеристики электро- технических материалов, обычно делаются оговорки, в каком направлении те или иные величины измерены. Когда же таких оговорок нет, то значит речь идет об однородном во всех направлениях материале—изо- тропном материале, как иногда называют. 2-3. Классификация по ро Нет веществ, которые бы вовсе не проводили элек- трического тока, как нет и таких, которые не оказьт вали бы прохождению тока никакого сопротивления. Каждый материал имеет свое характерное электросопро- тивление. На фиг. 2-1 по горизонтальной шкале нанесены электросопротивления кубика со стороной ребра в, 1 см. Сопротивления выражены в омах, тысячных и мил- лионных долях ома (миллиомах и микроомах), в ты- сячах ом (килоомах) и миллионах ом (мегомах). Каж- дое деление шкалы соответствует изменению сопротивле- ния в 1 000 раз. 73
Фиг. 2-1. Зависимость сопротивления различных материалов от температуры. В электротехнике применяются разнообразные вещества не только в твердом, но И в жидком и в газообразном состоянии. Многие сохраняют свои свойства только в узком интервале температур. В сильных электрических полях все изоляцион- ные материалы пробиваются, начинают проводить ток. Газы в очень короткий срок после прекращения пробоя полностью восстанавливают свои изоляционные свойства. Жидкие изолирующие материалы также восстанавливаются после про- боя. Пробой же твердых изоляторов сопровождается их механическим повреж- дением. Твердый изолятор может выйти из строя после одного единственного пробоя. Все известные материалы, все многообразие окру- жающего мира может быть уложено на подобном графике. Здесь могут быть размещены и все элементы, и все химические соединения, и все мыслимые смеси. Но на фиг. 2-1, чтобы не создавать чрезмерной тесно- ты, дано место только некоторым, как мне казалось, наи- более характерным веществам. 74
По вертикальной оси графика нанесена температура. Электросопротивление от нее сильно зависит. В самых жарких странах температура любого тела не превышает под прямыми лучами солнца 100°. А в поляр- ных областях в самые лютые морозы температура не па- дает ниже —70°. В этих пределах температур работаег множество электротехнических конструкций. Другие элек- тротехнические приборы и аппараты работают в еще бо- лее узких пределах температур — при температурах, ко- торые иногда называются комнатными, т. е. от 10 до 30°. Но есть и такие электротехнические устройства, которые должны выдерживать температуры в сотни градусов, а некоторые должны надежно и устойчиво работать при еще более высоких температурах, часто выше 2 000°. В левой части графика—область малых удельных электросопротивлений. Здесь теснятся металлы. Вблизи них расположилась одна из модификаций углерода — графит. Крайняя правая часть графика — это высокие элек- тросопротивления. Здесь размещаются некоторые соеди- нения металлов, большинство окислов. Здесь же поме- щается и углерод, но уже в другой модификации — в виде алмаза. Многие материалы могли бы занять по два и даже более места на графике. Это те, что существуют в разных аллотропических формах, как селен, сера. С изменением температуры электросопротивление ме- няется у всех материалов. У металлов и их сплавов электросопротивление растет с температурой. Металлы имеют, как говорится, положительный температурный коэффициент. Есть, правда, сплавы, которые в некотором интервале температур мало меняют свое электросопро- тивление. Таков сплав константан — это древнегреческое слово означает «постоянный». Константан — специфиче- ский электротехнический сплав. Еще большим постоян- ством электросопротивления обладает сплав манганин. Подобные сплавы применяются в измерительной технике для изготовления эталонов сопротивления, для добавоч- ных сопротивлений к вольтметрам и шунтов к ампермет- рам (об этих устройствах речь будет в следующей главе). Медь и железо с повышением температуры сравни- тельно сильно увеличивают свое электросопротивление. Проводимость железа при нагревании от комнатной тем- пературы до красного свечения падает в 10 раз. Это свойство используется иногда в термометрах сопротивле- 75
ния. Тонкие железные проволочки закладываются в изу- чаемый объект, и по изменению их сопротивления судят об изменении температуры. По мере приближения к абсолютному нулю — к минус 273° — электросопротивление всех металлов посте- пенно уменьшается, а у некоторых металлов при опре- деленных температурах электросопротивление резким скачком падает до неуловимо) малой величины. Это — явление сверхпроводимости. При наиболее высокой тем- пературе— всего лишь на 7° выше абсолютного нуля — сверхпроводимость наступает у тантала, ниобия, свинца. Но и эта «высокая температура» лежит ниже точки кипе- ния самого трудно-сжижаемого газа гелия. Техническое использование сверхпроводимости затруд- няется еще тем, что при больших токах, в сильных маг- нитных полях это явление исчезает. У веществ, занимающих правую часть графика, их высокое электросопротивление падает с нагревом — эти вещества имеют отрицательный температурный коэффи- циент. Изменение сопротивления тут происходит значи- тельно резче, нежели у металлов. При нагревании, напри- мер, стекла его электросопротивление меняется в мил- лионы раз. С повышением температуры разница в электросопро- тивлениях различных материалов уменьшается. 2-4. Проводники и изоляторы Можно выделить две большие группы материалов: те, у которых удельное электросопротивление измеряется микроомами — это проводники, а материалы, имею- щие удельное электросопротивление выше миллиона ме- гом, называются изоляторами или диэлек- триками. Деление всех окружающих нас материалов на про- водники и изоляторы возникло впервые 300 лет тому на- зад. В начале 18 в. физики исследовали электризацию трением и установили, что: «янтарь, шелк, волосы, смо- лы, стекло, драгоценные камни, сера, каучук, фарфор не проводят электричества, а металлы, уголь, живые ткани растений, наоборот, электричество передают». Десять в восемнадцатой степени, даже десять в двад- цатой степени — таково соотношение электросопротивле- ний типичных представителей этих двух групп материа- 76
лов. Но как всякая классификация, так и это деление всех материалов на изоляторы и проводники электриче- ства относительно и не всегда справедливы. Стекло, к примеру, при комнатной температуре отно- сится к хорошим изоляторам. Но при красном калении оно довольно прилично проводит ток. Стеклянную палоч- ку или трубочку можно включить последовательно в про- вода от штепселя к осветительной лампе. Пока стекло холодное, лампочка не горит. Но стоит подогреть стекло (горелкой, например), и лампочка зажжется. Стекло пропустит через себя ток. 2-5. Природа электрической проводимости Ток проводимости — это движение заряженных час- тиц, а такими частицами могут быть электроны и заря- женные атомы — т. е. атомы, у которых недостает од- ного или более электронов или, наоборот, имеется избы- ток электронов. Нейтральные атомы остаются неподвиж- ными под действием электрических сил, а заряженные ускоряются пропорционально их заряду и обратно про- порционально их массе. Эти заряженные атомы называ- ются ионами, что по-гречески значит странник. Атомы с недостачей электронов — это ионы положительные, а атомы с избытком электронов — ионы отрицательные. В металлах имеется много не связанных с атомами электронов; самые слабые электрические силы приводят эти электроны в движение. Поэтому металлы хорошо проводят ток и такая проводимость называется элек- тронной. Кроме металлов электронной проводимостью обладают и некоторые соединения — к примеру, сернистая медь. В стекле, бумаге, фарфоре свободных электронов при комнатной температуре нет. Эти вещества могут прово- дить ток только за счет движения ионов. Ионной проводимостью обладает также обычная соль NaCl и многие другие материалы. Есть еще вещества со смешанной проводи- мостью — это такие, в которых ток переносится и ио- нами, и электронами. Когда вещество раскалено, когда оно светится, мно- гие из его атомов возбуждены, а многие и ионизованы. В таком состоянии вещество не является изолятором. Чем прочнее химическое соединение, чем более высокая тем-
пература нужна для его разложения, тем лучше оно мо- жет работать как изолятор. Окись алюминия AI2O3 мо- жет служить изолятором при температурах около 1 0000. Окисью алюминия изолируют вольфрамовые грелки для катодов электронных ламп. Но при еще более высоком нагреве и этот материал проводит ток. При очень высо- ких температурах нет электрических изоляторов, как нет и химических соединений, существуют одни только про- водники. Правда, довольно плохие проводники с высо- ким электросопротивлением. Но вернемся снова в область комнатных температур. Вода очень хорошо очищенная — это почти изолятор. Но достаточно малейших загрязнений, чтобы вода стала проводником. В замерзшем же виде даже загрязненная вода становится довольно хорошим изолятором. Можно прокладывать по снегу голые высоковольтные провода и утечки тока почти не будет. Вода с растворенными в ней соединениями называет- ся электролитом. В электролитах свободных элек- тронов не бывает, а ток в электролитах проводится ио- нами. Поэтому ионную проводимость часто называют еще электролитической проводимостью. Электролитическая проводимость всегда связана с пе- реносом вещества. Отрицательные ионы движутся к по- ложительному полюсу — аноду, а положительные . ионы к отрицательному полюсу — катоду. Окружающий нас мир в своем естественном состоя- нии — в значительной части мир изоляторов. К ним от- носятся все газы, большинство горных пород, сухая дре- весина. Впрочем, надо заметить, что при очень сильных элек- трических напряжениях все без исключения изоляторы становятся проводниками. В них происходит пробой. Связь между частицами нарушается. В сильных электри- ческих полях нет изоляторов. Но обратное не всегда имеет место. Как бы мало ни было электрическое напря- жение, металлы не становятся изоляторами. 2-6. Не проводники и не изоляторы Существует множество веществ с сопротивлением сан- тиметрового кубика в пределах от единиц ом до килоом. Электротехника прошлого века отбрасывала подобные материалы. В то время электротехника строилась еще 78
весьма грубо. Материал должен был или хорошо прово- дить электрический ток, или изолировать его. Иначе он просто считался неэлектротехническим. В живом организме циркулируют электрические то- ки. Но в нем нет ни одной детали, которая проводила бы ток так же хорошо, как медь, или изолировала, как янтарь. Живой организм состоит из полупроводников. Одни с большим электросопротивлением, как жировые вещества, другие с меньшим, как мышцы. Современная электротехника широко применяет полупроводники. Контакт металлов и полупроводников обладает свойством выпрямлять переменные токи. Из за- киси меди, из селена строят выпрямители для зарядки аккумуляторов, для питания реле, для измерительных устройств. Различные кристаллы — как сернистый сви- нец, сернистая медь, карборунд, ферросилиций — приме- нялись как детекторы для радиоприема. В последние го- ды для сантиметровых волн, для радиолокации и много- кратной связи применяются детекторы из германия, имеющие особо хорошие качества. Контакт металла с полупроводником может генери- ровать электромагнитные колебания. Двойной контакт металла и полупроводника может усиливать электрические токи. Впервые это показал советский радиолюбитель О. Лосев 25 лет тому назад, и, быть может, такие устройства во многих случаях за- менят электронные лампы. Из полупроводников же, в частности из того же сер- нистого свинца, можно изготовить очень эффективные термоэлементы. 2-7. Токи в объеме и на поверхности В сухую погоду можно наблюдать множество элек- трических явлений. При расчесывании волос эбонитовым гребнем с гребня скачут искры. Стеклянная палочка, натертая шерстяной тряпкой, притягивает пушинки и обрывки бумаги. Но в сырую погоду всего этого не уви- дать. В сырую погоду сколько ни три стекло, смолу или янтарь, они не наэлектризуются. В сырую погоду на поверхности предметов образуют- ся тонкие пленки воды. Эти пленки обладают электро- проводностью и по ним стекают заряды. 79
При исследовании изоляторов всегда надо различать проводимость объемную, которая определяется только са- мим материалом изолятора, и проводимость поверхно- стную, зависящую и от материала изолятора, и от среды, окружающей изолятор. Изолирующие материалы, которые притягивают к се* бе влагу — гигроскопические или, как их еще называют, гидрофильные —обладают малым поверхностным сопро- тивлением во влажной атмосфере. К таким материалам относится, например, стекло. Смолы же как естествен- ные, так и синтетические большей частью являются гид- рофобными материалами. На их поверхности не так лег- ко образуется пленка воды. Поэтому смолы обладают бо- лее высоким поверхностным сопротивлением. В сухой атмосфере или в вакууме высокие изоляционные свойства имеют и гидрофильные материалы. Фарфоровые изоляторы для электротехнических уста- новок всегда покрываются с поверхности стекловидной глазурью. Шероховатая поверхность фарфора легче за- грязняется. Больше опасности, что на неглазурованном фарфоре образуется слой пыли, который затем пропи- тается водой и пропустит по поверхности изолятора боль- шие токи утечки. Но даже на глазурованных изоляторах на воздуш- ных линиях передач оседает пыль. Она состоит из песка, известняка и различных органических частиц. Сильные дожди смывают эту пыль и изолятор восстанавливает свое высокое поверхностное электросопротивление. Но когда идут только слабые моросящие дожди или стоят сильные туманы, то слой пыли напитывается влагой и по проводящим мостикам проходят большие токи утечки. Когда линия подвешена на деревянных опорах, эти то- ки могут вызвать их загорание. В других случаях разви- вается разряд по поверхности изолятора, происходит пе- рекрытие изолятора и закорачивание линии передачи. Такие перекрытия загрязненных и увлажненных изо- ляторов чаще всего наблюдаются перед восходом солнца, когда выпадает сильная роса. В некоторых странах За- падной Европы эти аварии так и называются «на восхо- де солнца». В Советском Союзе благодаря более высо- кой культуре эксплоатации эти аварии почти не наблю- даются. 80
2-8. Разные виды электрических сопротивлений Часто проводится аналогия между электросопротив- лением и механическим трением. Трение бывает разных видов и подчиняется разным законам. Разное бывает и электросопротивление. Попробуем передвинуть тяжелый предмет, стоящий на ровной плоскости. Начнем толкать, скажем, шкаф или стол. Они не сдвинутся с места, пока приложенная сила не превзойдет некоторой минимальной величины. Сила, прикладываемая к столу или шкафу, соответ- ствует в электрической аналогии напряжению на провод- нике, скорость движения предмета соответствует элек- трическому току. Отношение же силы к скорости и есть сопротивление. Предмет, который стоит на сухой поверхности, стро- нется с места, лишь когда приложенная к нему сила пре- взойдет трение покоя. Подобным же образом ведут себя в электрической аналогии вещества с проводимостью, на- зываемой ионной или электролитической. Чтобы ионы начали двигаться и вещество стало проводить электри- ческий ток, приложенное напряжение должно быть не меньше определенной величины. При более низких на- пряжениях тока нет, сопротивление бесконечно. Если тяжелый предмет стоит на смазанной маслом поверхности или, еще лучше, плавает на поверхности жидкости, то трение покоя незначительно. Скорость дви- жения предмета в этом случае будет прямо пропорцио- нальна приложенной силе. Иначе говоря, отношение силы к скорости, т. е. то, что называется сопротивлением, бу- дет величиной постоянной (в некоторых пределах, по- нятно). В электрической аналогии подобным образом ве- дут себя многие металлические проводники, проводники с электронной проводимостью. У них нет порога, ниже которого напряжение уже не способно вызывать ток. Самое слабое напряжение, приложенное к этим провод- никам, вызывает движение электронов. Ток в этих про- водниках возрастает прямо пропорционально приложен- ному напряжению. Напряжение U, деленное на ток /, для разных значений U и / дает одно и то же постоян ное значение сопротивления : R. Это соотношение названо законом Ома. На графике (фиг. 2-2) зависимость тока от напряже- ния для таких проводников представляется прямой ли- 6 Г И. Бабат. 81
Напрлжыие — Напряжений •
Фиг. 2-2. Зависимость тока от напряжения для разных видов электрических про- водников. а) Прямая линия—это про- водник, точно соответст- вующий закону Ома. б) У некоторых проводни- ков с возрастанием силы тока увеличивается их на- грев и возрастает сопро- тивление. Таким свой- ством обладает железная проволока, помещенная в водороде. На значительном участке ее характеристики сила тока не возрастает с увеличением напряжения. Такие устройства употреб- ляются для поддержания постоянства тока при ко- лебаниях напряжения, они называются барретерами. в) В высоком вакууме электронный ток от накаленного катода к холодному аноду возрастает как напряжение в степени •/,. А при некотором значении напряжения ток перестает возрастать, это — ток насыщения и напряжение насыщения. г) В газовом разряде есть участок зависимости тока от напряже- ния, на котором напряжение падает с возрастанием тока. Провод- ники с такой характеристикой называются иногда проводниками с отрицательным сопротивлением. д) В неоновой лампе падение напряжения между электродами не изменяется при колебаниях силы тока в широких пределах. Эта лампа может применяться для стабилизации напряжения. Подоб- ные специальные лампы называются стабиливольтами.
нией. Легче всего делать электротехнические расчеты, когда проводники подчиняются закону Ома. Электрики очень широко применяют этот закон. Такую электротех- нику называют линейной1. Но закон Ома — только частный случай среди множества других законов измене- ния тока в зависимости от напряжения. В общем случае зависимость силы тока от напряжения изображается на графике кривой линией. Большинство сопротивлений не- постоянны, нелинейны. Их изучением занимается нели- нейная электротехника. 2-9. Безвоздушное пространство Пространство, в котором газ разрежен, называется вакуумом. А когда разрежение настолько велико, что мо- лекула оставшегося газа может пролетать от одной стен- ки сосуда до другой, не сталкиваясь по пути ни с какой другой молекулой, то говорят, что в этом сосуде высо- кий вакуум. Такое пространство с очень сильно разре- женным газом — очень интересный конструкционный ма- териал для электриков. Когда в высоком вакууме нет электрических зарядов, он является весьма совершенным изолятором, тем более электрически прочным, чем совершеннее разрежение. В высоком вакууме зазор между двумя металлическими электродами всего лишь в 1 мм может выдержать напря- жение выше 100 тыс. в. Для заряженных же частиц безвоздушное простран- ство — это идеальный проводник. Ионы и электроны мо- гут пролетать в высоком вакууме огромные расстояния, не сталкиваясь при этом ни с какими другими частица- ми и, следовательно, совершенно не теряя своей энергии. Это свойство высокого вакуума используется в прибо- рах, предназначенных для разгона заряженных частиц до очень высоких скоростей. Такие частицы применяются для обстрела атомных ядер, чтобы вызвать ядерные ре- акции. Можно построить трансформатор со вторичной обмоткой из очень большого количества витков. Двигаясь по этим виткам, электроны все повышают свою энергию. 1 Здесь термин „линейная® надо понимать не в смысле про- тяженности. Эта подчиняющаяся закону Ома—закону прямой ли- нии—электротехника может быть и точечной, и пространственной. 6* 83
И в конце концов она может стать достаточной для ата- ки атомного ядра. Но это не самый удобный способ атаки. Можно поместить электроны или ионы в высокий ва- куум и подстегивать их там электрическими и магнитны- ми силами, пока они не наберут скорость, во много раз большую, чем та, которую можно было бы получить на самом высоковольтном трансформаторе. Есть такой прибор — бетатрон. Это стеклянная баран- ка с вакуумом внутри, охватывающая стальной сердеч- ник. Порция электронов, пущенная внутрь этой баранки, описывает там много сотен тысяч витков и с каждым оборотом электрические силы ускоряют электронный сгу- сток. А никакого сопротивления движению электроны не испытывают. Этот прибор—трансформатор без вторич- ной обмотки. Но действует он подобно трансформатору с сотнями тысяч вторичных витков. В бетатроне можно ускорить электроны так, как если бы они прошли между электродами с разностью напря- жений в десятки миллионов вольт. В этом приборе высокий вакуум ведет себя словно материал, удельное сопротивление которого равно нулю. Уже было сказано, что при помощи вакуума можно изолировать один от другого электроды, находящиеся под очень высокой разностью напряжений. Неоднократ- но предлагалось строить электродвигатели и генераторы с вакуумной изоляцией. Были осуществлены даже экспе- риментальные образцы таких устройств. В них вакуум — это материал, удельное сопротивление которого равно бесконечности. В электронных лампах электроны от накаленного катода идут к положительно заряженному аноду. В за- висимости от конструкции лампы и от ее назначения са- мые различные напряжения — от долей вольта до сотен киловольт — прикладываются к ее электродам и самые различные токи — от микроампер до десятков и сотен ампер — текут между ними. Принято говорить о внут- реннем сопротивлении электронного прибора. Это сопро- тивление есть отношение приложенных вольт к получен- ным амперам. Иногда берут отношение приращения при- ложенного напряжения к приращению полученного тока. От единиц ом до многих мегом — таковы могут быть значения внутренних сопротивлений различных электрон- ных приборов. 84
Вот какой удивительный материал высокий вакуум — его кажущееся удельное сопротивление может иметь лю- бое значение от нуля и до бесконечности. Вакуум имеет еще одну интересную характеристику, имекщую размерность сопротивления. Когда в каком-ли- бо материале распространяется электромагнитная волна, то отношение напряжения в этой волне к току в ней или, что то же самое, отношение электрической силы в волне к магнитной силе в ней называют волновым сопро- тивлением. В высоком вакууме это волновое сопротивление оди- наково для электромагнитных волн любой длины, лю- бой частоты тока и равно оно 376,6 ом. Только это со- противление совсем иное, чем активное сопротивление всех электропроводных материалов. На волновом сопро- тивлении вакуума не теряется никакой мощности. Волновое сопротивление относится ко всему объему, занимаемому плоской волной. А если задается напряже- ние в вольтах на 1 ом пространства волны и требуется определить плотность тока на 1 см2, то надо волновое сопротивление множить на 7б длины волны (приблизи- тельно) и делить вольты на это произведение. 2-10. Рабочая температура ЮООООР Ослепительным белым жаром пышет расплавленная сталь. Она нагрета до 1 500°. На поверхности Солнца температура около 6 000°. Все вещества при этой темпе- ратуре находятся в газообразном состоянии. Можно ли создать на земле температуру, в десятки раз превышаю- щую видимую температуру поверхности Солнца? Да, можно. И очень простыми средствами. Во многих электротехнических приборах конструкционные материа- лы в работе имеют температуру в десятки тысяч граду- сов. И эту температуру они выдерживают не какой-ни- будь короткий момент, а длительно: часы, месяцы, годы. Многие из вас наблюдали работу этих приборов, не зная о царящих в них космических температурах. Вещество с температурой в десятки тысяч градусов находится внутри стеклянных или металлических холодных сосудов. Еще одно интересное свойство имеет это раскаленное веще- ство — 1 м3 его весит часто меньше 1 г. Легко догадаться, о каком материале идет речь. Ку- бометр воздуха при атмосферном давлении и 0° весит 85
1,29 кг. Меньше 1 г может весить кубический метр силь- но разреженного газа. Разреженные газы и пары металлов применяются в качестве проводников тока в приборах, которые назы- ваются ионными. В этих приборах разрежение не так велико, как в приборах с чисто электронным разрядом. Вакуум внутри ионных приборов невысокий. Когда в ионном приборе движется электрон, то он на своем пути встречает атомы! газа. Электрон сталкивается с ними, выбивает из них электроны, превращает эти ато- мы в заряженные ионы. Потому-то эти приборы и назы- ваются ионными, в их разрядном пространстве помимо электронов всегда присутствуют еще и ионы. К ионным приборам относятся газосветные лампы, ртутные преобразователи и многие другие. Молекулы всех тел находятся в непрестанном движе- нии и температура — мерило этой энергии, энергии без- устанного хаотического движения. В воздухе, например, при 20° молекулы азота и кислорода имеют среднюю скорость в несколько сотен метров в секунду. Понятие температура можно приложить не только к сборищу нейтральных молекул, но и к сборищу электро- нов и ионов, если только эти заряженные частицы дви- жутся так же хаотически, как молекулы в газе, как мош- ки над прудом в тихую погоду. Заряженной частице можно сообщить скорость дей- ствием электрических сил. Чем большую разность напря- жений пройдет заряженная частица, тем большую ско- рость она приобретет, тем большую энергию накопит. Когда заряд частицы равен заряду электрона, то, пройдя разность напряжений всего лишь в 1 в, она будет иметь такой же запас энергии, как атом газа, нагретого до тем- пературы примерно 7 500°. А при комнатной температу- ре атом газа имеет среднюю энергию меньше четырех сотых электронвольта. Если имеется скопление электронов и ионов, разо- гнанных до напряжений в среднем 10 в, то этому скоп- лению надо приписать температуру 75 000°. 2-11. Плазма Смесь электронов и ионов в разреженном газе назы- вается плазмой. Она образуется, когда достаточно большой ток проходит через газ. Из катода в плазму по- 86
ступают электроны со скоростями до нескольких десят- ков вольт. Потерявшие скорость электроны извлекаются из плазмы анодом. Ионы все время образуются в плазме вследствие ударов электронов о нейтральные атомы. Не- которые атомы под ударами электронов приходят в воз- бужденное состояние и затем испускают избыток своей энергии в виде светового излучения. Электроны, ионы и нейтральные атомы непрестанно сталкиваются между собой в плазме и обмениваются энергией. Но электрические .силы все время возмущают устанавливающееся равновесие. Поэтому в плазме разные частицы движутся с разными скоростями и имеют разные запасы энергии. Самую большую скорость и энергию, а следовательно, самую высокую температуру имеют элек- троны. Температура электронов — это десятки тысяч гра- дусов. Ионы имеют меньшую среднюю энергию, и, сле- довательно, меньшую температуру. А нейтральные атомы находятся в плазме при еще более низкой температуре. Наконец, есть еще и четвертая температура, темпера- тура стенок сосуда, заключающего в себе ионизирован- ный газ. Это самая низкая из всех связанных с ионным разрядом температур. В паровом котле самая высокая температура — в топ- ке, пониже — температура стенок стальных трубок и еще ниже — температура воды внутри трубок. В котле раз- ные температуры находятся в удаленных! одна от другой зонах. В ионной же плазме частицы с разными темпера- турами тесно перемешаны. Когда плотность газа мала, то разность температур между электронами, ионами и нейтральными атомами велика. Над входами метро, у кино-театров, ресторанов, горят красные и синие огни реклам. В стеклянных трубках находится неон или аргон при давлении меньше !/юо ат- мосферы. Плотность газа внутри газосветных трубок мала. Электроны здесь имеют температуру в десятки тысяч градусов, а нейтральные атомы только в сотни градусов. Чем больше плотность газа, в котором происходит электрический разряд, тем больше столкновений с ней- тральными атомами претерпевают электроны и ионы во время своего движения в разрядном пространстве. И тем больше сближаются между собой температуры ионов, электронов и вентральных атомов. 87
Фиг. 2-3. Продольный разрез современного газотрона. Показан прибор, который пропускает ток до .0 а и вь доживает оогатное на- пряжение до 20 000 в. На дне стеклянного баллона газотрона лежит капля рту1и и поэтому баллон газотрона заполнен ртут- ньм паром. Его давление при комнатной температу- ре меньше одной миллион- ной атмосферного давле- ния. Когда на аноде газот- рона напряжение положи- тельно, то электроны, ис- пускаемые катодом, иони- зируют ртутный пар. Про- странство между анодом и катодом газотрона запол- няется ионной плазмой, которая проволит ток. Плазма содержит возбуж- денные атомы ртути и по- этому испускает видимое свечение Но в газотроне, изображенном на этом ри- сунке, свечение не должно бьть видно. Анод здесь полностью охватьваег ка- тод, и при нормальной ра- боте плазма не должна выползать за пределы ано- да. Если же из-под анода появляется голубое све- чение и заполняет собой весь баллон, значит катод газотрона истощился и па- дение напряжения в газо- троне возросло. При нор- мальной работе падение напряжения в газотроне не зависит' от силы проходящего через него тока й не превышает 15 в. Коэффициент полезного действия этого прибора при выпрямлении высоких напряжений боль- ше 99%. Срок службы больше 10 000 час. В электрической дуге, которая горит при атмосферном давлении, температура электронов и ионов — несколько тысяч градусов, а температура нейтральных атомов не- многим меньше. Неправда ли, это звучит довольно странно, что в дуге, которая плавит и сжигает самые жаростойкие материа- лы, ионы и электроны «холоднее», нежели в газосветной трубке или в газотроне (фиг. 2-3), стеклянйые баллоны которых чуть теплы наощупь. В канале разряда молнии температура электронов и ионов меньше, нежели в голу- боватом облачке, которое виднеется между катодом и анодом газотрона. В электронно-ионной плазме высокая температура отдельных частиц сочетается с их очень малой концен- 88
трацией. Общее количество энергии, заключенной в еди- нице объема плазмы, ничтожно. Чтобы производить сильное воздействие, нужна не только высокая температура отдельных частиц, но и их большое количество. Поэтому остаются холодными элек- троды и стеклянный баллон, окружающие ионный разряд в разреженных газах. И более высокие, нежели в элек- тронной плазме, температуры возникают непрестанно вокруг нас, даже внутри нас и остаются незамеченными. При ядерных реакциях, например, температуры измеря- ются многими миллионами градусов. Когда распадается значительное количество ядер урана U-235 или плуто- ния — это взрыв, сжигающий все вокруг. Но под уда- рами космических лучей все время распадаются отдель- ные единичные атомы в земной атмосфере, в человече- ских телах, во всех предметах. Эти реакции идут в малом масштабе и окружающая материя остается холодной. Электронно-ионную плазму можно поместить на графике фиг. 2-1 среди прочих проводников и изолято- ров. Она расплывается по всему графику, как туман. Понятие «удельное сопротивление плазмы» — это нечто неопределенное, расплывчатое. При некоторых условиях электронная плазма прово- дит ток так же хорошо, как и металлы. И плотность то- ка в плазме допускают иногда даже большую, чем в ме- таллических проводниках. В разрядном столбе газосвет- ных ламп высокого давления плотность тока бывает в десятки ампер на квадратный миллиметр. В других случаях плазма имеет характеристики полу- проводника. Плотности тока в ней — меньше миллиам- пера на квадратный сантиметр. Высоко в атмосфере находится слой ионизованных газов, слой своеобразной плазмы. Вернее, это даже не один слой, а несколько. И высота этих слоев, и концентрация заряженных частиц в них меняются в течение суток. Ионизация силь- но зависит от солнечной радиации. В этих слоях разы- грываются северные сияния — разновидность безэлек- тродных разрядов. Эти слои определяют условия распро- странения радиоволн. Длинные волны идут, как в кори- доре между поверхностью земли и ионизованным слоем атмосферы. Короткие радиоволны распространяются в виде лучей. Они отражаются от ионизованной оболочки стратосферы, как от зеркала, преломляются в этой обо- 89
лочке. Изменения в состоянии этой оболочки вызывают колебания силы радиоприема, замирания и пропадания радиосигналов. Небесные лучи (т. е. те, что отразились от ионизованного слоя) взаимодействуют с земными. Не- бесный и земной лучи то складываются, усиливая прием, то вычитаются, вызывая замирание. При некоторых условиях радиолуч может пробить не- видимую электромагнитную броню земли и безвозвратно уйти в межпланетное пространство. 2-12. Сжатые газы Между двумя металлическими шариками радиусом в 1 см каждый, находящимися один от другого на рас- стоянии также в 1 см, электрический пробой в воздухе при нормальном атмосферном давлении произойдет при напряжении около 30 тыс. в. Если увеличить давление воздуха, окружающего шарики, вдвое, то почти вдвое же возрастет напряжение пробоя. Электрическая прочность всех газов возрастает с по- вышением их давления. Сжатыми газами наполняют конденсаторы. Они рабо- тают с малыми потерями при самых высоких частотах. Хорошо работают при самых высоких напряжениях кабели, в которые, вместо пропитки бумажной изоляции смолами или маслом, накачивается сжатый азот. Сжатые газы — очень хороший изоляционный мате- риал. Но применение этого материала довольно хлопот- ливо (фиг. 2-4). Трудно так герметизировать установку, чтобы совершенно предотвратить утечку газа. Все уст- ройства, в которых применяется изоляция из газа под давлением, снабжаются манометрами. Когда видно, что давление начинает падать, в систему добавляют газа. ^Мощные высокочастотные конденсаторы для радиопере- датчиков приходится подкачивать один раз в несколько месяцев. Обычно применяется давление не выше 20 ат. Иначе чрезмерно возрастает стоимость оболочки, которая за- ключает в себя газовую изоляцию и должна надежно выдерживать ее давление. Для изоляции под давлением чаще всего применяется чистый сухой азот. Его легче всего получить, он дешев и не воздействует химически ни на металлы, ни1 на изо- ляционные вещества. Предлагались для изоляции под 90
Фиг. 2-4. Рентгенов- ская установка на на- пряжение 1,5 млн.в. Подобные установки при- меняются в медицинской практике, а также в про- мь тленности для просве- чивания больших отливок с целью выявления в них скрытых пороков. В представленной установ- ке и сама трубка, и пи- тающий ее высоковольт- ный трансформатор нахо- дятся в прочном стальном баке, который заполнен сжатым пзом. Электриче- ская прочность сжатого газа высока и поэтому вся установка получилась ком- пактной. Диаметр сталь- ного бака 0,9 м. Вес всей установки 700 кг. Если бы была применена воздуш- ная изоляция при атмо- сферном давлении, то уста- новка имела бы в несколь- ко раз большие габариты. 7 — катод рентгеновской трубки; 2, 3 —промежуточ- ные электроды рентгенов- ской трубки; 4 — стягиваю- щий болт, сделанный из стекла; 5—первичная об- мотка трансформатора; б— дроссель регулировки на- кала; 7 — обмотка накала; б—вторичная высоковольт? ная обмотка трансформа- тора: 9 — стально*» ягмо; 10 — изолирующий привод дросселя накала, 11 — вы- вод промежуточного элек- трода; /2—стеклянные сек- ции оболочки рентгеновс- кой трубки; 13 —двигатель привода регулировки нака- ла; 14— анод рентгенов- ской трубки. давлением специальные газы, обладающие в несколько раз более высокой электрической прочностью, чем воздух или азот. Таков, например, элегаз (шестифтористая сера), предложенный в Ленинграде. Но они пока широкого распространения не получили, отчасти из-за большей сложности применения, а также из-за того, что при про- бое эти газы разлагаются. А продукты разложения уже не обладают такими высокими электрическими качест- вами. 2-13. Проволока В старинных легендах рассказывается об искусных мастерах, которые разбивали золото в листы, затем раз- 91
резали эти листы на нити и вплетали их в ткани между разноцветными шерстяными нитями. Искусство изготовле- ния проволоки известно с таких же давних времен, как и искусство ковки мечей и копий. Проволока из драго- ценных металлов применялась для украшений, а желез- ная проволока — для изготовления кольчуг. Около 10 в. нашей эры появляются сведения об изго- товлении проволоки тем же способом, который приме- няется и в настоящее время — волочением через отвер- стия в прочной доске. Сохранились и изображения мастерских, где выделы- валась проволока. Волочильная доска укреплялась на двух низких столбах. Работник садился перед нею на ка- чели, подвешенные к потолку, захватывал конец прово- локи прицепленными к его поясу клещами у самой дос- ки, и, упираясь ногами в столбы, отталкивался назад. Затем, отпустив клещи и согнув ноги, он силою тяжести возвращался в прежнее положение близ доски, перехва- тывал снова клещами проволоку и вытягивал новый ее кусок. Позже к изготовлению проволоки применили силу во- дяного колеса. Клещи через кривошип соединялись с мельничным колесом. Работник должен был только пе- рехватывать проволоку. «Проволочные мельницы» рас- пространились по всей Европе. Искусство изготовления проволоки было высоко раз- вито в древней Руси (фиг. 2-5). В Киеве, Новгороде, Чер- нигове и многих других русских городах в больших ко- личествах производилась проволока из железа и цветных металлов. Она расходовалась не только для собственных нужд, но и вывозилась за границу. Русские ремесленники изобрели волочильную скамью— предшественницу современного барабанного волочильно- го станка. На одном конце скамьи был устроен деревян- ный ворот. На его барабане закреплялся конец проволо- ки. Затем, вращая ворот, ремесленник постепенно протя- гивал металл через отверстие в волочильной доске, укрепленной посредине скамьи. Таким способом можно было получать проволоку большой длины, а впрочем очень длинные проволоки в те времена никому не были нужны. В середине 17 в. в России строились уже целые воло- чильные цехи. В начале 18 в. на Урале работало 16 во- лочильных станов. Они приводились в действие водяными 92
Фиг. 2-5. Волочильная скамья русских ремесленников 10 в. двигателями. В 1726 г. на уральских заводах было выра- ботано более 45 т проволоки. До возникновения промышленной электротехники известна была только голая проволока. Когда Фарадей делал (в 1831 г.) свое первое «кольцо» — железную ба- ранку с двумя обмотками — и изучал на этом приборе законы электромагнитной индукции, то обмотку он вы- полнял из голой проволоки. Он располагал витки так, чтобы они не касались один другого, оборачивал каждый слой витков несколькими слоями холста, а поверх клал новый слой голой медной проволоки. Во второй половине прошлого века уже существовали различные сорта изолированной проволоки, но она была еще очень дорога и часто предпочитали выполнять обмотки из голой проволоки. В те годы большие индукционные катушки с искрой до полуметра изготавливались из голой проволоки. Между витками проволоки прокладывалась нитка или же пользовались обмоточным станком, который так точно накладывал витки, что между ними всюду оставался достаточный зазор. А между отдельными слоями обмот- ки прокладывалась вощеная бумага. Но при такой на- 93
мотке трудно было получить хорошее заполнение медью сечения катушек. С развитием электротехнической промышленности совершенствовалась и техника изоляции проволоки. Весьма распространена изоляция проволоки тонкой бу- мажной ниткой (изредка применяют и шелковую нитку). Обмотку ниткой ведут в один слой или в два. Самая толстая проволока, применяемая в электротех- нике, имеет сечение до 100 мм2. Бывают проводники и во много раз большего сечения, но они уже не называются проволокой. Самая тонкая проволока диаметром в 1 м применяет- ся для чувствительных электроизмерительных приборов. Ее изготовляют так: на платиновую проволоку электро- литическим путем наращивают серебряную оболочку. Получившуюся серебряную проволоку протягивают до толщины нескольких микрон. Затем серебро стравляют кислотой, и остается тончайшая платиновая нить. Она в несколько десятков раз тоньше человеческого волоса. Иногда в электротехнике вместо металлической прово- локи применяются посеребренные кварцевые нити (они имеют большую прочность и упругость, чем металл). На таких нитях иногда подвешивают подвижную систему в чувствительных электрометрах. Самый ходовой материал в электротехнике — это медный провод диаметром от десятой миллиметра до двух, трех миллиметров. Для изготовления обмоток часто применяют не круглую проволоку, а медь прямоуголь- ного сечения. При этом получается лучшее заполнение сечения мэдью. В нас’^чщее время для изоляции проволоки ее чаще всего покрывают эмалью — протягивают через ванночку с жидкой эмалью, а потом через электрическую сушиль- ную печь. Иногда такое покрытие повторяют несколько раз. Слой эмали может выдержать напряжение до 100 в. Эмальпровод — самый распространенный вид обмоточ- ного проводника. Много идет в современной электротех- нике и голых медных проводников: для монтажа, для изготовления высокочастотных катушек. Для контактных сетей трамваев и электропоездов при- меняется проволока не круглая, а восьмерочного сечения. Такую проволоку удобно закреплять в держателях. Токоприемники подвижного состава не задевают за дер- жатели при движении. 94
2-14. Волны в проводниках и вдоль проводников Когда на проводник действует переменное напряже- ние, ток проходит лишь в поверхностном слое провод- ника. Толщина этого «поверхностного слоя» зависит от частоты тока. Она падает обратно пропорционально корню квадратному из частоты тока. Для тока с часто- той 50 гц поверхностный слой, в котором сосредоточи- вается большая часть тока, имеет толщину около 10 мм. А при частоте 50 тыс. гц ток идет в слое толщиной только 0,3 мм, внутренняя часть проводника током не нагружена. Электрики-низкочастотники обычно говорят: «с повы- шением частоты ток вытесняется к поверхности провод- ника». Высокочастотник выразится иначе: «с повышением частоты глубина проникновения электромагнитной волны в металл уменьшается». Не стоит спорить, как правиль- нее рассматривать процесс: идя от центра проводника к его поверхности или, наоборот, проникая из ’’иэлектрика в прилежащую к нему поверхность проводника. Это все равно, что спрашивать: что больше — полупустая или полуполная бочка? Конечный числовой результат получается один и тог же независимо от того, каким бы приемом ни выводи- лась формула. В меди ток сосредоточивается в слое тол- - 67 „ , щиной -г= мм. Для других металлов числитель формулы имеет другое значение (для холодной магнитной стали, например, 20, а для расплавленной стали около 1 000), но в знаменателе этой формулы всегда стоит корень из частоты. Когда необходимо применить медный проводник боль- шого сечения и желательно для уменьшения потерь все это сечение равномерно нагрузить током, то применяют- ся транспонированные проводники. Они сплетаются из отдельных тонких изолированных проволочек. Каждая из проволочек то идет по поверх- ности, то ныряет в середину проводника. Так как про- волочка изолирована, ток вынужден итти по ней, следуя всем ее изгибам. Из таких транспонированных провод- ников изготовляются обмотки всех мощных турбогенера- торов. При частоте тока 50 гц применяются транспони- рованные проводники и в электродвигателях, и в транс- форматорах, во всех случаях, когда необходимо иметь 95
Фиг. 2-5а. Стержни обмоток статора крупных машин переменного тока. У этих стержней велико сечение меди и, чтобы равномерно распределить по нему ток, стержень выполняется из нискольких изолированных друг от друга тонких проводников. Отдельные проводники так переплетены, что каждый из них прохо/ит по очереди то в верхней, то в нижней части сечения стержня. а) Витой стержень. Многие отечественные крупные заводы применяют подобное исполнение. б) Стержень с перекладкой. большое сечение меди — больше, чем несколько десятков квадратных миллиметров, и когда желательно равномерно распределить токи по всему этому сечению (фиг. 2-5а). Чем выше частота тока, тем тоньше* должны быть отдельные жилки в транспонированном проводнике. Для тока с частотой в 100 кгц надо сплетать проводник из жилок не толще !/ю мм каждая. А для более высоких частот такой проводник уже непригоден. Вместо много- жильных транспонированных проводников для токов вы- соких частот часто применяют трубчатые проводники — попросту медные трубки. Они хороши еще тем, что по ним можно пропускать охлаждающую воду и избегать перегрева даже при очень больших плотностях тока. Для индукционных печей всегда применяются трубчатые про- водники. Применяются трубчатые полые проводники и в дру- гих случаях — для высоковольтных линий передач. В этих линиях провода должны иметь достаточно боль- шой диаметр, чтобы с них не возникал самопроизволь- ный электрический разряд — корона. А сечение в этих проводниках особенно большое не требуется. Вот и де- лают их полыми. Но провода эти должны быть гибкими, и их выполняют из отдельных медных фасонных провод- ников, которые сцепляются между собой, как клепки в бочке. 96
Чтобы повысить прочность линий передач, применяют сталеалюминиевый провод. На стальной трос наклады- ваются сверху алюминиевые проводники. По ним идет гок, а сталь служит для поддержки, но ни в коем слу- чае не годится выполнять этот провод, обматывая алю- миниевую жилу сталью. На первый взгляд, казалось бы, разница невелика. В обоих случаях провод состоит из комбинации стали и алюминия. Алюминий, казалось бы, обеспечивает элек- тропроводность, а сталь придает прочность. И если сталь поместить снаружи, то провод будет еще прочнее. Про- вод, у которого снаружи сталь вместо алюминия, меньше повреждается при раскатке, надежнее держится в за- жимах. Но в толстом проводнике переменный ток течет толь ко в поверхностном слое. При частоте 50 гц ток прони* кает в сталь не больше чем на 3 мм. Если поверхности ный слой больше чем на 3 мм состоит из стали, то со* противление всего провода будет велико. Алюминий в центральной части провода не будет нагружен током. Чтобы использовать алюминий, надо обязательно уло- жить его по поверхности проводника. При очень высоких частотах — несколько десятков миллионов герц (такие частоты применяются, например, для передачи телевидения) —глубина проникновения то- ка в металл составляет всего лишь сотые доли милли- метра. В таких высокочастотных устройствах токонесу- щие детали часто делаются стальными и покрываются тонким слоем серебра. Внутренность проводника совер- шенно не влияет на его сопротивление. При этих высоких частотах сопротивление очень сильно зависит от состоя- ния поверхности. Слой окислов может увеличить сопро- тивление в несколько раз. Слой краски или лака также может значительно увеличить сопротивление и потери. В высокочастотных устройствах все это надо иметь в ви- ду. При низких же частотах состояние поверхности не влияет на сопротивление. 2*15. Бумажная электротехника Прилагательное «бумажная» слишком часто приме- няется иронически для обозначения вещей, известных только в проектах, в предположениях, не осуществленных на практике и чаще всего не пригодных к осуществлению. 7 Г. И. Бабат. 9?
Но заглавие этого раздела совершенно точно, в йрйМоМ смысле передает суть дела. Бумага—один из основных конструкционных материалов современной электротех- ники. Телефонные и силовые кабели выполняются с бумаж- ной изоляцией. В генераторах, электродвигателях, изме- рительных приборах, конденсаторах бумага применяется в чистом виде или в виде различных препаратов. Бумага — это войлок, свалянный из растительных во- локон. Самые распространенные толщины листов — от сотых до десятых долей миллиметра. Производство бумаги начало широко развиваться только после изобретения книгопечатания. В начале 17 в. бумага вырабатывалась в России на бумажной фабрике, которая была устроена в селе Иван- теевка на р. Уче в 30 км от Москвы. Развитием бумаж- ного производства в России много занимался Иван Гроз- ный, построивший при Московском печатном дворе бу- мажную мельницу. При Петре Первом писчебумажное производство при- няло уже широкие размеры. В дореволюционные годы бумагу изготовляли преи- мущественно из старого тряпья. В настоящее время ос- новное сырье для бумажной промышленности — это дре- весина. Предприятия лесной и бумажной промышленности СССР все увеличивают выпуск продукции и осваивают производство новых видов бумаги, картона и других из- делий, широко применяемых в народном хозяйстве страны. После войны в СССР начат выпуск бумаги, которая отличается высокой прочностью и непромокаемостью. Из этой бумаги вырабатывают прочную тару, в ткацком про- изводстве ее применяют при изготовлении основы. Совет- ским изобретателям удалось получить электропроводя- щую бумагу. Пластины, сделанные из нее, уже находят применение при изготовлении электронагревательных приборов. На Марийском бумажном комбинате из этого материала были изготовлены мембраны для микро- фонов. Для репродукторов радиоприемников вырабаты- вается бумага, называемая акустической. Ее механиче- ские свойства таковы, что репродукторы с конусами из 98
акустической бумаги чисто и без искажений воспроизво- дят звук. Большое количество бумаги идет в электротехнике для изоляции кабелей. 2-16. История электрического кабеля В 1812 г. П. Л. Шиллинг в Петербурге произвел взрыв мины с помощью провода, изолированного каучуковыми лентами и проложенного по дну Невы. Это был первый в мире подводный кабель. В 1847 г. был построен пресс для наложения на ка- бели бесшовной гуттаперчевой изоляции. Гутгаперча — это затвердевший сок (смола) некоторых тропических де- ревьев. Она очень своеобразный материал. В воздухе гуттаперча легко окисляется и теряет свои свойства, в воде же оказывается весьма стойкой. Кабели с гутта- перчевой изоляцией хороши для подводных прокладок. В 1851 г. по дну морского пролива Па де Кале между английским городом Дувром и французским Кале был проложен кабель с гуттаперчевой изоляцией. По этому кабелю была впервые осуществлена телеграфная связь между Англией и Францией. В 1856 г. была начата про- кладка телеграфного кабеля через Атлантический океан между Европой и Америкой. Несколько раз кабель об- рывался. Но в конце концов в 1866 г. первый транс- атлантический кабель начал работать. Первые подземные кабели сильного тока появляются позже кабелей связи. В конце ’ прошлого века началось сооружение первых электрических станций общего поль- зования, и тогда выявилась необходимость подземного распределения электрической энергии в больших городех. А. Н. Лодыгин в Петербурге в своих первых опытах по электрическому освещению применял медные проводники, изолированные гуттаперчей. Несколько лет спустя в 1880 г. была проложена первая подземная силовая сеть в Берлине. Она состояла из семи медных проводников сечением в 4 мм2, изолированных гуттаперчей. Провод- ники были проложены в железных трубах. Нагрузка каждой из жил равнялась 7 а при напряжении 220 в постоянного тока. В 1882 г. в Нью-Йорке проложили подземную сеть постоянного тока, состоявшую из медных штанг, изоли- рованных проасфальтированным джутом и проложенных 7е 99
в железных трубках длиною около 6 м. Затем трубы за- полнялись еще асфальтовым составом. В период 1880—1890 гг. электротехники России и Центральной Европы сосредоточили свое внимание на налаживании массового производства освинцованных ка- белей и усовершенствовании их конструкции. В Англии же и США проводились многочисленные попытки найти какой-либо удовлетворительный метод подземной переда- чи электрической энергии при напряжении порядка 2 000 в переменного тока, применяя голые проводники или про- водники, обладающие одной только электрической изо- ляцией, без оболочки для защиты от сырости. Американ- цы и англичане пытались защитить свои проводники от соприкосновения с влагой при помощи разного рода под- земных конструкций. Они хотели соорудить такую под^ земную канализацию, которая была бы совершенно вла- гонепроницаема и в которой можно было бы проклады- вать проводники, изолированные только обмоткой из пряжи и джута. Огромные средства были затрачены на эти опыты. Но в 1888 г. американские электрики вынуждены были признать: «Опыт, полученный в Вашингтоне, приводит к выводу, что нельзя найти изоляцию, которая бы рабо- тала 2 года при напряжении в 2 000 вольт. В Чикаго все установки вышли из строя, за исключением освинцо- ванных кабелей, которые дали более или менее удовле- творительные результаты. В Мильуоки были испробова- ны и забракованы три различные системы. В Детройте был забракован кабель, проложенный в канализации си- стемы Дорсетта». С того времени во всех странах во всем мире для подземной прокладки как телефонных, так и сильноточ- ных линий исключительное применение получил кабель со свинцовой защитной оболочкой. 2-/7. Силовые кабели Токонесущая жила скручивается из медных или алю- миниевых проволок. Кабели на малую передаваемую мощность имеют сечение жилы 10—16 мм2. Больше 100 мм2 сечение жилы избегают применять, кабель по- лучается слишком толстым и неудобным в обращении. Жилу кабеля обматывают бумагой. Бумага нарезана в виде узких полосок. Эти полоски наматываются во 100
много слоев. Чем выше напряжение, на котором должен работать кабель, тем больше слоев бумаги наматывают на жилу. Обмотанный провод варят в больших котлах, чтобы бумага пропиталась смолистыми составами. А затем прессом одевают поверх бумаги свинцовую оболочку (фиг. 2-6 и 2-7). Если кабель предназначается для прокладки непо- средственно в земле или через реку, то для предохране- ния его от повреждений поверх свинцовой оболочки оде- вается броня из стальных лент или проволок. Производство кабелей — важная отрасль электротех- ники. Стоимость продукции кабельных заводов состав- ляет в разных странах 30—60% от общей стоимости продукции всех предприятий электротехнической промыш- ленности. Стоимость кабельных сетей составляет до 75 % от общей стоимости крупных городских электротехниче- ских систем. Продольное заполнение Фиг. 2-6. Трехфазный кабель с секторными жилами. При такой форме жил получается лучшее использование сечения кабеля. Чтобы еще улучшить заполнение сечения токопроводящих жил, они выполнены из проволок неодинакового диаметра. Фиг. 2-7. Однофазный высоковольтный ка- бель с полой жилой. Внутри жилы видна спиральная пружина. 101
Фиг. 2-8. Вертикальная изолировочная машина. Изолируемый провод проходит по оси вращающегося „фонаря". На каждом фонаре устанавливается 10—12 бумагообмотчиков. При обмотке круглой проволоки сече- нием до 6 мм* ширина бумажной ленты бывает в пределах от 5 до 10 мм. Ско- рость изолировки у этих машин составляет 20—40 м в минуту. Бумажные ролики помещаются между особыми тарелками, которые прижимаются пружинами. Этим создается тормозное усилие, необходимое для плотной укладки бумажной изоляции. Покрытая изоляцией жила поступает на тяговую шайбу в верхней части машины, а оттуда идет на приемный барабан. Неотъемлемая часть кабельной проводки — это муф- ты. Отдельные куски кабеля сращиваются между собой соединительными муфтами, конец кабеля за- вершается концевой муфтой. 2-18. Вести издалека Самый зычный голос, в наилучших условиях слыши- мости, не может преодолеть расстояния в несколько кило- метров. А электрический ток, порожденный звуками ре- чи, легко передается на десятки, а с применением про- межуточного усиления — и на сотни километров. При телефонном разговоре звуковая волна в воздухе прохо- дит лишь сантиметры, а порожденные ею электрические колебания могут обежать вокруг земного шара. 102
Фиг. 2-9. Вертикальный свинцовый пресс. Здесь на изолированный кабель накладывается влагонепроницаемая свинцовая оболочка. Чем больше меди затратить в телефонных проводах и чем лучше сделать изоляцию вокруг них (самая луч- шая изоляция это воздух), тем на более далекое расстоя- ние можно передать телефонный разговор без промежу- точного усиления. Но тем дороже будет стоить телефон- ная линия. А если сделать и проводники, и изоляцию линии тонкими, то она будет дешевой, но токи будут быстро затухать. ЮЗ
В результате многолетних теоретических исследова- ний и практического опыта был выработан современный тип телефонного кабеля, который применяется теперь во всех наших городах. Телефонные токи передаются по медным жилам диа- метром 0,5 или 0,6 мм. Поверх жилки треугольничком складывают бумажную ленточку и обматывают ее нит- кой, чтобы бумага не развернулась. Две такие жилки скручиваются, чтобы образовать пару. В этой конструк- ции бумага не плотно прилегает к меди. Бумага только обеспечивает требуемый зазор между медными жилами, а изоляция создается воздухом. Отдельные пары свива- ются в кабель. В кабеле может быть 5, 10, 20 жил — это маленькие кабели. Их заводят в отдельные дома. Под улицами прокладываются большие магистральные кабели на несколько сотен пар. Иногда изготовляются телефонные кабели на 2 400 пар. И во всех таких кабе- лях изоляцией являются воздух и бумага. Фиг. 2-10. Фонарная машина для наложения проволочной брони на электрический кабель. Освинцованный кабель протягивается слева направо роликами А. Вокруг кабеля вращаются катушки, с которых сматывается стальная проволока» 104
Жилы обмо- тать лентой и окрасить эмалью Уровень. Подмотка Поясная изоляция Свинцовая оболочка Фарфоров втулки Подмотка Хомут Фарфоровая пластина Заземляющие медные проволоки 4*2,5кв мм Винт 1/4"*Ю для заземления Фиг. 2-11. Концевая муфта для трэхфазного кабеля. Скрученные жилы обматываются сверху бумажной или миткалевой лентой, а затем на нее напрессовывается свинцовая оболочка. Она предохраняет кабель от влаги. В городе такие кабели чаще всего прокладываются в специальной канализации: в устроенных под тротуара- ми бетонных или керамических каналах или в асбоце- ментных трубах. Для такой прокладки свинцовую обо- лочку ничем не защищают. Если же телефонный кабель должен быть уложен в землю или воду, то поверх свинца, как и в силовых ка- белях, надевают стальную броню. 105
Бумажная лента Медная Жила д у'шш Нитка I Фиг. 2-12. Телефонные кабели. Вверху показан проводник кабеля, служащий для соединения абонента с теле- фонным узлом. Вокруг медной жилы диаметром 0,5 мм складывается треуголь- ником бумажная лента и обматывается ниткой. Посредине: слева — поперечное сечение, справа — подготовленный к разделке конец кабеля на 1 200 пар. Внизу —проводник для соединительных линий между отдельными районными АТС. Этот проводник несет большую нагрузку, лучше используется, нежели абонент- ский, поэтому он имеет конструкцию, более дорогую, но зато с меньшим затуха- нием, нежели абонентский проводник. Соединительный проводник имеет медную жилу диаметром 0,6 мм. Эта жила обмотана сначала бумажным жгутиком (кордэлем), а затем поверх жгутика бумажной лентой. Благодаря тому, что жгутик намотан с большим шагом, жила окружена в основ- ном воздухом. Это и уменьшает затухание. 2-19. Конденсаторы Своеобразная область применения изоляционных ма- териалов — это конденсаторы. Толща изоляции, находя- щаяся между двумя металлическими обкладками, — это резервуар, в котором накапливается запас электрической энергии. В разных схемах конденсаторы работают по-разному. В высокочастотных установках — в радиопередатчиках, в установках для нагрева — энергия подается в конден- 106
сатор на стотысячные или миллионные доли секунды, а затем энергия нацело» уходит из конденсатора. Конденса- торы, предназначенные работать в таком режиме быстрого накопления и быстрой же отдачи энергии, называются контурными. Они составляют часть колебательного высокочастотного контура. Контурные конденсаторы должны иметь самую высококачественную изоляцию. В них часто применяется керамика — например, одна из разновидностей фарфора — стеатит. Диэлектрическая по- стоянная этого материала около 6. Стеатитовые конден- саторы прекрасно работают на частотах от 100 тыс. до 1 млн. гц. Другой распространенный для контурных конденса- торов керамический материал составляется из двуокиси титана. Его диэлектрическая постоянная бывает 50—60, т. е. в 10 раз больше, нежели у стеатита. Титановые кон- денсаторы выгодно использовать и на более низких ча- стотах (до 10 тыс. гц). Б последние годы ведутся исследования конденсато- ров, изоляция которых имеет диэлектрическую постоян- ную в несколько тысяч. Такими свойствами обладает вин- нокаменная соль, титанат бария. В толще материала с такой диэлектрической постоянной можно накапливать большие количества электрической энергии. Но эти ма- териалы очень капризны, с изменением температуры их диэлектрическая постоянная также сильно меняется. Диэлектрическая постоянная меняется и с величиной при- ложенного к конденсатору напряжения. Форма кривой напряжения сильно искажается. Иногда это свойство может иметь полезные применения. Колебательный кон- тур с таким конденсатором может умножать частоту подводимого к нему тока. Но часто искажения кривых токов и напряжений недопустимы. Будущее покажет, найдут ли эти конденсаторы широкое промышленное при- менение. Во многих установках напряжение на конденсаторах почти совершенно постоянное. Назначение этих конден- саторов — только пропустить через себя небольшую пе- ременную составляющую тока. В таком режиме рабо- тают фильтровые конденсаторы, сглаживающие вы- прямленный ток, и разделительные конденсаторы в генераторах с электронными лампами. Электрическая энергия в этих конденсаторах находится на долгосрочном храпении. К изоляции этих конденсаторов можно предъ- 107
являть менее строгие требования, нежели к изоляции контурных конденсаторов. В фильтровых и разделительных конденсаторах час- то применяют изоляцию из бумаги, пропитанной парафи- ном или маслом. Обкладку делают из алюминиевой фольги. Если к такому конденсатору приложить слишком высокое напряжение, бумажная изоляция пробивается и конденсатор выходит из строя. Интересная новинка последних лет — конденсаторы с цинковыми обкладками. Цинк испаряют и пары его осе- дают тончайшим слоем на бумагу. Получаются непроби- ваемые конденсаторы. Если к ним приложить слишком высокое напряжение, то в каком то месте слой бумаги прожжет искра. Но эта же искра разовьет столько тепла, что вызовет испарение цинковых обкладок. Цинк — ме- талл с низкой температурой кипения. Когда цинк испа- рится вокруг пробитого места, пробой прекратится. Кон- денсатор с цинковыми обкладками — это самозалечиваю- щийся конденсатор. Для боевых самолетов делают бензобаки, обложен- ные слоем резины. Когда такой бак пронизывает пуля, то отверстия затягиваются резиновым слоем. Есть нечто общее между этими самозалечивающимися баками и конденсаторами с цинковыми обкладками. 2-20. Магнитный железняк Железо образует с кислородом несколько соединений. Одно из них, в котором на три атома железа приходит- ся четыре атома кислорода (приблизительно 72% желе- за и 28% кислорода по весу), называется магнети- том или магнитным железняком. Это лучшая железная руда. С древнейших времен ее добывают во многих местах. В СССР скопления магнитного железняка находятся на горах Благодать, Высокая, Магнитная, Качканар на Урале и в других районах. Одни из самых древних разработок этой руды нахо- дились в Лидии около города Магнезия, откуда, по всей вероятности, и произошло само название руды. Суще- ствует также легенда о том, что греческий пастух Маг- нес, отыскивая заблудившихся ягнят на склонах горы из железняка, заметил, что его подбитая гвоздями обувь прилипает к земле. Хотя этот рассказ повторяется во многих книгах, но 108
очень трудно согласиться с тем, что именно пастух Маг- нес первый открыл удивительные свойства руды притя- гивать железо. Ведь те рудокопы, что добывали желез- няк, и мастера, которые выплавляли из него железо, что- бы изготовить гвозди для обуви пастуха, неизбежно должны были заметить притяжение кусков железняка друг к другу и к железу. Примерно в 12 в. нашей эры появляются сведения о том, что свойство притягивать друг друга можно сооб- щить и стальным изделиям, если их натирать кусками магнитной руды. Магнитный камень был известён и в древнем Китае. Здесь его называли «дзю-ши» или «ни-тши-ги», что значит «любящий камень». Интересно, что аналогичное название сохранилось и в современном французском язы- ке, где магнит называется «эман» (aimant) —любящий. Дословный перевод слова «электромагнит» с француз- ского будет — электролюбящий. Магнитные силы от естественных и искусственных магнитов передаются решительно через все материалы. Нет в природе изоляторов для постоянного магнитного потока. Чтобы заэкранировать какой-нибудь измеритель- ный прибор от магнитного потока, есть одно только сред- ство— отвлечь этот поток хорошо проводящим мате- риалом. Почти все известные материалы — и металлы, и ме- таллоиды, и их соединения — проводят магнитные силы почти так же, как пустота, как газы. Некоторые про- водят чуть-чуть лучше — эти материалы называются парамагнитными, другие чуть-чуть хуже — это диамагнитные материалы. Но разница между диа- магнитными и парамагнитными материалами так мала, что ее можно обнаружить лишь очень чувствительными методами. Железо проводит магнитные силы в сотни раз луч- ше других веществ. Так как латинское название железа «феррум», то такое свойство высокой магнитной прово- димости, проницаемости, стало называться «ферромагне- тизмом». Но так же, как электропроводность различных ма- териалов не является постоянной величиной, а зависит от силы тока, от температуры, так и* магнитная прони- цаемость железа и других ферромагнитных материалов меняется от многих причин. 139
2*21. Точка магнитного превращения Давно было замечено, что раскаленное железо, будучи вытащено из печи и медленно остывая на воздухе, при температуре темнокрасного каления вдруг на момент вспыхивает ярче, а затем уже остывает до конца. Эта задержка остывания получила название «река- лесценции». Русский металлург Д. К. Чернов заметил, Фиг. 2-13. Переноска стальных листов подъемным краном с электромагнитным захватом. что вспышка свечения всегда происходит при одной и той же темпе- ратуре. С того времени бы- ло проведено много точных исследований. Установлено, что при нагревании стали при температуре 768° про- исходит перегруппиров- ка атомов, а -структура переходит в у -струк- туру. Магнитным являет- ся только а -железо, все другие модификации железа немагнитны. На- гретое до каления же- лезо теряет свои маг- нитные свойства. В металлообрабаты- вающей промышленно- сти применяются раз- личные магнитные захваты: на шлифовальных станках — магнитные плиты для закрепления стальных изделий; магнитные патроны для токарных станков. Как заманчиво было бы перетаскивать раскаленные болванки магнитными кранами, но, увы, это неосуще- ствимо: в раскаленном состоянии сталь не магнитна. Это свойство используют иногда для автоматизации закалки. Мелкие изделия — иголки, например, висят в магнитном поле и нагреваются токами высокой частоты. Как только сталь нагреется до температуры каления, она перестанет быть магнитной, провалится и упадет в зака- лочную ванну. ПЭ
2-22. Три железных брата В средние века рудокопы верили, будто в горах оби- тают коварные гномы Кобольд и Никель. Во всех своих бедах они винили этих гномов. Лет 300 назад была най- дена руда, очень похожая на медную. Медь умели вы- плавлять из руды еще в доисторические времена, но из этого минерала красного цвета добыть медь никак не удавалось. Руду стали называть «чертовой медью», «ни< келевой медью». В 1751 г. химик Кронстедт открыл, что в руде находится новый металл. За ним так и осталось название «никель». Примерно в те же годы было открыто, что в красивой синей краске, которая получалась стеклодувами при оплавлении остатков от приготовления висмута, содер- жится металл, схожий с никелем. За это сходство он был назван именем второго гнома, Кобольда — «кобальтом». Химики того времени не умели хорошо разделять эти металлы, и некоторые считали, что никель — это «жже- ный, потерявший душу кобальт». Только в конце 18 в. была окончательно установлена самостоятельность ко- бальта и никеля. Оба эти металла — родные братья железа. Их так и называют тройней или триадой. Долгие годы младшие братья железа были мало известны. Из кобальта дела- ли, главным образом, краски: кобальтовую синь, зеле- ную и желтую краски. Из соединения кобальта с хлором получались «симпатические чернила». Написанное ими незаметно на бумаге, а если слегка подогреть такую бу- магу, то все проявляется синим цветом, а затем, если подышать на бумагу или просто оставить ее на воздухе,— снова исчезает. Из никеля делали кухонную посуду. В конце прошлого века было найдено, что сталь с добавкой никеля имеет повышенную прочность и вяз- кость. Из никелевой стали изготовили броню, которая не растрескивалась при ударах снаряда. После изобретения гальванопластики русским академиком Б. С. Якоби чи- стый никель стал применяться для покрытия всевозмож* ных металлических изделий, чтобы придать им красивый вид и защитить от ржавчины. Кобальт стал применяться в производстве твердых сплавов. Интересные применения вся троица — ив чистом ви- де и в виде различных сплавов — нашла в современной Ш
электротехнике. Сплавы железа с кобальтом и Никелем можно так составить, чтобы они имели коэффициент рас- ширения при нагревании, в точности равный коэффициен- ту расширения различных стекол. Сплавы «ковар», «фер- нико» хорошо спаиваются со стеклом, дают прочное, со- вершенно газонепроницаемое соединение. Широко при- меняются сплавы никеля с медью — константан и магнанин — для различных сопротивлений, и с хромом— нихром для нагревательных сопротивлений. 2-23. Твердые и мягкие магнитные материалы Иногда электрикам бывает необходим сильный, по возможности неменяющийся со временем, нестареющий магнитный поток. Постоянные магнитные силы должны действовать во многих типах измерительных приборов, в динамических громкоговорителях, телефонах, реле. Для изготовления устойчивых постоянных магнитов применя- ются материалы, называемые твердыми магнитными ма- териалами. Магнитная твердость сопровождается обычно твердостью механической. Хорошие постоянные магниты не могут обрабатываться простыми резцами или сверла- ми. Их изготавливают литьем, а точные размеры при- дают шлифовкой. Для трансформаторов, наоборот, нужны такие маг- нитные материалы, в которых магнитный поток меняется с самым малым отставанием и запаздыванием и следует как можно более точно за изменениями возбуждающего этот поток тока. Это все мягкие магнитные материалы. Самый популярный и общеупотребительный из мягких магнитных материалов — трансформаторная сталь. Из нее делают сердечники трансформаторов. Изделия из твердых магнитных материалов несут не- изменный магнитный поток, и здесь основное — обеспе- чить достаточное сечение для проведения этого потока. Поэтому конструкции из твердых магнитных материалов могут быть массивными. Мягкие же магнитные мате- риалы применяются в виде тонких листов и проволок, а иногда и в виде мельчайшего порошка. Они предназна- чаются для передачи переменных магнитных потоков, а такие потоки возбуждают во всяком проводящем мас- сиве вихревой ток. Чтобы уменьшить силу вихревых то- ков, массивные сердечники разбиваются на отдельные проволочки или листы. Чем меньше толщина такого ли- 112
ста, тем меньше в нем и потери на вихревые токи. Но с уменьшением толщины листов и проволок становится до- роже производство сердечников и понижается их меха- ническая прочность. В настоящее время приняты стандартные толщины трансформаторной стали: 0,5 и 0,35 мм. Чтобы еще уменьшить интенсивность вихревых токов и снизить по- тери от них, повышают электросопротивление мягких магнитных материалов. В трансформаторную сталь до- бавляют кремний (силиций). Хрупкость стали повышает- ся, кремнистую сталь трудно обрабатывать. Зато ее элек- тросопротивление возрастает раз в 5 по сравнению с электросопротивлением чистого железа и, следовательно, в столько же раз уменьшаются потери на вихревые токи. Во много раз лучшую магнитную проводимость, чем простая трансформаторная сталь, имеют специальные сплавы железа и никеля — перминвар, пермаллой и др Названия их начинаются с латинского «перма»—что зна- чит проницаемый. 2-24. Магнитная проницаемость Магнитный поток в медной катушке без стального сердечника возрастает прямо пропорционально порож- дающему его току — он, как говорят, линейно зависит от силы тока. На графике зависимость потока от тока будет изображаться прямой линией. В 2 раза увеличится ток — и во столько же раз возрастает магнитный поток. Иначе ведет себя катушка с ферромагнитным сердеч- ником. Проницаемость ферромагнитного сердечника — разная для магнитных потоков разной величины. Впервые подробно изучил магнитную проницаемость железа проф. А. Г. Столетов в конце прошлого века. Тогда он был еще молодым кандидатом. Определение за- конов намагничения железа — это была его докторская диссертация. Она называлась: «О функции намагниче- ния железа». «... изучение функции намагничения железа может иметь практическую важность при устройстве и употреб- лении как электромагнитных двигателей, так и тех маг- нито-электрических машин нового рода, в которых вре- менное намагничение железа играет главную роль... Знание свойств железа относительно временного намаг- ничения так же необходимо, как необходимо знакомство 8 Г- И. Габят. ИЗ
Фиг. 2-14. Зависимость магнитной проницаемости [у. zz/(//)] и маг- нитного потока на 1 см* сечения стального сердечника от величины намагничивающей со свойствами пара ДЛЯ теории паровых машин». Так писал Столетов в своей работе. На железное кольцо Столетов намотал ров- ным слоем несколько сот витков изолированной медной проволоки и из- мерял, какой магнитный поток получается в желе- зе при разных силах тока в обмотке. Полученная зависимость силы. Впервые подобные кривые были сняты проф. А. Г. Столетовым. Это— классическое ис- следование. Столетовым является основой для рас- чета всех приборов и аппаратов с магнитной цепью. Магнитную проницае- мость всех материалов обычно сравнивают с магнитной проницаемостью воздуха. Последнюю величину прини- мают за единицу. При очень малых значениях намагничивающего тока магнитная проницаемость железа невелика, сначала она быстро растет с ростом силы намагничивающего тока. Магнитный поток в железе растет быстрее, нежели по- рождающий его ток. При определенной силе намагничивающего тока маг- нитная проницаемость железа и других ферромагнитных материалов достигает своего наибольшего значения. В зависимости от сорта материала это значение может быть в несколько сотен, несколько тысяч или даже десят- ков тысяч. С дальнейшим увеличением силы намагничивающего тока магнитная проницаемость падает. Наступает насы- щение материала магнитным потоком. Для разных ма- териалов насыщение наступает при разных силах намаг- ничивающего тока, но при очень больших значениях это- го тока, в очень сильных магнитных полях магнитная проницаемость всех без исключения ферромагнитных ма- териалов становится почти равной проницаемости воздуха. Меньше единицы магнитная проницаемость не становится. Кривую зависимости магнитного потока от тока мож- но разделить на два участка: начальный, на котором ПО’ 114
ток круто растет с током, и конечный, где поток медлен- но увеличивается. Между этими двумя участками нахо- дится колено. Во многих магнитных аппаратах ферромагнитные ма- териалы используются только до насыщения. Рабочий участок характеристики не доходит до колена. Но в ря- де конструкций специально используется явление насы- щения. Таковы, например, пиковые трансформаторы, которые деформируют плавную кривую напряжения, пре- вращают ее в остроконечный импульс. В подобных уст- ройствах используется часть характеристики, далеко ухо- дящая за колено. 2-25. Магнитодаэлектрики Железо образует с окисью углерода очень ядовитое соединение, называемое карбонил железа. Это соедине- ние нестойко. При нагреве оно разлагается и железо вы- деляется в виде порошка, такого мелкого, что может са- мопроизвольно загореться на воздухе. Поэтому такое железо часто называют «пирофорным» — самозагораю- щимся. Этот железныд порошок можно смешать с изоляцион- ным материалом так, v<> каждую крупинку размером в микроны будет обволакивать изоляционная пленка. Из получившейся массы можно прессовать различные изде- лия. Электрический ток они проводить не будут, так как проводящие железные крупинки заключены в изоляци- онную оболочку. Но для магнитного потока этот мате^ риал будет представлять все же меньшее сопротивление, чем простой изолятор. Магнитный поток будет прохо- дить от одной железной крупинки к другой сравнительно короткий путь. Магнитная проницаемость такого мате- риала может достигать нескольких десятков. Иногда кру- пинки получают другим путем, например путем простого механического размола ферромагнитных сплавов, кото- рые в этом случае специально делают хрупкими. Иногда пытаются сделать не круглые, а удлиненные крупинки, чтобы они плотнее прилегали одна к другой, были бы ориентированы по направлению магнитного потока. Та- кой материал имеет еще большую магнитную проницае- мость. Все подобные материалы, не проводящие тока, но имеющие повышенную проницаемость для магнитного S* П5
f 2 3 Фиг. 2-15. Катушка колебательного кон- тура от радиоприемника или маломощ- ного передатчика для частот до 40 млн.гч (продольный разрез.) / — обмотка йз медной проволоки; 2— каркас из высокочастотной керамики; J— сердечник из магнитодиэлектрика, снабженный винтовой на^ резкой. При поворачивании сердечника он пере- мещается относительно катушки и тем меняет ее индуктивность. Подобным образом подстраивают колебательный контур на заданную волну. Такую катушку часто называют „коротковолновой под- строечник". Подобные катушки имеют малые габариты и достаточно хорошую добротность, т. е. отношение индуктивного сопротивления к сопротивлению потерь. Это отношение может достигать 100. потока, называют- ся магнитоди- электриками. Они применяются для проведения бы- стропеременных маг- нитных потоков. Чем выше часто- та магнитного пото- ка, тем более интен- сивные электронные вихри он может воз- будить во всяком проводящем теле. Но в отдельной ма- ленькой крупинке вихревым токам не разгуляться. Крохот- ные электронные вихри очень слабы и потребляют мало мощности. Изоляци- онный слой не позволяет вихревым токам перейти из одной крупинки в другую. Правда, при плохом изготов- лении крупинки могут слипаться в комочки, не изо- лированные внутри, и в таком материале потери будут велики, так как получатся большие электрон- ные вихри. В хорошо изготовленном магнитодиэлектрике потери малы даже при пронизывании его магнитным потоком с частотой несколько мегагерц. Из таких материалов делают сердечники к катушкам радиоприемников. Катушки получаются маленьких раз- меров. Можно применять такие сердечники и для на- стройки. Глубже вдвигая сердечник в катушку, увеличи- вают ее индуктивность — увеличивают длину волны, на которую настроен контур с этой катушкой. Но для сильноточной высокочастотной электротехники катушки с ферромагнитными сердечниками не применя- ются. Слишком дорогую цену потерями и весом прихо- дится платить за проведение магнитного потока. В сильноточных установках, начиная с частоты в не- сколько килогерц, предпочитают проводить магнитный поток через воздух. 116
2-26. Гистерезис На фиг. 2-14 показана кривая изменения магнитного потока в стали при изменении тока в охватывающей эту сталь катушке. Эта кривая намагничения идет точно из начала координат. Ток равен нулю и магнитный поток также равен нулю. Но такую кривую от начала коорди- нат и вверх до большого намагничения можно пройти только с куском стали, который до этого не бывал ни в каких магнитных полях, который сразу после изготов- ления был помещен в намагничивающую катушку, не имеет никакой магнитной «предистории». Кривая на фиг. 2-14 — это начальная кривая, «девственная кривая», как ее еще иногда называют. При уменьшении тока, возбуждающего в стали маг- нитный поток, поток этот падает по другой кривой, не- жели он нарастал. Изменение потока отстает от изме- нений тока. Это отставание называется греческим сло- вом гистерезис. Намагничивающий ток становится равен нулю, но магнитный поток сохраняет еще какое-то положительное значение. Это остаточное намагничение. Чтобы привести магнитный поток в стали к нулю, надо дать намагничи- Фиг. 2-16. Характерные петли гистерезиса. 7—материал с большим остаточным намагничением, высококоэрцитивный материал; II — высокопроницаемый материал; III — материал с постоянной проницаемостью; Oz— начальная кривая намагничения, Оу — остаточная индукция, отрезок Ок — характеризует задерживающую или, как ее еще называют, коэрцитивную силу магнитного материала. Чем отрезок Ох больше, тем „тверже* магнитный материал. П7
Гаусс Фиг, 2-17, Петли гистерезиса для углеро- дистой стали (с содержанием 0,9% угле- рода) в закаленном и нормализованном (мягком) состоянии. В зависимости от режима охлаждения сталь ведет себя, как твердый или как мягкий магнит- ный материал. Резкое охлаждение — закалка сообщает стали И механическую, и магнитную твердость. вающему току неко- торое отрицательное значение, т. е. пу- стить ток в намаг- ничивающей катуш • ке в направлении, обратном первона- чальному. Усиливая этот обратный ток, можно затем пере- магнитить сталь, до- вести магнитный по- ток до большого значения, но уже в обратном направле- нии. Вновь ослабляя ток, получим снова отставание потока. Зависимость маг- нитного потока от тока на графике имеет вид петли — это петля гисте- резиса. Форма и размеры этой петли и отличают мяг- кие магнитные материалы от твердых. У мягких магнитных материалов петля гистерезиса невелика. Мягкий магнитный материал считается тем лучше, чем меньше площадь, охваченная петлей гистере- зиса. Назначение мягких магнитных материалов — про- водить переменный магнитный поток, и площадь петли гистерезиса соответствует потерям на перемагничение. У самых лучших, самых мягких магнитных материалов не удается получить потери на перемагничение меньше полупроцента от запасаемой в магнитном потоке энергии. Применение стального сердечника всегда сопряжено с потерями. Поэтому в высокочастотных установках, где запасы энергии в переменных потоках во много раз превышают полезную мощность, отказываются от же- лезных сердечников. Посылают магнитный поток через воздух, в котором нет потерь на перемагничение. 2-27. Намагничение В старинные времена полосы из закаленной стали натирали кусками природного магнита — магнитного же- лезняка. Так можно получить только слабое намагниче- на
ние. В настоящее время изделия из твердых магнитных сплавов намагничивают, помещая их вблизи проводни- ков с сильным током. Нет надобности долго пропускать этот намагничивающий ток. Достаточен один мощный толчок тока. Все элементарные магнитики в стальном изделии приходят в упорядоченное положение. Намагни- чение остается и после прекращения тока. Иногда для получения такого толчка тока пользуются специальной аккумуляторной батареей. Существуют также конденса- торные намагничивающие аппараты. Большой конденса- тор заряжается до высокого напряжения, а потом раз- ряжается на первичную обмотку трансформатора. Вто- ричная обмотка этого трансформатора состоит из одного витка, на который насаживается магнит. При разряде конденсатора по вторичному витку проходит волна тока, которая и производит намагничение. Постоянные магниты требуются самой разнообразной конструкции и намагничивающему проводнику приходит- ся придавать .для разных магнитов разную форму. В электрических счетчиках, например, стоят тормозные магниты, у которых между полюсами узкий зазор лишь в несколько миллиметров. В этом зазоре вращается алю- миниевый диск счетчика. Намагничивающий проводник в этом случае имеет вид узкой медной полосы. Для гром- коговорителей применяются постоянные магниты в виде толстостенного цилиндра. Их можно намагничивать в цилиндрической же катушке, или устанавливая их между полюсами электромагнита. Сильно намагниченный искусственный магнит очень чувствителен ко всяким толчкам и ударам. От этого его намагничение слабеет. Ослабляет магнитную силу также касание и отрыв от магнита ферромагнитных деталей. Часто производят искусственное старение постоянных магнитов — вносят их в переменное магнитное поле, тря- сут, нагревают (до не слишком высокой температуры 200°—300°). Этими приемами намагничение ослабляется. Но выдержавший старение магнит более устойчив в ра- боте. Явление намагничения иногда используется для изме- рения сильных волн тока. Из хромистой стали делают маленькие стерженьки и помещают их вблизи проводни- ка, по которому ожидается прохождение большой волны тока. Стерженек намагничивается до величины, опреде- ляемой амплитудой (максимальным значением) тока. 119
Фиг, 2-18, Магнитный стерженек помещен вблизи токонесущего "проводника. По остаточному намагничению стерженька судят о максимальном значении импульса тока в проводнике. Пестом стерженек поме- щают в магнетометр, ко- торый это намагничение измеряет. Такие стержни —фер- ромагнитные регистрато- ры—применяются в СССР для измерения токов мол- ний. Стерженьки эти кре- пятся на опорах линий передач, после грозы их снимают и на магнето- метре устанавливают, уда- ряла ли молния в эту опору и какой величины был ее ток. Так регистри- руются токи в сотни ты- сяч ампер. Практически можно получить точность измерений до 5%. 2-28. Выявление пороков Когда в намагничиваемом стальном изделии имеются трещинки или неоднородности, то течение магнитного потока в этом месте искажается. Таким путем можно обнаружить самые мелкие дефекты. Много советских изобретателей и ученых работало над развитием магнит- ной дефектоскопии. В настоящее время этот метод при- меняется во многих отраслях народного хозяйства СССР. Методы магнитной дефектоскопии очень разнообразны. Приготовляют, например, взвесь очень тонкого ферромаг- нитного порошка (окись железа) в масле или керосине. В эту жидкость помещают намагниченное стальное изде- лие. Если где есть трещинки, то вблизи них магнитные линии искривляются, сгущаются. Сюда налипает магнит- ный порошок. А можно искать пороки в стали совсем по-иному. Ка- тушка с переменным током направляет в сталь перемен- ный поток. В приборе есть еще другие поисковые катуш- ки, которые ловят выходящий из стали поток. С поиско- выми катушками прямо или через усилитель соединен указатель. Когда поток однороден, то указатель стоит на нуле, если же форма потока из-за трещинок искажается, 120
Фиг. 2-19. Одна из применявшихся схем для обнаружения магнитным способом дефектов в рельсах. Вдоль пути катится тележка, на которой установлено два возбуждающих электромаг- нита /. Позади возбуждающих электромагни- тов расположены индикаторные катушки 2. Они контролируют остаточное намагничение. Напряжение, возникающее в индикаторных катушках, подается на усилители, а оттуда на обмотки реле 3 и 4, которые управляют перьями, эти перья делают пометки на равно- мерно движущейся бумажной ленте. то указатель сигнализирует об этом. Такой способ имеет огромную производительность. В СССР были созданы путевые дефектоскопы, кото- рыми можно проверять рельсы, уложенные в дороге. На легкой тележ'ке укрепляется рама с катушками, которые скользят вдоль рельса. Тележка быстро катится по до- роге. При наличии дефекта поисковая катушка дает сиг- нал. В тележке перо на бумажной ленте делает заметку. Одновременно автоматически приводится в действие электромагнит, который открывает клапан от резервуара с краской. В месте дефекта на рельс наносится цветная метка. Нет надобности останавливать тележку над каж- дым дефектом. Можно проехать большой участок, потом, просмотрев бумажную ленту с записями, установить, есть ли на участке дефекты, а по красочным меткам найти местоположение этих дефектов. 2-29. Размагничение Портные часто пользуются намагниченными ножница- ми. Упадет иголка или булавка, и нет надобности све- тить под стол, ползать в поисках. Достаточно провести ножницами по полу — и все стальное к ним прилипло. 121
Хороши еще намагниченные отвертки. Ими удобнее завинчивать мелкие железные винты. Но бывают случаи, когда намагничение вредно. Стальные детали машин на- магничиваются, когда их во время обработки (шлифовки, например) укрепляют на магнитных плитах. Потом в ра- боте к таким деталям липнут частицы стали и окалины, это может увеличить износ машины, нарушить правиль- ность ее действия. Часто после обработки в магнитных плитах стальные детали подвергаются специальному раз- магничиванию. Иногда приходится размагничивать часы, подвергнув- шиеся сильному магнитному воздействию. В прежние времена в карманных часах делали стальной волосок. При намагничении ход часов резко нарушался. В совре- менных часах волосок балансира делают обычно из не- магнитного материала. Ему не грозит опасность намаг- ничения. Но родовая пружина стальная. Когда она на- магнитится, это может отразиться на точности хода. Чтобы размагнитить стальное изделие, недостаточно дать ему однократный магнитный толчок в направлении противоположном, чем то, в котором он намагничен. При таком однократном толчке в стали всегда останется оста- точное намагничение. Надо много раз проходить взад и вперед петлю гистерезиса, все уменьшая и уменьшая ее размах. Тогда, наконец, можно попасть в нулевую точ- ку— освободить сталь от всякого остаточного магне- тизма. Есть такой способ размагнитить часы. Их подвеши- вают на веревочке, которую предварительно закручивают. Подносят часы к сильному магниту и пускают их вер- теться. При каждом обороте часы перемагничиваются. При этом медленно и плавно уносят крутящиеся часы от магнита. Перемагничения все ослабевают и в конце кон- цов часы должны размагнититься совсем. Чтобы размагнитить стальные детали после обработ- ки на магнитных плитах, практически применяют такой способ. Пускают по катушке переменный ток и вносят в нее размагничиваемое изделие. При вытаскивании оно оказывается размагниченным. 2-30. Электроматериалы будущего Как ни хотелось бы помечтать о новых необычайных перспективах, но в области проводниковых материалов это нам, пожалуй, не удастся. Вряд ли что сможет вы- 122
теснить и заменить когда-либо алюминий и медь. Не- устанно ведутся исследования в области сверхпроводни- ков, число их непрестанно увеличивается, но до техниче- ских применений еще далеко. Существуют идеи относи- тельно монокристаллической меди, которая должна иметь проводимость во много раз более высокую, нежели обыч- ная поликристаллическая медь, но и здесь трудно выска- зать какие-либо определенные технические прогнозы. Зато в области изоляторов, полупроводников надо ждать решительного прогресса. Здесь произойдут револю- ционные сдвиги. В новых изоляционных материалах — грядущее развитие электротехники. Электротехника прошлых лет довольствовалась для изоляции, в основном, природными материалами. Ныне их все более и более вытесняют синтетические, и в бу- дущем значение синтетических материалов неизмеримо возрастет. Соревнование лаборатории с природой проис- ходит в невиданных масштабах, и результат его неизмен- но оказывается в пользу лаборатории. В последние годы открывается -все больше и больше новых синтетических продуктов и разрабатываются все более совершенные и дешевые методы их промышленно- го производства. Синтетические пластические массы изготовляются так, чтобы вскрыть и использовать свойства часто лишь намеченные у природных веществ. Синтетическое волок- но превосходит по прочности и влагоустойчивости есте- ственный шелк. Непосредственно в природе нет синтети- ческих смол, из которых делают прозрачную авиацион- ную броню. Синтетические пластические массы состоят из моле- кул-гигантов, длинных, нитевидных, эластичных и, цикли- ческих атомных построек. Химики все тоньше и точнее овладевают искусством наращивать атомы в эти длин- ные цепи, производить процесс полимеризации. Многие полимеры имеют замечательные электроизоляционные свойства. Полистиролы обладают большим объемным и поверх- ностным электросопротивлением и ничтожными потерями в быстропеременных электрических полях. Они применя- ются в кабелях для дальней многократной связи и в вы- сококачественных конденсаторах. Еще более интересны свойства полиэтилена — сравнительно простой цепочки из атомов водорода и углерода. 123
Полиэтилен широко применяется в радиотехнической аппаратуре. И полиэтилен, и полистирол прозрачны для электромагнитных волн в очень широком диапазоне. Но эти вещества мало теплоустойчивы. Высокой теплоустой- чивостью обладает тетрафторэгилен-полимер, цепочка ко- торого подобна полиэтилену, но только вместо атомов водорода стоят атомы фтора. НННН FFFFF Illi I I I I 1 —с—с—с—с— —с —с —с—с—с Illi I I I 1 1 НННН FFFFF полиэтилен тетрафторэтилен В наши дни рождается новая органическая химия, которая строит свое здание не на испытанной основе углерода, а на основе наиболее распространенного в при- роде элемента кремния. В настоящее время кремний яв- ляется основой многочисленных подвижных соединений типа углеводородных. Эти кремнийорганические соедине- ния— силиконы, как их называют, выдерживают воз- действие высокого нагрева, разрушающего нежные угле- водородные молекулы. Пока еще силиконовые пластмассы дороги, но совет- ские химики, много поработавшие над их созданием, до- биваются все более и более дешевых методов их произ- водства. Грандиозный прирост мощностей и выносливости элек- трических устройств обещают кремнийорганические со- единения. Революция в химии вызывает революцию в электротехнике. Электрические машины с кремнийорганической изоля- цией могут перегреваться почти вдвое по сравнению с обычной современной изоляцией. Можно будет добиваться большей концентрации энер- гии в электродвигателях, трансформаторах, уменьшатся габариты электрических машин и аппаратов, повысится надежность их работы, возрастет к. п. д. Шире разовьется резонансная электротехника. Пре- пятствием для более широкого применения резонансных методов в современной электротехнике является дорого- визна и несовершенство запасателей электрической энер- гии — конденсаторов. Химия грядущего создаст материа- лы с электрическими и термическими свойствами, лучши- 124
ми, чем у слюды. Эти материалы можно будет получать в виде тонких больших листов и рулонов. 'Они будут не- дефицитны и дешевы. Будут получены материалы с высокими диэлектриче- скими постоянными и высокой электрической прочностью, которые позволят в малых объемах накапливать боль- шое количество электрической энергии. Все глубже становится наше знание вещества. Все но- вые, никогда прежде в природе не встречавшиеся со- единения элементов создаются в лабораториях и осваи- ваются промышленностью. Все точнее наше предвидение. Все более ценные свойства мы можем сообщать мате- риалам, и нет предела в познании и обладании веще- ством.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО НАЧИНАЕТ РАБОТАТЬ Б. С. Якоба (1 SOI —1874 гг.) Борис Семенович Якоби первый построил практически применимый электрический двигатель. Он предвидел огромные возможности практического применения элек- тромагнетизма и много сделал для того, чтобы воплотить их в жизнь. После окончания университета Якоби сначала рабо- тал архитектором и преподавал строительное искусство. В 1837 г. по инициативе Якоби в Петербурге при Ака- демии Наук была организована комиссия по исследова- нию применения электромагнитов к движению машин. Здесь Якоби провел ряд выдающихся работ. Вместе с академиком Э. X. Ленцем им были заложе- ны основы теории электрических машин. Якоби были сделаны первые опыты применения электродвигателя для транспорта. На шлюпку, которая поднимала 14 человек, Якоби поставил свой двигатель мощностью в 1 л. с. Батарея из 69 элементов с цинковыми и угольными пла- стинами дала ток. И первое в мире электрическое судно, борясь с течением, легко пошло вверх по Неве. Якоби мечтал, что: «Нева раньше Темзы или Тибра покроется судами с магнитными двигателями». 126
Якоби изобрел гальванопластику и организовал в Пе- тербурге большую мастерскую. За несколько лет в этой мастерской было осаждено 6 749 пудов меди и 45 пудов золота. Якоби значительно усовершенствовал электрический телеграф. В 1842—1845 гг. он построил телеграфную ли- нию с подземными проводами между Петербургом и Царским Селом. Он изобрел и применил на этой линии аппараты новой остроумной конструкции. Продолжительное время Якоби был членом мануфак- турного совета Министерства финансов. В 1867 г. он был делегатом от России в Международной комиссии для выработки общих единиц мер, весов и монет. Он первый выступил за широкое внедрение метрической системы. Якоби много* работал над электрическими измерения- ми. Он усовершенствовал измерители тока, предложил одну из первых единиц для электрического сопротив- ления. «Результаты научных исследований лишь тогда нахо- дят практическое применение, когда преодолев многораз- личные препятствия, они проникают в массы и становят- ся общим достоянием...», так начинается письмо Якоби «О применении электромагнитного возбуждения железа для движения машин», направленное министру просве- щения и президенту Академии наук С. С. Уварову. Якоби дал мощный толчок развитию электротехники. Он один из первых заставил электричество работать в промышленности.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ МЕРА И ЧИСЛО 3-1. Общие сведения Проводка от осветительной лампочки всегда приведет к счетчику. В распределительных пунктах, на централь- ных электростанциях, в исследовательских лабораториях, на заводах — всюду в электрические провода включены измерительные приборы. В одних приборах из окошечек глядят ряды цифр на подвижных колесах. В других — за прозрачными крыш- ками качаются стрелки. У одних стрелки широкие, как у башенных часов. Это грубые технические приборы. Для них достаточна точность показаний в 2 и даже 5%. Шка- лы технических приборов — с жирными делениями, чтобы издали сразу заметить показания. У других приборов стрелки узкие, как ножи, поставленные на ребро. Ноже- вые стрелки отражаются в зеркальных шкалах, на кото- рых деления нанесены тонкими паутинными линиями. Это точные лабораторные приборы. Над ними склоня- ются исследователи, ловя совпадение стрелки с ее зер- кальным отражением, чтобы возможно точнее произве- сти отсчет. Есть приборы, совсем крохотные, а указательная стрелка у них — длиной в несколько метров. Но это не металлическая стрелка, а луч — световой зайчик, бро- саемый зеркальцем на шкалу прибора. В настоящее время ни производство, ни исследования не мыслимы без электрических измерений. Миллионы электроизмерительных приборов служат в промышленно- сти и в быту. 3-2. От электронов к стрелке Электромагнитные процессы связаны с движением волн и заряженных частиц. Задача измерительного при- бора— превратить эти явления в механическое переме- щение указательного органа прибора. Наиболее просто может быть построен измеритель- ный прибор, который отмечает накапливание электриче- ских зарядов. Впервые такой измеритель был построен Ломоносовым и Рихманом 200 лет тому назад для про- ведения опытов с атмосферным электричеством. К же- 128
лезному пруту привязывалась тонкая льняная нить (фиг. 3-1). Когда прут получал электриче- ский заряд, нить также заря- жалась и отталкивалась от прута. По углу отклонения этой нити и судили о степени элек- тризации прута, или, как те- перь бы выразились более точ- но, о количестве электрических зарядов, накопленных на нем, о потенциале прута. Впоследствии этот прибор совершенствовался многими исследователями. Довольно законченную форму ему при- дал Вольта. Внутри стеклян- ной банки, на металлическом пруте крепились два легчай- ших листочка (фиг. 3-2). В са- мых чувствительных приборах их делали из сусального золо- та. Когда выходящий из банки Железный стержень Льняная нить Фиг. 3-1. Электрический указатель Ломоносова и Рихмана — первый в мире электроизмерительный при- бор. конец прута соединялся с наэлектризованным телом, ли- сточки расходились. Этот прибор получил название элек- троскопа —• «наблюдателя электричества». Для облегче- ния отсчета придумали проектировать листочки на экран с делениями ,и судить о величине заряда по положению тени листочков на экране. Фпг. 3-2. Электроскоп Вольта с листочками из сусального золота. Концы листочков загнуты, чтобы отчетливее был виден угол их расхождения. 9 Г И. Бабах, 129
Электростатические измерительные приборы Такое название получили прямые потомки ломоносов- ских измерителей электричества. И в современных измерителях отклонение получается за счет отталкивания и притяжения заряженных тел. При высоких напряжениях силы электростатического притяжения и отталкивания довольно велики и поэтому можно передать движение с подвижных листков на обыч- ную стрелку. Достоинство электростатических приборов в том, что они чрезвычайно экономичны. Они потребляют очень не- большую мощность для своих показаний. Но у них есть Фиг. 3-3. Современный элек- тростатический вольтметр на рабочее напряжение 50 000 в. Неподвижным электродом является металлическая банка В. К ней притя- гивается подвижной электрод А, ко- торый поворачивает указательную стрелку. Электрод Д, указательная стрелка и шкала электрически соеди- нены между собой и укреплены на высоковольтном проходном изоля- торе. Высокое напряжение подводится к зажиму на верхушке шкалы. много недостатков. Сила притяжения между двумя разнозаряженными телами пропорциональна квадрату напряжения. При низких напряжениях эта сила мала, а с увеличением напряже- ния быстро возрастает. У электростатических прибо- ров трудно получить равно- мерную шкалу. В начале шкалы у них деления тес- нятся, они очень мелкие, сжатые, а дальше деления становятся чересчур растя- нутыми. Электростатические при- боры одинаково пригодны и для постоянного, и для пере- менного тока. При измене- нии знака напряжения меж- ду их обкладками притяга- тельная сила своего знака не меняет. На переменном токе статические приборы показывают среднее квадра- тичное — действующее зна- чение напряжения. В настоящее время стати- ческие приборы строятся на самые различные напряже- 130
ния. Чаще всего ста- тические приборы применяются для на- пряжений в несколь- ко киловольт (фиг. 3-3). Однако, есть и такие статические приборы, что отмеча- ют доли вольта,— это электрометры. У них подвижная часть выполнена в виде тончайшей нити — платиновой, а иногда кварцевой посереб- ренной. За отклоне- нием этой нити сле- дят в микроскоп. Для напряжений в несколько сот вольт применяются статические прибо- ры, напоминающие несколько своей кон- Фиг. 3-4. Электростатический вольтметр многокамерного типа для измерения на- пряжений до нескольких сотен вольт. Подвижная часть показана выдвинутой вправо из неподвижных секторов В. струкцией перемен- ные конденсаторы (фиг. 3-4). В них имеется набор по- движных пластин, подвешенных на тонкой нити и входя- щих внутрь неподвижных пластин. На высокие напряжения в сотни тысяч вольт стати- ческие приборы выполняются в виде двух шаров. В од- ном из них участок стенки, обращенный к другому шару, делается подвижным и от этой обкладки рычажная пере- дача идет к. указательной стрелке. Шары крепятся на хороших изоляторах на раздвижном штативе. Меняя расстояние между шарами, можно менять чувствитель- ность вольтметра. Для исследований, связанных с атомным ядром, при- меняют электростатические генераторы на напряжение в несколько миллионов вольт. Это напряжение получается на электроде с большим радиусом закругления. На макушку этого электрода накладывается тонкий металлический колпачок. При отсутствии напряжения на электроде силы тяжести и трения удерживают колпачок на его ме^те. Когда же электрод заряжается, то элек- 131
1рические силы опалкиваки колпачок от электрода, при- подымают его. Колпачок скользит по электроду и падает. Ставя колпачки разного веса, можно определять, до ка- кого напряжения заряжается электрод. Когда к статическому вольтметру прикладывают на- пряжение высокой частоты, то через емкость между обкладками вольтметра начинает итти ток. Этот ток мо- жет разогреть тонкую нить, на которой подвешена под- вижная часть вольтметра, и даже сжечь ее. Для токов с частотой выше 100 кгц обычные конструкции статиче- ских вольтметров не годятся. Фиг, 3-5. Эрстедт демонстрирует действие провода с током на магнитную стрелку. 132
3-4. Измерители тока Приборы для измерения движения зарядов были по- строены лишь три четверти века спустя после приборов для измерения накопления зарядов. В 1820 г. Эрстедт открыл действие электрического тока на магнитную стрелку (фиг. 3-5 и фиг. 3-6). И соб- ственно этим он построил и первый амперметр. Для по- вышения чувствительности прибора стали помещать маг- нитную стрелку внутрь катушки, состоящей из большого числа витков проволоки. Эти приборы стали называться мультипликаторами (умножителями) (фиг. 3-7) —откло- нение стрелки увеличивалось прямо пропорционально числу витков. Весьма совершенные конструкции таких из- мерителей тока строили русские академики Ленц и Якоби. И в настоящее время в технике применяются изме- рительные приборы, конструкция которых очень близко напоминает первые сооружения Эрстедта и Якоби. Таковы, например, указатели обратных зажиганий в ртутных выпрямителях. В анодных цепях этих приборов ток должен проходить только в одну сторону. Когда ток проходит в обратную сторону (обратное зажигание) — это авария,- выключается вся установка. Чтобы опреде- лить, в каком именно аноде это обратное зажигание про- изошло, около цепи каждого анода помещается малень- Фиг. 3-6, Отклонение магнитной стрелки под действием-тока 133
Фиг. 3-7. Мультипликатор — первый прибор лля измерения токов. кая магнитная стрелка. Нормально она повернута в одну определенную сторону. При обратном прохождении тока она перемагнитится и изменит свое положение. 3-5.. Рамка между полюсами Провод с током отклоняет магнитную стрелку. Но можно магнит закрепить, а дать возможность отклонять- ся самому проводнику. По углу, отклонения можно су- дить о силе тока. Можно производить измерения силы тока и вовсе без постоянного магнита: расположить ря- дом два проводника или две катушки, пропустить по ним измеряемые токи и по величине отталкивания или притяжения между катушками мерять силу токов. Множество комбинаций проводников и магнитов про- бовали применять электрики для измерения токов. На разные лады использовали они электромагнитные силы. Все конструкции рассматривать не к чему, но одну надо выделить особо. Многолетний опыт показал, что очень хорош измери- тельный прибор, у которого маленькая рамка из тонкой медной проволоки помещается между полюсами силь- ного магнита (фиг. 3-8). Когда по рамке проходит ток, она поворачивается, и чем сильнее ток, тем больше угол отклонения. Эти рамочные приборы, или, как их теперь 134
Фиг. 3-8. Магнито-электрический прибор для измерения постоян- ного тока. Между полюсами 2 подковообразного магнита 1 помещается цилиндрический стальной якорь .1 В зазоре между этим якорем и полюсами может поворачивать- ся на оси 5 измерительная рамка 4, на- мотанная из медной проволоки. С рамкой соединена указательная стрелка 6. Ток к рамке подводится от зажимов 8 через спиральные пружины 7. На шкале магнитоэлектрического прибора для указания системы помешается услов- ное обозначение: (Сп. принято называть, маг- нитоэлектриче- ские приборы чув- ствительны, точны и не- дороги. К рамке магнитоэлек- трического прибора при- деланы хорошо закален- ные и заостренные сталь- ные оси. Они опираются на подпятники из искус- ственного рубина или сап- фира. Трение в этих под- пятниках невелико, и до- статочно малой силы, чтобы повернуть рамку и связанную с ней стрелку. Две бронзовые пружинки подводят к рамке ток. Эти же пружинки созда- ют усилие, противодейст- вующее повороту рамки током. Один конец пру- жинки закреплен на рам- ке, другой — на поворот- ном винте, на корпусе прибора. Этим винтом _w_ можно регулировать натяжение пружинки и таким обра- зом устанавливать стрелку прибора точно на нуль. Чаще всего эти приборы предназначаются для визу- ального наблюдения, т. е., попросту говоря, для того, что- бы взглянуть на их шкалу и прочесть показание. Но их можно приспособить и для автоматической записи, и для автоматического управления. Можно заставить при- бор сигнализировать, когда измеряемая величина пре- взойдет заданный предел. Стрелка способна развить только малое усилие, а чтобы превратить его в мощный сигнал, нужны вспомогательные приспособления. К при- меру, сажают на стрелку непрозрачный флажок. При определенном отклонении стрелки флажок прерывает луч света и заставляет сработать фотореле. А то делают фла- жок на стрелке из медной фольги. Он входит между двумя катушками, укрепленными на кожухе прибора. Одна катушка питается от высокочастотного генератора 135
и наводит высокочастотное напряжение в другой. Но когда между катушками входит медный флажок, то он преграждает путь быстропеременному магнитному пото- ку <и передача высокочастотной энергии от одной катуш- ки к другой прекращается. Существует еще и такой способ управлять большим током при малой мощности подвижной системы. На стрелке крепится железный лепесток, а на шкале прибо- ра в требуемом месте ставится сильный магнит. Как только лепесток подойдет на достаточно близкое расстоя- ние к магниту, тот его подхватит, подтянет к себе и зам- кнет контакты сигнальной цепи. Усилие для нажатия контактов создает не рамка прибора, а этот магнит. По- этому с таким вспомогательным магнитом даже мало- мощный прибор может управлять довольно значитель- ными токами. 3-6. Амперметром измеряют вольты, Чтобы измерить давление воды в водопроводе, приме- няют манометр: упругая трубка под влиянием давления разгибается и поворачивает связанную с ней указатель- ную стрелку. Электрической аналогией манометра может служить электростатический прибор. Электрическое на- пряжение, подобно давлению воды, заставляет переме- щаться подвижную систему. И манометр, и электростатический вольтметр харак- терны тем, что они не потребляют мощности из той цепи, в которой производятся измерения. Для измерения количества воды, протекающей по тру- бе, пользуются водомерами. Это может быть вертушка, которую крутит водяной поток. Существуют водомеры в виде крыла, отклоняемого водой. Применяют также су- жения в водяной трубе, манометром меряют перепад давлений по обе стороны сужения и по этому перепаду (динамическому напору) судят о количестве проходящей воды. Водомер можно сравнить с амперметром — и тот и другой измеряют величину потока (один — водяного, другой — электрического). Характерно то, что эти изме- рения связаны с потреблением энергии от измеряемой цепи. И водомер, и амперметр тормозят тот поток, кото- рый проходит через них. Это торможение может быть крайне незначительным, но оно никогда не будет равно нулю. В этом коренное отличие измерителей потока — 136
динамических измерителей от измерителей давления — статических измерителей, которые энергии не отби- рают. Если бы кто-либо пред- ложил для измерения дав- ления в водопроводе сде- лать в нем отверстие и по силе водяной струи судить о давлении, то это показа- лось бы по меньшей мере странным. Но в электриче- ских цепях поступают имен- но таким странным образом. Делают утечку в цепи, бо- ковое ответвление, и по си- ле тока в этом ответвлении Фиг. 3-9. Схема включения вольтметра с добавочным сопротивлением. судят о напряжении в цепи. Для воды можно просто построить манометр и на очень большое, и на очень малое давление. Для электрического же напряжения электростатические измерительные приборы, которые од- ни только непосредственно меряют напряжение, удобно строить только на высокие напряжения не меньше не- скольких сотен вольт. При более низких напряжениях электрические силы притяжения и отталкивания настоль- ко малы, что построить технический прибор со стрелкой не представляется возможным. Для измерения более низких напряжений пришлось практически избрать другой путь. Берут измеритель тока, возможно более чувствительный, включают последова- тельно с ним большое сопротивление R. Этот прибор включают в цепь, в которой требуется измерить напря- жение (фиг. 3-9). О величине этого напряжения судят по силе тока, которая течет через измерительный при- бор. Так как ток этот равен —, a R известно и постоян- но, то шкалу прибора можно градуировать в вольтах и прибор называют вольтметром, хотя действие его совсем иное, чем действие вольтметра электростатического. Магнитоэлектрический вольтметр потребляет мощ- ность из той цепи, в которой производятся измерения. 137
Если эта цепь маломощна, то присоединение прибора мо- жет нарушить весь ее режим. 'Обычным магнитоэлектри- ческим прибором нельзя точно замерить напряжение в цепях электронных ламп в радиоприемнике. Подключе- ние прибора «посадит» напряжение, исказит весь режим работы. 3-7. Шунты и добавки Мощность, потребляемая подвижной рамкой магнито- электрического прибора, невелика. В довольно грубом техническом приборе сопротивление рамки составляет примерно 5 ом. Для отклонения стрелки прибора на пол- ную шкалу требуется пропустить через рамку ток в 15 ма\ падение напряжения на рамке при этом 75 мв, а мощность, потребляемая прибором, — около 1/юоо вт. Но часто приходится измерять токи и напряжения, значи- тельно отличающиеся от тех данных, на которые может быть выполнена рамка. Чтобы измерять более высокие напряжения, последо- вательно с измерительной рамкой включают добавочное сопротивление — «добавку», как говорят для краткости речи (фиг. 3-10). Если вольтметр предназначен для измерения напря- жений в несколько тысяч вольт (такие киловольтметры Фиг. 3-10. Добавочное сопротивление на 15 000 в для магнито-электрического киловольтметра. 138
п Фиг. 3-12. Шунт на 10000 а для магнитоэлектрического прибора. К зажимам т подключается цепь главного тока, к зажимам л—прибор. стоят, например, в установ- ках для высокочастотного нагрева), то на этом доба- вочном сопротивлении па- дает напряжение, в десятки тысяч раз большее, чем на измерительной рамке. На то, чтобы отклонить рамку, за- Фиг. 3-11. Схема включения амперметра с шунтом. трачиваются всего лишь десятитысячные доли мощности, потребляемой измерительной цепью. Сам прибор потреб- ляет на отклонение стрелки меньше 71 ооо вт, но во всей измерительной цепи — в добавочном сопротивлении при- бора — потребляется больше десятка ватт. Это очень неэкономичное расходование мощности, и в маломощных устройствах такой вольтметр с добавочным сопротивлением нельзя применять. Например, как уже было сказано, простым магнитоэлектрическим вольтмет- ром нельзя измерять напряжение в сеточных и анод- ных цепях приемных радиоламп: такой вольтметр даст неверные, сильно заниженные показания. Когда приходится измерять большой ток, то по под- вижной рамке пускают лишь незначительную часть его. Весь ток проходит по шунту — малоомному сопротивле- нию, выполненному из толстых манганиновых лент, лишь одна тысячная или десятитысячная доля от всего тока ответвляется в рамку измерительного прибора (фиг. 3-11 и 3-12). И в этом случае в шунте гибнет мощность, в тысячи раз больше той, что используется для отклоне- ния стрелки измерительного прибора. В установках для электролиза, где токи измеряются тысячами и даже десятками тысяч ампер, измерительный шунт вырастает в грандиозное сооружение, в нем теря- ются сотни ватт мощности. Здесь приходится переходить к другим методам измерений 139
Для работы в лабораториях удобны многошкальные приборы. Внутри кожуха прибора крепится несколько шунтов и добавок. Переключателем можно установить прибор на ту или иную шкалу: например, 1,5—15—150 в; 0,15—0,5—1,5 а. 3-S. Электромагниты и грелки Магниюэлектрический прибор имеет высокую чувстви- тельность, так как его рамка движется в поле сильного магнита. Но этот прибор неспособен измерять перемен- ный ток. Переменный ток будет толкать рамку то в од- ну, то в другую сторону, и стоять на нуле. Для тока 50 гц часто н и т н ы е приборы. В вблизи которой подвешен Фиг. 3-13. Электромагнитный прибор. На каркасе 1 намотана катушка, по ко- торой проходит измеряемый ток. Электро- магнитные силы втягивают внутрь ка- тушки железный лепесток 2, с которым соединена указательная стрелка Л. Силе втягивания может противодействовать пружина 6, соединенная с осью 7. Для сглаживания колебаний стрелки служит успокоитель — (демпфер) 4, состоящий из трубки, в которой с малым зазором хо- лит поршень 5. На шкале прибора для указания системы помещается условное обозначение: в результате она останется применяют электромаг- них ток идет по катушке, пепесток из мягкого железа (фиг. 3-13). В амперметре делают катушку из немно- гих толстых витков, в Фиг. 3-14. Схема конструкции электродинамического прибора. Ток проходит по неподвижной рамке АО и по подвижной abd. Подвижная рамка стремится так повернуться, чтобы плоскости рамок совпали. Это- му противодействуют спиральные пру- жины На шкале прибора помещается услов- ное обозначение: * ♦ 140
вольтметре катушка наматывается из тон- кой проволоки. В обоих случаях желез- ный лепесток пере- магничивается, сле- дуя за изменениями токав катушке.Элек- тромагнитные силы втягивают лепесток в катушку как в один, так и в другой полупериод перемен- ного тока. Втягиваю- щая сила пропорцио- нальна квадрату си- лы тока в катушке. Поэтому шкалы у электромагнитных приборов неравно- мерные. В начале шкалы деления тес- нятся одно к друго- му, а в конце шка- лы далеко раздви- гаются. Эти при- боры потребляют Фиг. 3-15. Тепловой прибор. Измеряемый ток проходят по тонкой прово- локе, натянутой между точками К—К. В зависи- мости от силы тока проволочка эта больше или меньше нагревается и удлиняется. В точке А к этой проволоке прикреплена другая проволока АВ, оттягиваемая шелковинкой ВД. Шелковинка обернута вокруг ролика Г и натягивается плсс- кой пружиной Д. В зависимости от силы тока ролик Г и связанная с ним стрелка поворачи- ваются на больший илй меньший угол. На шкале прибора помещается условное обозна- куда больше мощности, нежели магнитоэлектрические. Вместо железного лепестка можно взять еще одну катушку — подвижную. Такой измерительный прибор вовсе без железа, с одними катушками называется электродинамическим. В этом приборе на по- движную катушку действует сила, пропорциональная произведению тока в обеих катушках (фиг. 3-14). Если обе катушки (и подвижную, и неподвижную) включить последовательно, то получится вольтметр или амперметр. Но можно включать одну катушку в цепь тока, а дру- гую в цепь напряжения. Прибор будет показывать про- изведение тока на напряжение, т. е. работать как ватт- метр. Электродинамические ваттметры с успехом применяются для измерения мощности и на постоянном токе, и на переменном токе низкой частоты. Но для токов высоких частот ни электромагнитные, ни электродинамические приборы не годятся., Ток высо- 141
кой частоты йе Может преодолеть индуктивное сопротив- ление катушки с большим числом витков. У тока высо- кой частоты более ярко выражены его тепловые действия, а не механические. Высокочастотный ток «греет, но не тянет», поэтому и для измерений используют этот на- грев. Тепловыми приборами можно измерять как постоян- ный ток, так и токи самых высоких частот (фиг. 3-15). 3-9. Преобразование для измерений Много есть приборов, которые отзываются и на по- стоянный, и на переменный ток: электромагнитные, элек- тростатические, тепловые, электродинамические. Но при- боры эти не так чувствительны, как магнитоэлектрические, и шкалы их не так равномерны. Магнитоэлектрический прибор имеет много ценных свойств. Одна беда — отзы- вается магнитоэлектрический прибор только на постоян- ный ток. Чтобы наперекор его «природе» использовать его все же для измерений переменного тока, специально превращают переменные токи в постоянные — ставят раз- личного рода маломощные преобразователи. Самые простые и дешевые—это выпрямители (венти- ли) из маленьких медных, покрытых закисью меди пла- Цепь тока высокой частоты Фиг. 3-16. Схема включения мил- лиамперметра с термопреобразо- вателем. стинок. Но выпрямитель- ные свойства купроксных вентилей меняются с ча- стотой тока, такие куп- роксные измерительные приборы не очень точны, а для весьма высоких ча- стот они и вовсе не го- дятся. Чтобы точно мерить токи высокой частоты, ча- сто применяют термопре- образователи (фиг. 3-16). К нихромовой проволоч- ке приваривается тончай- шая термопара. По про- волочке пропускается вы- сокочастотный ток. Про- Волочка нагревается са ма и нагревает термопа ру. А та развивает по 142
СТойнНое напряжение, которое измеряется Магнитоэлек- трическим прибором. Грубые термопары требуют для нагрева нескольких десятых ампера, а чувствитель- ные— дают отклонение магнитоэлектрического прибора на полную шкалу при нескольких миллиамперах высоко- частотного тока. Тонкую проволочку высокочастотный ток греет точно так же, как постоянный ток или ток низ- кой частоты. Поэтому прибор с термопреобразователем можно градуировать на постоянном токе. У приборов с термопреобразователями шкала квад- ратичная, так как развиваемое в проволочке тепло про- порционально квадрату силы тока. Еще особенность термопреобразователей: они выдерживают лишь незначи- тельную перегрузку. Достаточно в 2 раза превысить но- минальное значение тока, и термопреобразователь сгорит. Часто для измерений переменные токи выпрямляют при помощи электронных ламп. О ламповых измеритель- ных приборах будет отдельный разговор. Но не всегда для измерений переделывают перемен- ные токи в постоянные. Бывает и так, что постоянный ток превращают в переменный. Это в тех случаях, когда подлежащее контролю постоянное напряжение очень ма- ло. Его требуется предварительно усилить, а усиливать переменный ток легче, нежели постоянный. 3-10. Клещи для измерения силы тока Чтобы определить давление крови, нет надобности вскрывать артерию. Достаточно прижать ее снаружи че- рез кожу резиновым баллоном и по давлению воздуха в баллончике можно легко и безболезненно узнать кровя- ное давление. Но вот количество жидкости, которое бежит по труб- ке, нельзя точно учесть, не затронув самого потока. Сила электрического тока в проводнике определяется коли- чеством зарядов, проходящих в каждую секунду через поперечное сечение проводника. Но в отличие от токов жидкости или газа в трубе электрический ток можно измерять, и не забираясь внутрь проводника, не разры- вая цепи проводника для включения амперметра. Элек- трический ток всегда связан с явлениями и процессами не только внутри самого проводника, но и вне его. В пространстве вокруг проводника с током всегда воз- никают магнитные силы и величина их является мерой силы тока в проводнике. 143
Фиг. 3-17. Трансформатор тока в виде клещей для определения тока в проводниках без разрыва цепи. Удобно измерять, не разрывая цепи, переменный ток низкой частоты 50—60 гц. Вокруг проводника с перемен- ным током пульсируют магнитные силы. Если охватить проводник стальным сердечником, то в этом сердечнике возникнет переменный магнитный поток. Можно сделать разъемный сердечник, чтобы он раз- двигался, как клещи, и мог бы охватывать требуемый проводник (фиг. 3-17). На раздвижном сердечнике ук- репляется еще катушка — это вторичная обмотка. Она замыкается на измерительный прибор. Ток через этот прибор пропорционален переменному магнитному пото- ку в сердечнике, а следовательно, пропорционален и то- ку в охваченном клещами проводнике. Можно програду- ировать измерительный прибор так, чтобы на его шкале прямо прочитывать силу тока в охва- тываемом клещами проводнике. Сердечник — клещи и из- мерительный прибор крепятся на длинных рукоятках из изоля- ционного материала. Поэтому можно безопасно измерять ток в проводнике, даже если этот проводник находится под на- пряжением в -несколько тысяч вольт. НИЯ. 4 Фиг. 3-18. Схема включения вольтметра с измерительным трансформатором напряже- Ж
Такие измерительные клещи удобны для контролеров, проверяющих нагрузки отдельных потребителей. Доста- точно наложить клещи на ввод, чтобы установить потреб- ление. Правда, такой клещевой измеритель не дает столь высокой точности, какую можно получить от неразъем- ного трансформатора, выполняемого обычно с большим сечением стали (фиг. 3-18). 3-11. Разные амперы и разные вольты Когда по проводнику идет строго постоянный ток, то термин «один ампер» не нуждается ни в каком дальней- шем уточнении. Этот ток выделяет в секунду 0,001 г се- ребра из раствора, на сопротивлении в 1 ом выделяет в секунду 0,24 кал, два длинных параллельных провод- ника, отстоящих на 1 см друг от друга и несущих оди- наково направленные токи, притягиваются с силой, рав- ной 4 г на каждый сантиметр своей длины. Если же ток переменный или пульсирующий, то недо- статочно еще сказать, что сила его столько-то ампер. Надо еще условиться, какие это амперы. Химическое действие тока прямо пропорционально его силе. Поэтому химическое действие тока, величина кото- рого непрестанно меняется, такое же, как и действие строго постоянного тока, равного средней арифметиче- ской меняющегося тока. Но, проходя по металлическому проводнику, ток нагревает его пропорционально квадрату своей силы. Тепловое действие меняющегося тока будет такое же, как у строго постоянного тока, равного сред- нему квадратичному от тока меняюще- гося. Для производст- ва алюминия снача- ла применяли дина- момашины, которые давали строго по- стоянный ток. Затем их повсеместно за- менили ртутными выпрямителями, ко- торые давали ток пульсирующий. Этот Фиг. 3-19. Схема включения амперметра с измерительным трансфер матором тока. 145 Ю Г. И. Бабат.
ток оказался «теплее», чем тот, что получался От ДИНЗ- момашин. При одной и той же силе, измеренной магни- тоэлектрическим прибором, этот ток производит в элект- тролитической ванне больше тепла. Так же и при измерении напряжения надо точно ого- варивать, какие именно вольты меряются. Кривая напря- жения может иметь сложную форму. Пробой между электродами определяется максимальным значением этой кривой. Для его измерения можно применить иногда раз- рядник, а если требуется большая точность или напря- жение мало и разрядник неудобен, то можно применить пиквольтметр. Статический прибор меряет среднее квадратичное зна- чение напряжения — его действующее значение. Самые сложные измерения приходится производить в радиотехнике, в радиолокации. 3-12. Движение на тормозах Магнитные или электрические силы толкают подвиж- ную систему измерительного прибора, двигают указа- тель — стрелку или зеркальце. С подвижной системой соединены гирьки или пружины, которые оттягивают ее обратно, возвращают указатель в нулевое положение. Но маЛо того, к подвижной системе крепят еще тормозы. Редкие измерительные приборы строятся без тормозов. Правда, не всякий тормоз годится для измерительного прибора. Сильное торможение создается сухим трением. Но нельзя допустить, чтобы подвижная система терлась о что-нибудь. В измерительных приборах применяются лишь такие тормозы, у которых нет трения покоя, у кото рых сопротивление возникает лишь при движении. За- мрет стрелка, и сопротивление тормоза прекращается. Но все-таки зачем эти тормозы вводят в прибор? Указательная стрелка, которую гирька тянет к нуле- вому положению — это маятник. Такой же маятник, как и в стенных часах. Указатель на пружине — это также маятник, только иной конструкции, такой, как в ручных или карманных часах. Толкнет электрический ток подвижную систему изме- рительного прибора и, если тормозов нет, она начнет ка- чаться в точности как маятник. В часах долго качается маятник после одного единственного толчка. Чем медлен- нее затухают колебания маятника, тем точнее ход часов. 146
А в электроизмерительном приборе медленно затухающие качания указателя затрудняют точный отсчет. При вклю- чении измерительного прибора, у которого нет тормозов в подвижной системе, указатель будет двигаться, снача- ла ускоряясь, и по инерции неизбежно проскочит за то отклонение, которое соответствует измеряемой величине. Потом стрелка начнет возвращаться обратно и снова проскочит мимо положения равновесия. И так стрелка может колебаться долго, пока не замрет на должном делении. При каждом новом изменении измеряемой величины указатель будет приходить в новое положение только после многих колебаний. Колебательная система имеет свою собственную, резонансную частоту колебаний. Если изменения измеряемой величины совпадут случайно с этой резонансной частотой, то подвижная система может очень сильно раскачаться и отсчет показаний просто ста- нет невозможен (фиг. 3-20). В часах стремятся по возможности уменьшить зату- хание маятника, сделать систему как можно более коле- бательной, а в приборе для измерения электрических то- ков, напряжений, мощностей, наоборот, стремятся сов- сем лишить подвижную систему колебательных свойств, сделать ее апериодической. Вот для того-то, чтобы пога- сить колебания подвижной системы измерительного при- бора, и крепят к ней тормозы или, как их еще называют, успокоители. В хорошо успокоенном приборе стрелка сначала бы- стро движется, затем замедляется, без качаний подходит к нужному делению и замирает. Но если прикрепить к подвижной системе слишком сильные тормозы, если слишком сильно успокоить прибор, то движение стрелки чрезмерно замедлится. Она будет долгое время ползти, приближаясь к нужному отсчету. И в этом случае отсчи- тывать показания также будет трудно. Наилучшее успокоение такое, когда подвижная систе- ма измерительного прибора находится как раз на грани колебательного режима. 3-13. Вихра в воздухе и в металле Тормозы в измерительных приборах строят на разные лады. Но при любой конструкции тормоз выполняет од- ну работу: поглощает энергию движения, превращает ее в тепло. 10* 147
Отклонение стрелки-- Отклонение стрелки-»- Отклонение стрелки Фиг. 3-20. Три кривые показывают движение стрелок различных вольтметров, когда к ним внезапно прикладывают постоянное по величине напряжение. 148
Часто к подвижной системе электрических измери- тельных приборов приделывают крылышки — воздушные тормозы. Чтобы увеличить сопротивление движению, кры- лышки помещают в трубки. Они ходят в трубках, как поршни. Но ни в коем случае нельзя допускать, чтобы эти поршни касались или даже только задевали стенки трубки. Подвижная система будет заедать, показания прибора станут неточными. Наличие большого трения по- коя недопустимо. Крылышки ходят в трубке с зазором. При их движении в зазоре возникают воздушные вихри. Чем сильнее вихри, тем больше сопротивление движению. В вихрях и происходит превращение энергии движения в тепло. В некоторых случаях погружают крылышки в жидкость (масло, например). Масляные вихри тормозят движение при еще меньших скоростях. Но как и воз- душные тормозы, жидкостные действуют лишь при дви- жении. Остановится подвижная система — и тормозящая сила исчезнет. Вместо вихрей в воздухе и в жидкости можно при- менить для торможения электронные вихри в металле. Они тем сильнее, чем быстрее движется металл. Вих- ревые токи превращают энергию движения в тепло, соз- дают требуемые тормозные усилия. В магнитоэлектрических приборах таким тормозом часто является сам каркас, на котором намотана измери- тельная рамка. Каркас этот может быть выполнен в ви- де короткозамкнутого алюминиевого витка. Он пронизы- вается тем же постоянным магнитным потоком, что и измерительная обмотка. При движении рамки токи в ко- роткозамкнутом витке успокаивают ее колебания. Затухание магнитоэлектрических приборов зависит еще от того, на какое сопротивление замкнута сама из- мерительная обмотка. В измерительной обмотке при движении ее в магнитном поле помимо основного изме- ряемого тока находятся еще индуктированные токи. Еслй сопротивление, через которое соединена измерительная обмотка с внешней цепью, велико, то эти наведенные то- ки очень малы и тормозного действия не оказывают. Первая кривая относится к прибору, подвижная система которого мало успокоена. Стрелка долго колеблется возле положения равновесия. Колебания стрелки медленно затухают. Вторая кривая соответствует наилучшей величине успокоения. Стрелка быстрее всего приходит к положению равновесия. Третья кривая описывается стрелкой прибора, у которого торможение чрезмерное. И в этом случае отсчет показаний затруднен. 149
Сильнее всего наведенные токи тормозят подвижную си- стему при закорачивании измерительной обмотки. На не- которых типах гальванометров иногда указывается сопро- тивление, которое должно быть приключено к измери- тельной обмотке для получения лучшего успокоения. Часто тормоз с вихревыми токами делают в виде пло- ского алюминиевого диска, который поворачивается вну- три узкой щели между полюсами сильного магнита. В диске при движении возникает плоский электронный вихрь, который и создает тормозное усилие. Такие ди- сковые тормозы стоят решительно во всех электросчетчи- ках. Чем быстрее крутится этот диск, тем больше тормоз- ная сила. Поэтому показания счетчика пропорциональны потребленной энергии. Диск — самая теплая часть счет- чика. Но вообще нагрев его очень невелик. 3-14. Измерители ударов Бывают измерительные приборы, в которых не толь- ко не ставят никаких тормозов на подвижную систему, но еще сколь можно уменьшают затухание ее колебаний. Это необходимо для измерения толчков, ударов. Такие приборы называются баллистическими. В парках отдыха выставляются силомеры. Желающие ударяют сразмаху тяжелым молотом по шпеньку, который через рычаг подбрасывает указатель вверх по шкале. Этот силомер — довольно неточный баллистический измери- тель. Для определения живой силы быстролетящего сна- ряда применяют баллистический маятник. Тяжелый груз крепится на длинном подвесе. Ударяя об этот груз, сна- ряд превращает энергию своего движения в запас энер- гии поднятого маятника. По углу отклонения маятника и судят о запасе энергии в снаряде. Часто применяемый электрический баллистический прибор — это флюксметр — измеритель магнитного по- тока (поток по-латыни — флюкс). Если подвижная система гальванометра не успокоена и имеет достаточно большой момент инерции, то при кратковременном воздействии на такой прибор толчка тока отклонение прибора будет пропорционально не силе тока, а количеству прошедшего через прибор за- ряда. Баллистический гальванометр суммирует действие меняющегося по любому закону тока за все время про- хождения тока, если только это время достаточно мало 150
по сравнению с собственным временем колебания под- вижной системы баллистического гальванометра. Чтобы измерить напряженность магнитного потока, развиваемого каким-нибудь магнитом, между полюсами этого магнита помещают маленькую плоскую измери- тельную катушку, замкнутую на баллистический гальва- нометр. При выдергивании измерительной катушки из про- странства между полюсами магнита магнитный поток, охватываемый катушкой, изменяется от своего наиболь- шего значения до нуля. В цепи катушки возникает ток, сила которого зависит от быстроты изменения магнитного потока, т. е. от быстроты движения катушки. Чем быст- рее катушка движется, тем сильнее ток в ее цепи, но тем более короткое время длится этот ток. Полный электрический заряд, который пройдет в цепи катушки при ее выдергивании из полюсов магнита, не будет зависеть от быстроты движения катушки, а будет определяться только величиной магнитного потока, кото- рый первоначально был охвачен катушкой, и омическим сопротивлением цепи катушки. Это как выливать воду из чашки. Медленно ли ее наклонять, быстро ли, а вылить можно ровно столько, сколько в чашке было. Отклонения баллистического гальванометра пропор- циональны протекшему через него заряду и, следова- тельно, магнитному потоку, который был первоначально охвачен измерительной катушкой. Так как размеры измерительной катушки и сопротив- ление ее пепи известны, то шкалу баллистического галь- ванометра можно проградуировать не в единицах за- ряда, а прямо в единицах напряженности магнитного потока — в эрстедах. Баллистическим гальванометром можно также изме- рять емкость конденсатора. Конденсатор заряжают до определенного напряжения, а потом разряжают через баллистический прибор. Отклонение прибора пропорцио- нально заряду. А заряд равен произведению емкости кон- денсатора на его напряжение. 3-15. Частотомеры Построить прибор, который бы стрелкой на шкале указывал частоту тока, сложнее, чем вольтметр или ам- перметр. 151
Фиг. 3-21. Механический резонансный частото- мер. Он может быть построен для частот от единиц до нескольких тысяч колебаний в секунду (звуковой диапазон). Л1 — электромагнит; А — стальной якорек; К— стальной брусок; Z — резонирующие стальные язычки; F—гибкое крепление. В цепях с частотой 50—60 гц часто применяются ре- зонансные механические частотомеры (фиг. 3-21). Набор упругих стальных язычков размещается вдоль шкалы. Все язычки разной толщины (или разной длины). У ос- нования язычков укреплена катушка со стальным сер- дечником. Катушку присоединяют к измеряемой сети. Стальные язычки раскачиваются с частотой перемен тока. Но заметный размах колебаний будет лишь у того языч- ка, у которого собственная резонансная частота колеба- ний совпадает с частотой переменного тока. Кончик это- го язычка представится в виде размытой полосы. Чтобы построить стрелочный частотомер, приходится применять схемы из емкостей и индуктивностей, в кото- рых сила тока зависит от его частоты. По этой силе тока и градуируют шкалу прибора. Каждой частоте тока соответствует своя длина элек* тромагнитной волны. Но низкочастотников последняя ве- личина обычно мало интересует. Высокочастотники же одинаково пользуются понятием частота тока и длина 152
Фиг. 3-22. Измерение длины радиоволны при помощи двухпроводной линии. волны. Частотомеры для частот выше 10 кгц называют волномерами и градуируют их не только в герцах (ки- логерцах и мегагерцах), но и в метрах и сантиметрах. Волны длиною в несколько метров можно измерять подобно тому, как измеряют сукно или ситец. Электро- магнитную волну направляют в длинную линию — волно- вод и определяют расстояние между двумя электрически- ми или магнитными гребнями волны (фиг. 3-22). Этот способ мало удобен. Чаще применяют маленький коле- бательный контур: катушку, соединенную с переменным конденсатором. С изменением емкости конденсатора ме- няется резонансная частота контура. Когда соединенный с контуром амперметр или вольтметр даст наибольшее Детектор Шкала для отсчета длань/ волны Миллиамперметр - -указатель резонанса колебательный объем Поршень для настройка Отверстие для ввода электромагнит - ной волны Фиг. 3-23. Волномер в виде полого резонатора для сантиметровых воли. 153
отклонение—это значит, чго контур настроен в резо- нанс с возбуждающими его колебаниями и по шкале конденсатора можно отсчитать частоту и длину волны этих колебаний. Колебания с частотой больше миллиарда герц — сан- тиметровые волны — измеряют полыми контурами. Эти волны направляются в посеребренную (для лучшей элек- тропроводимости) банку, одна из стенок которой сделана подвижной (фиг. 3-23)*. Наибольшее электрическое напряжение в банке получается, когда ее размер пропор- ционален длине волны. Коэффициент пропорциональности можно точно определить, и тогда по положению стенки точно отсчитывать длину волны. 3-16. Ламповые приборы Электронная лампа отзывается на очень маленькую мощность, подведенную к ее сетке. Поэтому с электрон- ными лампами можно строить очень чувствительные приборы — такие, которые берут минимальное количе- ство энергии из измеряемой цепи. Маленькая лампа с короткими выводами точно отзывается на напряжения, меняющиеся с частотой в сотни миллионов герц. Лампо- вые измерительные приборы дают точные показания вплоть до очень высоких частот. Но есть недостаток у ламповых приборов — к ним требуются источники питания. Надо накаливать катод электронной лампы. Надо подавать несколько десятков вольт в ее анодную цепь. В самом приборе надо поме- щать батареи питания или тянуть к прибору вспомога- тельные провода от общей сети. Благодаря этому лам- повый прибор получается более громоздким и дорогим, чем простой рамочный прибор. Но ламповые приборы все совершенствуются и применение их становится все шиое и шире. Ламповые вольтметры (фиг. 3-24) измеряют напряже- ния от тысячных долей вольта до тысяч и десятков ты- сяч вольт. Это незаменимый прибор для лабораторных исследований. Нет теперь электротехнических лаборато- рий без ламповых вольтметров. Но с электронными лампами могут быть построены и более хитрые приборы. Они могут измерять такие элек- трические величины, которые другим способом трудно получить. 154
Фиг. 3-24. Упрощенная принципиальная схема ламинового вольтметра. Измеряемое напряжение через конденсатор подается на лампу, включенную как однополупериодный выпрямитель. Выпрямленное напряжение попадает на сетку второй лампы и изменяет ее анодный ток. В анодную цепь этой лампы включен миллиамперметр, шкала которого проградуирована в вольтах. Можно, например, увидать прямо на экране осцилло- графа кривую резонанса какой-нибудь исследуемой си- стемы. Можно получить на экране характеристику или даже целое семейство характеристик электронной лам- пы. Можно измерять искажение — «клирфактор». Полу- чить сразу процентное содержание гармоник. Есть прибо- ры— «каналисты»: они позволяют проследить канал пе- редачи энергии и выяснить все его особенности и дефекты. Только с лампами могли быть осуществлены генера- торы стандартных сигналов ГСС, которые позволяют по- лучать колебания с любой частотой от десятков герц до тысяч мегагерц, с высокой точностью, необходимой для измерений. Наконец, с лампами выполняются точные измерите- ли времени. Для измерения единичных коротких отрез- ков времени применяется зарядка конденсатора, и по величине получившегося напряжения судят о количестве времени. Есть также ламповые стандарты частоты — ламповые часы, в которых вместо маятника колеблется кварцевый кристалл. Они дают точность, недостижимую иными спо- собами. Кварцевый кристалл колеблется с очень высокой частотой в сотни тысяч герц. Эту частоту понижают, де- лят ее в нескольких каскадах и в конце концов полу- чают частоту, соответствующую ударам маятника. Кладут карманные часы на доску, микрофон точно записывает их стук и на ленте получается ход часов, сравненный с эталоном. 155
3-17. Самописцы Пульсируют токи и напряжения в электрических це- пях. Следом за их изменениями колышутся стрелки изме- рительных приборов. Склонясь к зеркальной шкале, по- глядывая на рядом Фиг. 3-25. Записывающая часть регистрирующего при- бора. 1 — бумажная лента; 2— зубчатка, приводимая в действие от часово- го механизма (сам механизм на рисунке не показан). Она перема- тывает бумажную ленту с ролика 3 на ролик 4; 5— ось подвижной части прибора,она поворачивается вместе с рычагом 6, который че- рез шарнирное соединение 8 дви- гает стрелку 7. Один конец стрел- ки соединен с роликом 9, кото- р^ й ходит по направляющим пло- скостям 10. На другом конце стрелки перо 11. а также указа- тель 13, который ходит над шка- лой 12. лежащие часы, исследователь списывает в назначенное вре- мя одно показание за другим. Вот ток возрос, упал. Но, право, как это скучно — точка за точкой отмечать показания. Человек слишком ценен, чтобы его долго занимать такой ра- ботой. Только при кратковре- менных единичных измерениях запись показаний прибора ве- дет человек. Если же такую запись надо вести длительное время, то эту работу перекла- дывают на машину, на мерт- вый бесчувственный механизм. Самопишущие измеритель- ные приборы — регистрирую- щие приборы-самописцы, как их сокращенно называют, ве- дут запись показаний лучше человека. Автоматический при- бор не пропустит отсчета, не ошибется, он может фиксиро- вать изменения, происходящие в долях секунды, и вести такую запись дни и месяцы подряд. Но пишущие приборы (фиг. 3-25 и 3-26) значительно слож- нее и дороже простых показы- вающих приборов. А единич- ные измерения приходится производить значительно чаще, нежели систематическую за- пись. Простые показывающие приборы выпускаются сотнями тысяч, а самопишущие в зна- чительно меньшем количестве. 156
Фиг. 3-26. Регистрирующий вольтметр со снятым кожухом. Запись медленно меняющихся процессов — таких, в которых показание от показания может отстоять на несколько секунд или даже минут, ведется на обычной бумаге. Часовой механизм или маленький электрический дви- гатель перематывает с рулона на рулон длинную бумаж- ную ленту или поворачивает диск с круглым бумажным листком. К стрелке измерительного прибора приделано перо. Оно наносит на движущуюся бумагу чернильную линию. Иногда само это перо является и чернильницей. 157
Оно имеет вид крохотного чайничка,носик которого чер- тит по бумаге. В других конструкциях самопишущих приборов пером служит тонкая трубочка, согнутая в ви- де буквы П. Одна ножка этого П погружена в баночку медленно сохнущих чернил (с глицерином), другая — чертит по бумаге. Трубочка действует как сифон. Чтобы водить пером по бумаге, нужна мощность, во много раз большая, чем для отклонения легкой стрелки. Конструкция подвижной части самопишущего прибора получается более массивной, грубой и громоздкой, чем у простого показывающего прибора. Такой самопишущий прибор потребляет из измеряемой цепи во много раз большую мощность, чем простой показывающий прибор. Часто такую мощность и неоткуда взять, измерительная цепь слишком маломощна. Иногда ставят специальные усилители между измеряемой цепью и пишущим при- бором. Найдено много способов, чтобы уменьшить мощность, потребную для записи показаний. Наименьшая работа требуется от измерительной системы при записи лучом света. На подвижном органе измерительного прибора укрепляется зеркальце. Оно от- брасывает луч на светочувствительную пластинку, дви- жущуюся с определенной быстротой, или на фотопленку, которая перематывается с рулона на рулон. Таким пу- тем можно записывать очень слабые токи и напряже- ния без предварительного усиления. Но запись лучом света имеет и неудобства. Светочув- ствительная пластинка или пленка должны находиться в темной камере. Чтобы прочесть запись, ее надо пред- варительно проявить, зафиксировать, высушить. Это может быть хорошо в лаборатории, но мало удобно для производства, для оперативного контроля и наблюдения. Иногда в самописцах применяется следящая система. Стрелку с пером водит взад и вперед маленький электро- двигатель. Но перо не касается бумаги. Специальный отметчик определяет, в какой момент положение стрелки с пером в точности соответствует измеряемой величине. В этот момент на стрелку опускается дужка, прижимает перо к бумаге, и на бумажной ленте появляется точка. Такие самописцы с падающей дужкой применяются часто для одновременной записи целой дюжины пока- заний. В промышленных печах необходимо замерять тем- пературу в разных точках. В каждой такой точке поме- 158
шается термопара. Концы от всех термопар сходятся R самописцу. Переключатель поочереди пересоединяет из- мерительный орган то к одной, то к другой термопаре. Перо все время качается взад и вперед и в каждый мо- мент совпадения его положения с показаниями термо- пары дужка падает и ставит точку. Сначала точку в од- ной кривой, затем в следующей, и так все кривые под- ряд. Иногда еще добавляют такой механизм, чтобы цвет точек для разных кривых получался разный, такую запись легче читать. Существует система записи электрической искрой. К концу стрелки прибора приделывается маленькое острие. Оно движется над бумагой на близком расстоянии, поч- ти касаясь ее. Поэтому потери на трение малы. Время от времени к острию прикладываются импульсы высокого напряжения. Электрическая искра прокалывает бумагу. На ней остается крохотная дырочка. Так дырочка-за дырочкой отмечаются показания прибора. На центральных электростанциях самопишущие при- боры непрерывно записывают все изменения нагрузки. Утро, начало рабочего дня, пущены на полный ход станки. Самописец фиксирует нагрузку. Наступает обеденный перерыв. Стрелка самописца идет вниз. Нагрузка падает. Вот снова включаются от- дельные потребители. Вечер. Миллионы рук тянутся к вы- ключателям, штепселям. Вспыхивают лампочки, шипит еда на сковородках, греются чайники. Часы максимума, часы пик. Можно нанести график изменения дневной нагрузки энергосистем на плотный картон и вырезать его (фиг. 3-27). Так можно вырезать графики день за днем в течение года и, если их все вместе составить в ящик, го получится горный ландшафт с высокими пиками — максимумами нагрузки, с ущельями в часы минимума. Над всем графиком возвышается максимум максиморум: наибольшая из всех нагрузок, нагрузка в декабрьские вечера. Маленькие долинки, плато соответствуют часам неизменной нагрузки. Изучение этой горной страны поз- воляет делать важные заключения о необходимых ре- зервах мощности, о тарифах на электроэнергию, о мерах, которые необходимы, чтобы сравнять график нагрузки. Лента самопишущего прибора многое говорит и о работе каждого отдельного предприятия. Можно не заходить в цехи, а взглянуть на заводской подстанции на запись по- 159
Фаг. 3-27. Суточные графики изменения нагрузки большого метал- лургического завода. Кривая изменения нагрузки за каждые сутки наносится на плотный картон и вырезается. Такие картоннье шаблоны изготавливаются день за днем. Поставлен- ные один за другим такие графики за год напоминают горный ландшафт. Слева графики активной мощности, справа — графики реактивной мошнссти. казаний амперметра или ваттметра и сразу увидеть, рит- мично ли, с равномерной нагрузкой работают цехи или бывают перерывы, когда станки простаивают. По ленте видно, сразу ли с началом смены идут на полный ход все станки. В этом случае кривая нагрузки круто поднимается вверх. Если же кривая нагрузки идет вверх вяло, медленно, значит и цех раскачивается ле* ниво. 3-18. Запись колебаний Чем быстрее меняются токи, напряжения, мощности, тем более легкую подвижную систему должен иметь за- писывающий прибор, чтобы без опоздания и искажения повторять эти колебания. В некоторых системах быстродействующей телеграф- ной связи применяют ондулографы (онда по-латыни — волна). Тоненькая серебряная трубочка-сифон приделана к очень легкому железному якорю. Якорь ондулографа находится между полюсами сильного электромагнита и колеблется соответственно изменениям тока в нем. Такой волнописец наносит на бумажную ленту изви- листую черту, в которой может быть до 50 зигзагов в секунду. Каждый зигзаг размером в 2—3 мм, но никаких деталей на зигзаге уже не различить. 160
Значительно точнее воспроизводит изменения силы тока резец, который записывает музыку или человеческую речь на пластинку. Несколько тысяч колебаний в секун- ду совершает подвижная система звукозаписывающего аппарата. Но размах колебаний этого резца очень мал— доли миллиметра. Кривизну бороздок в звуковой дорожке патефонной пластинки можно рассмотреть в подробностях лишь с увеличительным стеклом. Во всех механических записывающих системах чем выше частота колебаний, тем меньше размах колеблющейся части при одной и той же действующей силе. Чтобы получить крупных размеров кривую при малой затрате мощности на запись, есть один простой способ: вести запись световым лучом. Это делают в приборах, называемых осциллографами — записывателями колебаний. 3-19. Вибраторы Между полюсами сильного магнита натягивается тон- чайшая бронзовая проволока или ленточка. Она имеет вид петли из двух параллель- ных ветвей. Эту петлю назы- вают вибратором (шлейфом) (фиг. 3-28), а потому и та- кой осциллограф носит на- звание шлейфового. Но ни- чего общего со шлейфами старинных придворных платьев в этом осциллогра- фе не найти. Ветви осциллографиче- ского вибратора расположе- ны с зазором в десятые доли миллиметра одна от другой. Посредине вибратора — как раз между полюсами магни- та — приклеено зеркальце размером меньше 1 мм2. На зеркальце бросают луч све- та от сильной лампы или Электрической дуги. Отра- жение падает на вращаю- щийся барабан (фиг. 3-29). Когда через вибратор 11 Г И. Бабят Фиг. 3-28. Вибратор для записи электрических колебаний. По бронзовым ленточкам В пропус- кается изучаемый ток. Отклоняясь в поле сильного постоянного магнита, ленточки поворачивают зеркальце А. 161
пускают переменный или пульсирующий ток, зеркальце колеблется между полюсами магнита и крохотный свето- вой зайчик скользит по барабану. На барабане закреп- ляют светочувствительную бумагу и луч света рисует на ней черную кривую. Но надо выполнить очень много условий, чтобы эта кривая в действительности точно соот- ветствовала кривой изменения тока в изучаемой цепи. Бронзовые, туго натянутые ленточки подобны струнам. Толкнешь их одним импульсом — и они долго еще будут совершать постепенно слабеющие колебания. Надо ли- шить их этих колебательных свойств. И магнит, и ленточки заливают прозрачным, но до- статочно вязким парафиновым маслом. Масло противо- действует движению ленточки, гасит ее колебания. 3-20. Электронно-лучевой осциллограф Можно совсем сбросить зеркальце с проволочки, что- бы уменьшить колеблющуюся массу. Но запись теперь придется вести не светом, а тенью — тенью, отбрасыва- емой проволочкой. Так именно и ведут запись для зву- кового кино. Это колебания с частотой до 10 тыс. в се- кунду. Но еще более быстрые колебания не записать даже самой тонкой проволочке. Мельчайшая частица вещества — электрон. Это ча- стица с наименьшей инерцией. Ничто не может точнее электрона следовать за быст- рыми электрическими колебаниями. Можно собрать электроны в тонкий луч и под действием электрических и магнитных сил этот луч будет отклоняться то в ту, то в другую сторону. Многие вещества светятся под ударами электронов. Если направить электронный луч на экран, покрытый, например, сернистым цинком, то на этом экране возник- нет зеленое светящееся пятнышко. Его можно сделать очень малым, меньше 1 мм2. При отклонении электронного луча светящееся пят- нышко будет перемещаться по экрану. При быстром дви- жении электронного луча глаз не успевает следить за его отдельными перемещениями. На экране электронно- лучевой трубки видна непрерывная светящаяся кривая. По этой кривой судят о колебаниях тока в изучаемых цепях. Поэтому такой прибор называют осцилло- скопом— наблюдателем колебаний. Можно сфотогра- фировать светящуюся кривую на экране. 162
1 Фиг. 3-29. Схема конструкции осциллографа. От лампы накаливания или дуги 1 луч света через диафрагму 2 и призму 5 попа- дает на вибратор 4. Луч. отраженный от зеркала вибратора* разбивается на две части. Одна часть луча используется для визуального наблюдения. Эта часть луча призмой 5 отклоняется на многогранное призматическое зеркало 6. Зеркало от- брасывает луч света на матовое стекло 7. На матовом стекле 7 можно наблюдать только периодические (регулярно повто- ряющиеся) процессы. Скорость вращения призматического зеркала 6 подбирается равной скорости повторения изучаемого процесса. Тогда на экране 7 можно видеть светящуюся кривую. Вторая часть светового луча, отраженного от вибратора 4 через призму 8, идет на барабан 9, обернутый фотографической (высокой светочувствительности) бумагой. На эту бумагу можно записывать также и непериодический процесс. Кривые, приведенные на фиг. 1-4 и 1-6, были записаны при помощи такого осцил- лографа. Подобные же осциллографы применяются для записи токов сердечной мышцы. Тогда они носят название электрокардиографов. Фиг. 3’30. Электрокардиограммы. Вверху нормальное сердце. Кривая слегка подымается в точке Р. Эта точка соответствует одновременному сжатию обоих предсердий. Затем кри- вая опускается в точке Q, резко прыгает вверх в точке R, снова опус- кается в S и поднимается в Т. Эти напряжения возникают при сокраще- ниях желудочков. Средняя кривая снята у человека с больным сердцем. Здесь каждое со- кращение предсердий (точка Р) не сразу сопровождается сокращением желудочков. Третья, самая нижняя электрокар- диограмма также показывает ненор- мальную работу сердца. Она снята у человека, больного грудной жабой. Изучение кривых, снятых электрокар- диографом, позволяет часто обнару- жить болезни сердца, о которых не подозревает больной и которые врачу другим способом не открыть. и* 163
Пластины, отклоняющие пучок электронов вертикально1 Аноды Экран Источник электронов (катод} Пластины, отклони- Пучок электронов ющае пучок электронов горизонтально Фиг, 3-31. Электронный осциллограф. Для ускорения электронного пучка применяется высокое напряжение. Чем больше скорость пучка, тем ярче изобра- жение на флуоресцирующем экране При напряжении 20 000 в кривая на экране видна при ярком дневном свете. Существуют различные конструкции электронно-луче- вых трубок. В одних внутри трубки помещаются пла- стинки, к которым подводится напряжение, отклоняющее электронный луч. Это осциллографы с электрической разверткой (фиг. 3-31). В других луч отклоняется маг- нитными силами. Вокруг трубки помещаются катушки, по которым проходит ток. Это магнитная развертка. Чаще всего строятся электронно-лучевые трубки с зеленым свечением. Но бывают и другие типы экранов: с синим свечением, с белым. Имеются даже трубки, в которых электронный луч дает не свет, а тень. В этих трубках весь экран нормально светится, а на том месте, куда упал поток электронов, свечение гаснет. В этих трубках получается черная кривая на светлом фоне. Чем до более высоких напряжений разогнаны элек- троны в луче, тем быстрее можно перемещать луч по экрану и он все равно будет успевать оставлять след за собой. В СССР осциллографы с очень высокой скоростью записи разработал И. С. Стекольников. У него скорость движения луча по экрану уже может быть сравнима со скоростью света. 3-21. Запись аварий Аварии в энергосистемах случаются довольно редко. Очень важно знать, как меняются токи и напряжения во всех цепях во время аварии. В цепь включают электронно-лучевую трубку. Элек- тронный луч непрерывно следит за всеми изменениями 164
токов и напряжений и вычерчивает светящуюся кривую на экране. Экран применяется с послесвечением (инер- ционный экран), так что после прохождения луча еще несколько долей секунды, несколько периодов перемен- ного тока кривая продолжает светиться, а лишь потом загасает. Эти несколько периодов экран электронной трубки «помнит» процесс. Вот молния ударила в линию передачи. Огромные волны напряжения бегут по проводам. С грохотом про- бился разрядник... Фиолетовая электрическая дуга зазме- илась вокруг гирлянды изоляторов... Рабочий ток устре- мился в пробитый разрядом молнии канал. Реле регист- рирует короткое замыкание... Авария!.. Выключатель отсоединяет закороченную дуговым раз- рядом фазу. На экране электронно-лучевой трубки мечутся кри- вые. Вот их бы и надо было все записать. Но торопиться не к чему. Электромагнитные волны, вызвавшие аварию, рассеялись и угасли, но их бледное отражение все еще светится на матовом экране осциллографа. Открывается затвор фотоаппарата. На инерционном экране трубки видна не только кривая того, что происходит в данный момент, но и предыдущие процессы. Несколько периодов до аварии, само начало аварии, ее развитие и ликви- дация. Запоминающий осциллограф, «осциллограф-ябедник», как его зовут в энергосистемах, записал именно то, что было нужно. Существуют разные составы для покрытия экранов осциллографов: одни обладают совершенно ничтожной инерцией, у других послесвечение длится доли секунды, а есть и такие, что продолжают светиться несколько де- сятков секунд после прохождения электронного луча. 3-22. Электронная память Вместо светящегося экрана электронный луч можно направить на пластину изоляционного материала, спо- собную накапливать и удерживать электрические заряды. Луч прочерчивает на пластине строчку за строчкой. Ско- рость луча — постоянная. Если и сила тока не будет ме- няться в луче, то он будет откладывать на изоляционной пластине одинаковое количество зарядов на каждом уча- 165
стке своего пути. Но можно менять силу тока в луче, мо- дулировать луч (подробнее о модуляции будет сказано позже в гл. 6). Тогда на разных точках изоляционной пластины будут откладываться разной величины заряды. Силу тока можно менять в такт человеческой речи, любому другому звучанию. Электрическим узором на изоляционной пластинке можно записать, запомнить самые различные события. Затем их можно воспроизвести, вспомнить, повторить, пройдя лучом вновь по пластине. Можно и стереть сде- ланную запись. Потом нанести новую. Подобная элек- тронная память применяется инoгдa^ в различных счетно- решающих машинах. 3-23. Молоток в роли измерительного прибора В свою первую производственную практику я попал на выучку к старому монтеру, который начал работу еще с самим Усагиным — изобретателем системы рас- пределения электрической энергии при помощи трансфор- маторов. В 1882 г. он, тогда 17-летний парень, вместе с Усагиным монтировал электрическое освещение павиль- онов и территории Всероссийской промышленно-художе- ственной выставки в Москве. Здесь впервые в мире были применены трансформаторы в осветительной сети. Мне было поручено подключить к сети маленький трансформатор, предназначенный питать переносные лам- пы для котельных работ. Этот трансформатор понижал напряжение со НО на 24 в. При работе внутри котла ПО в не допускается. Во влажном стальном барабане НО в может нанести человеку смертельное поражение. Поэтому для освещения внутри котла применяется более низкое напряжение. ' Я подключил первичную обмотку трансформатора к сети НО в, но лампочки, соединенные со* вторичной по- нижающей обмоткой трансформатора, не загорались. Несколько раз я отключал и вновь присоединял транс- форматор к питающей сети. Искра между проводниками ясно показывала, что обрыва в обмотке нет. Под током трансформатор гудел, но лампочки не загорались. — Посмотрим, какая в нем болезнь, — сказал мой шеф. Он взял молоток и поводил им в воздухе вокруг обмо- ток и сердечника трансформатора. 166
— Все ясно, — заключил он, — вот в этой, левой ка- тушке — короткозамкнутые витки. По внешнему виду катушка, на которую он указывал, решительно ничем не отличалась от других таких же катушек. Но когда мы разобрали трансформатор и раз- мотали эту катушку, то обнаружилось, что внутри, на самых нижних витках, изоляция была повреждена и нес- колько витков замкнулось между собой накоротко. Это нахождение неисправности трансформатора пока- залось мне чудеснее подвигов проницательного сыщика. Потом я понял физическую причину этого, на первый взгляд удивительного явления. К здоровому трансформатору железо не притяги- вается, а где есть короткозамкнутые витки,— туда оно липнет. В неповрежденном трансформаторе весь магнитный поток идет внутри железного сердечника. Через воздух вокруг обмоток проходит лишь небольшая часть пото- ка—поток рассеяния, поток магнитной утечки. Когда в обмотке есть короткозамкнутые витки, то они оттесняют переменный магнитный поток в стороны. Ко- роткозамкнутый виток является экраном для перемен- ного потока. Как струя воды растекается в стороны, встретив на своем пути твердую преграду, так перемен- ный электромагнитный поток рассеивается короткозам- кнутым витком. В воздухе вокруг короткозамкнутого витка много магнитных силовых линий, больше чем во всяком другом месте вокруг трансформатора. К этому месту и притягивается любое железное тело. На силу притяжения влияет еще одно обстоятельство. Чисто переменный магнитный поток создает пульсиру- ющее усилие. При каждом изменении направления пото- ка, при переходе его через нуль сила притяжения стано- вится равной нулю. Короткозамкнутые витки разби- вают магнитный поток на части, которые не все одновре- менно принимают нулевое значение. Усилие, создаваемое суммой таких потоков, пульсирует уже значительно меньше, нежели усилие одного переменного потока. При нескольких потоках суммарное усилие ни в какой момент времени не равно нулю. Это свойство расщепленных потоков давать мало пульсирующее тяговое усилие используется в электро- магнитах переменного тока. В электромагнитах, приме- няемых для контакторов переменного тока, поверхность J97
сердечника раздваивается и на одну половинку наде- вается медное кольцо. Оно сдвигает во времени моменты перехода магнитного потока через нуль в охваченной им части сердечника и поэтому такой расщепленный сердеч- ник тянет свой якорь лучше, чем нерасщепленный. 3-24. История электрических измерений Электромагнитный телеграф был первым практичес- ким применением электричества, и телеграфисты первые почувствовали необходимость точно измерять электричес- кие явления. Как сравнить между собой две телеграфные линии? На одном конце линии находится батарея гальванических элементов, на другом телеграфный аппарат. Чем длиннее линия, тем большая батарея нужна, чтобы привести в действие телеграфный аппарат. Но зато чем толще про- водники линии, тем меньшей батареи хватает для работы аппарата. Телеграфная линия оказывает сопротивление электрическому току и это сопротивление зависит и от длины линии, и от толщины ее проводников. Электричес- кое сопротивление — это была первая электрическая ве- личина, которую понадобилось практически измерять. Измерять можно, лишь сравнивая неизвестную вели- чину с каким-то образцом — эталоном. И вот во всех странах, где только применялся электрический телеграф, стали готовить свои эталоны, образцы или, как говорят теперь, единицы сопротивлений. Всюду предлагалось за единицу брать сопротивление отрезка медной проволоки, только в разных странах устанавливали разную длину и разное сечение этого отрезка. Большое распространение получила единица сопротивления академика Якоби, пред- ложенная им в 1848 г. Образцовое сопротивление Якоби было выполнено из медной проволоки длиною в 25 футов (7,62 м) и диамет- ром около 2/з мм. Точную величину диаметра измерять трудно, и Якоби предложил поэтому узаконить вес об- разца. Диаметр должен быть таким, чтобы весь отрезок проволоки весил 345 гран. Медная проволока — не очень хороший материал для эталона. Во-первых, электрическое сопротивление меди сильно зависит от температуры. Затем оно зависит от чистоты меди. Различные примеси увеличивают ее электросопротивление. Взамен медного эталона стали 168
предлагаться образцовые сопротивления, сделанные из ртути. Этот металл легче получить химически чистым. Кроме того, при одинаковой длине и сечении сопротив- ление ртутного проводника в 57 раз больше, нежели сопротивление медного. Поэтому ртутный эталон может быть меньших размеров. Разные ученые предлагали как образцы сопротивлений ртутные столбики разйой длины. Но измерить сопротивление — это еще не все, что требуется. Разные гальванические элементы будут про- гонять через это сопротивление разные токи,. Следова- тельно, надо еще иметь единицу для измерения электри- ческого напряжения. Долгое время в качестве такой единицы брали один из наиболее распространенных эле- ментов — медно-цинковый элемент. Все эти единицы были произвольные — такие, как аршин, локоть, и сравнивать измерения, проведенные различными исследователями в разных странах, было очень неудобно. На первом метре, изготовленном 150 лет назад, был выгравирован гордый девиз; «На все времена, всем на- родам». И последующий опыт действительно показал, какие огромные удобства несет с собой единая система мер. По мере развития практической электротехники необ- ходимость установления единообразия измерений стано- вилась все более и более насущной. 3-25. Установление единства системы В 1881 г. в Париже была открыта Международная электротехническая выставка и состоялся Первый между- народный конгресс электриков, на котором был обсуж- ден вопрос о международных единицах измерений. В числе делегатов от России на этом конгрессе был А. Г. Столетов. На этом конгрессе решено было связать электриче- ские единицы с общей системой мер и весов, с системой грамм-метр-секунда. Чтобы связать электрическую систему измерений с общей системой измерений, надо было сравнить силы электрические и силы тяготения. Для этого были по- строены специальные весы. К чашке весов подвешивается одна катушка. Другая катушка, неподвижная, крепится на ящике, в котором 169
стоят весы. Через катушки пропускался электрический ток. Тогда они притягивались одна к другой. Сила при- тяжения катушек уравновешивалась гирьками, которые клались на другую чашку. Так производились точные эталонные измерения токов. Но весы с чашками — это не самый удобный инструмент для измерений. В наши дни ведь и в торговле весы с чашками все больше вытес- няются весами пружинными со стрелкой. И для электрических измерений силу тока стали уравновешивать маленькой пружинкой — так утверди- лась общепринятая теперь конструкция электрического измерительного прибора. 3-26. Электрифицированная математика Сумма сил токов в разветвлении всегда равна току в главной цепи. На основании этого закона можно элек- трическим путем производить операцию сложения. Токи в ветвях задаются как отдельные слагаемые, а ток, ко- торый получится в главной цепи, будет суммой всех этих слагаемых. По этой же схеме производится и вычитание. Задается ток в главной цепи, из него вычитаются токи ответвлений и в последнем из ответвлений остается иско- мая разность. Можно также производить операции сложения и вы- читания не по току, а по напряжению. Вольтметр будет отмечать сумму и разность задаваемых напряжений. Существуют суммирующие приборы, в которых скла- дываются не силы токов, а количества импульсов. В из- мерительной системе есть ряд датчиков и каждый из них вырабатывает импульсы с частотой, пропорциональной измеряемой величине. Чем больше эта величина, тем больше импульсов в секунду посылает датчик. Просты- ми приспособлениями можно получить сумму или раз- ность приходящих от многих датчиков импульсов. Импульсные системы очень хороши для дальнеизме- рения. Сила тока или напряжение могут ослабеть в пути, но число импульсов ни при каком состоянии линии связи не изменится. Bd многих энергосистемах на главном дис- петчерском пункте есть прибор, который показывает суммарную нагрузку всей системы. Это суммирующий ваттметр, к нему сходятся импульсы от суммирующих приборов отдельных электростанций. 170
3-27. Умножение и деление Сила взаимодействия между двумя катушками про- порциональна произведению токов в этих катушках. Электроизмерительный прибор с двумя катушками яв- ляется умножающим механизмом. Так сконструированы электродинамические ваттметры. По их неподвижной ка- тушке идет ток, потребляемый нагрузкой, а к подвижной катушке подводится напряжение нагрузки. Отклонение подвижной катушки пропорционально произведению тока на напряжение. Но иногда электрики производят операцию умноже- ния по-иному. Есть приборы с квадратичной зависи- мостью, т. е. такие, что их отклонение пропорционально квадрату прилагаемой величины. Берут два таких при- бора и подводят к одному сумму, а к другому разность тех величин, которые требуется перемножить. Отклоне- ние одного прибора будет квадрат суммы, а другого — квадрат разности. А разность этих квадратов дает вели- чину суммы и разности, пропорциональную произве- дению. Квадратичную зависимость можно получить от элек- тростатических, тепловых, ламповых, электродинамиче- ских приборов. Деление одной величины на другую производится в электрических приборах, называемых логометрами. В них устроены две рамки, которые тянут указательную стрел- ку Bi разные стороны. Устанавливающей пружины в этих приборах нет. Положение стрелки на шкале определяет- ся отношением двух величин, подведенных к рамкам, т. е. стрелка показывает частное. 3-28. Дифференцирование и интегрирование Несложно производить электрическим путем и опе- рации высшей математики. Взять производную от какой- либо величины — это определить, как эта -величина ме- няется в каждой данной точке. Если пропустить ток через катушку с малым активным сопротивлением и большой индуктивностью, то напряжение на этой катуш- ке будет пропорционально не силе тока, а изменению во времени силы тока. Катушка производит операцию дифференцирования, берет производную от функции из- менения тока. Если сила тока не меняется, то напря- жение на катушке равно нулю, как то и следует из 171
определения производной; для постоянной величины она равна нулю. А чем быстрее меняется ток, тем больше напряжение. Если ток через катушку меняется по закону синуса, то напряжение будет меняться, как косинус. Можно» подать полученный результат на вторую ка- тушку и таким образом получить вторую производную. При желании можно взять третью, четвертую и т. д. Суммирование последовательных значений перемен- ной величины можно производить при помощи конден- сатора. Напряжение на конденсаторе пропорционально влитому в него заряду. А заряд — это ток, умноженный на время. Если к конденсатору подвести ток, изменяю- щийся во времени, то результирующее напряжение на конденсаторе явится суммой всех отдельных значений тока. Конденсатор проинтегрирует кривую изменения силы тока. Кривая изменения напряжения на конденса- торе — это интегральная кривая от кривой изменения силы тока. Получившееся на конденсаторе напряжение можно подать на следующий конденсатор и таким обра- зом повторить операцию интегрирования. При помощи емкостей и самоиндукций можно инте- грировать и дифференцировать процессы, которые совер- шаются в короткие доли секунды. Для относительно мед- ленно совершающихся процессов применяются и Дру- гие приспособления. Очень распространенный электроинтегрирующий при- бор— это обычный счетчик. Скорость вращения его яко- ря пропорциональна мощности, которая потребляется в контролируемой счетчиком цепи. А полное число оборо- тов, которое якорь счетчика сделает за какой-нибудь отрезок времени, пропорционально интегралу от этой мощности по времени за интересующее нас время. Этот интеграл, т. е. потребленную энергию, и показывают цифры за окошечком счетчика. 3-29. Разумные машины Электрические измерительные приборы явились могу- чими помощниками человеческих органов чувств. Они позволили нам глубже проникнуть в окружающий мир, более тонко и точно познать его сложную структуру. Электрическими методами удобно измерять и очень маленькие, и очень большие величины. С электроннымй усилителями можно «услышать», как растет трава. 172
С помощью фотоэлементов и трансформаторов времени можно «увидеть» полет снаряда в канале орудия. Точность и быстрота измерений все возрастают. Электрическая же измерительная техника породила новый тип машин, помогающих не только органам чувств, но и мыслительным процессам. Это машины, спо- собные анализировать явления природы, сопоставлять их, находить закономерности, управляющие этими явле- ниями. В лабораториях Советского Союза разрабатывают и исследуют все новые электровычислительные машины. С помощью этих машин решаются сложнейшие задачи аэродинамики, баллистики, метеорологии. В несколько минут такая машина выполняет работу, которую группа вычислителей, вооруженных простыми арифмометрами, должна была бы делать много дней. * * * Чем больше работ выполняет машина, чем сложнее эти работы, тем квалифицированнее становится человек, тем больше простора для его высшей интеллектуальной дятельности в условиях социалистического общества.
РУССКИЙ СВЕТ П. И. Яблочков (1847—1894 гг.) — А. Н. Лодыгин (1847—1923 гг.) Стремительное развитие промышленной электротех- ники во второй половине прошлого века было вызвано прежде всего электрическим освещением. Чтобы питать электрические осветительные установки, стали строиться центральные электростанции. Канализация электрической энергии, ее распределение — все это разрабатывалось первоначально для осветительных целей. Два способа электрического освещения конкурируют между собой до наших дней: накаливание током твердого тугоплавкого проводника и электрический разряд через газ или пар. Оба эти способа внедрены впервые в жизнь русскими изобретателями. Александр Николаевич Лодыгин работал над лампой накаливания. В 1873 г. в Петербурге на Одесской улице Лодыгин впервые заменил в уличном фонаре масляный светильник своей лампой. Тонкий угольный стержень накаливался током от магнитоэлектрической машины. Весной следующего года Лодыгин показывал свою лампу морякам Галерной Гавани. Электрический свет предла- галось применить для подводных работ. 174
Осенью 1874 г. Академия наук присудила Лодыгину премию Ломоносова в 1 000 руб. «...Лодыгин своим открытием решил возможно про- стейшим способом важную задачу разделения электри- ческого света и сообщил ему постоянство... Лодыгину удалось открыть путь к такому общему применению электрического света, которое по своей вероятности при- ведет к совершенному перевороту в системе освещения». Так писал в своем «донесении» о работах Лодыгина академик Вильд. В 1877 г. лейтенант российского императорского флота А. Н. Хотинский был командирован в Америку. Он вез с собой техническую новинку — стеклянную кол- бу, внутри которой между двумя толстыми медными проволоками был укреплен угольный стерженек. В Аме- рике Хотинский показывал лампу Лодыгина многим, в частности, ровеснику Яблочкова и Лодыгина — уже тогда известному изобретателю Томас Альва Эдисону. Лодыгин не остановился на угольной лампе. В 1890 г. он предложил вольфрамовую нить. Только в 1906 г. было осуществлено это изобретение. Последние годы жизни Лодыгин занимался электро- металлургией. Им взяты пионерские патенты на индук- ционные нагреватели для электропроводящих материа- лов. Эти работы Лодыгина послужили основой для раз- работанных впоследствии в Советском Союзе высоко- частотных нагревателей для плавки металлов и для по- верхностной закалки. Яблочков работал сначала над другим источником света — над электрической дугой. В 1876 г. он располо- жил угли параллельно один другому и разделил их изо- ляционной перегородкой. Дуговой разряд между концами углей по мере их обгорания равномерно цспарял и пе- регородку между ними. Без всякого регулятора яркая дуга могла существовать несколько часов. Это была зна- менитая свеча Яблочкова. Она быстро получила широкий успех, опередив на первое время тогда еще менее совер- шенную лампу накаливания. В Петербурге свечами Яблочкова был освещен Ли- тейный мост через Неву и площадь перед Александрий- ским театром (ныне театр им. Пушкина). Газеты всего мира были полны сообщений об изобре- тении Яблочкова. Его свечами осветили ряд городов во 175
Франции и Англии, «Свет приходит к нам с Севера — из России»— писали в Париже. Дошли свечи Яблочкова и до Амёрики. В журнале Американского института инженеров-электриков в 1924 г. было напечатано*. «Первое применение электрического освещения магазинов относится к 26 декабря 1878 г. в Филадельфии в магазине Ванемара... Электрический свет в магазине Ванемара давали свечи Яблочкова. Это был один из самых ранних типов дугового света». Яблочков был неутомимый и продуктивный изобре- татель, Он усовершенствовал конструкции электрических генераторов, разрабатывал новые системы распределения и передачи энергии. Им проделаны первые опыты по включению трансформаторов и конденсаторов в распре- делительные сети. В Петербурге на Обводном канале Яблочков устроил первый в России электротехнический завод. Он изготов- лял аккумуляторы, лампы накаливания, провода и ка- бели, разную аппаратуру и даже электроизмерительные приборы. Вместе с В. Н. Чиколевым Яблочков создал первые научно разработанные проекты электрического освеще- ния. В отчете об опытах по освещению Охтенского кап- сюльного завода Яблочков указывает; что электрическое освещение предпочтительнее, так как оно «...позволяет улучшить условия работы мастерской». Это, вероятно,— первое указание влияния освещения на условия труда. Яблочков заложил основы техники переменного тока. Эти работы были продолжены и развиты другим вели- ким русским изобретателем и ученым М. О. Доливо- Добровольским.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ ЗАВОД БЕЗ СКЛАДОВ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ' 4-L О складах а запасах Доброе вино выдерживают в подвалах по нескольку лет. Склады винодельческих совхозов обычно могут вместить запас готовой продукции больше годичного. На промышленных предприятиях стремятся ускорить производство, ускорить движение оборотных средств. Го- товую продукцию без задержек направляют потребите- лям. Но на любом металлургическом или металлообраба- тывающем заводе, на текстильной фабрике, на пищевом предприятии имеются склады для готовой продукции. Эти склады различны по величине. На одних предприя- тиях они вмещают готовую продукцию, выработанную за месяц, на других — за неделю. Во всяком случае, продукцию, выработанную за сутки, всегда есть где раз- местить. Газовые заводы имеют большие резервуары — газ- гольдеры, которые сглаживают колебания потребления газа в течение суток. Когда потребление газа мало, из- лишний газ накапливается в газгольдерах; в часы мак- симального потребления газ из них расходуется. Но современная система производства и распределе- ния электрической энергии такова, что запас электриче- ской энергии и в сборных шинах электростанций и под- станций, и в линиях передачи, и во всех разветвлениях сложных распределительных сетей меньше, чем потреб- ление электроэнергии за 7юо секунды — за один полу- период переменного тока. Производство электрической энергии переменного тока с частотой 50 гц не знает емких складов готовой продукции. Все, что производится, немедленно же потребляется. Как же все-таки удовлетворяется внезапно возникаю- щий спрос на электроэнергию, если в энергосистеме нет наготове ее запасов? Сразу вспыхивает электролампа при повороте выключателя, без промедления идет в ход электродвигатель мощностью в тысячи киловатт, когда оператор на пульте управления нажимает кнопку «пуск». На всех современных электростанциях электроэнергию производят генераторы переменного тока, приводимые во 1 Эта глава написана автором совместно с Ю. П. Комиссаровым. 12 Г. И. Бабат. 177
вращение паровой или водяной турбиной. Вращающаяся часть — ротор этих генераторов — это тяжелый электро- магнит. Он несет в себе большой запас механической энергии — энергии движения, кинетической энергии. В мощных турбогенераторах запас кинетической энер- гии ротора достаточен, чтобы поднять на несколько ки- лометров вверх массу весом в тонну или довести до ки- пения несколько десятков литров воды. Внезапные толчки нагрузки} погашаются прежде всего запасом энергии ротора. При включении новых потреби- телей ротор чуть притормаживается и при этом отдает часть своего запаса кинетической энергии, которая пере- ходит в электрическую. При сбросах нагрузки ротор раз- гоняется и воспринимает избыточную энергию. Запас его кинетической энергии возрастает. Инерция роторов электрических генераторов смягчает толчки нагрузки. К турбинам, которые вращают гене- раторы, толчки нагрузки приходят сглаженными и замед- ленными. Когда роторы генераторов, а следовательно, и соединенные с ними роторы приводящих их во враще- ние турбин притормаживаются или разгоняются, то при- ходят в действие регулирующие устройства турбин. При торможении ротора регулятор увеличивает подачу пара в паровую турбину или воды в гидротурбину. При раз- гоне ротора, наоборот, подача пара или воды уменьшает- ся. Регулятор стремится сохранить неизменным число оборотов турбины. На тепловых электростанциях при увеличении или уменьшении потребления пара турбинами изменяется давление пара в паропроводах и на котлах. На измене- ние давления пара немедленно отзывается регулирующее устройство котлов. Оно соответственно увеличивает или уменьшает подачу воды, топлива, воздуха, необходимого для горения, а также изменяет тягу. Так происходит на электростанциях, где котлы оборудованы автоматиче- скими регуляторами горения и питания. На электростан- циях, где автоматика на котлах еще не установлена, из- менение подачи топлива, воздуха, воды и регулировка тяги производятся кочегарами котлов, которые неотступ- но следят за давлением пара по манометрам, располо- женным на пультах управления или на видных местах на фронтовой части котлов. Электростанция хоть и не имеет склада готовой про- дукции — электроэнергии, но зато она имеет ряд проме- 178
Фиг. 4-1. Общий вид современной теплоэлектроцентрали. Уголь с железнодорожной ветки 14 подается в саморазгружающихся вагонах в разгрузочный сарай 1. Оттуда по системе транспортеров <5 уголь попадает на башню пересьпки 2. Эта башня является промежуточной станцией на пути дви- жения угля. Отсюда уголь может высыпаться наружу и механическими лопатами растаскиваться по угольнсму складу Л. В случае необходимости уголь со склада этими же механическими лопатами можно подать в бункеры 16 и оттуда опять по системе транспортеров 5 через дробильную башню 4 на бункерную галлерею котельной. В главном здании 6 расположены основные цехи станции. Самая высокая часть — это котельная, слева от нее ближе к дымовым трубам расположено помещение пылеприготовления, видны выходящие на крышу верхние части циклонов пыли. Более широкая и низкая часть главного здания—это машинный зал. В торце главного здания расположены служебные помещения 17. Машинный зал соединен переходным мостиком с главным пультом управления 10, к которому непосредст- венно примыкает главное распределительное устройство и открытая подстан- ция 11 с трансформаторной мастерской 15. С открытой подстанции уходят вдаль высоковольтные линии 12. Небольшое круглое здание 9 перед главным корпусом — это багерная насосная. В ней ниже уровня земли расположены насосы (они называются багерными), которые перекачивают смесь золы и воды из каналов гидрсзолоудаления на золо- отвалы. В здании 8, расположенном левее главного корпуса, помещается хими- ческая водоочистка. Приземистые здания 13 — это склады и механические мастерские. Теплоэлектроцентраль, изображенная на рисунке, построена вблизи больших промь шлейных предприятий, которые она снабжает паром и горячей водой. Реки поблизости нет, поэтому для охлаждения циркуляционной воды построены две градирни 7. 12* 179
жуточйых складов — складов полуфабрикатов, складов незавершенной продукции. Это запас энергии движения роторов генераторов и запас тепловой энергии в паро- проводах и котлах. Эти склады позволяют воспринимать неожиданные изменения нагрузки. На очень короткие толчки нагрузки реагирует только генератор. На более длительные изменения отзывается турбина. А медленнее всего реагирует котел. Это более емкий промежуточный склад, более инертное звено. Большинство современных электростанций электриче- ски соединено между собой. Они работают на общую электрическую сеть, образуют единую энергосистему. Из- менения потребления электроэнергии отражаются не на одном генераторе, не на одной электростанции, а на всех генераторах и станциях энергосистемы. Современная энергосистема может работать без запа- сов! электрической энергии «на складах» потому, что она питает одновременно огромное количество потребителей. Случайные непредвиденные изменения нагрузки очень мало вероятны. Здесь все подчинено закону больших чисел. 4-2. О средних числах Очень трудно предсказать, что произойдет на следую- щей неделе с вашим даже очень хорошим знакомым. У него может вдруг открыться голос и, оставив скром- ное поприще техника-конструктора, он вступит в хоровой ансамбль или, возвращаясь в рассеянном настроении до- мой, он станет’ жертвой уличного движения. Судьба отдельного индивидуума сокрыта во мраке неизвестности, как любили выражаться поэты старых времен. Но велико могущество средних чисел. Статистика в разгар лета знает, сколько народу будет участвовать в лыжных вылазках будущего года. Достоверно можно предсказать, сколько человек забудет в трамвае свои портфели и сколько новых граждан СССР появится на свет в будущем году. Трудно заранее предугадать, когда будет зажжена та или иная лампа. Но современная энергосистема объеди- няет миллионы ламп. Даже включение или отключение электродвигателя мощностью в сотни киловатт не может заметно изменить баланс энергосистемы. На основании статистики можно заранее подсчитать, какое количество 180
электроэнергии потребуется от энергосистемы в тот или иной час, в тот или иной день. Увеличение или уменьше- ние нагрузки повторяется с той же регулярностью, что и приливы и отливы в океане. 4-3. Графики нагрузки Ночью, когда останавливается городской электриче- ский транспорт, жители гасят свет в квартирах, часть электродвигателей на фабриках и заводах останавли- вается,— нагрузка минимальная. Наступает ночной про- вал нагрузки. К утру — просыпаются жители, включают бытовые электрические приборы, начинает работать электрический транспорт и, главное, начинают работать на полную мощ- ность фабрики и заводы — нагрузка энергосистемы резко возрастает. Наступает утренний пик — утренний макси- мум нагрузки. Днем уменьшается бытовое потребление электроэнер- гии, уменьшается потребление электроэнергии на произ- водствах в связи с обеденными перерывами или оконча- нием смены — нагрузка энергосистемы падает. Наступает дневной провал нагрузки. Вечером бытовое потребление электроэнергии опять возрастает, зажигается уличное освещение и освещение в квартирах. Часть фабрик и заводов продолжает рабо- тать на полную мощность. Нагрузка энергосистемы опять резко возрастает, наступает вечерний пик, вечерний мак- симум нагрузки. В вечерние часы нагрузка энергосисте- мы наибольшая за сутки. На нагрузку энергосистемы влияет не только время суток, но и время года и погода. В короткие осенние и зимние дни вечерний максимум начинается раньше и от системы требуется больше электроэнергии, чем в лет- нее время, так как увеличение бытового потребления электроэнергии накладывается на потребление электро- энергии фабриками и заводами, которые еще продол- жают работать на полную мощность. В пасмурные дни естественное освещение уменьшено; вечерний максимум наступает раньше, а утренний максимум затягивается. Выпадет густой снег— и сразу увеличится сопротивление движению и рельсового, и безрельсового электротранс- порта. Тяговые подстанции начнут забирать больше энергии. 181
Фиг. 4-2. График нагрузки районной электростанции. Здесь изображен суточный график нагрузки Шатурской ГРЭС за 26 января 1927 г Жирная ломаная линия — это заданный диспетчером график. Тонкая волнистая линия — фактическое выполнение. Станция является базисной—она несет основ- ную нагрузку и не регулирует частоту тока в системе. Поэтому ей задается отно- сительно ровный, без больших провалов график. Пунктиром изображена нагрузка станции в праздничный день, когда большинство заводов не работает. Диспетчер вынужден был дать большой провал нагрузки даже для этой электростанции. Диспетчер эне|ргосистемы заранее знает, как будет меняться ход потребления энергии в течение будущих суток, недель, месяцев. Диспетчерская служба заранее составляет график нагрузки на каждые сутки. На основе общего графика нагрузки составляются отдельные графи- ки нагрузки для каждой электростанции системы. Каждый час суток электростанция должна вырабатывать электро- энергию строго по расписанию. Для компенсирования могущих быть незначительных непредвиденных измене- ний нагрузки диспетчер выделяет одну регулирующую электростанцию или несколько генераторов, которые вос- принимают на себя эти изменения нагрузки. При всех изменениях нагрузки скорость вращения генераторов под- держивается строго постоянной. Поэтому неизменна и частота тока во всей энергосистеме. Выработка электроэнергии по всей энергосистеме и по отдельным электростанциям также заранее плани- руется и обеспечивается необходимым количеством топ- лива и. гидроресурсами. 182
300 Фиг. 4-3. График нагрузки энергосистемы большого города. Жирной линией изображена фактическая нагрузка в зимний день, а пунктирной— в летний. Зимой нагрузка в ночной провал составляет всего */• часть нагрузки в вечерний максимум. Вечерний пик нагрузки — зимой в 16 часов, а летом, когда темнеет, псзднее, — в 21 час. В социалистическом хозяйстве точно планируется и дальнейшее развитие энергосистем, наращивание мощно- стей, усовершенствование оборудования, 4-4. Типичная электростанция Несколько лет тому назад в журнале «Электричество» проводилась дискуссия о наивыгоднейших затратах цветного металла в энергосистемах Советского Союза, о наименьших возможных потерях электроэнергии при ее передаче от электростанций к потребителям. Рассуждения велись вокруг «средней типичной цен- тральной электростанции». Есть в СССР электростанции-гиганты мощностью в сотни тысяч киловатт. Существуют у нас еще и элек- тростанции с более старыми, менее мощными машинами. Если поделить суммарную мощность всех централь- ных электростанций СССР на число их, то для довоенных лет получались такие цифры: средняя мощность — около 70 тыс. кет. Среднее число генераторов на электростан- ции — 3,5. Средняя мощность каждого генератора — около 20 тыс. кет. 183
Правда, помимо центральных электростанций суще- ствует в СССР еще множество совсем маленьких элек- тростанций с мощностями, часто меньшими 100 кет. Они работают в отдельных колхозах, МТС. Существуют специальные ветряные электростанции для полярных зимовок. Но обо всей этой малой энергетике разговор особый. Число электростанций в СССР непрестанно растет, мощность отдельных станций увеличивается, аппаратура совершенствуется. Приведенные цифры через несколько лет отстанут от жизни. Постараемся при знакомстве с современными мето- дами производства электроэнергии говорить только о том, что| является основным, не преходящим, и не касаться того, что не характерно' и что наиболее подвержено из- менениям и вариациям. Существует два основных, резко отличных друг от друга вида электростанций: один — это гидростанции, где электроэнергия получается за счет использования энергии водяных потоков. О гидростанциях поговорим в конце главы. Другой вид электростанций — это тепло- вые, паротурбинные. Для них источником энергии яв- ляется топливо, сжигаемое в топках котлов. С тепловых электростанций и начнем. Посетим «среднюю» ГРЭС — Государственную район- ную электростанцию, пройдем по всем ее цехам, от подъ- ездных железнодорожных путей, по которым поступает топливо, и до выводов высоковольтных линий, уносящих выработанную электроэнергию вдаль на десятки, а под- час и сотни километров. 4-5. Сырье для тепловых электростанций Топливо, холодная вода и воздух — вот что потреб- ляет тепловая электростанция. Зола, горячая вода, дьш и электроэнергия — то, что она производит. Тепловые электростанции работают на различных ви- дах топлива. В средней полосе Советского Союза многие электро- станции работают на местном топливе — торфе. Его сжи- гают в топках паровых котлов в кусковом виде на дви- жущихся решетках или в виде торфяной крошки — фрезерного торфа — в шахтно-мельничных топках или топках системы инж. Шершнева. 184
Фрезерный торф получается путем снятия мелкой стружки, крошки с торфяного массива зубчатыми бара- банами — фрезами. Затем эту крошку сушат. Сжигание фрезерного торфа в чистом виде долгое время оставалось неразрешенной проблемой, пока у нас в СССР инженер Шершнев не сконструировал топку, в которой фрезерный торф сжигается во взвешенном со- стоянии. Фрезерный торф вдувается воздухом в топку. Несгоревшие крупные частицы падают, но опять подхва- тываются сильной струей воздуха и, таким образом, остаются в топочном пространстве во взвешенном со- стоянии до полного сгорания. В 1931 г. в СССР пущена первая в мире электро- станция, сжигающая фрезерный торф в подобных топках. Это Брянская районная электростанция. Позднее для сжигания фрезерного торфа были скон- струированы шахтно-мельничные топки. В шахтных мель- ницах фрезерный торф подсушивается, дробится, пере- мешивается с воздухом и уже в виде очень мелких под- сушенных частиц попадает в топку, где сгорает. В нефтяных районах СССР есть еще электростанции, работающие па жидком топливе — мазуте (отходы пере- гонки нефти). Электростанции, находящиеся вблизи ме- таллургических заводов, потребляют в качестве топлива доменный газ и газ коксовых печей. С открытием место- рождений природного газа часть электростанций стала применять и этот газ в топках своих котлов. Но ни один из этих видов топлива не является таким распространенным, как уголь. Большинство тепловых электростанций СССР потребляет в качестве топлива различные сорта углей. Современные электростанции очень неприхотливы к качеству угля. Они могут использовать многозольные и влажные угли, которые непригодны к сжиганию в топках пароходов и паровозов, в доменных и мартеновских печах. Раньше на электростанциях уголь сжигался в топках паровых котлов на решетках — таких же, как в печах для кускового торфа и для дров. Практика показала, что значительно выгоднее сжигать уголь в виде мелкого порошка — угольной пыли. Для ее получения уголь раз- малывается в мельницах. В этих же мельницах он и подсушивается. Большинство современных тепловых электростанций работает на угольной пыли. 185
Для тепловой электростанции требуется очень боль- шое количество воды. Надо питать паровые котлы. Но больше всего воды идет для охлаждения отработанного пара, для конденсирования его. Современные крупные тепловые электростанции строятся большей частью на берегу реки, озера или специально созданного пруда. Но не всегда в том месте, где строится электростанция, есть достаточное количе- ство воды. В этом случае довольствуются маленьким водохранилищем, где воду искусственно'охлаждают при помощи брызгальных бассейнов или градирен. Фиг. ^-/.Распределение потерь и полезной энергии на паротурбин- ной электростанции. Цифрами от 1 до 6 показаны потери: 1 — потери в котле (ушло в окружающий воздух и на нагревание котельной); 2—потери с уходящими газами;— потери в паропроводах; 4 — потери в турбине и на нагревание машинного зала; 5 — потери в генераторе; 6— потери с охлаждающей водой. На конденсационной электростанции внутренние потери и потери с охлаждающей водой составляют 77%. На теплоэлектроцентрали часть тепла, содержащегося в отборном и отработанном паре турбин, используется в промышленных пред- приятиях 7 и для бытовых нужд 8. Суммарные потери составляют 65%. 186
К брызгальным бассейнам теплая вода подходит под напором. Система труб распределяет эту воду между множеством сопел. Вода выходит из них небольшими фонтанами, распыляется на мелкие брызги, охлаждается окружающим воздухом, и, уже охлажденная, падает в бассейн. Градирни представляют собой высокие, полые внутри башни. В нижней их части по окружности расположены решетки. Теплая вода льется на решетки мелким дож- дем. Воздух проходит сквозь этот искусственный дождь, нагревается за счет тепла воды и вместе с парами воды попадает в центральную часть градирни. Эта гигант- ская труба создает тягу. Теплый воздух поднимается вверх и выбрасывается наружу. Над градирнями всегда стоят огромные облака пара. Теплоэлектроцентралями — сокращенно ТЭЦ — назы- ваются электростанции, которые кроме электроэнергии отдают потребителям еще и тепло в виде пара для тех- нологических нужд фабрик и заводов и в виде горячей воды, идущей на отопление жилищ и бытовые нужды населения. Теплоэлектроцентрали значительно экономичнее про- стых или, как их называют, конденсационных электро- станций. На последних больше половины тепла, получив- шегося при сжигании топлива, уносится с охлаждающей водой. На теплоэлектроцентралях эти потери значительно меньше, так как часть отработанного в турбинах пара идет непосредственно к потребителям и на подогрев во- ды для отопления и горячего водоснабжения окружаю- щего района. Итак, наиболее распространенной у нас в СССР яв- ляется тепловая электростанция, работающая на угле, сжигаемом в топках паровых котлов в пылевидном со- стоянии. Такую именно электростанцию и посетим. 4-6. Топливоподача Для того, чтобы выработать 1 квтч электроэнергии на современной электростанции, затрачивается всего несколь- ко сот граммов угля, но даже «средняя» электростанция в сутки потребляет несколько тысяч тонн угля. Вот распахнулись ворота электростанции и, лязгая буферами, медленно входит очередной состав тяжелых 187
Фиг. 4-5. Схема технологи- ческого процесса тепловой электростанции (топливопо- дача и котельная). Поданный в саморазгружающихся вагонах в бункеры разгрузочного сарая 1 кусковой уголь по систе- ме транспортеров 2 попадает в бункеры 3 дробильной башни и через магнитный сепаратор 4 и колссниковьй грохот 5—в дро- билку 6, где дробится до кусков размером 10— 13 мм. После дро- билки мелкий уголь по транспор- теру 2 подается на транспортеры бункерной галлереи 7 и по ним в бункера сырого угля котлов 8. Из бункеров сырого угля посред- ством ленточного питателя 9, скомбинированного с ленточными весами, уголь попадает в шаровую мельницу 10, где размалывается и подсушивается топочными газа- ми, подведенными к мельниие по газопроводу 11. Смесь угольной пыли и газов отсасывается из мельницы мельничным вентилято- ром (эксгаустером) 12, проходит через мельничньй сепаратор 13, где крупные частицы пыли отде- ляются и возвращаются по пыле- проводу 14 обратно в мельницу. Мелкая пыль с газами попадает в пв левой циклон /5, где пыль отделяется от газов и ссыпается в бункер пыли 16. Из циклона пыли 15 газы отсасываются по га- зопроводу 17 и через горелку 19 вдуваются в топку котла 20. В-этот же поток газов посредством питателей пыли 18 подсыпается количество пыли, необходимое для данной нагрузки котла. Дутьевой вентилятор 21 забирает из верхней части котельной нагретый воздух, прогоняет его через воздухоподогреватель 22, где воздух доводится до температуры 300 — ^50°, и подает его в количестве, нужном для полного сгорания пыли, по воздушным коробам 23 к го- релкам 19. Огненные факелы, выходящие из горелок, имеют температуру около 1 500°
четырехосных саморазгружающихся гондол. Каждая способна! вместить до 60 т угля. Состав подается на вагонные весы, Где каждая гондола взвешивается. Взвешива- ние топлива необходимо для ведения точ- ного учета технико-экономических показа- телей работы электростанции и денежных расчетов с железной дорогой и шахтами-по- ставщиками. После взвешивания часть вагонов идет на угольный склад, где разгружается для создания запасов угля. Склад необходим на случай возможных перебоев с транспортом. Угольные склады электростанции осна- щены мощными погрузочно-разгрузочными механизмами — портальными кранами, ка- бель-кранами, паровыми или электрически- ми самоходными грейферными кранами. Простой вагонов под погрузкой и разгруз- кой сводится к минимуму. В зависимости от условий топливоснаб- жения на складе хранится такое количество угля, которое достаточно для обеспечения работы станции с полной нагрузкой в тече- ние нескольких дней или даже недель. Другая часть вагонов, которая остава- лась у вагонных весов, забирается стан- ционным паровозом и подается к длинному зданию — разгрузочному сараю. Открыва- ются большие двустворчатые двери раз- грузочного сарая, загораются предупреди- тельные сигналы, звонит звонок и весь со- став вместе с паровозом входит внутрь — под разгрузку. Рабочие поворачивают запорные рыча- ги, раскрывают нижние боковые щиты гон- дол и черный поток угля льется в боль- шие, покрытые железными решетками с крупными ячейками ямы, расположенные по обеим сторонам железнодорожного пути. Это бункеры разгрузки. Мощные электри- ческие лампы под потолком кажутся туск- лыми от поднимающихся вверх клубов пы- ли Уголь подали сухой, потому так много 189
Фиг. 4-6. Схема техно- логического процесса (продолжение фиг. 4-5)- тепловой электро* станции (машинный зал и электрическая часть). Перегретый пар от котлов по паропроводу 7 посту* пает в паровую турбину 2, где тепловая энергия пара переходит в механическую. Ротор турбины вращает соединенный с ним ротор генератора Л. Отработав* ший в турбине пар посту- пает в конденсатор 4, где сжижается — конденсиру- ется, отдавая свое тепло циркуляционной воде. Превратившийся в воду пар — конденсат — откачи- вается конденсатным насо- сом 6 и направляется в аккумуляторные баки 7 и деаэратор Л, в котором из нагретой воды удаляется кислород. В f деаэратор, кроме конденсата, направ- ляется добавка воды по трубопроводу 12 из хими* ческой водоочистки для возмещения потерь конден- сата, сюда же перекачивающим насосом 9 подается дренаж из сборных дренажных баков 10. В зависимости от потребления воды котель- ной конденсат или накапливается в аккумуляторном баке, или расходуется из него в деаэратор. Освобождение воды от растворенного в ней кислорода происходит при прохождении головки деаэратора 11. Из деаэратора воду забирает питательный насос 73 и под напором гонит ее через подогреватель 74, где вода подогревается отборным паром турбины и по напорному трубопроводу питательной воды 75 идет в котельную к котлам. Отборный пар из турбины, кроме подо- гревателя, подается также и в деаэраторную головку. Мощным циркуляционным насосом 16 прокачивается через латунные трубы 5 конденсатора холодная вода (циркуляционная вода). Отработанный пар турбины омывает эти тпубы, отдает циркуляционной воде свое тепло и конденсируется. Теплая циркуляционная вода по трубопроводу 17 поступает в розетку 18 градирни, стекает оттуда по решетке 19 в виде мелкого дождя и, встречаясь с потоком воз-
пыли. Но бывает и по-иному. В осеннее и зим- нее время, когда идут сильные дожди и сне- гопады, влажность угля чрезвычайно увеличи- вается. Уголь смерзается и его приходится ло- мами выбивать из гондол. Из бункеров разгрузки уголь по системе ленточных транспортеров, сначала подземных, а затем поднимающихся по наклонным галле- реям вверх, попадает в дробильную башню. Здесь молотковые дробилки мельчат его на куски величиной в 10—13 мм. Отсюда уголь идет в бункеры сырого угля паровых котлов. На этом заканчивается хозяйство цеха топли воподачи. Что происходит с углем дальше, как он превращается в мелкую, сухую, как пудра, пыль,— расскажем позднее, после общего осмотра котельной. 4-7. Фабрика пара Когда стоишь внизу в котельной, в прохо- де между котлами, то кажется, будто нахо- дишься на узкой улице между высокими до- мами. Только дома необычного вида, обшиты стальными листами, окрашенными в черный цвет, и опоясаны легкими решетчатыми сталь- ными мостками и лестницами. Современные котлы достигают высоты пятиэтажного дома. Со всех сторон котла—гладкая черная об- шивка. Только на самом верху виднеется се- ребряный купол, как будто внутрь котла вму- рован дирижабль. Это — барабан котла. Ку- пол стального барабана покрыт слоем тепло- изоляции и покрашен алюминиевой бронзой. В куполе есть люк, чтобы можно было зале- зать внутрь барабана при монтаже и ремонте. В нескольких местах на обшивке котла устроены небольшие дверцы-гляделки. Откро- ем одну из них. Лицо сразу обдает жаром, нестерпимо яркий свет ударяет в глаза. Гля- делки выходят в топку котла, где происходит сгорание топлива. Напротив одной из откры- тых горелок укреплена черная трубка со стек- 191
лянной линзой на конце, вроде половинки бинокля. Это оптический пирометр, измеряющий температуру в топке. Внутри трубки пирометра помещена чувствительная тер- мопара. Провода от нее идут к гальванометру, укреп- ленному на контрольном тепловом щите котла. Шкала гальванометра градуирована в градусах. Температура внутри топки котла больше полутора тысяч градусов, а обшивка его стенок только теплая. Пламя в топке со всех сторон окружено рядом труб, наполненных водой и соединенных с барабаном котла. Эти трубы — водяной экран, как их называют, — воспри- нимают лучистую энергию раскаленных газов топки. За трубами экрана идет кладка из огнеупорного кирпича. За слоем огнеупорного кирпича выложен слой изоляци- онного диатомитового кирпича с очень малой теплопро- водностью. А за этим кирпичом непосредственно под стальными щитами обшивки проложен еще слой стек- лянной ваты или асбеста. Трубы, выходящие из котла, покрыты толстым слоем тепловой изоляции. Все эти меры значительно уменьшают потери тепла в окружаю- щую среду. 4-8. Внутри топки Рядом котел остановлен на ремонт. Через проем в его стене можно пройти внутрь топки на временный дощатый помост, сделанный на время ремонта. Как все серо внутри! Все четыре стены топки покрыты трубами водяного экрана. Трубы одеты слоем рыхлой золы и шлака. В не- которых местах на боковых стенках топки трубы разве- дены и видны зияющие черные отверстия — горелки, че- рез которые угольная пыль вдувается в топку; Внизу стены топки сужаются в виде опрокинутой пи- рамиды, переходящей в узкую шахту. Это шлаковый бункер и шлаковая шахта. Сюда падает образующийся при горении угольной пыли шлак. Из шлаковых шахт шлак и зола смываются сильной струей воды в каналы гидрозолоудаления или ссыпаются в вагонетки и выво- зятся на золоотвалы. Когда стоишь внизу топки, то плохое освещение вначале скрадывает высоту топочного пространства. Но эта высота становится ощутимой, если окинуть взглядом одну из труб водяного экрана от самого низа до верха. 192
Внизу на уровне помоста трубы кажутся толщиной в руку и промежутки между ними ясно различимы. Вверху трубы изгибаются, образуя плоский свод. И там вверху эти трубы кажутся соломинками, уложенными в ровные ряды. Надо закинуть голову, чтобы осмотреть свод топки. Невольно рот открывается и в него сыплется сверху зола. При работе котла все его водяные трубы непрерывно покрываются слоем нагара, слоем золы и сажи. Это ухудшает теплопередачу от раскаленных газов к воде в трубах. Во время ремонта котла все его водяные трубы тщательно очищаются. Конструкторы паровых котлов подбирают скорость раскаленных газов, летящих сквозь пучки труб, доста- точно высокой, чтобы уменьшить осаждение на них твер- дых частиц. Не то образовались бы наросты, подобные сталактитам и сталагмитам в пещерах. Кроме того, во время работы котла полагается время от времени обдувать его трубы сильной струей сжатого воздуха или пара. Объем топки котла более тысячи кубических метров. Страшно подумать, что творится в этом огромном пространстве во время работы котла, когда оно все заполнено бушующим пламенем и вихрями раскален- ных газов. 4-9. Прошлое котлостроения Паровые котлы строятся уже более двухсот лет. Сначала это были просто чугунные, железные или мед- ные сундуки, ставившиеся на очаг. Но угловатый сосуд плохо выдерживает давление, и котлы начали делать в виде барабана с закругленными днищами, с расположен- ной сверху трубой для отвода пара. Такой вид имел ко- тел знаменитой машины Ползунова. Много десятилетий строились котлы, состоявшие из одного только барабана. Эти котлы имели малую производительность и низкий к. п. д. Чтобы улучшить работу котлов, конструкции их стали усложнять. Внутри барабана стали пропускать трубы, по. которым проходили раскаленные дымовые газы из топки. Подобные котлы получили название «жаротрубных». Такой жаротрубный котел еще в 1830 г. применили Черепановы на своем паровозе. Идея оказа- лась настолько удачной, что и теперь на современных паровозах, во много раз более мощных и экономичных, 13 Г. И. Бабвт. 193
чём чёрёпановский, применяются жаротрубные конструк- ции котлов. Одновременно с жаротрубными котлами появился и другой тип котлов — водотрубный. Барабан котла снаб- дили трубками, по которым внутри циркулировала вода, а снаружи они омывались раскаленными газами. В таких котлах тепло топлива использовалось лучше, чем в котлах, состоящих из одного только барабана. Благодаря большой поверхности соприкосновения водя- ных труб с горячими газами температура газов на вы- ходе котла получалась низкой; меньше тепла бесполезно выбрасывалось наружу. В дальнейшем водяными тру- бами стали покрывать и стенки топки. Эти трубы уже воспринимали лучистую энергию самого факела горения топлива и предохраняли обмуровку топки от непосред- ственного воздействия высокой температуры. Трубы, омывающиеся горячими газами, принято на- зывать кипятильными трубами или конвективной поверх- ностью нагрева котла. Трубы, воспринимающие лучистую энергию — радиацию пламени, называют экранными тру- бами или радиационной поверхностью нагрева. Первые паровые электростанции, появившиеся в кон- це прошлого века, были оборудованы именно водотруб- ными котлами. В России получили распространение котлы системы Шухова 1 с поверхностью нагрева около 200 м2 и с давлением пара в 6 ат. Со времени котлов Шухова советское котлостроение далеко шагнуло вперед. Мощность отдельных котлов и давление пара в них значительно увеличились. Совершенствовались и топки котлов. Сначала уголь сжигали на решетке из чугунных пластин — на непо- движных колосниках. Потом появились механические решетки. Уголь стали подавать на решетку большими червячными винтами — вроде винтов от огромных мясо- рубок. А саму решетку для сжигания угля стали делать подвижной, как гусеницу от трактора или танка, но только размером побольше. Строились гусеницы-решетки, 1 Инженер В. Г. Шухов, впоследствии почетный академик, был высокоодаренный и разносторонний конструктор. Котлы — только один из небольших участков его деятельности. Им.созданы фор- сунки для жидкого топлива, первые нефтеперегонные аппараты, множество оригинальных конструкций перекрытий и башен. Из последних больше всего известна знаменитая радиомачта в Мос- кве на Шаболовке.
на которых уместился бы самый крупный танк. Позднее стали развиваться пылеугольные топки. По мере увеличения мощности котлов барабаны их все уменьшались, а трубная система увеличивалась. В большинстве современных котлов барабаны уже не омываются горячими газами. Строят теперь котлы и со- всем без барабанов — прямоточные котлы. Прямоточный котел состоит из одного длинного пучка труб, вьющихся в виде сплошной ленты вокруг топки. С одного конца в эти трубы мощным насосом нагне- тается вода. По мере своего движения по трубам она сначала подогревается, затем превращается в насыщен- ный пар и, наконец, в перегретый пар, идущий из выход- ного коллектора котла прямо к турбинам. Огромный змеевик прямоточного котла сваривают электрической и газовой сваркой из отдельных кусков труб. Затем сквозь сваренные трубы сжатым воздухом прогоняют стальной цилиндр с остро отточенным краем. Он срубает внутри все наплывы («грат»), получившиеся при сварке. После этого змеевики готовы к работе. Первоначально слово «котел» означало вместилище для жидкости, котел был синонимом слова «горшок». Современные котлоагрегаты имеют мало общего с горшком. Когда в котле сжигают малокалорийный, многозоль- ный уголь, то на каждую тонну топлива получается око- ло 3 т перегретого пара. При топливе лучшего каче- ства можно получать 5—6 т пара на каждую тонну топ- лива. Типичный современный мощный котлоагрегат дает до 200—230 т пара в час при давлении до 100 ат. Это до- статочно для обеспечения работы с полной нагрузкой турбины в 50 тыс. кет. В подобном котле сжигается в час 50—75 т топлива. Это за последние несколько десятилетий появились такие большие и мощные котлы. В 1929 г. я проходил практику кочегаром на Киевской центральной электро- станции. Во время ночной смены, в провал нагрузки, один из студентов-практикантов нашей группы попытал- ся вздремнуть часок — забрался в топку ремонтировав- шегося котла й прикурнул там. Но старший кочегар его сразу обнаружил и выволок за ноги из топки. В том котле нельзя было спрятаться, он был маленький, как котлы, которые стоят теперь в банях. 13* 195
А в современный мощный котел при ремонте входит десяток людей и не сразу найдешь, кто где. Эти малень- кие котлы на Киевской ЦЭС были с ручной топкой. Надо было вручную забрасывать лопатой уголь на ре- шетку, следить за тем, чтобы он ложился равномерным слоем по всей решетке, чтобы не получался «гроб» по- средине топки. Время от времени надо было «шуровать» уголь кочергой, подрезать запекшийся на решетке шлак ломом и выволакивать раскаленный шлак на пол котель- ной, где он заливался водой. Клубы удушливого дыма и пара окружали кочегара. Работать на таком маленьком котле было куда тяжелее, чем на современных гигантах, где все механизировано и автоматизировано. 4-10. ЦЭС на Васильевском острове Одна из первых попыток создания центральной элек- трической станции была предпринята в 1880 г. в Петер- бурге товариществом «Электротехник». Оно представило в Петербургскую Городскую думу докладную записку с просьбой: «...отвести, близь Невского проспекта, место для постройки изящного железного павильона, с зеркаль- ными стеклами, для устройства небольшого электриче- ского завода». Товарищество «Электротехник» просило предоставить ему: «... право проводить вдоль Невского проспекта проводники для электрического освещения во все дома на протяжении от Адмиралтейской площади до Аничкова моста». За это Товарищество предлагало: «...зажигать для города бесплатно по одному электри-. ческому фонарю на известное число фонарей, поставлен- ных, для частного употребления». В первую очередь пред- лагали бесплатно осветить Екатерининскую площадь перед Александринским театром. Но предложение товарищества «Электротехник» не было принято. Через три года была пущена электростанция на барке на р. Мойке у Невского проспекта. Видимо, это была одна из первых. русских центральных электростанций. Есть сведения, что на этой электростанции работал, еще будучи студентом, изобретатель радио А. С. Попов. На барке было установлено три паровых локомобиля и двенадцать динамомашин постоянного тока. . . В это же время в Петербурге начала действовать еще одна электрическая станция, расположенная в маленьком 196
Фиг, 4-7, Машинная и котельная установки центральной электри- ческой станции 800 кет на Васильевском острове в Петербурге, построенной в 1894 г. инженерами Н. П. Булыгиным и Н. В. Смир- новым. деревянном доме у Казанского собора. На Казанской «ЦЭС» было два паровых локомобиля и три динамома- шины постоянного тока. Эту электростанцию обслужи- вало 9 человек Обе эти петербургские станции давали энергию для 1 327 электрических ламп и 80 фонарей. По тому вре- мени это были крупные предприятия. 197
В 1895 г. в Петербурге на Васильевском острове на- чала действовать ЦЭС переменного тока, построенная русскими инженерами Н. П. Булыгиным и Н. В. Смир- новым. Установленная мощность ее была 800 кет (фиг. 4-7). Василеостровская ЦЭС долгие годы служила образ- цом для строительства подобных станций в России. Все устройство этой станции было глубоко продумано и тщательно выполнено. На этой станции были образцово поставлены планирование и организация производства электроэнергии. 4-11. Приготовление пыли Уже было сказано, что наиболее распространенный вид топлива для современных котлов — это угольная пыль. Чтобы угольная пыль хорошо горела, она должна быть достаточно мелкой и сухой. Угли, применяемые для электростанций, различны: одни содержат много золы и влаги, другие мало. При нагревании разные угли выделяют разное количество ле- тучих веществ — горючих газов. Чем больше летучих веществ в угле, тем легче его воспламенить. Поэтому и приготовление пыли производится по-разному. Для углей, бедных летучими, как, например, донецкие антрациты, требуется очень тонкий помол. Если содержание лету- чих в угле велико, то частицы пыли могут быть крупнее. Подмосковный уголь содержит много влаги, его при по- моле требуется хорошо просушивать. Проследим весь цикл приготовления пыли. Из бункера сырого угля уголь посредством питателя сырого угля подается равномерно в шаровую мельницу. Здесь он раз- малывается и одновременно подсушивается. Шаровая мельница представляет собой полый сталь- ной вращающийся барабан диаметром более метра и дли- ной несколько метров. Внутри барабан мельницы вы- ложен массивными волнистыми броневыми плитами из марганцовистой износоустойчивой стали. В барабан за- сыпается до 30 т — несколько десятков тысяч штук — стальных шаров диаметром 30—40 мм. Вместе с шарами и броней барабан мельницы весит около 80 т. Такая мощная шаровая мельница, способная перема- лывать до 45 т угля в час, является потомком маленьких бронзовых горшковых мельниц, в которых еще в средние 198
века мололи селитру, серу и древесный уголь для изго- товления пороха. В торцевых стенках барабана шаровой мельницы сделаны две горловины. Одна — входная. Через нее по- ступают в мельницу уголь и горячий воздух или газы из топки для подсушки и транспорта пыли. Готовая пыль выносится горячими газами через выходную гор- ловину. Электродвигатель вращает 80-тонный барабан мель- ницы со скоростью около 1 оборота в секунду. Стальные шары перекатываются внутри барабана, захватываются волнистыми выступами брони, подымаются, падают вниз, сталкиваются между собой, разбивают, давят попадаю- щиеся между ними куски угля, превращают их в пыль. Это нормальный режим мельницы. Если чрезмерно повысить скорость вращения, то центробежная сила отбросит все шары к стенкам бара- бана, плотно прижмет их. Они не будут размалывать уголь. Через шаровую мельницу все время мощным венти- лятором — эксгаустером — просасываются газы из топки или горячий воздух из воздухоподогревателя котла. Угольная пыль выносится этим мощным потоком горячих газов и одновременно подсушивается. Поток газов вы- носит и мелкие частицы, и более крупные, непригодные для сжигания в котле. Поэтому после мельницы устанав- ливается сепаратор пыли, в котором крупные частицы пыли ударяются о стенки, выпадают и возвращаются об- ратно в мельницу. Мелкие частицы пыли уносятся даль- ше в пылевой циклон, где поток пыли и газов приходит во вращательное движение. Под действием центробеж- ной силы частицы пыли относятся к стенкам циклона, те- ряют здесь свою скорость и падают в низ циклона. ’Отсю- да пыль попадает в бункер готовой пыли. Запас готовой пыли необходим на случай всяких непредвиденностей. Освобожденный от пыли поток газов отсасывается из циклона эксгаустером. Из бункера пыли, через питатели пыли, угольная пыль сыплется в поток газов, идущий от эксгаустера к пылевым горелкам котла. К горелкам же подается дутье- вым вентилятором через воздухоподогреватель и воздух, необходимый для торения этой пыли. Все пылепроводы системы пылеприготовления герме- тически закрыты, одеты толстым слоем тепловой изоля- 199
ции и окрашены светлой краской. Нигде снаружи не видно ни одной угольной пылинки. Пыление в системах пылеприготовления недопустимо. Мелкая сухая угольная пыль так же текуча, как и вода. Угольная пыль не только загрязняет помещение, она легко воспламеняется. Скоп- ления пыли могут вызвать пожары, а при некоторых «опасных концентрациях» пыли в воздухе может прои- зойти взрыв. В шаровых мельницах размалывается не только уголь. Истираются и стальные шары. Железная пыль вместе с угольной уносится в топку. Износ шаров зависит от сор- та угля. Чем уголь тверже, тем быстрее истираются шары. Расход стали может достигать нескольких кило- грамм на тонну угля. Когда размер стальных шаров уменьшится, общий вес их упадет, они хуже размалывают уголь. Плохо работает мельница и когда в ней слишком мало, и когда слишком много шаров. Опытным путем снимают кривые производительности и удельного расхода электроэнергии в зависимости от количества шаров в барабане мельницы. Это можно сде- лать во время капитального ремонта. Всыпают в барабан сначала 1 т шаров и измеряют мощность, потребляемую двигателем, вращающим барабан. Затем количество шаров увеличивают, дают 10, 20 и т. д. тонн шаров и каждый раз производятся замеры мощности. Строится целый ряд графиков и номограмм. По ним определяют наивыгоднейший шаровой режим. Не так оказывается просто истереть уголь в порошок. Во время работы шаровой мельницы, чтобы поддер- живать оптимальный шаровой режим, надо время от времени добавлять в барабан новые стальные шары. Это можно делать по-разному: подбрасывать по нескольку штук шаров каждую смену, раз в неделю надо всыпать примерно полтонны шаров в барабан. Когда мельница останавливается для капитального ремонта (обычно через год работы), все шары вынима- ются, взвешиваются, сортируются. Износившиеся мелкие шары выбрасываются. Сохранившиеся шары (весом не менее полкилограмма) снова идут в работу. При раз- моле твердых углей иногда рекомендуют к шарам раз- мером 30—40 мм добавлять еще некоторое количество более крупных — размером 50—60 мм. 200
4-12. Автоматическая котельная Возрастет потребление энергии — регулятор турбины приоткрывает клапаны и подача пара в турбину увели- чивается. Вследствие увеличения расхода пара начинает понижаться давление в паропроводе и на котле. Пони- жение давления пара воспринимает колонка давления регулятора горения котла. Она дает сразу же импульс на увеличение подачи топлива. Соответственно срабаты- вают и другие элементы регулятора горения — увеличи- вают подачу воздуха для обеспечения полного сгорания топлива. Если воздуха недостаточно, то сгорание топли- ва будет неполным, в отходящих газах появится углерод в виде сажи, увеличится содержание окиси углерода. Из трубы пойдет черный дым. Слишком большой избыток воздуха также вреден. Излишний воздух снижает температуру в топке. Не все частицы пыли загораются, некоторые несгоревшими уно* сятся в трубу — опять идет черный дым. С увеличением подачи топлива и воздуха увеличи- вается объем газов, выходящих из топки, и если своевре- менно не усилить тягу, то в топке возникает повышенное давление и котел начинает «газить» — из всех щелей и неплотностей обмуровки дым выходит в котельную. Со- ответствующий элемент регулятора горения — колонка тяги — следит за давлением в топке и регулирует дымосос. С увеличением подачи топлива и воздуха увеличи- вается отдача пара — паросъем котла. С возрастанием паросъема уровень воды в котле падает. Понижение уровня воды сверх определенных пределов очень опасно. Трубы, ранее заполненные водой, опорожняются, стенки их перегреваются. Перегретый металл может не выдер- жать давления. Произойдет разрыв трубы — авария на котле. Повышение уровня воды в котле сверх нормы также’ недопустимо. Может произойти заброс воды в паропро- вод — котел, как говорят, «плюнет». Температура выхо- дящего пара понизится, может появиться вибрация тур- бины, а в некоторых случаях .и разрушение ее лопаток. Ранее за поддержанием нормального уровня воды в котле следили специальные люди — водосмотры — по во- домерным стеклам, расположенным на барабане котла. В зависимости от колебаний уровня они регулировали подачу воды в котел — питание котла. Работа водо- 201
Фиг. 4-8. Поперечный разрез современного мощного котельного агрегата с шахтно-мельничной топкой. Из бункера сырого угля 2 кусковой уголь, доставленный транспортером 1, по- дается в тарельчатый питатель .1 Последний равномерно подает его в шахтную мельницу 4. Ротор этой мельницы приводится во вращение электродвигателем. Насаженные на ротор билы раздробляют уголь. Дутьевой вентилятор 11 через воздухоподогреватель 10 подает в шахтную мельницу горячий воздух. Наиболее мелкие частицы пыли, образующейся в мельнице, подхватываются потоком этого воздуха, подсушиваются и, хорошо с ним перемешанные, уносятся в топочное пространство 5, где и сгорают. Для успешной работы шахтной мельницы требуется очень горячий воздух, по- этому воздухоподогреватель здесь состоит из двух ступеней. Первая ступень рас- положена на выходе топочных газов, а вторая ступень — в средине водяного 202
смотра была очень тяжелой, находились они непосред- ственно у барабана на самом верху котла в страшной жаре. Малейшее упущение в работе водосмотра грозило тяжелой аварией. Советскими инженерами сконструиро- ваны замечательные регуляторы питания, которые авто- матически поддерживают нормальный уровень воды в котле, допуская его колебания лишь в очень незначи- тельных, неопасных пределах. Благодаря автоматизации работы котла он дает точно то количество пара, которое необходимо для турбины. Однако всякую автоматику необходимо контролировать, поэтому на щит управления котла выведены все необхо- димые приборы и кнопки управления различными орга- нами автоматики и моторами, обслуживающими котел. По манометрам кочегар следит за давлением пара в котле и за давлением воды в питательной магистрали. Водомеры и паромеры показывают расход. На снижен- ном указателе уровня видно наполнение барабана котла. На контрольном щите находятся обычно еще газоанали- заторы. Они автоматически производят химический ана- лиз газов, отходящих от котла (фиг. 4-9). Маленькие порции газа отсасываются из дымохода и охлаждаются в тонких трубочках. Затем этот газ про- пускают мимо нагретой платиновой нити: по тому, как газ отбирает тепло, определяется содержание в нем угле- кислоты (СО2). Затем определяют содержание в газе окиси углерода (СО). Для этого окись углерода дожи- гают — превращают в углекислоту. Чем больше тепла выделится при этом в анализируемом газе, тем больше, следовательно, было в этом газе окиси углерода. Появление СО указывает на неполное сгорание. Уве- личение СО2 сверх указанной для данного сорта угля экономайзера, где температура газов высокая. Топочные газы по выходе из топки омывают пароперегреватель 8, затем вторую ступень водяного экономайзера 9, а за ней вторую ступень воздухоподогревателя 10. Дымосос 73 через золоулови- тель 12 выбрасывает топочные газы в дымовую трубу 16. Часть золы и шлак прямо из топки падают в шлаковую шахту 6. Управление этим котлом автомати- зировано. При увеличении потребления пара регулятор давления увеличивает число оборотов питателя сырого угля 3. В топку начинает поступать больше топлива. Соответственно повышаются и обороты дутьевого вентилятора 77, возрастает подача воздуха, необходимого для горения. Объем топочных газов возрастает, и, чтобы справиться с их удалением, увеличиваются обороты дымососа 73. Регуля- тор питания, воздействуя на привод задвижки 14, увеличивает подачу воды в котел 7. На этом котле также есть регулятор перегрева. Если температура пара чрезмерно повысится, то открывается вентиль 75 и в пар, поступающий в пароперегреватель, впрыскивается вода. На испарение этой воды уходит часть тепла пара и темпера- тура его снижается. 203
но, какова температура ратура в топке. Фиг. 4-9. Схема электрического газоанализатора — измерителя со^ держания углекислоты в отходя- щих газах. В металлических трубочках помещены накаленные платиновые нити. По этим трубочкам с постоянной скоростью про- сасывается г?з. Он охлаждает нити тем больше, чем больше его теплопровод- ность. Теплопроводность углекислоты значительно больше теплопроводности других составляющих топочных газов. Температура платиновых нитей зависит от содержания углекислоты в газах. А с изменением температуры нитей меня- ется их электросопротивление. Через две трубочки просасываются ды- мовые газы, а две других трубочки напол- нены воздухом. Платиновые нити со- единены между собой, как плечи электри- ческого моста. Одна диагональ моста через регулировочный реостат получает питание постоянным током,величина его контролируется измерительным прибором. В другую диагональ включен гальвано- метр. показывающий проценты СО,. При изменении содержания углекислоты ме-* няется сопротивление нитей и меняется ток в диагонали моста. Ниги поддержи- ваются все время в натянутом состоянии маленькими платино-иридиевыми пружи- нами. нормы показывает на недо- статок воздуха: может на- чаться шлакование котла. Тягомеры показывают раз- режение и давление в газо- ходах котла, в воздухопро- водах и пылепроводах систе- мы пылеприготовления. К приборам щита управ- ления подходят также все провода от термопар, термо- метров сопротивления и оп- тических пирометров котла. По этим приборам сразу вид- пара, питательной воды, отходя- щих газов, воздуха, подаваемого в котел, какова темпе- 204.
4*13. Как повышают экономичность тепловой ЦЭС Котел — это самая громоздкая, занимающая наиболь’ ший объем часть электростанции. Но не только большие геометрические размеры характеризуют котел. Полный к. п. д. электростанции, экономичность ее работы в зна- чительной мере определяются котельной. Физики и инже^ неры потратили много усилий, чтобы улучшить, усовер- шенствовать котлы. На лучших советских электростанциях до 90% заклю- ченного в топливе тепла передается пару. Раскаленные топочные газы сначала отдают свое тепло лучеиспуска- нием экранным трубам, затем газы нагревают конвек- тивную поверхность нагрева котла. Далее газы идут в подогреватель питательной воды — водяной экономайзер и, наконец, поступают в воздухоподогреватель, где на- девают воздух, идущий в топку. После всего этого от- ходящие газы имеют температуру всего лишь 150—200°. Дальнейшее использование тепла отходящих газов уже нерационально. При дальнейшем охлаждении начнет выделяться содержащаяся в газах влага, будут ржаветь металлические поверхности водо- и воздухоподогрева- телей. Но даже если в котельной пар получит все 100% тепловой энергии, содержавшейся в топливе,— это еще не означет, что полный к. п. д. ЦЭС будет высок. Турбина может превратить в механическую энергию только часть тепловой энергии пара. Эта часть принципиально всегда должна быть меньше отношения разности температур пара на входе и выходе турбины к температуре на входе (все температуры в абсолютных градусах). Температура пара на выходе турбины определяется температурой воды, охлаждающей этот пар. Практически температура пара на выходе не может быть ниже не- скольких десятков градусов. Если температура пара на входе 100° (373° абсолютных), а на выходе 50° (328° абсолютных), то в механическую энергию можно пре- вратить не больше —^73— =0,13 от всего запаса тепловой энергии пара. Чтобы повышать к. п. д. ЦЭС, необходимо повышать температуру пара на входе турбины. Одновременно при- ходится повышать и давление пара. Если перегревать пар 2J5
при низком давлении, то плотность его получается очень малой, использовать такой пар в турбине невыгодно. В настоящее время в СССР все более широкое примене- ние получают котельные установки с повышенными тем- пературами и давлениями пара — с повышенными пара- метрами, как говорят. Давление применяют до 100 ат, а перегрев пара до 500°. Пар от этих котлов сначала проходит через отдель- ную турбину высокого давления — предвключенную тур- бину или, как ее еще называют, форшальттурбину, а лишь затем поступает в основную турбину с давлением около 30 ат и температурой перегрева 400°. Такие «надстройки» высокого давления значительно повышают экономичность работы электростанции. Совет- ские инженеры сконструировали также и мощные, до 100 тыс. кет, турбины высокого давления обычного кон- денсационного типа, и теперь уже строятся электростан- ции, работающие на высоком давлении. Были предложения переделать существующие на электростанциях котлы низкого давления в котлы высо- кого давления, применяя систему с промежуточным теплоносителем. При этой системе раскаленные газы на- гревают не воду, а какую-нибудь высококипящую жидкость, т. е. кипящую при высокой температуре (при- меняется состав, называемый дуотерм). Трубы, в которых циркулирует высококипящая жидкость (дуотерм), могут находиться под малым дав- лением. А в дуотерм погружается змеевик, в котором нагревается вода и образуется водяной пар высокого давления. Теплопередача от дуотерма к воде и водяному пару значительно лучше, чем от раскаленных газов. По- этому система труб, содержащих воду и пар при высоко^ давлении, может быть сделана меньших размеров и более дешевая, нежели в обычном котле. Но эксплоатация котла с промежуточным теплоносителем значительно сложнее эксплоатации простого котла. Были построены также опытные установки с двойным, или, как говорят, бинарным циклом. В них вместо воды до высокой температуры нагревается ртуть. Ртуть кипит при температуре 375°. Можно перегреть ртутный пар до температуры выше 500° при еще относительно низком давлении. Отработав в турбине, ртутный пар конденси- руется и при этом производит водяной пар, который в свою очередь работает еще в одной турбине. Энергия 206
Топлива используется здесь в две ступени: сначала в турбине с ртутным паром, а затем с водяным. Установки с двойным циклом имеют высокую эконо- мичность. Но и в конструировании, и в эксплоатации этих установок есть много специфических трудностей. Пока такой тип ЦЭС не развивается. Ближайшее будущее принадлежит установкам высо- кого давления, работающим на обыкновенном водяном паре. 4-14. Дымовые трубы В газах, отходящих из котла, всегда имеется остаточ- ное тепло. Теплые газы стремятся подняться вверх. В дымовых трубах они создают естественную тягу. В ста- рое время все электростанции строились с естественной тягой. Отходящие газы тогда не очищались и высокие трубы нужны были не только для тяги, но и для того, чтобы рассеять дым по воздуху. На современных электростанциях тяга создается мощ- ными дымососами, а трубы лишь помогают их работе. Строились ЦЭС и вовсе без дымовых труб. Прямо из дымососов газы выбрасывались в атмосферу. Большин- ство электростанций снабжается высокими, выше 100 м трубами. Когда заберешься на верхушку такой трубы, кажет- ся— на корабле находишься в качку. Под порывами ветра верхушка трубы отклоняется на несколько санти- метров. Лестницу, которая ведет на верх трубы, окру- жают решеткой, чтобы можно было на эту решетку опе- реться спиной, когда лезешь по трубе. Уцепишься за поручни, прижмешься к решетке и все-таки страшно. Несколько десятков тысяч тонн дыма производят в сутки котлы современной крупной тепловой ЦЭС. В ос- новном дым состоит из газов: азота, углекислоты, водя- ных паров. Их надо попросту рассеять в атмосфере. Но продукты сгорания, только вышедшие из котла, содер- жат в себе еще много такого, чего в атмосферу пускать никак нельзя. В прошлом веке черный дым из труб считался при- знаком процветающей индустрии. А теперь черный дым может показаться только при серьезной аварии, когда откажут в работе регуляторы сгорания и фильтры. Вид дыма, выходящего из трубы, зависит от содер- жания влаги в топливе. Когда влаги мало, то из трубы 2Q7
идет серый дымок. При сильно влажном топливе в от- ходящих газах много водяного пара. Клубы дыма полу- чаются белесые, непрозрачные, очень плотные. 4-15. Очистка дыма Большинство тепловых электростанций работает на многозольных топливах. Лишь незначительное количе- ство этой золы — около 5% —осаждается в топке в виде шлака. Большая же часть золы уносится из топки котла вместе с топочными газами. Множество мелких твердых частиц золы и несгоревшего топлива взвешено в потоках газов. Если выпустить такой дым прямо в трубу, то в атмо- сферу будут попадать тысячи тонн золы в сутки. В ко- роткое время вся местность вокруг электростанции будет занесена золой. Поэтому уходящие из котла газы предварительно очи- щаются от взвешенных частиц, прежде чем они попадут в дымососы и в трубу: Для улавливания золы применяют циклоны, анало- гичные циклонам в системе пылеприготовления. Дым завихряется в огромном железном цилиндре с кониче- ским дном. Дым входит в цилиндр сбоку, по касатель- ной. Центробежная сила уносит пылинки на стенки циклона. По стенкам пылинки скатываются вниз, в кони- ческую часть, в приемник золы. Частично обеспыленный воздух отсасывается вверх по вертикальной трубе из средней части циклона. Применяются в последнее время мультициклоны. Вместо одного большого цилиндра ставится множество маленьких, миниатюрных, соединенных параллельно. Однако, и циклоны, и мультициклоны улавливают не больше 60% от золы, находящейся в уходящих газах. Очень мелкие пылинки плохо увлекаются центробеж- ными силами. Механическим способом нельзя получить достаточно высокую очистку газов. Чтобы вытянуть из газа мельчайшие твердые частицы, нужны большие силы, например электрические. Электро- фильтры— это наиболее совершенный тип золоуловите- лей. Они дают очистку выше 90%. Электрофильтры состоят из множества железных тРУб, расположенных в виде пчелиных сот. Внутри каж- дой трубы натянуты тонкие нихромовые проволоки. Тру- 208
бы заземлены, а на проволоки подается вы- сокое напряжение по- стоянного тока. При этом вокруг проволок возникает коронный разряд. Проволоки оде- ты светящейся оболоч- кой — короной. В коро- не много заряженных атомов — ионов, они садятся на частицы зо- лы и сообщают им электрический заряд. На заряженные пы- линки действует элек- трическое притяжение. Электрические силы ув- лекают частицы золы к внешнему электроду — к трубе. Пылинки осе- дают на стенках тру- бы рыхлым слоем, сли- паются друг с другом. Маленький электро- двигатель или сжатый воздух приводят в дей- ствие колотушки-мо- лотки, которые перио- Фиг. 4-10. Электрический улавлива- тель пыли и дыма. Внутри металлической заземленной трубы на изоляторе подвешена нихромовая прово- лока (этот материал выбран потому, что он лучше других противостоит коррозии). На проволоку подается высокое напряжение. Пылинки, идущие по трубе, приобретают та кой же заряд, как и проволока, отталки- ваются от нее и оседают на стенках. Боль- шие электрофильтры составляются из многих таких труб, соединяемых параллельно. дически постукивают по корпусу электрофильтра, встряхивают электроды. Зо- ла, осевшая на трубах, ссыпается вниз в золовой бункер, откуда уже удаляется. Электрофильтры дают очень высокую степень очистки газов. В Советском Союзе электрофильтры применяются не только на ЦЭС, но и на многих заводах, например, на всех почти крупных металлургических заводах. Средний электрофильтр улавливает несколько тонн пыли в сутки. На одном цементном заводе за 12 лет электрический улавливатель собрал 350 тыс. т цементной пыли. В воз- дух ушла только сотая часть всей пыли. Очистка газов от золы на ЦЭС не только предотвра- щает занос золой окружающей местности, но также уве- личивает надежность работы ЦЭС и приносит некоторые 14 Г. И Вабат. 209
экономические выгоды. При плохом золоуловлении быст- ро изнашиваются лопатки дымососов, частицы золы истирают их, выводят из строя. Зола из электрофильтров и циклонов может итти на изготовление шлакобетонных блоков. Это прекрасный материал для возведения стен жилых домов и производ- ственных зданий. Шлакобетонные блоки достаточно прочны, но вместе с тем пористы, легки и мало тепло- проводны. Но не на всех электростанциях можно использовать золу. Там, где зола уносится потоком воды (гидрозоло- удаление) , все растворимые части золы переходят в воду. Зола, как говорят, выщелачивается. Выщелоченная зола уже непригодна для изготовления шлакобетонных блоков. 4-16. Путь пара По стальным трубам, обложенным толстым слоем тепловой изоляции, перегретый пар из котельной идет в машинный зал к турбинам. Трубы укладываются так, чтобы путь пара был возможно короче. Это необходимо для уменьшения потерь тепла. Но в некоторых местах паропроводные трубы образуют извивы. Они изогнуты, как огромные лиры. К чему такое отклонение от корот- кого прямого пути? По трубам идет перегретый пар с температурой, как правило, выше 400°. В работе темпе- ратура труб равна температуре пара. При отключении же паропровода он остывает. При таких изменениях температуры значительно изменяется и длина труб. Если не дать трубам возможности свободно удлиняться и со- кращаться, то при изменениях температуры они поло- мали бы все свои опоры или сами разорвались бы от тепловых напряжений. Изгибы на трубах — это компен- саторы тепловых деформаций. Компенсаторы эластично сжимаются и растягиваются, не допуская опасных на- пряжений в паропроводе при возможных изменениях его температуры. Подобно электрической схеме электростанции — и схема трубопроводов перегретого пара построена так, чтобы обеспечить максимальную надежность работы обо- рудования. Раньше, как правило, от каждого котла вели по два паропровода, которые приключались к двойной главной паровой магистрали. Главная паровая магист- раль разделялась на участки—секционировалась. К тур- 210
бинам от главной паровой магистрали Также Шла двой- ная линия паропроводов. Такая система была очень гибкой; при помощи многочисленных паровых задвижек можно было безболезненно отключать любой поврежден- ный участок. Но это имело и свои недостатки; большое количество сочленений и задвижек (арматуры) увеличи- вало возможность повреждений. На современных ЦЭС стараются схему главных паропроводов сделать возмож- но проще, с наименьшим количеством задвижек. Отдель- ные отрезки труб соединяются теперь между собой большей частью не фланцами на болтах, а наглухо при помощи автогенной или электрической сварки. Иногда применяют на электростанциях так называе- мые блочные схемы: котел соединен только с одним турбогенератором, а турбогенератор—с одним повышаю- щим трансформатором. Отдельные такие «блоки» стан- ции имеют соединение между собой только на шинах высшего напряжения. Блочная схема также имеет свои недостатки, так как повреждение одного из элементов блока — котла, паропровода, турбогенератора или транс- форматора, выводит из работы весь блок. Большое значение для надежности работы электро- станции имеет материал, из которого сделаны паропро- воды. В настоящее время для паропроводов применяют очень хорошие сорта стали. Часто применяется сталь с присадкой никеля, хрома, молибдена—это легированная высококачественная сталь. 4-17. В машинном зале Последний вентиль на паропроводе стоит непосред- ственно у самой турбины. Он называется «стопорный кла- пан». В случае необходимости машинист турбины может почти мгновенно его закрыть, нажав на рукоятку «авто- мата безопасности». Автомат освобождает защелку, и под действием мощной пружины стопорный клапан закры- вается и прекращает доступ пара в турбину. В инструк- циях по эксплоатации турбины всегда четко указывается, в каких случаях необходимо «выбивать» автомат безо- пасности. Часто своевременная остановка турбины сохра- няет ее от разрушения. В машинном зале идеальная чистота. Все полы по- крыты серыми и коричневыми керамическими плитками. Они так тщательно вымыты и протерты, что блестят, 14* 211
как поверхность спокойной воды. Черные корпуса турбо- генераторов отражаются в маслянистом блеске. Это на- поминает картину: «Стадо китов отдыхает в бухте». Турбогенераторы имеют форму удлиненных цилинд- ров с плавными округленными очертаниями. Средний турбогенератор современной ЦЭС имеет в длину более 10 м, а часть его корпуса, возвышающаяся над полом машинного зала,—выше человеческого роста (фиг. 4-11). Пар, как правило, входит в турбину с передней ча- сти, через дроссельный клапан, который автоматически, под действием регулятора турбины, открывается то боль- ше, то меньше и пропускает ровно такое количество пара, которое необходимо для поддержания заданной нагрузки. Вблизи переднего торца турбины, на щитке, сосре- доточено и большинство приборов: различные манометры показывают давление воды, пара, масла, здесь же тер- мометры, паромеры, водомеры, ваттметр, указывающий нагрузку генератора, и многие другие приборы. Непо- средственно на турбине помещен тахометр, который измеряет скорость вращения турбины, а также термо- метр переднего упорного подшипника. Температура этого подшипника отражает малейшие неисправности в тур- бине. Один из турбогенераторов остановлен на ремонт. От- винчены гайки, крепящие крышки цилиндров паровой турбины. Мостовой кран остановился над турбиной. Этот подъемный кран действительно напоминает собой ферму большого железнодорожного моста. Поэтому и называется «мостовым». Толстый двуглавый крюк на цепи с плоскими звенья- ми свисает с тележки крана. Это главный подъемный крюк. Рабочие стальными тросами-стропами вяжут или, как говорят монтажники, застрапливают крышку цилин- дра к главному подъемному крюку. Крышка другого ци- линдра уже снята и виден ротор турбины. Он сверкает в солнечных лучах, как чешуя гигантской рыбы. Это счастливая случайность — редко можно посмот- реть на электростанции разобранную турбину. Электро- станция работает круглые сутки, круглый год. Целиком она почти никогда не останавливается. Все ремонты на электростанции производятся по твердому графику. Тур- богенератор проходит капитальный ремонт раз в 1—2 года, 212
Фиг. 4-11. Машинный зал ГРЭС с турбоге- нераторами по 50 000 кет. Турбины построены Ленин- градским металлическим заводом им. Сталина, гене- раторы — Ленинградским заводом «Электросила* им. Кирова. Над агрегата- ми виден мостовой кран, необходимый для монтажа и ремонта.
правда он еще останавливается 2—3 раза в год на теку- щий ремонт, но при этом редко когда вскрывают ци- линдры. 4-18. Паровая турбина Перегретый пар, поступающий в турбину, попадает прежде всего в комплект сопел—сопловой аппарат. Здесь пар расширяется, давление его падает, а скорость уве- личивается. Энергия горячего, находящегося под высо- ким давлением, но медленно движущегося пара — потен- циальная энергия — превращается в сопловом аппарате в энергию струи пара, летящей быстрее звука — в кине- тическую энергию. Пар, выходящий из сопел, попадает на рабочие ло- патки ротора турбины. Лопатки ротора отклоняют струи пара от их начального пути. За счет изменения скорости струй пара возникает давление на лопатки и ротор при- ходит во вращение. Так действуют турбины активного типа. Но сущест- вуют еще и турбины иного типа — реактивного. В реак- тивных турбинах на лопатках ротора пар не только ме- няет направление движения, но еще и расширяется (так же, как и в соплах). В реактивных турбинах пар давит на рабочие лопатки не только в сторону вращения ротора, но еще и в сторону, противоположную своему выходу. Пар действует на лопатках ротора этих турбин, как пороховые газы в ракете, — силами отдачи, реакции. Отсюда и название турбин—«реактивные». Турбины строят многоступенчатыми. На вал ротора насаживают до 30 и более дисков с лопатками. Между дисками ротора на статоре помещают перегородки — диафрагмы с расположенными в них равномерно рас- пределенными по окружности направляющими лопатка- ми — сопловыми аппаратами. Реактивные турбины часто строят по-иному: дисков не делают, а изготавливают ро- тор в виде бочки. Прямо на эту бочку насаживают ряды рабочих лопаток. Пройдя через один из рядов лопаток ротора, пар отдает только часть своей энергии. Затем он попадает на лопатки статора, где направление потока вновь ме- няется, пар вновь расширяется и плотность его падает. Отсюда пар идет на следующий ряд рабочих лопаток ротора, где отдает новую порцию своей энергии. 214
Фиг. 4-12. Продольный разрез ротора паровой турбины. Сеченйе дисков показано штриховкой. Слева сторона высокого давления с короткими лопатками. Направо —длина лопаток увеличивается. В начале турбины — там, где в турбину входит пере- гретый пар, — лопатки короткие и толстые. Здесь они не длиннее пальца руки. В начале турбины пар плотный, каждый кубометр его может весить больше 10 кг. По мере движения со ступени на ступень пар расши- ряется, объем его возрастает во много раз, а плотность падает. У последних ступеней турбины кубометр пара весит меньше 1 кг. Лопатки последних ступеней — длин- ные и тонкие, как мечи. Струи пара изнашивают лопатки турбины. Износ ло- паток последних ступеней значительно больше, чем ло- паток первых ступеней. Это происходит оттого, что в по- следних ступенях пар уже частично конденсируется и несет с собой капельки воды. Эти капельки с большой скоростью ударяют о лопатки, истирают и изъедают их. Прежде лопатки последних ступеней делались из мо- неля—сплава никеля и меди. В настоящее время все лопатки турбины, во всех ее ступенях — и на дисках, и на диафрагмах — делаются стальными. Применяются сорта стали, которые содержат много никеля и хрома и хорошо противостоят износу. Каждая из многих тысяч лопаток турбины должна прочно сидеть на своем месте. Особо важно прочно за- крепить подвижные лопатки. Установка лопаток в ди- сках ротора — облопачивание ротора — очень ответствен- ная операция. Если хоть одна лопатка расшатается и выйдет из своего ряда, то произойдет авария. Диафраг- мы статора расположены между дисками ротора с очень 215
Фиг. 4-13. Взаимное расположение лопаток на статоре и роторе паровой турбины.
небольшим зазором и сдвинувшаяся с места лопатка ротора будет задевать диафрагму. Может получиться, как говорят турбинщики, «салат из лопаток». Случаются с турбинами и более тяжелые аварии. Ан- глийская фирма «Метро-Виккерс» строила в Шанхае электростанцию. При пуске одного из турбогенераторов ротор турбины на полной скорости сломался, пробил кор- пус, вылетел через крышу машинного зала и упал в не- скольких десятках метров от здания. Турбина, у которой в одном цилиндре собраны все ступени, — это одноцилиндровая турбина. На лопатки первого диска ее ротора поступает пар из котла, с самым высоким давлением, а после крайнего диска пар поступает уже в конденсатор. Но часто строят и многоцилиндровые турбины. В первом цилиндре высокого давления используется только часть энергии пара. Затем по трубам он поступает в цилиндры низкого давления, где отдает остаток своей энергии. Существуют турбины с промежуточным подогревом пара между цп линдрами высокого и низкого давления. Иногда строят турбины с отбором пара с промежуточных ступеней на производственные нужды или на подогрев воды, которая потом идет для отопления (подогрев производится в ап- паратах, называемых «бойлерами»). Таковы т е п л о ф и кационные турбины. Бывают турбины с противодав- лением. В них нет конденсатора, а отработанный пар, иногда со значительным давлением и высокой темпера- турой, идет па производственные нужды фабрик и за- водов. 4-19. В конденсаторном помещении По узкой металлической лесенке с решетчатыми сту- пеньками, со стальными поручнями, начищенными до блеска, можно, как по корабельному трапу, спуститься из машинного зала вниз в конденсаторное помещение. Раньше конденсаторное отделение электростанции, как правило, помещалось в подвале. Но теперь в этой части электростанции расположено так много оборудования, что в подвале бы оно никак не уместилось. Современное конденсаторное помещение — очень высокое и выход из него находится на уровне земли для удобства подачи оборудования при монтаже. Турбогенераторы теперь ста- вят высоко над уровнем земли. 2;7
Турбогенераторы покоятся на массивных, прямоуголь- ных, окрашенных в белый цвет фундаментных колоннах. Снизу хорошо, видно все сложное сплетение различных трубопроводов, подходящих к ним. Между фундаментными колоннами генератора сде- ланы стенки, которые образуют большую герметическую камеру. В этой камере помещаются воздухоохладители и шины силовых выводов генератора. Сквозь небольшие окошечки в железной дверце сбоку камеры можно ви- деть ее внутреннюю часть. Видны ряды трубок, обвитых спиралями из латунной проволоки. Это радиаторы воз- духоохладителей. По трубкам течет вода, а снаружи их обдувает нагретый воздух из турбогенератора. Латун- ная спиральная проволока увеличивает поверхность ох- лаждения. О проволоку завихряются потоки воздуха, при этом они полнее отдают свое тепло. Современные турбогенераторы имеют очень высокий к. п. д. — около 97%, а турбогенератор с водородным охлаждением на мощность 100 тыс. кет имеет к. п. л. 98,7%. Но даже 1% потерь в мощном турбогенераторе— это сотни киловатт. При работе турбогенератора в его обмотках и в стали выделяется значительное количество тепла. Его отводят мощные потоки воздуха, продуваемого через ротор и статор турбогенератора. При нормальной работе турбогенератора при полной нагрузке темпера- тура его обмоток доходит до 100°. Специальные термо- метры (термопары) следят за температурой внутри турбогенератора. При нарушениях работы системы ох- лаждения чрезмерное повышение температуры обмоток могло бы вызвать порчу изоляции. Автоматический кон- троль температуры предотвращает возможность подоб- ных аварий. Воздух имеет малую теплоемкость. Значительно выше теплоемкость и теплопроводность водорода. Кроме того, плотность и вязкость водорода значительно меньше плотности и вязкости воздуха. Водород лучше, чем воз- дух, может отводить тепло, и потери на трение быстро вращающегося ротора в атмосфере водорода меньше, нежели в воздухе. Поэтому лучшие современные генера- торы выполняются с водородным охлаждением. При по- мощи вентилятора (большей частью насаженного на валу самого генератора) водород прогоняется через вентиля- ционные каналы генератора и через радиаторы охлади- телей. При водородном охлаждении надо более тщатель- 218
но следить за герметичностью всей системы, в которой циркулирует газ. Если образуется смесь водорода с воз- духом, может произойти взрыв. Между фундаментными колоннами самой турбины помещается конденсатор. Это огромная стальная бочка в несколько метров диаметром. Есть легенда о старин- ном винохранилище, где в одной бочке хранился сбор винограда со всех близлежащих поместий. Вина из одной этой бочки хватало для всех окружающих городов. Кон- денсатор мощной турбины, пожалуй, больше этой леген- дарной бочки. К конденсатору присоединены трубы диаметром боль- ше метра, по ним подходит и уходит охлаждающая цир- куляционная вода. На ремонтируемой турбине торцевая крышка конден- сатора снята. Видна стальная перегородка — трубная доска. Она напоминает гигантские соты. В ней множе- ство небольших отверстий, в которые ввальцованы тонко- стенные латунные трубки. Этих трубок очень много. Даже в конденсаторе турбины средней мощности их не- сколько тысяч. Охлаждающая вода попадает в камеру между торцевой крышкой и трубной доской, проходит по латунным трубкам, воспринимая при этом часть теп- ла от пара, омывающего эти трубки с их внешней сто- роны. Нагретая вода проходит в камеру с другого торца конденсатора и отводится в сливной канал или идет в градирню на охлаждение. Верхняя часть конденсатора громадным патрубком соединяется с хвостовой частью турбины. Через этот па- трубок проходит в конденсатор отработанный пар. Он омывает холодные трубки конденсатора, отдает им свое тепло и конденсируется в воду. Для конденсирования отработанного пара требуется очень большое количество охлаждающей воды. Через конденсатор турбины средней мощности, потребляющей около 100 т пара в час, надо прокачивать несколько ты- сяч кубометров воды. Обычно охлаждающей воды через конденсатор проходит в 50—60 раз больше, чем пара. Эту воду прогоняют мощные циркуляционные насосы, установленные перед конденсаторами. Кожухи этих на- сосов напоминают гигантские улитки. Рядом стоят на- сосы для откачки конденсата из конденсатора. Они вы- глядят карликами по сравнению с циркуляционными на- сосами. 219
На фиг. 4-4 был приведен график, из которого видно, что на конденсационной ЦЭС больше половины тепла, сообщенного пару в котле, передается охлаждающей воде в конденсаторе. Но хотя через конденсатор пере- дается количество тепла лишь немного меньше, чем через котел, размеры конденсатора значительно меньше размеров котла. В конденсаторе теплопередача от превращающегося в воду пара происходит со значительно большей интен- сивностью, нежели теплопередача от раскаленных газов в топке котла. А ведь на первый взгляд может показать- ся, что от раскаленных газов тепло передается легче, чем от почти остывшего пара. Это удивительная особен- ность процесса сжижения пара: при нем теплопередача на поверхностях конденсации значительно больше, чем теплопередача при простом омывании поверхности пото- ками жидкости или газа. Кроме того, поверхности тепло- обмена расположены в конденсаторе более компактно, более собранно, чем в котле. Поэтому котел — это целый дом, а конденсатор — только бочка. 4-20. Путь воды Превратившийся в воду пар проходит после конден- сатора длинный сложный путь. Конденсатные насосы про- качивают конденсат через целый ряд подогревателей. Здесь конденсат подогревается отборным паром турбины и, наконец, попадает в бак, расположенный на верхних этажах машинного зала,— в деаэратор. В нем происхо- дит удаление растворенного в конденсате кислорода (это называется деаэрацией воды). В современных установках деаэрация обязательна, так как при высоких давлениях кислород особенно агрессивен. За короткое время он мо- жет разъесть питательные трубопроводы и трубы поверх- ности нагрева котла. В деаэратор кроме конденсата поступает еще добавок воды для возмещения потерь кон- денсата на станции. Особенно много конденсата теряется на ТЭЦ, где часть пара идет на производство и конден- сат не всегда возвращается обратно. После деаэраторов вода получает новое название — питательная вода. Она самотеком идет опять вниз в кон- денсаторное помещение к питательным насосам. Эти на- сосы создают большой напор, достаточный, чтобы про- гнать воду в котел. Давление питательной воды должно быть больше давления пара. 229
Вода на электростанции совершает замкнутый круг. Из конденсатора — в котел, оттуда в виде пара — в тур- бину, а из турбины — снова в конденсатор. В воде, которая питает котел, опасно не только при- сутствие кислорода, но и солей не должно содержаться. Жесткая вода совсем не годится для питания котла, на его трубах образуется накипь, и котел быстро выходит из строя. Потому-то на электростанциях и берегут конден- сат, стремятся устранить его утечку. Но, несмотря на все принимаемые меры, в этот замкнутый круг обраще- ния котел — турбина — конденсатор — котел приходится все же добавлять свежую воду. Ее подвергают специаль- ной обработке, чтобы удалить вредные примеси. Плохо приготовленная вода может вызвать быстрый износ и коррозию труб поверхности нагрева котла. Особо требо- вательны к качеству воды безбарабанные прямоточные котлы. Подготовка воды для котлов — водоподготовка — это теперь целая наука. Без хорошей водоподготовки не- возможна надежная работа электростанции. 4-21. Пуск турбогенератора Вернемся обратно в машинный зал. Обычно в нем пустынно, у агрегатов никого не видно. Но сегодня в конце зала у крайней турбины собрались люди. Здесь и директор электростанции, и начальник турбинного цеха, и шеф-монтер Ленинградского завода им. Сталина, по- строившего все турбины этой электростанции. Сегодня закончен монтаж крайней турбины. Сейчас она будет пущена в первый раз. Старший машинист приоткрывает пусковой вентиль турбины. Слышится сдавленное шипенье, переходящее во все повышающийся гул. Турбина оживает. Внутри ее стального корпуса начинает вращаться ротор. Шеф-монтер прикладывает к корпусу турбины стето- скоп, прижимает к нему ухо. Он внимательно выслуши- вает турбину, стараясь уловить малейшие особенности ее работы. Наибольшую опасность для турбины представляют вибрации. Они могут возникнуть в любой ее части: в отдельных лопатках, в дисках. Ротор весь целиком может начать вибрировать. Это сразу отзывается на под- шипниках турбины. На них и измеряют величину ви- брации. 221
Фиг. 4-14. Общий вид тур- богенератора с водородным охлаждением мощностью 100 000 кет. Этот генератор был закончен за- водом .Электросила" в 1946 г. и в настоящее время работает на одной из ГРЭС.
4-22. Резонанс При изготовлении турбины все ее части тщательно балансируют. Устраняется малейшее несоответствие ве- сов отдельных частей ротора. Но одной балансировкой опасность вибраций не устранить. Весь ротор в целом и отдельные его части могут совершать колебания. Их частота зависит от массы и упругости колеблющейся де- тали. Колебания могут возникнуть под влиянием отдель- ных толчков, но при этом они быстро прекращаются, за- тухают. Плохо получается, когда частота этих толчков совпадает с собственной частотой колебаний. Тогда даже самые слабые толчки будут действовать в такт и могут раскачать ротор до очень больших и опасных вибраций. Та скорость вращения турбины, которая совпадает с собственной частотой колебаний ротора или его частей, называется критической, резонансной. Усилия кон- структоров мощных турбин всегда направлены на то, чтобы уйти от этого совпадения частот, уйти от резонан- са, избежать его. Нельзя произвольно выбирать скорость вращения турбины. Чтобы выработать переменный ток с частотой 50 гц, ротор турбогенератора должен делать 50 оборотов в се- кунду, если он двухполюсный, или 25 оборотов, если он четырехполюсный (большего числа полюсов теперь в турбогенераторах не делают). Прежде, бывало, соединяли паровую турбину с гене- ратором при помощи зубчатой передачи (редуктора). Скорость вращения турбины можно было брать отличной от скорости генератора. Строились турбины на 80 и на 100 оборотов в секунду. Но теперь вал турбины и гене- ратора всегда соединяют жестко, напрямую. Поэтому турбина может делать или 3 000 или 1 500 оборотов в минуту. Раз скорость вращения ротора турбины жестко за- дана, то чтобы уйти от резонанса изменяют собствен- ные частоты колебаний ротора так, чтобы ни одна из этих собственных частот не совпала с рабочей скоростью вращения ротора. 4-23. Уход от резонанса С резонансом приходится считаться во всех областях электротехники. Теория электротехники пронизана уче- 223
нием о резонансе. Не раз будет обсуждаться это явление в последующих главах. Радиосвязь основана на резонансе приемника и пере- датчика. При обстреле атомных ядер электронами и ионами эти заряженные частицы разгоняются до огромных ско- ростей отдельными толчками электрических сил. Эта толчки согласованы. Движение ионов и электронов про- исходит в резонанс с электрическими силами. Во многих случаях все усилия инженеров направлены к тому, чтобы найти резонанс, обеспечить его. Но строи- тели паровых турбин всеми силами стремятся уйти от резонанса. Когда в конце прошлого века впервые начали строить быстроходные турбины, то в них применялись рото- ры, имевшие частоту собственных колебаний более низ- кую, нежели рабочая скорость вращения турбины. Их называли турбинами с гибким валом. При пуске таких турбин приходилось быстро проходить через критическую скорость, критическую частоту, чтобы турбина не успела раскачаться. В настоящее время часто строят турбины, у которых частота собственных, резонансных колебаний ротора вы- ше ее максимальной скорости вращения. Это — турбины с жестким валом. Но ни в коем случае нельзя работать на скорости, совпадающей с собственной резонансной частотой рото- ра. В первом приближении собственную частоту колеба- ний ротора определяют, как частоту колебаний маятника, масса которого равна массе ротора, а длина — прогибу ротора под его собственным весом. Так как ротор вы- полняется из прочной стали, прогиб его очень мал — доли миллиметра — и собственная частота высока. Чтобы увести собственную частоту колебаний от требуемой ско- рости вращения, приходится иногда менять массу и раз- меры ротора. Легко уйти от резонанса, когда только одна частота является резонансной. Но одну резонансную частоту имеет только такая простая конструкция, как маятник. У ротора турбины может быть много резонансных ча- стот. Между ними надо расположить рабочую частоту. В правильно рассчитанной и хорошо изготовленной турбине вибрации совершенно неощутимы. 224
4-24. Дать нагрузку! Шеф-монтер ставит на пол свой стетоскоп: «Можно включать генератор», — говорит он. Старший машинист нажимает кнопку командного аппарата — «Внимание, готово». Это значит, что на щите управления зажегся такой же сигнал. Включение генератора должен произ- водить дежурный электротехник на щите управления. Он находится на значительном расстоянии (обычно не- сколько десятков метров) от машинного зала. На глав- ном щите не слышно гула турбин, отсюда не видно, что творится в машинном зале. Измерительные при- боры и световые сигналы связывают людей на щите и в зале. Просто сразу включить генератор нельзя. Надо так подогнать его скорость, чтобы его напряжение точно сов- пало с напряжением на сборных шинах. Этот процесс называется синхронизацией. Он будет подробно разобран в следующей главе. Пока достаточно сказать, что дежур- ный электротехник имеет у себя на щите синхроноскоп и может воздействовать со щита на регулятор турбины для изменения ее скорости вращения. Взгляды всех присутствующих у турбины устремлены на ваттметр: он должен показать, что генератор включен, что он принял нагрузку. Но в этот момент все собрав- шиеся у турбины—только пассивные зрители. Управле- ние агрегатом — в руках дежурного электротехника на главном щите. Стрелка синхроноскопа медленно движет- ся по циферблату. Вот стрелка подходит к среднему положению. Дежурный электротехник нажимает кнопку включения масляного выключателя. На главном щите управления царит тишина. Здесь не слышно, как где-то в далекой камере срабатывает мощный привод высоко- вольтного выключателя. Стрелка синхроноскопа замирает в нейтральном положении. Генератор включен плавно, без толчка. Но те, кто стоят у турбины, не видят синхроноскопа, не слышат срабатывания привода выключателя. Перед ними вспыхивает переданный по командоаппарату сигнал «генератор включен». Вздрагивает стрелка ваттметра. Нагрузку медленно увеличивают. Шеф-монтер опять внимательно прослушивает турбину. Стрелка ваттметра неуклонно движется вправо. Четверть, половина, полная. Генератор принял полную нагрузку. 15 Г И. Бабат. 225
Директор станции достает полтинник, новенький пол- тинник, специально для этого случая приготовленный, и ставит его на ребро на горизонтальной площадке на пе- реднем подшипнике турбины. Монета остается стоять. Вибраций нет. Турбина издает ровный мерный негромкий гул. Точно огромная кошка подогнула лапы, зажмурила глаза и мурлычет на солнце. Трудно представить себе, что там, внутри стального корпуса турбины, быстрее звука летят струи пара, и ро- тор турбины с тысячами лопаток, укрепленных на нем, и ротор генератора совершают 50 об/сек — 3 000 об/мин. 4-25. Собственные нужды Электростанция не только вырабатывает электроэнер- гию, но она же является одним из ее потребителей. Электродвигатели вращают насосы для подачи пита- тельной воды в котлы. Электродвигатели приводят в дей- ствие и мельницы для размола угля, и вентиляторы, по- дающие воздух в топку, и дымососы... И еще множество мощных электродвигателей работает на электростанции. Их общее потребление достигает нескольких тысяч ки- ловатт. Расход на все это самообслуживание электрической станции, на ее собственные нужды, как принято гово- рить, зависит от качества применяемого топлива. При малозольном высококалорийном топливе на собственные нужды может уходить меньше 5%. А в электростанциях, которые работают на сланцах, на собственные нужды иногда уходит до 17% от всей выработанной электро- энергии. Все линии собственных нужд делаются с наибольшей надежностью, с наибольшим запасом. Электростанцию часто называют ^сердцем промышленности». Сборные шины собственных нул^д подобны артериям, питающим сердце. Когда электростанция не справляется с нагрузкой, отдельные потребители отключаются от сети. При ава- риях иногда приходится отключать самых важных по- требителей, отсоединять самые ответственные линии электропередачи. Но ни в коем случае нельзя касаться собственных нужд электростанции. Отключатся собствен- ные нужды — и остановится вся электростанция. Кате- горически воспрещается подключать каких бы то ни было 226
потребителей к шинам собственных нужд электростан- ции. Наиболее ответственные электродвигатели на элек- тростанции обычно дублируются паровыми. Например, для подачи питательной воды в котлы помимо электро- насосов имеются еще резервные паровые турбонасосы. 4-26. Гидроэлектростанции — ГЭС Уголь и нефть легко транспортировать. Энергию, скрытую в высококачественном горючем, несложно пере- возить по железной дороге на сотни и тысячи кило- метров. Тепловая ЦЭС может работать и на привозном горючем. Воду можно перевозить. Но энергия движущейся во- ды непригодна для транспортировки в своем натураль- ном виде. Единственный метод использовать на далеком расстоянии энергию водяных потоков — это превратить ее в электрическую, а затем по проводам передать в ме- сто потребления. Водяную энергию можно передавать только «электронным транспортом». Но часто и те виды энергии, какие возможно возить на колесах, бывает выгоднее передавать по проводам. Развитие электротехники ведет к тому, что электрическая передача все более вытесняет другие виды транспорта энергии. Во многих случаях выгодно вырабатывать элек- троэнергию в районах, где есть топливная база, а на место потребления передавать энергию по проводам. Передача на 500 км — это ныне обычное дело. Применяя компен- сированные линии переменного тока или постоянный ток сверхвысокого напряжения, можно экономично переда- вать электроэнергию и на значительно большие расстоя- ния. Высоковольтные электропередачи делают выгодным строительство мощных гидростанций на реках, далеких от районов потребления. Пока основная часть электроэнергии в Советском Союзе вырабатывается тепловыми электростанциями, но большое значение в энергетическом балансе страны по- лучают и гидростанции. На маленьких речушках стро- ятся микроГЭС мощностью всего лишь в десятки кило- ватт. На больших водных путях воздвигаются станции в сотни тысяч киловатт. На тепловых электростанциях Советского Союза топ- ливная составляющая стоимости электроэнергии иногда 15* 227
I Фиг, 4-15. Днепровская ГЭС после ее восстановления.
Фиг. 4-16. Поперечный разрез гидростанции. Плотина 1 поднимает воду до верхнего уровня 2; Л—нижний уровень воды. По водоподводящему каналу 4 вода поступает в спиральную камеру 6; 5—водоза- порные щиты. Ими можно полностью прекратить доступ воды к турбине. Опус- каясь с верхнего уровня 2 к спиральной камере б, вода приобретает значительную скорость. Свою энергию вода отдает ротору водяной турбины 7. При помощи вала 8 ротор турбины соединен с генератором Р; 10— машинный зал гидростанции; 11— выходной канал из турбины; 12-подъемный кран для разборки гидрогенератора и турбины; 13-подъемный кран для водозапорных щитов: 14— повышающий трансфор- матор; 15— линия высокого напряжения, по которой уходит выработанная гидро- станцией электроэнергия. бывает даже меньше половины. А остальная часть стои- мости электроэнергии складывается из расходов на об- служивающий персонал, из затрат на ремонт машин, эксплоатацию сетей, из отчислений на амортизацию обо- рудования. Если бы давать современной тепловой стан- ции совсем даровое топливо, если бы она могла выраба- тывать электроэнергию без затрат на горючее, то и тогда электроэнергия подешевела бы не очень значительно. Первоначальные затраты на строительство гидростан- ции обычно значительно больше затрат на строительство тепловой ЦЭС. В построенной же и работающей гидро- станции эксплоатационные расходы маленькие, и если считать только их, то энергия будет стоить совсем 229
дешево. Но так считать нельзя. Усилия, затраченные на сооружение гидростанции, нельзя сбрасывать со счетов. Когда обсуждают вопрос о сооружении гидростанции, то учитывают много технических, экономических, а сле- довательно, и политических факторов. Плотина подымает уровень воды и улучшает условия судоходства. Часто сооружение электростанции позволяет провести ирригацию, т. е. орошение прилежащих земель. И эти выгоды могут намного превысить возможный до- ход от выработки электроэнергии. Но надо учитывать и ценность затапливаемых земель. Она ложится на другую чашу весов. Нельзя забывать и о рыбоводстве. Есть породы рыб, которые из низовий реки подымаются к ее истокам, что- бы метать икру. Плотины меняют условия жизни рыб. В плотинах иногда строят специальные рыбоходы. Среди серого бетона вьется сверкающая косичка воды. Прыгая по ее зигзагам, рыбы подымаются из нижнего бассейна в верхний. Гидростанции обычно вливают свою энергию в систе- му, на которой работает еще ряд тепловых электростан- ций. Гидростанции несут основную базисную нагрузку. А пики нагрузки покрываются тепловыми станциями. Тепловые и гидравлические станции помогают друг Другу, 4-27- Водяные турбины и гидрогенераторы Мощность гидростанции пропорциональна произведе- нию нацора водяного потока на количество проходящей воды. В горах строятся высоконапорные гидростанции. В них напор воды достигает нескольких сотен метров, давление струи воды, входящей в турбину, — нескольких десятков атмосфер. На равнинных реках сооружаются станции низкого напора. Бывает, что плотина подымает воду лишь на несколько метров. Давление воды меньше 1 ат. Конструкция водяной турбины зависит от ее мощ- ности и от напора водяного потока. Но все типы водя- ных турбин имеют между собой черты сходства, и все они резко отличны от паровых турбин. Вода в сотни раз тяжелее пара, а скорости водяных потоков, даже при самых высоких существующих напо- рах, в десятки раз меньше скоростей пара, выходящего из сопла. Высокая скорость пара заставляет строить 230
паровые турбины многоступенчатыми. На каждой сту- пени срабатывается только часть энергии пара. Водяные же турбины всегда одноступенчатые. Для самых высоких давлений воды и для малых рас- ходов строят турбины с горизонтальным валом. На коле- се этих турбин укреплены чашки с острым ребром посре- дине. В это ребро и бьет сильная струя воды, поворачи- вает по стенкам чашки и, отдав свою энергию колесу, стекает вниз. Это самые быстроходные из всех водяных турбин. Высоконапорные турбины с горизонтальным ва- лом делают до нескольких сотен оборотов в минуту. Для средних и малых давлений воды турбины дела- ются всегда с вертикальным валом. В горизонтальной водяной турбине велика была бы относительная разность давлений на верхние и нижние лопатки. Заметим здесь, что паровые турбины теперь никогда вертикальными не делаются. Был один американский конструктор, который когда-то построил вертикальную паровую турбину, но потом ее удалось использовать только в качестве постамента для памятника. Гидравлические турбины с вертикальным валом бы- вают радиальные, в которых струи воды движутся по радиусам из спиральной камеры внутрь на колесо турбины, и аксиальные, в которых вода идет парал- лельно оси (по-латыни аксис — ось) ротора. У этих тур- бин обычно всего четыре лопатки, которые при работе можно поворачивать маленьким вспомогательным элек- тродвигателем (или масляным двигателем), чтобы в зависимости от напора воды и от нагрузки устанав- ливать лопатки под самым выгодным углом к водя- ному потоку. Это только так говорится уменьшительно: «лопатки» гидравлических турбин. Правильнее было бы говорить лопатищи. У мощной аксиальной турбины одна лопатка весит много тонн и площадь ее несколько квадратных метров. И радиальные, и аксиальные гидравлические турбины тихоходны. Они делают несколько десятков оборотов в минуту. Столько же оборотов делают, следовательно, и роторы генераторов, вал которых соединен напрямую с валом турбины. Но эти генераторы должны вырабаты- вать переменный ток со стандартной частотой 50 гц. Поэтому роторы их имеют несколько десятков магнит- ных полюсов в отличие от роторов турбогенераторов, 231
Фиг. 4-17. Гидрогенератор завода .Электросила* на 68 750 ква, на 62,5 об/мин. Этот генератор - один из величайших в мире. Наружный диаметр его 12,5 м. Давление ротора на подпятник—более двух тысяч тонн. Генератор снабжен мощными электромагнитами с подъемной силой 1 200 т. Эти электромагниты могут приподнять ротор генератора и уменьшить давление на подпятник. Такое уменьшение давления необходимо для начального сдвига ротора при пуске и во время монтажа. Когда ротор раскрутится до нормальной скорости, электро- магниты обязательно выключаются. В стальных частях, вращающихся в маг- нитном поле, возникают вихревые токи. Эти токи вызывают выделение вред- ного тепла и потери мощности. которые выполняются с двумя, самое большее с четырь- мя полюсами. У турбогенераторов роторы выполняются в виде ба- рабанов, у которых длина в несколько раз больше диа- метра. Обмотки возбуждения на этих роторах не видно, она спрятана внутри пазов. Это роторы с неявно выра- женными магнитными полюсамйГ. А у гидрогенераторов высота ротора в несколько раз меньше его диаметра. Магнитные полюсы все выступают. Каждый полюс со своей обмоткой изготавливается отдельно и привинчи- вается болтами к ободу ротора. Для получения одной и той же мощности гидрогене- ратор должен иметь большую поверхность ротора, неже- 232
ли турбогенератор. Электрическая нагрузка на единицу поверхности статора и ротора — количество ампер на погонный сантиметр — в обеих машинах может быть при- мерно одинаковой. И силы между статором и ротором на единицу их поверхности примерно одинаковы для гидро- и турбогенераторов. Но так как линейная скорость на поверхности ротора гидрогенератора меньше, чем ли- нейная скорость турбогенератора, то с каждого квадрат- ного сантиметра ротора гидрогенератора можно снять меньшую работу, меньшую мощность, чем у турбогене- ратора. Поэтому-то для получения одной и той же мощ- ности гидрогенератор должен иметь большую поверхность ротора, нежели турбогенератор. 4-28. Конструкторское бюро Большой современный генератор проектируется кол- лективом, в котором работают десятки человек. Тома расчетов, сотни листов чертежей надо выпустить, прежде чем начнется воплощение машины в металле. Конструк- торы работают согласованно, как музыканты в большом оркестре. Но есть разница между конструкторами и музы- кантами. Последние только исполняют волю композитора. Они не в праве изменить ни одной ноты. А конструкторы сами пишут симфонию. Один — глубокий специалист по подшипникам, к примеру, другой в тонкостях знает вен- тиляторы, третий — в магнитных полях силен. Конструк- тор, который хорошо работает в области турбогенерато- ров, может плохо разбираться в гидрогенераторах. Глав- ный конструктор, который руководит коллективом, должен прежде всего правильно подобрать его состав. Главный конструктор следит за тем, насколько согла- сованы отдельные предложения и насколько все они отвечают общей генеральной цели, социальному заказу, политическому заказу, поставленному перед техниками. Каждый из сотрудников бюро стремится вложить в свою работу самое передовое, что у него есть. Главный кон- структор должен уметь оценить, что надо принять, а что надо отвергнуть, что, может быть, очень ново и остро- умно, но для данного случая не годится. Главный конструктор — как регулировщик движения на магистрали. Одной идее он немедленно дает дорогу, другую поворачивает обратно. И для этой регулировки главный конструктор должен иметь огромные знания и 233
Фиг. 4-18. Сборка спиц ротора генератора показанного на фиг. 4-17. опыт, которые даются только годами производственной работы. Неправильно сравнивать главного конструктора с ди- рижером. Главный конструктор дает только общую идею. Но знать во всех тонкостях каждое разветвление боль- шого проекта, главный конструктор не может. Без своего сработавшегося коллектива он бессилен. Конструкторское бюро — это коллективный творец, синтетический гений. Это явление, неизвестное во всей прошлой истории человечества. 4-29. Производство крупных машин Студентом мне довелось попасть в первый раз на завод «Электросила» с экскурсией. Осмотрев цехи машин малой и средней мощности, мы пошли в мастерскую крупных машин, как назывался тогда цех, где изготав- ливались гидро- и турбогенераторы. При входе в помещение я вынул свои карманные часы и с часами в руке, размышляя о том, сколько еще времени в моем распоряжении, сделал несколько шагов по мастерской. И вдруг какая-то сила вырвала часы из моей руки. Но они не шлепнулись мне под ноги, как то должно было бы произойти со всякой нормальной вещью, высколь- знувшей из рук. Нет, часы полетели по воздуху куда-то 234
вбок, и я остолбенело смотрел, как они с размаху стук- нулись и точно приклеились к громадной черной бочке диаметром около метра и длиной метров пят, стоявшей на подставках посреди мастерской. Эта черная бочка была ротором турбогенератора на 50 тыс. кет. Производилась сушка обмотки — заключи- тельная операция в процессе его производства. В работе ротор вращается со скоростью 3 000 об/мин. В нем возникают огромные центробежные усилия. Кон- струкция ротора должна обладать высокой механической прочностью. Ротор турбогенератора выполняется из стальной по- ковки. В процессе производства поковку тщательно кон- тролируют, чтобы убедиться, что в ней нет никаких внут- ренних пороков: раковин, трещин. Поковку обтачивают. Затем в ней выстрагивают или выфрезеровывают пазы, в которые укладывается обмотка из тщательно изолиро- ванной медной ленты. В пазы поверх обмоток забиваются стальные клинья. У концов ротора обмотка стягивается бандажами, или на концы надевают прочные колпаки — каппы. Они дела- ются обычно из немагнитной стали, чтобы не отвлекать на себя магнитного потока ротора, не уменьшать ту по- лезную часть потока, которая должна пересекать обмотку статора. Много внимания уделяется не только механическому, но и электрическому качеству ротора. Обмотка пропиты- вается изоляционными лаками. После укладки пропитан- ной обмотки она просушивается и запекается, т. е. лак нагревается до такой степени, что после этого он уже становится нерастворимым. Для нагрева обмотки ротора применяются разные способы. Иногда помещают весь ротор целиком в огромную печь. Часто нагревают об- мотку ротора, пропуская через нее постоянный ток боль- шой силы. Подобным способом нагревают ротор не толь- ко на заводе-изготовителе, но и на электростанции. После монтажа генератора на ЦЭС все его обмотки и на роторе, и на статоре перед пуском в работу обяза- тельно прогреваются током, чтобы удалить из изоляции влагу, которая могла напитаться во время перевозки и монтажа. При включении без сушки изоляция могла бы пробиться. Сушка улучшает изоляцию. Все время сушки меряют точными приборами сопротивление изоляции между обмотками и корпусом генератора (землей) и 235
прекращают сушку только тогда, когда это сопротивле- ние станет достаточно большим. Ротор турбогенератора представляет собой двухпо- люсный или четырехполюсный магнит. Магнитный поток его огромен. Когда ротор находится в собранном генераторе, внутри статора, то весь магнитный поток замыкается в стальном магнитопроводе внутри машины. Наружу магнитные линии не выходят. При сушке же ротора в цехе его магнитное поле беспрепятственно рас- пространяется во все стороны. На расстоянии нескольких метров оно еще имеет большую силу. Это магнитное по- ле и притянуло мои часы. Прежде чем я сообразил все это, рабочий, следивший за сушкой, бросился к ротору: — Ходят тут, раззявы. Испортят мне обмотку,— закричал он. При ударе о ротор часы мои так основательно разби- лись, что из них выскочили колесики и винтики. Все железные осколки устремились в места наибольшей ин- тенсивности магнитных линий и залезли в щели между обмоткой и зубцами. Пока рабочий выковыривал из углублений ротора остатки моих часов, я поспешил уйти в другой конец цеха. Но, конечно, никакого реального вреда ротору кро- хотные осколки не могли принести. В воспоминание об этом случае у меня остался лишь красивый стальной вороненый корпус от часов. Производство мощных электрических машин резко отличается от тех методов, которыми производятся мел- кие и средние электродвигатели и генераторы. Здесь дело не только в весах и геометрических размерах. Мелкие машины строятся в больших количествах. Они произво- дятся потоком, таким же потоком как радиолампы, теле- фонные аппараты. Мощные турбо- и гидрогенераторы — это уникальные сооружения. Производственный цикл од- ной машины затягивается на месяцы. К каждой отдель- ной машине свой особый подход. Каждая воздвигается подобно мосту, башне. Оборудование для изготовления мощных машин грандиозно. Вращающаяся платформа — планшайба карусельного станка, на котором растачи- ваются остовы гидрогенераторов, больше цирковой арены. Платформа строгального станка длиннее железнодо- рожного вагона. Множество крупных и мелких электро- двигателей обслуживает подобный станок. Только высоко 23в
квалифицированным мастерам доверяется управление по- добными агрегатами. При массовом поточном производстве нет большой беды, если несколько штук изделий окажутся браком. Контроль задерж'ит эти два или три экземпляра из тысячи—вот и все. В производстве крупных машин брак вовсе недопустим. Нельзя снять лишнюю стружку при обточке ротора — погибнет уникальная поковка, пропа- дет труд многих месяцев. Статор турбогенератора собирается из листовой стали. Много тысяч листов уходит на сооружение статора (тол- щина листа 0,35 мм, а длина статора несколько метров). Если бы разложить всю эту сталь в один слой, то она покрыла бы собой чуть ли не квадратный километр. И в каждом листе должны быть проштампованы пазы и все пазы должны точно совпадать. 4-30. Дальние дороги Электростанции сооружаются иногда за тысячи кило- метров от заводов, где производится их оборудование. Доставка на место мощных турбин, генераторов, транс- форматоров— сложная задача. Для перевозки тяжелого и громоздкого электрообору- дования строят специальные железнодорожные платфор- мы. Они очень низкие на мощных изогнутых балках, ко- торые опираются с двух сторон на многоколесные тележки. Эти платформы называются «крокодилами». Обычных железнодорожных вагонов на каждой дороге десятки тысяч, а «крокодилы» исчисляются только еди- ницами. Все мосты, туннели, станции на железных дорогах рассчитаны на то, чтобы пропускать грузы только опре- деленных размеров. Большие грузы — «негабаритные грузы» — можно перевести только на некоторых отдель- ных участках дорог. Железнодорожными габаритами определяются наи- большие возможные размеры электрооборудования. Осо- бенно трудно перевозить высоковольтные аппараты. Из них торчат, как рога, огромные хрупкие фарфоровые изоляторы — вводы. Какое всеобъемлющее слово «аппа- рат» в электротехнике! Так называют и крохотный кон- тактор, который умещается на ладони, и выключатель на 237
Фиг, 4-19. Центральная часть нижней крестовины гидрогенератора (показанного нафиг. 4-17) весом 80 т на специальном железнодорожном транспор- тере. 220 тыс. в, превышающий в собранном виде в несколько раз человеческий рост. Мощные высоковольтные трансформаторы имеют в высоту больше 10 м. Их перевозят в разобранном виде. Отдельно едут проходные изоляторы, каждый в своей особой упаковке. Стальной сердечник и обмотки трансформатора нахо- дятся в баке, заполненном маслом. Бак должен быть до- статочно просторен, чтобы обеспечить всюду надлежащие изоляционные промежутки и хорошую циркуляцию масла для охлаждения. Но такой бак может не пройти в желез- нодорожные габариты. Для перевозки трансформатору делают дорожный костюм. Сердечник с обмотками поме- щают в специально для этого изготавливаемые тесные и особо прочные стальные баки. Их наполняют сжатым азотом, чтобы высоковольтная изоляция трансформатора не отсырела в пути. В разобранном виде перевозят и мощные генераторы. Отдельно едет ротор, отдельно статор. Иногда их еще разбирают на части. Чтобы уложиться в железнодорож- ные габариты, бывает, приходится менять конструкцию: делать машины и аппараты более приземистыми и длин- ными. Бывают электростанции и в таких? местах, где и вовсе нет железнодорожных путей. По шоссейным дорогам ве- 238
зут тяжелое оборудование на многоколесных тележках на резиновом ходу. В экстренных случаях приходится на месте изобретать средства транспорта. Ставят трансформатор на толстый лист железа и подтягивают этот лист трактором или лебедкой. На фиг. 4-1 цифрой 15 была помечена трансформа- торная мастерская. Это одновременно и «гостиница для приезжающих». Здесь трансформаторы сбрасывают свой дорожный наряд. Здесь их помещают в рабочие баки, ставят на место изоляторы, сушат обмотки, заливают ма- сло. После этого трансформаторы осторожно перевозятся на свое рабочее место. 4-31. О любви и преданности В начале 1942 г. я выехал из Ленинграда вместе с одним из мастеров турбокорпуса (цеха больших машин) завода «Электросила». Он выглядел, как большинство ленинградцев в то вре- мя. Желтое, отечное лицо. Тусклые, потухшие глаза. — Меня хотели сначала в стационар положить, — рассказывал он тихим монотонным голосом. — Потом директор говорит, не выживешь ты здесь. Вот и отпра- вили меня. В Москве в ожидании назначения мы прожили вместе около недели. Я встречался с этим мастером еще несколь- ко раз. Наши разговоры всегда были о Ленинграде. «Электросила» находится на южной окраине Ленинграда и осенью 1941 г. немецкие передовые части были всего в нескольких километрах от завода. Когда трамвай еще шел к «Электросиле», то кондук- тор бывало кричит: «Кому на фронт, садись подвезу». Электросиловцы строили заграждение рядом с заво- дом. Обрезки рельсов и балок, трубы, стальной лом со- единялись электросваркой, образуя баррикады. Из сталь- ных поковок роторов турбогенераторов, из фундаментных плит складывались доты (долговременные оборонитель- ные точки). Часть цехов «Электросилы» была переведена в «глу- бокий тыл», на Выборгскую сторону, на несколько кило- метров дальше от переднего края обороны. Снаряды падали во дворе «Электросилы», но рабочие продолжали бережно ухаживать за оборудованием 239
io Фиг. 4-20. Контрольная сборка турбогенератора на заводском испытательном стенде. С правого конца — якорь возбудителя, за ним ротор генератора. Слева турбина со снятой верхней частью статора. Виден последний диск (самого низкого давления)ротора турбины с лопатками.
Огромные планшайбы карусельных станков были теперь неподвижны. Замерли строгальные, расточные, сверлильные, фрезерные колоссы. Тускло блестели тща- тельно смазанные маслом для защиты от ржавчины стальные направляющие и валы. В октябре 1941 г. гигантские станки, проработавшие 11 лет, были разобра* ны и погружены на железнодорожные платформы. Тогда же вывезли на Выборгскую сторону часть электросилов- ских запасов меди. Мотки медных шин и проводов раз- личных размеров заполнили большой двор, как волны внезапно застывшего бурного моря. — Сколько генераторов, сколько моторов можно бы- ло бы создать из этой меди, — повторял мой мастер. В декабре жизнь еле теплилась на замерзающем за- воде. Механические цехи «Электросилы» готовили бое- припасы. Из электротехнического оборудования произво- дились лишь ручные фонарики. Их самолетами вывозили на «Большую землю», в армию, во флот. Потом наш разговор переходил на калории, витами- ны; в этих вопросах ленинградцы были искушены. — Получил назначение в Ташкент, завтра выезжаю,— сообщил он мне раз за обедом. Завод там маленький, выпускают мелочишку: кнопки, выключатели. Зато за триста рублей барана курдючного можно купить. Урюк, рис, маш, джеда. А лук сладкий, андижанский. Овощи очень силы восстанавливают. Мы попрощались, условились, что будем писать друг другу. Но на другой день, к моему удивлению, я вновь встретил электросиловского мастера в коридоре Нар- комата. — Не решился я, знаете, в Ташкент уехать, — каким- то извиняющимся тоном сказал он. — Узнал, что на «Электросиле» будут восстанавливать мой цех. Как же это там они без меня. Упросил, чтобы меня обратно в Ленинград послали. Заместитель Наркома уважил, он наш — бывший электро-силовский. Потухшие глаза ленинградца вновь сияли. Мы вместе ехали обратно в голодный блокированный Ленинград. 16 Г И. Бабат.
ТВОРЕЦ ТЕХНИКИ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА М. О. Доливо-Добровольский (1862—1919 гг.) Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому было не- многим больше 20 лет, когда он начал публиковать свои научные работы в издававшемся тогда в Петербурге жур- нале «Электричество». В те годы электрические машины и аппараты .создавались еще на основе интуиции кон- структора. Успех являлся случайным. Часто готовое из- делие оказывалось непригодным к работе. Доливо-Доброволъский стремился найти строгий на- учный подход к решению электротехнических проблем. Он хотел вооружить инженера точным расчетом. «Возможно ли работать основательно, делать основа- тельную установку приборов, вычислять расходы на дви- жущую силу, определять производительность, не зная во всех деталях тех приборов, с которыми имеешь дело?» «Всякая установка, почти все ее подробности могут быть точно определены заранее»,— утверждал Доливо- Добровольский. В 26 лет Доливо-Добровольский изобрел новый дви- гатель переменного тока. Все известные до того времени двигатели переменного тока не брали с места под нагруз- кой, останавливались при незначительных перегрузках. Эти двигатели не были пригодны для практической рабо- ты. Доливо-Добровольский подвел электроэнергию к дви- гателю по трем проводам и пропустил в них переменные 242
токи так, чтобы обмотка двигателя создавала магнитный вихрь — бегущее, вращающееся электромагнитное поле. Доливо-Добровольский назвал свой новый двигатель трехфазным. Самое замечательное свойство нового дви- гателя было то, что ротор не должен был строго следо- вать за переменами тока в обмотке статора. Эти двигате- ли получили название асинхронных. В них поворот рото- ра происходит не одновременно (по-гречески хронос — время) с соответственным изменением тока. И чем боль- ше отстает ротор, тем большее усилие он может развить. Вслед за двигателем Доливо-Добровольский изобрел и генераторы для получения трехфазного тока, и транс- форматоры для его преобразования. В годы, когда работал Доливо-Добровольский, многие выдающиеся электрики-практики довольствовались пред- ставлением передачи электрической энергии, как чего-то схожего с течением воды по трубам: одна труба родво- дит, другая отводит. Трехфазная система показалась чем-то диким, необычным. Доливо-Добровольский заложил основы теоретиче- ской электротехники трехфазных токов. Он разработал методы расчета своей системы. Одновременно он строил — быстро и безошибочно. Первый же образец его двигателя показал высокий к. п. д. и хорошую нагрузоч- ную характеристику. В сентябре 1889 г. Эдисон посетил Европу. Он перед тем закончил строительство большой электростанции постоянного тока в Нью-Иорке. Когда Доливо-Добро- вольский предложил ему осмотреть свой новый электро- двигатель и систему передачи и распределения энергии трехфазным током, то Эдисон заявил буквально следую- щее: «Нет, нет, переменный ток это вздор, не имеющий будущего. Я не хочу не только осматривать двигатель переменного тока, но и знать о нем». Доливо-Добровольскому пришлось провести тяжелую борьбу, чтобы ввести в жизнь свою систему передачи и распределения электроэнергии. В 1890 г. он начал строить линию передачи энергии между Лауфеном и Франкфур- том на Майне на расстоянии 157 км. Это был гигантский скачок по сравнению со всем, что имелось до того. На- пряжение в этой линии было 25 тыс. в. Явление «коро- ны» — самопроизвольного светящегося электрического разряда вокруг высоковольтных проводов — показалось руководителям фирмы, которая финансировала опыты, 16* 243
настолько «Жутким явлением», что они хотели прекра- тить всю работу. В 1891 г. первая мощная трехфазная передача была закончена и работала с блестящими результатами. В се- редине 90-х годов во всех странах электростанции трех- фазного тока «вырастали, как грибы из земли». В короткий срок Доливо-Добровольский преодолел огромные технические трудности. В декабре 1899 г. со- стоялся Первый всероссийский электротехнический съезд^ На нем Доливо-Добровольский мог уже доложить о пол- ной победе трехфазного тока. Съезд горячо приветствовал великого изобретателя. Председатель — генерал-лейтенант Н. П. Петров сказал в своей вступительной речи: «Тем отраднее для нас право, позволяющее сказать, что и тут дело двигает русский человек Михаил Осипович Доливо-Добровольский. Он не только понял все важное значение замены постоянных токов переменными, не только оценил всю пользу транс- формации токов, — он быстрее и полнее самого Ферра- риса овладел идеей открытого им вращающегося магнит- ного поля и первый опередил американцев, устроив силь- ный (100 сил) электродвигатель с трехфазным током». Творец системы трехфазного тока непрестанно рабо- тал над тем, чтобы передавать электроэнергию возможно дальше и с наименьшими потерями. Он первый указал на предел возможностей трехфазной системы и начал иссле- дования над применением для сверхдальних магистралей постоянного тока сверхвысокого напряжения. Множество глубоких и ценных мыслей заложено в со- чинениях Доливо-Доброволъского. Долгие годы они еще будут оплодотворять и двигать вперед) электротехнику.
ГЛАВА ПЯТАЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ 5-1. Энергопотоки Почти половина всей выработанной на электростан- циях энергии потребляется двигателями на фабриках и заводах. Часть переменного тока превращается ртутными преобразователями в постоянный ток и в этом виде потребляется электрифицированным транспортом и уста- новками электролиза (для производства алюминия, маг- ния, рафинирования меди). Примерно 10% идет на осве- щение и быт, остальное — на промышленные электриче- ские печи. На фиг. 5-2 не показана энергия, потребляемая в виде токов высокой частоты. Радиопередающие станции — это незначительный потребитель энергии. Все вместе взятые они потребляют меньше 1%. В несколько раз больше высокочастотной электроэнергии потребляется в промыш- ленности для плавки металлов, для нагрева стали под поверхностную закалку, для нагрева различных изоляци- онных и полупроводящих материалов. Высокочастотная энергия вырабатывается из трехфазного тока, главным образом, при помощи преобразователей с электронными и ионными лампами. Применения высокочастотной энер- гии все расширяются и через несколько лет на диаграмме энергопотоков придется чертить высокочастотный ручеек. Это будет весьма весомый потребитель в общем энерго- балансе. Медные или алюминиевые проводники, окруженные воздухом или бумагой (реже применяются другие виды изоляции, например, резина) направляют энергетические реки. Изоляция большей частью стоит дешевле провод- ников и усилия энергетиков направлены на то, чтобы возможно меньше расходовать металла в медных или алюминиевых руслах энергетических рек. Электрическая энергия многократно трансформируется (фиг. 5-1), напря- жение ее сначала повышается (после генераторов), а за- тем в несколько ступеней понижается. Это снижает потери в линиях передачи и расход металла в них, но зато расходы энергии в самих трансформаторах дости- гают 6% от всей выработанной электростанциями энергии. В современных энергосистемах миллионы ламп, элек- тродвигателей, множество электролизных ванн, печей и 245

Фиг. 5-1. Примерная схема электроснабжения потребителей от районной электростанции. Слева находится районная электростанция —РЭС. От ее сборных шин 110 кв отходит несколько линий электропередачи. Одна из этих линий Лх питает узловую районную подстанцию А. От сборных шин первичной стороны этой подстанции питаются напряжением 110 кв понижающие подстанции Б, В, Г. На схеме показана только одна РЭС, но часто узловые районнье подстанции бывают связаны с несколькими РЭС и ТЭЦ. На подстанции А электроэнергия трансформируется со ПО кв на два вторичных напряжения 6 или 10 кв и 35 кв при помощи трехобмоточных понижающих трансформаторов. Сеть 35 кв может отходить на десятки километров от подстанциг. На этом напряжении питают большие районы. Про- тяженность линий 6—10 кв обычно не больше 10 км. Б и Г—тупиковые или конечные подстанции, на них заканчиваются линии электропередачи и Л4. Подстанция В—проходная — через ее шины питается подстанция Г. От тупиковой подстанции Г показано несколько вариантов питания понижающие подстанций Д, Е, Ж, 3, И. Вторичное напряжение этик понижающих подстанций чаще всего бывает о или 10 кв. Однако существуют и 35-ve подстанции на вторичное напряжение 380/220—500 в. Буквами Ф обозначены 6— 10-кв линии (фидеры). Маленькие подстанции с 6—10 кв на 380/220 называются трансформа- торными пунктами-ТП. ФП—флжрный. пункт. На нем энергия не трансформируется, а имеются только сборные шины, от которых расходятся линии на отдельные мелкие ТП. Если подстанция предназначена для питания предприятия (или одного из его цехов\ то может оказаться необхо- димым иметь два вторичных напряжения — одно для силовой нагрузки, а второе для электроосвещения. С двумя вто- ричными напряжениями выполнена заводская подстанция — ЗП. Электродвигатели присоединяются к шинам силовой нагрузки (э80 или 500 в) индивидуально (Д4) или группами (Д3) через силовые сборки С, устанавливаемые в производ- ственных цехах. Питание небольших подстанций отдельными линиями прямо от шин питающей подстанции, по типу фидера Фп нецелесообразно вследствие большого расхода кабелей и большого числа фидеров на питающей подстанции (большой расход электрооборудования, большие первоначальные затраты). Более целесообразно питать ряд небольших подстан- ций от фидерного пункта ФП. В сетях 6 — Ю кв несколько ТП часто включаются' цепочкой на один фидер (фидер Ф4). что также дает экономию электрооборудования и удешевляет сооружение питающей подстанции и сети. 'ФП и ТП бывают проходные и тупиковые. Все показанные на схеме линии передачи электроэнергии могут выполняться как воздушными, так и кабельными. На пути от генераторов РЭС до токоприемников электроэнергия подвергается многократной трансформации с од- ного напряжения на другое и проходит ряд линий электропередачи, протяженность которых в сумме может значи- тельно превышать сотню километров. Некоторая часть энергии теряется на нагревание трансформаторов и проводов линии. Надежность и экономичность всей системы энергоснабжения зависит от правильного выбора конфигурации сетей, от правильного выбора напряжений в ее отдельных участках. С повышением напряжения уменьшается расход меди или алюминия в линиях передачи электроэнергии. Зато удорожается изоляция этих линий. По мере повышения напряжения увеличивается стоимость повышающих и понижа- ющих трансформаторов, увеличиваются размеры установок. Повышаются также и эксплоатационные расходы на обслу- живание сетей и преобразовательных подстанций. Наивыгоднейшая конфигурация сети, наивыгоднейшие напряжения на ее звеньях определяются подробными техно- экономическими подсчетами. О таких расчетах будет речь в главе седьмой.
юо°/. Э^тронагре! Электромоторы а электролиз Фиг. 5-2. Распределение потоков энергии по линиям передачи раз- личного напряжения. На схеме показано распределение энергии между различными видами потреби- телей и потери энергии на разных участках системы передачи и распределения энергий. Потоки и потери даны в процентах от всей энергии, выработанной на центральной электрической станции. других потребителей питаются от общей сети. Все это нынче кажется естественным и само собой разумеющим- ся. Но такая система распределения и управления электроэнергией не есть нечто незыблемое, застывшее. Возникла вся эта система не так уже давно и развитие ее продолжается. Еще в 1879 г. П. Н. Яблочков в своей публичной лек- 24а
ции, читанной в Русском техническом обществе, должен был убеждать своих слушателей, что: «...освещение можно производить, не помещая машины в доме вовсе, а пользуясь током, как пользуются газом или водой. Нет никакой надобности .устанавливать отдельно в каждом месте освещения источники тока. Стоит только от силь- ного источника электричества провести один