Текст книги "История электротехники"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 56 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]

Для разработки новых электрокерамических материалов и новой технологии и проектирования новых заводов в 1938–1939 гг. в Москве был организован Государственный исследовательский электрокерамический институт (ГИЭКИ).

Этот институт во время войны в 1941 г. был эвакуирован на Урал, где его немногочисленные сотрудники провели ряд важных работ по исследованию и применению уральского сырья в изоляторном производстве, что помогло развернуть работу по производству изоляторов на организованном заводе «Урализолятор» (г. Камышлов).

В 1939–1941 гг. ВЭИ совместно с заводом «Изолятор» разрабатывает маслонаполненный ввод на напряжение 400 кВ для трансформаторов Куйбышевской ГЭС. Эта работа была прервана начавшейся войной.

Дальнейшие интенсификация и совершенствование изоляторного производства развиваются по линии механизации и автоматизации процессов, внедрения высокопроизводительных станков-автоматов и перевода серийного производства на поточный метод.

Бурное развитие изоляторной промышленности происходит в послевоенный период. Осваивается производство линейных изоляторов с гарантированной прочностью 1∙10⁵ и 1,57∙10⁵ Н. Изоляторная промышленность осваивает выпуск новых типов изоляторов на напряжение 330, 400 и 500 кВ. В 1949 г. начинаются разработки и освоение производства высоковольтных вводов с бумажно-масляной изоляцией, позволившей значительно снизить их массу. В 1959–1960 гг. выпускаются вводы на напряжения 110, 150, 220, 330, 400 и 500 кВ для трансформаторов, установленных на Каховской ГЭС, линиях электропередачи Волгоград – Москва, Волгоград – Урал.

Таким образом, фарфор имеет чрезвычайно широкое применение в электротехнике. Однако он имеет и недостаток – большие диэлектрические потери, сильно возрастающие при повышении температуры, что затрудняет применение фарфора при высоких частотах и температурах.

Развитие радиоэлектронной промышленности вызвало необходимость в новых керамических материалах, обладающих повышенными свойствами. Развитие этих материалов сначала шло по линии усовершенствования фарфора, а затем по линии получения керамических материалов другого состава.

В 1937–1938 гг. Н.П. Богородицкий провел исследования электрокерамических материалов, способных работать в электрических полях высокой частоты, которые имели большое значение для производства радиофарфора и ультрафарфора. Из этих материалов на заводе «Пролетарий» начали изготовляться многие конструкции высокочастотных установочных изделий и радиоизоляторов.

Следует отметить разработку технологии получения отечественного стеатита в 1944–1945 гг. в ГИЭКИ и освоение производства стеатитовых изоляторов, отличающихся от фарфоровых лучшими механическими и диэлектрическими параметрами. Благодаря малым диэлектрическим потерям этот материал нашел широкое применение в высокочастотных установках.

Широкое использование в специальной и бытовой технике высокочастотных устройств приводит к разработке и освоению выпуска высоковольтных конденсаторов для высокочастотных генераторов. В 1945–1946 гг. впервые в СССР разрабатывается и начинается промышленный выпуск малогабаритных керамических конденсаторов типа ТБК и КВИ, которые позволили заменить слюдяные конденсаторы и значительно снизить стоимостные показатели СВЧ-генераторов. Применение керамических конденсаторов типов ТГК-1К, ТГК-1А, ТГК-2,5 и ПТК-2,5, разработанных в 1952 г., также позволило снизить стоимость генераторов примерно в 2 раза и уменьшить их габариты.

В этот же период расширялись и реконструировались действующие изоляторные заводы, строились новые предприятия. Изоляторный завод в г. Камышлове, Южно-Уральский арматурно-изоляторный завод, заводы «Электроконденсатор», «Комиэлектростеатит», Славянский изоляторный завод. В 60-х годах была пущена первая очередь Пермского завода высоковольтных изоляторов, построены завод в г. Великие Луки и завод «Электрофарфор» в г. Бендеры. Мощность отдельных заводов достигала 10–15 тыс. т электрофарфора в год. Заводы, как правило, специализировались на выпуске отдельных видов изоляторов. Производство линейных высоковольтных (подвесных и штыревых) изоляторов было сосредоточено на заводах им. Артема и Южно-Уральском, высоковольтных керамических конденсаторов – на заводе «Электроконденсатор». Завод «Пролетарий» выпускал в основном аппаратные изоляторы и вилитовые разрядники.

Промышленностью в 50–60-е годы был освоен выпуск изоляторов различного назначения из фарфора, стеатита, кордиерита, титановых и других материалов. В производстве стали использовать глиноземистый и тонкодисперсный высококварцевый фарфор. Механическая прочность изоляторов из этих материалов соответствовала мировым стандартам. В короткое время в промышленности освоены более совершенные конструкции проходных, подвесных и опорных изоляторов. Заводы отрасли перешли на производство подвесных изоляторов для подвески тяжелых проводов на линиях электропередачи напряжением 500 кВ, линейных подвесных высоковольтных изоляторов из стекла. В 1964 г. изготовлены вводы постоянного тока на напряжения 200 и 400 кВ для линии электропередачи Волгоград – Донбасс.

В 60–70-х годах разработаны вводы с твердой изоляцией на напряжения 110 и 220 кВ, что позволило уменьшить их габариты и массу; конструкции вводов с твердой изоляцией для трансформаторов на напряжения 330, 500 и 750 кВ; керамические конденсаторы для наружной и внутренней установки с номинальными емкостями от 300 до 4500 пФ на напряжения до 350 кВ; малогабаритные керамические конденсаторы КСК-3–5 емкостью 6000 пФ на напряжение 3 кВ. По своим характеристикам эти конденсаторы превзошли лучшие зарубежные образцы [10.21].

Ленинградский филиал ГИЭКИ разработал новую серию магнитно-вентильных разрядников на напряжения 3–10 и 110–500 кВ с высокими эксплуатационными характеристиками. Здесь же разработана новая серия высокопрочных опорных изоляторов с механической прочностью до 2∙10⁴ Н∙кг, позволяющая в 2–3 раза снизить массу разъединителей на напряжения 220, 330, 500 и 750 кВ.

В настоящее время продолжают совершенствоваться конструкции фарфоровых изоляторов и повышается их рабочее напряжение. Так, например, заводом «Изолятор» в последнее время разработаны вводы на очень высокие напряжения (500, 750 кВ и выше).

10.4. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ЭЛЕКТРОПРОМЫШЛЕННОСТИ

История современных магнитных материалов начинается с одного из практических применений переменного электрического тока – изобретения телефона. При увеличении дальности телефонной связи изучались возможности ограничения увеличивающегося затухания телефонных токов. В 1893 г. О. Хевисайд (Англия) предложил использовать индуктивные катушки с сердечниками из мелких стальных опилок и воска, которые должны были ограничить растущее затухание на телефонной линии. К 1900 г. сформулировались основные требования к магнитомягким материалам для техники связи: малые потери, малое искажение передаваемых токов и напряжений, высокая магнитная проницаемость.

С появлением асинхронных машин и развитием однофазной и многофазной систем переменного тока требования к магнитным материалам еще более возросли. От них стали требовать больших значений магнитной индукции насыщения, малых потерь энергии на гистерезис и вихревые токи и меньшего старения, чем у использовавшейся в то время низкоуглеродистой стали.

Первым материалом с высокой магнитной проницаемостью было железо, которое в зависимости от получаемой в то время чистоты имело начальную проницаемость 200–300. Около 1900 г. был достигнут значительный прогресс в разработке листовых электротехнических материалов, в которых благодаря присадке кремния удалось существенно снизить потери на гистерезис и вихревые токи в области высоких магнитных индукций. Однако при работе на начальном участке кривой намагничивания эти материалы дают лишь некоторое снижение потерь энергии на вихревые токи, в то время как наиболее важный в данном случае параметр – начальная магнитная проницаемость остается практически на том же самом низком уровне [10.22].

До 1917 г. в России магнитные материалы в основном ввозились из-за границы, и только в 1915 г. на Верх-Исетском металлургическом заводе (ВИМЗ) был организован выпуск так называемой динамной стали (сталь, содержащая до 3% Si). По своим свойствам динамная сталь ВИМЗ была не хуже соответствующих марок заграничных сталей (Германия). Но по количеству и номенклатуре полностью удовлетворить потребности промышленности ВИМЗ не имел возможности.

Бурное развитие промышленности в годы индустриализации потребовало расширения отечественного производства магнитных материалов, в первую очередь листовых электротехнических сталей. В этот период ряд уральских заводов освоил изготовление стали в объеме, полностью удовлетворявшем потребности народного хозяйства.

Параллельно с ростом производства магнитных материалов в России ведутся работы по их исследованию. Большой вклад в развитие исследований в области теории магнетизма внесли А.Г. Столетов, Б.Л. Розинг и В.К. Аркадьев.

Впервые в 1892 г. Б.Л. Розинг сделал предположение о существовании внутренних сил, помогающих намагничиванию ферромагнетика. Эти силы были названы молекулярным полем. Представления о молекулярном поле, которое также независимо от Б.Л. Розинга было введено П. Вейссом (Франция), позволили объяснить многие макроскопические магнитные явления. Метод молекулярного поля широко используется в науке и в настоящее время. В 1927 г. опыты советского физика Я.Г. Дорфмана показали, что молекулярное поле имеет немагнитную природу. Решение вопроса о природе молекулярного поля, приводящего к возникновению самопроизвольной намагниченности, было найдено в 1928 г. благодаря работам советского ученого Я.И. Френкеля. Согласно теории ферромагнетизма, предложенной Я.И. Френкелем и В. Гайзенбергом, решающую роль в создании спонтанной намагниченности играют силы обменного взаимодействия, которые носят чисто квантовый характер, имеют электростатическую природу и действуют на определенном расстоянии. Таким образом, в большой области кристалла магнитные моменты соседних атомов ориентируются параллельно. Эти области получили название доменов.

Теоретическое обоснование модели доменной структуры и разработка квантово-механической теории магнетизма являются заслугой Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица.

Огромное значение в исследовании магнитных материалов имели работы В.К. Аркадьева и его школы [10.23]. Еще в 1913 г. В.К. Аркадьев создает учение о магнитодинамике, которое имело большой научный интерес в связи с изучением атомных и ядерных процессов. Под руководством В.К. Аркадьева были решены вопросы, связанные с магнитной проницаемостью, позволившие исследовать характеристики магнитных материалов, проводить расчет магнитных цепей и создать основы магнитной спектроскопии, имеющей широкое применение в современной радиоэлектронике.

Фундаментальные основы технического намагничивания были исследованы в работах советских ученых, и в первую очередь Н.С. Акулова [10.25], который в 1928 г. открыл закон магнитной анизотропии ферромагнитных кристаллов, при помощи которого он впервые дал теоретическое объяснение кривых намагничивания, кривых магнитострикции, термо-, гальвано– и магнитоупругих явлений. Закон анизотропии позволил понять роль текстуры в ферромагнетиках и на годы определил развитие науки и техники магнитных материалов. Н.С. Акулов показал, что обменные силы, ответственные за самопроизвольную намагниченность, не объясняют природу магнитной анизотропии, кривых намагничивания и гистерезиса. Магнитная анизотропия по Н.С. Акулову объясняется магнитным спин-орбитальным взаимодействием. Магнитокристаллическая анизотропия и магнитострикция являются свойствами, от которых в значительной степени зависит кривая намагничивания. Согласно правилу Акулова – Кондорского высокую магнитную проницаемость могут иметь ферромагнетики, у которых константы анизотропии и магнитострикции малы [10.24].

Дальнейшее развитие теория ферромагнетизма нашла в работах Е.И. Кондорского [10.26]. В частности, он впервые показал зависимость коэрцитивной силы от формы частиц ферромагнитного тела, разработал теорию зародышей, теории обратимых процессов смещения и др.

Работы С.В. Вонсовского [10.29] позволили уточнить критерии ферромагнетизма, теории высокой коэрцитивной силы, квантово-механической теории магнитострикции и др.

10.4.1. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

На протяжении многих лет для массивных магнитопроводов применялась конструкционная низкоуглеродистая сталь марки Ст10 с содержанием углерода 0,1%. Требования увеличения магнитной индукции и снижения коэрцитивной силы привели к разработке технически чистого железа, соответствующего марке «армко» в США, Швеции и других странах [10.28, 10.32].

Промышленные опыты по производству железа «армко» были проведены на заводе им. А.А. Андреева в конце 1932 г. Развитию производства этого железа в значительной степени способствовали исследования, проведенные в 1933 г. на московском заводе «Серп и молот», который с тех пор является основным поставщиком высококачественного технически чистого железа.

Впервые в СССР технология производства специальной низкоуглеродистой стали под маркой ВИТ-железа была разработана в начале 30-х годов. По своему составу ВИТ-железо близко к железу «армко», но отличается от последнего большим содержанием кремния и имеет более низкие магнитные свойства.

Фундаментальные исследования кремнистых сталей связаны с именем английского инженера Р.А. Гадфилда, подробное сообщение об этих работах опубликовано в 1902 г. [10.22]. Оптимальным является легирование железа до 6% Si. Однако присадки кремния снижают магнитную индукцию в средних и сильных магнитных полях и повышают хрупкость железа.

На протяжении десятилетий работы ученых и металлургов были направлены на совершенствование технологии плавки, горячей прокатки и термообработки листовых электротехнических сталей с целью получения сплавов, максимально свободных от вредных примесей, неметаллических включений и обладающих зернами максимального размера. В результате за период с 1931 по 1958 г. удалось почти вдвое снизить гистерезисные потери энергии в горячекатаной трансформаторной стали.

Задача освоения и внедрения в производство трансформаторной стали ставится перед ВИМЗ. Работа ведется под руководством С.С. Штейнберга, и с конца 1928 г. начинается выпуск этой стали. В первые годы сталь имела невысокие магнитные свойства, но в результате совместной работы коллективов ВИМЗ, ВЭИ и Ленинградского института металлов качество стали улучшалось из года в год, ив 1941 г. удается выпустить сталь на уровне зарубежных аналогов.

Во время и после Великой Отечественной войны продолжается разработка и внедрение новых марок электротехнических сталей. Появляются стали с улучшенными свойствами, предназначенные для работы в слабых магнитных полях и на повышенных частотах.

В 1935 г. Н.Р. Госсом (Германия) разработана технология холодной прокатки и термообработки так называемой малотекстурованной динамной стали, позволяющая получить исключительно высокие магнитные свойства вдоль направления прокатки [10.28, 10.32, 10.33].

В результате совместной работы коллективов ВИМЗ и Нижнетагильского завода в 1937 г. выпускается сталь ХВП (холоднокатаная с высокой проницаемостью, имеющая свойства, аналогичные свойствам заграничной стали «гайперсил» [10.34].

Принципиально новой явилась технология изготовления анизотропной трансформаторной стали с ребровой текстурой. Железо и сплавы железа с кремнием имеют объемно центрированную кубическую решетку, оси легкого намагничивания которой совпадают с ребрами куба. В обычной горячекатаной стали в плоскости листов зерна расположены хаотически, в результате чего получаются некоторые усредненные магнитные свойства, примерно одинаковые во всех направлениях. При изготовлении холоднокатаной стали с содержанием кремния 2,8–3,2% холодная прокатка чередуется с промежуточными отжигами, после чего проводят рекристализационный отжиг. При определенных режимах термической обработки и проката удается получить направленное расположение кристаллитов (текстуру). В этом случае в плоскости листа лежит плоскость грани куба (110) и большинство кристаллитов имеет ребро куба вдоль направления прокатки (отсюда «ребровая текстура»). Сталь с ребровой текстурой обладает лучшими магнитными свойствами вдоль листа, худшими под углом 55° к направлению прокатки и некоторыми промежуточными свойствами во всех остальных направлениях. Сталь с ребровой текстурой освоена в нашей стране и выпускается в промышленном масштабе с 1949 г. Анизотропия потерь энергии отечественной стали с ребровой текстурой (отношение потерь под углом 90° к потерям под углом 0) равна примерно 2, тогда как соответствующее отношение удельных магнитодвижущих сил – от 3 до 8. Поэтому при конструировании магнитопроводов необходимо, чтобы направление магнитного потока возможно ближе совпадало с направлением прокатки. Для маломощных трансформаторов эта задача успешно решена созданием витых ленточных магнитопроводов. Таким образом удалось полностью использовать высокую магнитную проницаемость стали, резко повысить рабочую магнитную индукцию, уменьшить массу и габариты трансформаторов почти на 30%.

Большой интерес представляет трансформаторная сталь с кубической текстурой. Определенные технологические режимы разливки, холодной прокатки и термообработки позволяют получить рулонную сталь, в которой в плоскости прокатки лежит плоскость куба. Ребра куба направлены как вдоль, так и поперек прокатки. Таким образом, в листах стали имеется не одно, а два направления легкого намагничивания: вдоль и под углом 90° к направлению прокатки. В каждом из них электромагнитные свойства стали с кубической текстурой аналогичны свойствам стали с ребровой текстурой в направлении прокатки. Сталь с кубической текстурой успешно выпускается и отечественной промышленностью.

В табл. 10.1 приведены параметры некоторых промышленных магнитомягких материалов.

Таблица 10.1. Некоторые параметры промышленных магнитомягких материалов

Материал	Начальная магнитная проницаемость μнач	Максимальная магнитная проницаемость μmax	Коэрцитивная сила НC, А/м	Индукция насыщения BS, Тл	Удельное электрическое сопротивление ρ, Ом∙м
Технически чистое железо	250	3500–4500	40–100	2,18	10—7
Электротехническая сталь	200–600	3000–8000	10–6 5	1,89	(6–2,5)∙10—7
Пермаллой:
низконикелевые (примерно 40–50%Ni)	2000–4000	15 000–60 000	5–32	1,3–1,6	(2,5–6)∙10—7
высоконикелевые (примерно 79% Ni)	15 000–100 000	70 000–300 000	0,65–4	0,7–0,75	(1,6–8,5)∙10—7
Ферриты:
никель-цинковые	10–2000*	40–7000	1700–8	0,2–0,44	108–10
марганец-цинковые	700–20 000[7]7   При f = 100 кГц [Закрыть]	1800–35 000	28–0,25	0,35–0,40	20–10—3
Магнитодиэлектрики на основе:
альсифера	20–65	—	100–500	0,2–0,5	—
карбонильного железа	5–15	—	—	—	—
молибденового пермаллоя	60–250	—	—	0,6–0,7	—

В настоящее время широким фронтом продолжаются исследования магнитных материалов с целью достижения экстремальных характеристик. Направлениями повышения качества этих материалов являются уменьшение вредных примесей в стали, разработка методов выплавки стали при малых скоростях кристаллизации, разработка оптимальных режимов термической обработки, применение термомагнитной обработки, уменьшение констант магнитной анизотропии и магнитострикции, разработка технологии получения электротехнических сталей с повышенным содержанием кремния, применение методов порошковой металлургии и другие способы.

Для большинства элементов устройств автоматического регулирования требуются магнитные материалы с высокими значениями магнитной проницаемости при форме петли гистерезиса, близкой к прямоугольной. Отечественная металлургия выпускает две группы таких сплавов: железоникелевый сплав с 50% никеля и 50% железа, известный под маркой 50НП, и железоникелевые и железоникелькобальтовые, легированные в некоторых случаях молибденом, медью, хромом и кремнием.

Исследование железоникелевых сплавов было начато в 1913 г. Г. Элменом (Канада). К этой работе его побудило желание найти сплав с высокой магнитной индукцией. Он хотел обойтись без дефицитного кобальта, влияние которого на увеличение магнитной индукции насыщения было открыто им же. Он установил, что сплавы с содержанием никеля более 30% (от 36 до 80%) дают возможность резко повысить как начальную, так и максимальную магнитные проницаемости, но одновременно снижается намагниченность насыщения по сравнению с чистым железом. Бинарные железоникелевые сплавы, которые были названы пермаллоями, с высоким содержанием никеля отличаются сравнительно низким удельным электрическим сопротивлением. Поэтому уже в самом начале работ над пермаллоями были сделаны попытки повысить удельное сопротивление введением дополнительных легирующих присадок – молибдена и хрома. К этому периоду относится и первое применение пермаллоя в технике связи при конструировании телеграфного реле.

Систематическое изучение тройных сплавов (железо-никель-медь) было предпринято О. Ауверсом и X. Нейманом (Германия). В 1935 г. они установили, что если в исходном сплаве, содержащем от 70 до 80% никеля (остальное железо), уменьшать содержание никеля вплоть до 50% и вводить в сплав до 40% меди, то можно

получить целый ряд сплавов, характеризующихся максимумом начальной магнитной проницаемости.

Другой, четырехкомпонентный, сплав на основе хромпермаллоя, известный под названием мюметалл (75% никеля, 18% железа, 5% меди и 2% хрома), который долго являлся материалом с наибольшей магнитной проницаемостью, был разработан Н. Рандаллом в 1937 г. в Германии. С этого времени начинается интенсивная и очень успешная работа над улучшением качества металлических магнитных материалов.

Для высокочастотных цепей в сердечниках долгое время применялся так называемый феррокарт. Это было торговое название материала, изготовленного из прессованных слоев бумаги и слоев мелкого железного порошка с лаком в качестве связки. В 1928 г. Д. Митташ (Германия) из пентакарбонила железа изготовил железный порошок с размером частиц от 1 до 10 мк, который стал использоваться для изготовления колец и стержней карбонильных сердечников. В 1930 г. В. Шаселтоном и Г. Барбером в Англии были изготовлены сердечники из порошка пермаллоя, превосходившие по свойствам карбонильные сердечники. Такой материал был получен в 1935 г. в Японии X. Масумото и известен под названием альсифер. Он представляет собой сплав на основе железа, легированный кремнием и алюминием. Современные высокие требования электротехники могут быть выполнены благодаря новым видам магнитных материалов. Систематические экспериментальные исследования металлических материалов, начатые 30–40 лет назад, почти исчерпали свои возможности. Из простых, двойных и более сложных сплавов были использованы лишь самые лучшие. Совершенствовались технологические процессы: были применены вакуумные плавки и отжиг. Новые свойства материалы получили при термомагнитной обработке, действие которой известно со времени, когда отыскивали средства увеличения магнитной индукции насыщения кремнистой стали.

Следующий этап был связан с разработкой в 1947 г. Р. Бозортом (США) [10.28] новой технологии термообработки пермаллоев, а именно: были введены отжиг при температуре 1200–1300 °С в среде чистого водорода и длительный отпуск при температуре 400–550 °С. После подобной обработки одной из промышленных марок пермаллоя – так называемого супермаллоя (79% никеля, 16% железа, 5% молибдена) удается получить начальную проницаемость более 100 тыс. В 1958 г. Ф. Ассмус (Германия) доказал, что эффект удаления примесей в процессе высокотемпературного отжига и последующего отпуска имеет место не только в супермаллое и что таким способом достигается очень высокая магнитная проницаемость в целой группе тройных сплавов, например в мюметалле и сплаве 1040.

Дальнейшие исследования привели к получению двойных сплавов алюминий-железо, к которым относятся, например, альфенол (16% алюминия) и терменол (16% алюминия, 3% молибдена), которые по магнитным свойствам не уступают низконикелевым пермаллоям. Альфенол удается изготавливать в виде лент толщиной до 0,1 мм, что позволяет использовать его в головках для звукозаписи. Отечественный альфенол марок 12Ю с магнитной проницаемостью μ_r = 1000 и 12ВИ с μ_r = 10 000 характеризуется высокой прочностью, износоустойчивостью и стойкостью к коррозии, что позволяет изготовлять изделия с высокой чистотой обработки поверхности.