Высоковольтное испытательное оборудование и измерения - Развитие электростатических генераторов

Электростатические генераторы являются самыми древними источниками электрического напряжения.
Первые данные об электричестве (электризации тел трением) были описаны еще Фалесом Милетским (VI— VII вв. до н. э.), но только лишь в 1650 г. опыты по статическому электричеству привели к сооружению первой электростатической машины — машины трения Герике. Опа состояла из большого, отлитого из серы и насаженного на ось шара, натираемого руками при его вращении. С натертого таким способом шара проскакивали искры на ближайшие проводники.
Строго говоря, машину Герике еще нельзя было назвать электростатическим генератором, так как в ней отсутствовал изолированный металлический электрод, способный собирать электрические заряды и питать внешнюю электрическую цепь. Собирающий электрод был введен лишь через столетие в 1743 г. Бозе. Он состоял из металлической трубки, к внутренней поверхности которой прикреплялся пучок конского волоса, трущегося о шар из серы.
Свойство полого металлического тела накапливать на своей внешней поверхности электрический заряд использовал М. В. Ломоносов, создавший оригинальную электростатическую машину, состоявшую из неподвижного полого металлического шара, внутри которого производилась электризация трением с помощью вращающейся кисти. Заряды, образовавшиеся при трении, переходили на внешнюю поверхность шара и накапливались там до определенного потенциала.
Изобретением собирающего заряды электрода были окончательно установлены принципы конструирования электростатических машин трения. Дальнейшие улучшения касались отдельных элементов конструкции. Так, вместо шаров из серы стали применять стеклянные шары, затем цилиндры и диски. Для натирания стеклянной поверхности были введены кожаные подушки, покрытые амальгамой олова или цинка, что увеличивало мощность машин. Размеры стеклянных дисков достигали 2 м в диаметре. Подобная машина типа Ван-Марум (1789 г.) находится в музее Тейлора в Лейдене. Получаемые с ее помощью искры имели длину до 2 м при диаметре шара около 30 см.
В 1784 г. Валкирсом была построена машина трения новой модификации. В ней для переноса зарядов использовалась бесконечная изоляционная лента, укрепленная на двух вращающихся шкивах.
Основным преимуществом машин трения является их способность к самовозбуждению, обусловленному способом получения зарядов.
При этом полярность высокого напряжения всегда строго определения для данной пары трущихся материалов, используемых в машине. Однако мощность машин трения оставалась незначительной, составляя несколько ватт у крупнейших машин, к.п.д. их был также невысок из-за больших потерь на трение. Поэтому машины трения сразу же были вытеснены электрофорными машинами (машинами влияния) после появления последних.
Электрофорные машины появились в результате изобретения акад. Эпинусом в 1775 г. электрофора — простейшего устройства для возбуждения зарядов методом индукции. Электрофор — совокупность двух пластин, одна из которых сделана из диэлектрика, а другая — из металла. Если первая из них предварительно заряжена, то, накладывая на нее металлическую пластину и заземляя последнюю в момент соприкосновения с первой, получим на металлической пластине свободный заряд противоположного знака, который можно затем передать собирающему электроду. Многократное перемещение металлической пластины между заряженным диэлектриком и собирающим электродом позволяет зарядить последний до высокого потенциала. Однако мощность машин, построенных на этом принципе, оказалась меньше мощности равновеликих машин трения, и они скорее являлись лишь иллюстрацией метода, чем его воплощением.
Действительные машины влияния, мощность которых оказалась больше мощности машин трения, появились лишь в 1865 г. в результате почти одновременных работ Гольца и Теплера. Эти машины явились прототипами двух больших классов машин влияния: машин с транспортерами- проводниками (типа Теплера) и машин с транспортерами- диэлектриками (типа Гольца).
В машине Гольца, как и в машинах трения, заряд переносится стеклянным диском. С одной стороны диска располагается металлическая заземленная гребенка. При поднесении с другой стороны диска заряженного тела гребенка начинает коронировать, заряды движутся в сторону диска, перехватываются им и уносятся к другой щетке, которая снимает их и отдает во внешнюю цепь.
В машине Теплера стеклянный диск снабжен токопроводящими (металлическими) секторами, а гребенки заменены скользящими контактами. Возбуждение машины осуществляется методом электрофора с помощью металлического индуктора, на который подается постороннее возбуждающее напряжение. Применяя в качестве источника возбуждения вторую такую же машину, получают самовозбуждающийся агрегат, не требующий постороннего возбуждения. Это объясняется тем, что в электрофоре для возбуждения теоретически необходимы бесконечно малые заряды, поэтому даже контактной разности потенциалов достаточно для того, чтобы возбудить агрегат Теплера.
Обладая преимуществом самовозбуждения, машина Теплера при равном диаметре диска уступала по мощности машине Гольца, и о ней вскоре забыли. Машину же Гольца, наоборот, начали усиленно совершенствовать. Появляется так называемая машина второго рода того же изобретателя, в которой два стеклянных диска вращаются в противоположные стороны. Однако преимущество машин с транспортерами-проводниками не могло не сказаться на дальнейшем развитии электростатических машин. Появляются смешанные машины, в которых перенос зарядов осуществляется изоляционным диском, снабженным гребенками, но для обеспечения самовозбуждения на диске закрепляется несколько металлических полосок, соединяемых со скользящими контактами. Такова, например, демонстрационная машина Уимшерста — Гольца.
В дальнейшем с целью уменьшения утечек тока металлические секторы уже не наклеивались, а впрессовывались в диск. Развитие конструкции подобных машин привело в 1907 г. к появлению так называемой конденсаторной машины типа Воммельсдорфа. Секторы, впрессованные в диск, при вращении последнего проходили между возбуждающими пластинами, как обкладки в переменном конденсаторе, в результате чего машина уподоблялась непрерывно заряжающемуся и разряжающемуся конденсатору. Вследствие недостаточной стабильности работы и сложности конструкции эта машина технического применения не нашла.
Можно видеть, таким образом, что усовершенствование электростатических машин, длительное время проводившееся после их появления, не привело к каким-либо значительным практическим результатам. Изобретение выпрямителей, сделавшее возможным преобразование высокого переменного напряжения в постоянное, значительно затормозило их развитие. Этот период развития электростатических генераторов характерен поисками возможных улучшений геометрических форм машин. Строгая физическая теория процесса работы машин отсутствовала. Никто не задавался целью выяснить физические факторы, определяющие мощность машин, которые, впрочем, в то время и не были ясны. Такие факторы определились лишь после 1911 г.            после исследований Таунсендом и Пашеном явлений ионизации в газах и влияния давления на электрическую прочность газов. Единственной попыткой выйти за рамки представлений своего времени был опыт Темнели в 1885 г., поместившего электрофорную машину в сжатый газ и добившегося улучшения ее характеристик. Однако его нововведение не было понято и вскоре забыто: изобретение оказалось преждевременным.
Второй более быстрый период развития электростатических машин начинается с 20-х годов нашею столетия после появления теоретической работы Оллендорфа, в которой впервые дана достаточно глубокая математическая теория электростатических машин с транспортерами-проводниками. Теоретически были предсказаны различные типы емкостных машин, проведена аналогия с электромагнитными машинами, выведен принцип обратимости электростатических вращающихся машин. Дальнейшее развитие теории емкостных машин дано А. Е. Каплянским.
Интерес к электростатическим машинам возник в связи с проблемой получения высоких постоянных напряжений, необходимых при исследовании в области ядерной физики, а именно для ускорения заряженных частиц. Так как ток в пучке ускоренных заряженных частиц требовался небольшой, то электростатический принцип получения высокого напряжения при небольшой мощности соответствовал поставленной задаче.
Характерно, что в то время, как теория касалась ЭСГ с транспортерами-проводниками, практические конструкции разрабатывались с транспортерами-диэлектриками. В 1925 г. проф. Б. И. Угримов, а независимо от него Ван-де-Грааф в 1929 г. вновь использовали идею передачи зарядов с помощью бесконечной изоляционной ленты. Нанесение и снятие зарядов производилось с помощью коронирующих гребенок. Первые генераторы с движущейся лентой были рассчитаны на работу в свободной атмосфере. При 80 кВ генератор Б. И. Угримова давал ток до 2 мА. В 1938 г. Ван-де-Грааф получил уже 1,5 Мв. И хотя желаемые напряжения были, таким образом, сразу же получены, генератор с движущейся лентой еще не превратился в практическую конструкцию. Потребовалось несколько лет работы с генераторами по исследованию физических пределов развиваемого напряжения и тока, прежде чем появились научные основы для разумной оценки энергетических возможностей ленточных генераторов. Применение сжатого газа и устройств для правильного распределения электрического поля и устранения короны привело к созданию современных, более компактных по сравнению с предыдущими генераторов с движущейся лентой на напряжение в несколько миллионов вольт. Однако генератор с движущейся лентой следует рассматривать лишь как специальную конструкцию электростатических машин, но никак не их наилучшую форму, по причине низких экономических показателей. До сих пор с ними успешно конкурируют трансформаторно-выпрямительные устройства, также развивающие напряжение в несколько миллионов вольт.
Впервые идея разработки электростатических машин с характеристиками, сравнимыми с характеристиками электромагнитных машин но мощности и к. п. д., была высказана Трампом в 1933 г., предложившим емкостную машину в вакууме. В ориентировочном расчете синхронного емкостного генератора на 100 Мвт и 2 Мв, приведенным А. Е. Каплянским в его книге, получено удельное значение веса на единицу мощности 0,155 кг/кВт, тогда как для обычного электромагнитного турбогенератора на эту же мощность эта характеристика имеет почти в 10 раз большее значение. Как видно отсюда, возможные преимущества мощных электростатических генераторов перед электромагнитными очень велики. Однако применение вакуума в больших аппаратах до сих пор остается еще нереальным.
С 1934 г. акад. А. Ф. Иоффе и проф. Б. М. Гохберг начали разработку генераторов с большой удельной мощностью с применением в качестве изолирующей среды сжатого газа и хорошо очищенного керосина. Было построено несколько типов роторных ЭСГ с транспортерами-проводниками на напряжение от 80 до 1 000 кВ. Результаты их исследований опубликованы в 1939—1941 гг. В этих работах впервые были изложены основные принципы конструирования роторных электростатических машин. Тем не менее практические данные, полученные с действующими установками, были ниже теоретически ожидаемых в несколько раз. Это объяснялось некоторыми конструктивными недостатками машин в результате еще недостаточно разработанной теории.
Дальнейшее развитие теории и практики конструирования электростатических машин с большой удельной мощностью проводилось школой проф. Фелиси во Франции (1942 г). Рассматривались оба класса электростатических машин — с транспортерами-проводниками и транспортерами-диэлектриками. Вначале предпочтение было отдано машинам с транспортерами-проводниками, потому что казалось, что в машинах с транспортерами-диэлектриками невозможно развить достаточно большие силы, действующие на заряженную поверхность, вследствие скольжения зарядов по транспортеру.
В результате разработки многих конструкций роторных генераторов с транспортерами-проводниками получили удовлетворительное согласие теоретических положений с практическими результатами. Так, увеличивая давление воздуха в одном из генераторов с 1 до 37 ат, получили увеличение мощности в 240 раз. Это почти равно отношению квадратов электрической прочности воздуха при 37 и 1 ат, предсказываемое теорией. Были сконструированы машины мощностью примерно до 1 кВт. Однако при конструировании подобных машин натолкнулись на ряд практических трудностей (точность изготовления и сборки и сохранение симметрии металлических секторов), поэтому практическое использование таких машин оказалось затруднительным.
Тогда вновь обратились к машинам с транспортерами- диэлектриками. Оказывалось, что упомянутая выше теория «скольжения» зарядов в ленточных генераторах неверна. В действительности, в результате неравномерного распределения потенциала вдоль и поперек транспортера возникают сильные местные электрические поля, напряженность которых превышает электрическую прочность среды, что приводит к стеканию зарядов с транспортера. Используя идею сплошного статора из полупроводящего материала, предложенную акад. А. Ф. Иоффе, и применяя цилиндрический ротор из хорошего диэлектрика, пришли к конструкции ЭСГ, допускающей большую плотность зарядов на транспортере-диэлектрике.
В качестве рабочей среды применили сжатый чистый водород вместо считавшихся ранее незаменимыми высокопрочных газов типа фреона или смеси кислорода с азотом. Построены десятки машин роторного типа с транспортером- диэлектриком. В конструктивном отношении они оказались более простыми по сравнению с предшествовавшими типами машин, а их срок службы под полной нагрузкой с минимальным износом исчисляется тысячами часов.
Но целиком отказываться от дальнейшей разработки улучшенных машин с транспортерами-проводниками нет достаточных оснований, поскольку за ними остается преимущество в отношении самовозбуждения. В ряде случаев, когда требуются небольшие мощности и вопросы экономичности отодвигаются на второй план, предпочтительнее машины с транспортерами-проводниками.
Из других типов электростатических генераторов в ряде случаев имеют применение ядерные генераторы.
Предложенные в 30-х годах Р. П. Жижериным и Г. И. Бабатом ионно-конвекционные генераторы, в которых перенос зарядов осуществлялся потоком ртутного пара, из-за сложности конструкции и неудобства работы с ними, так же как и генераторы пыли типа Потенье, имеющие малый к. п. д., распространения не получили.