Рис. 7.7.4. Принцип выравнивания потенциалов на вводе

7
ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГИИ
7.1
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
В современном обществе для производства пищевых продуктов, приготовления
пищи, отопления и обслуживания жилых и рабочих помещений,
энергообеспечения средств производства, освещения, транспорта,
развлечений и т. д. человек потребляет намного больше энергии, чем это
требовалось бы для чисто физиологических нужд. Чтобы обеспечить
жизнедеятельность своего тела, человеку необходимо в виде пищи лишь от
11 MJ до 12 MJ (в старых единицах – от 2700 kcal до 2900 kcal) энергии в сутки;
это означает, что среднесуточная потребляемая мощность человеческого тела
составляет от 130 W до 140 W.
При выполнении физической работы энергопотребление тела растет. Если
работа продолжительна, то человек силой своих мышц может развивать
мощность до 100 W, а в спорте –намного больше. Например, велосипедистырекордсмены на велотурах могут развивать длительную мощность 550 W, что
приблизительно соответствует мощности лошади при тяге нагруженной телеги.
Однако и нетренированный человек кратковременно может развивать во много
раз большую мощность, чем при длительной работе. Если, например,
подниматься по лестнице на высоту h = 3 m за время t = 2 s, то мощность,
развиваемая мышцами ног, при массе тела m = 80 kg и ускорении тяжести g =
9,81 m/s2, составляет
P=
mgh
t
=
80  9,81  3
2
 1,2103 W .
В современном промышленном обществе фактическое потребление энергии
человеком выросло весьма значительно. В регионах Земли, находящихся на
северной широте от 50о до 60о, в том числе в Эстонии, энергопотребление на
душу населения в год, если в него условно включить и пищу, в пересчете на
условное топливо, составляет приблизительно






в виде пищи
для производства пищевых продуктов и приготовления пищи
для отопления жилых и рабочих помещений
для выработки электроэнергии
для промышленных производственных процессов
для транспорта
0,3 tce/a
1 tce/a
1 tce/a
1 tce/a
1,5 tce/a
1 tce/a
Таким образом, получается почти 6 tce/a, что совпадает с данными,
представленными в разделе 1.4 (на рис. 1.4.2). В обществе высокого
потребления (например, в США) энергопотребление до двух раз выше, а при
наличии в стране особо энергоемкой промышленности (например, в
нефтедобывающих странах) – еще выше.
313
7.2
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ЭНЕРГИИ
Из коммерчески учитываемой энергии, производство которой составляло в
2004 году немногим более 13,8 Gtce (см. рис. 1.4.3), на генерирование
электрической энергии расходуется около 40 %, причем, количество
полученной электроэнергии в 2004 году составляло 17,5 PWh, или, в пересчете
на условное топливо, 2,1 Gtce (рис. 7.2.1).
Топливо 13,14 Gtce
Электроэнергия 17,5 PWh
Гидравлическая, ядерная и др.
электроэнергия 0,71 Gtce
Рис. 7.2.1. Использование первичных коммерческих видов энергии мира
на выработку электроэнергии в 2004 году
Бóльшая часть всех видов топлива используется, следовательно, не на
производство электроэнергии, а в других целях (на отопление, в
промышленных технологических процессах, на транспорте и на прочие нужды).
Для отопления зданий применяются, главным образом, различные твердые,
жидкие и газообразные виды топлива (наиболее часто – отопительное масло,
природный газ, каменный уголь и древесина). В зданиях может использоваться
как местное отопление (для какого-либо помещения или его части), так и
центральное и теплофикационное отопление (см. разделы 3.15 и 4.4); сжигание
топлива предусматривается соответственно в печах, в газовых горелках, в
котлах центрального отопления, в центральных котельных, в ТЭЦ, а в
последнее время также в батареях топливных элементов. Недавно стали
серийно выпускаться также различные мини-ТЭЦ, в которых, в частности, могут
быть использованы двигатели Стирлинга (см. раздел 3.5).
В центральном отоплении могут применяться батареи, основанные на
излучательной и/или конвективной теплопередаче (радиаторы и конвекторы), а
также трубы теплой воды, проложенные в стройконструкциях (главным
образом, в полу).
314
В некоторых регионах мира для отопления может использоваться и
геотермальная энергия. Например, в Исландии таким способом
удовлетворяются все отопительные нужды, а в 1969 году с той же целью
началось широкомасштабное использование геотермальной энергии и во
Франции.
Возможности использования геотермальной энергии для отопительных нужд
рассматривались в разделе 2.8. Для теплофикации подземная горячая вода была
впервые применена в 1892 г. в городе Бойз (Boise) в штате Айдахо (Idaho) США, но
широкомасштабное использование геотермального тепла для теплофикации началось
в Исландии в 1928 году.
Для отопления зданий, а также для получения горячей воды в последнее время
все шире стали пользоваться солнечным излучением, так как этим способом
можно уменьшить сжигание топлива и ограничить выбросы в атмосферу
вредных продуктов сгорания. Использование солнечного излучения может быть
пассивным и заключаться, например, в покрытии южных стен зданий снаружи
панелями, поглощающими излучение, но чаще всего используются различные
теплообменники и тепловые аккумуляторы, размещенные обычно на крышах
зданий [2.2].
Принцип простейшего пассивного солнечного отопления представлен на рис.
7.2.2. Наружная стена здания должна быть изготовлена из материала, хорошо
поглощающего солнечное излучение и обладающего максимально возможной
удельной теплоемкостью. Теплопроводность стены должна обеспечить
передачу тепла в здание. С этой целью можно использовать, например,
кирпичную или бетонную стену, покрытую полимерным слоем, содержащим
металлические пигменты. В более простых случаях можно покрасить стену
какой-либо темной краской. В обоих случаях стену необходимо застеклить и
между стеклом и стеной оставить воздушной зазор. Температура наружной
поверхности такой стены может при солнечной погоде даже зимой подниматься
выше температуры внутри здания. Для повышения эффективности солнечного
отопления может предусматриваться вентиляция, направляющая нагретый в
воздушном зазоре воздух в отапливаемое помещение.
Идея вышеописанной системы пассивного солнечного отопления была высказана в
1881 году в США, но тогда на нее не обратили внимания. Однако в 1960 году
фрацузский инженер-химик Феликс Трон (Félix Trombe, 1906–1985), основательно
изучив возможности практического использования солнечного излучения, доказал, что
применением такой системы можно добиться существенной экономии энергии,
необходимой для отопления, и вместе с архитектором Жаком Мишелем (Jacques
Michel) разработал и опубликовал принципы конструкции такой стены. В технической
литературе стена такой конструкции часто и называется стеной Трона или стеной
Трона-Мишеля.
315
4
5
9
1
6
2
7
3
8
Рис. 7.2.2. Принцип конструкции стены, предусмотренной для пассивного
солнечного отопления. 1 солнечное излучение, 2 двойное стекло,
3 бетонная или кирпичная стена с темным покрытием, 4 клапан,
закрываемый при длительном отсутствии прямого солнечного излучения,
5 клапан для выпуска ненужного нагретого воздуха (например, летом), 6
нагретый воздух, 7 тепловое излучение стены,
8 холодный воздух, 9 ненужный нагретый воздух
Нагрев воздуха в закрытом пространстве, застекленном с солнечной стороны,
объясняется свойством стекла почти беспрепятственно (с коэффициентом
пропускания приблизительно 0,9) пропускать коротковолновое солнечное
излучение (максимальная интенсивность которого находится при длине волны
0,5 m), но почти полностью поглощать (и в относительно малой мере также
отражать) длинноволновое тепловое излучение, исходящее с нагретой
поверхности и характеризующееся максимальной интенсивностью обычно при
длине волны в 10 m (рис. 7.2.3).
1

Видимое излучение
0,5
0
0,2

0,4
0,8 1
2
4
8 10 m
Рис. 7.2.3. Зависимость коэффициента пропускания стекла  от длины
волны излучения  (пример)
На нагреве застекленных пространств основаны и различные парники и теплицы.
Первое письменное сообщение о применении теплиц со стеклянными стенками
316
содержится в сочинениях римского естествоиспытателя и государственного деятеля
Плиния Старшего (Plinius, 23–79), где указано, что уже в 30 году в них выращивали
огурцы как лакомую еду для императора Тиберия (Tiberius, 42 д. р. Х. –37) [3.7].
В Южной Европе, в других странах Средиземного моря, в южных штатах США и
во многих других регионах солнечное излучение используется для нагрева
воды при помощи коллекторов излучения, расположенных на крышах. На рис.
7.2.4 схематически представлено устройство пассивной водонагревательной
установки, основанной на естественной циркуляции воды.
Рис. 7.2.4. Принцип устройства пассивной водонагревательной
установки. 1 солнечное излучение, 2 поверхность крыши,
3 коллектор излучения, 4 стекло, 5 медная пластина с поглощающей
излучение поверхностью, 6 параллельные медные трубы,
7 тепловая изоляция, 8 резервуар воды, 9 соединение с водопроводом,
10 соединение с приемниками горячей воды
Коллектор излучения представляет собой плоский ящик, размещающийся
обычно на поверхности крыши, но иногда заглубленный в нее. Солнечное
излучение через стекло падает на медную пластину, покрытую слоем,
обладающим высоким коэффициентом поглощения. В качестве материала
покрытия могут использоваться различные черные соединения никеля или
хрома, но особенно эффективным является тонкий слой смеси азотистого
титана (TiN) и окисей титана (TiO, TiO2 ) толщиной приблизительно 0,1 m,
поглощающий от 90 % до 95 % падающего на него солнечного излучения [7.1].
Под пластиной находятся параллельные медные трубы, соединенные в обоих
концах между собой, в которых вода нагревается и поднимается в резервуар.
Первый примитивный коллектор солнечного излучения (застекленный деревянный
ящик) изготовил в 1767 году профессор естествознания Женевского университета Орас
Бенедикт де Соссюр (Horace-Bénédict de Saussure, 1740–1799) (см. рис. 2.2.2). Первый
коллектор из параллельных водяных труб запатентовал в 1891 году американский
изобретатель Клеренс Кемп (Clarence Kemp); он же начал производить и продавать
такие коллекторы в своем родном городе Балтиморе (Baltimore). Комбинация
коллектора и резервуара, изображенная на рис. 7.2.4, появилась в США в 1909 году, но
широкое применение таких устройств началось только в 1973 году, после внезапного
удорожания жидкого топлива.
317
Система непосредственного нагрева потребляемой воды, изображенная на
рис. 7.2.4, может использоваться только в регионах, где нет опасности
замерзания воды (например, в Южной Европе). Если же температура воздуха в
регионе может понижаться ниже нуля, то в воду необходимо ввести добавки,
снижающие температуру замерзания (например, этиленгликоль или глицерин),
а коллектор и трубопроводную систему необходимо перевести на замкнутую
циркуляцию воды. Соединение такого коллектора с трубопроводной системой
горячей воды схематично изображено на рис. 7.2.5. Аппаратура
автоматического управления и регулирования на рисунке не показана.
1
2
5
8
6
4
3
7
Рис. 7.2.5. Соединение коллектора солнечного излучения с
трубопроводной системой горячей воды здания. 1 солнечное излучение,
2 коллектор излучения, 3 циркуляционный насос, 4 расширительный
бак, 5 резервуар горячей воды, 6 дополнительный топливный,
электрический или другой водонагреватель, 7 соединение с
водопроводом, 8 соединение с приемниками горячей воды
В конце 2006 года по всему миру солнечными коллекторами для нагрева воды
были снабжены приблизительно 50 миллионов домов, а общая тепловая
мощность коллекторов составляла 105 GW (прирост за год 19 %) [2.13]. В конце
2007 года, по предварительным данным, общая тепловая мощность
коллекторов уже составляла 128 GW. В части этих домов, для экономии
топлива или покупного тепла, использовались, кроме того, застекленные стены
Трона.
Первый индивидуальный жилой дом (с полезной площадью 120 m2), в котором почти
всю энергию (80 % всего годового потребления), необходимую для отопления и
снабжения горячей водой, получали от солнечных коллекторов, размещенных на
крыше, используя для уменьшения расхода энергии и стену Трона, построил в 1973
году по проекту проф. Карла Вольфганга Бэра (Karl Wolfgang Boer, *1926) университет
318
Делавэра (Delaware, США) [1.16]. Для электроснабжения дома использовались
фотоэлектрические солнечные батареи. В Эстонии первый солнечный коллектор
(площадью 40 m2 ) был установлен на крыше больницы поселка Вяндра (Vändra) в 1995
году [7.2].
Использованием солнечного излучения может условно считаться и отбор тепла
при помощи тепловых насосов из наружного воздуха, водоемов или грунта, где
солнечная энергия аккумулируется в результате природных процессов (см.
раздел 3.15).
Для отопления зданий может в принципе использоваться и энергия ветра
(путем преобразования механической энергии в тепло), и ядерная энергия
(через теплофикацию от ядерных теплоэлектроцентралей).
Теплофикацию от ядерных ТЭЦ считают все же рискованной, так как их пришлось бы
размещать слишком близко к потребителям тепла (к крупным городам). В мире имеется
только одна такая ТЭЦ – Билибинская АТЭЦ (на Чукотском полуострове около города
Анадырь, вступившая в эксплуатацию в 1976 году) с 4 реакторами (каждый с
отпускаемой тепловой мощностью 29 MW и электрической мощностью 12 MW).
В промышленных технологических процессах может использоваться



тепло, получаемое при сжигании или термическом преобразовании
некоторых исходных веществ (кокса, сырой нефти, природного газа,
древесины или других); иначе говоря, может использоваться химическая
энергия, содержащаяся в исходных веществах;
тепло, получаемое при сжигании топлива и передаваемое при помощи
теплоносителей (горячей воды, пара, нагретого газа и др.);
механическая энергия от двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин
или других первичных двигателей, получаемая при сжигании какого-либо
моторного топлива.
В промышленных процессах, основанных на применении тепла, может
использоваться и солнечная энергия. Наиболее крупная в мире подобная
установка – металлоплавильная печь тепловой мощностью 1000 kW,
работающая на концентрированном солнечном излучении – была построена в
1969 году в Одейло (Odeillo, во Французских Пиренеях). Солнечное излучение
принимается 63 гелиостатами по 45 m2 и концентрируется на параболоидном
зеркале площадью 2000 m2. Это зеркало направляет излучение на тигель, в
котором температура может достигать 4000 oC [7.3]. Принцип устройства этой
системы изображен на рис. 7.2.6.
Солнечное излучение использовалось и для получения пара, подаваемого в паровые
машины и паровые турбины, приводящие в движение различные механизмы. Так,
например, в 1866 году французский преподаватель математики Огустен Мушо (Augustin
Mouchot, 1825–1912) изготовил паровую машину, работавшую на солнечном излучении
и получил за это золотую медаль на Парижской всемирной выставке в 1878 году. В
1875 году он же в Алжире установил агрегат, состоявший из солнечной паровой
машины и насоса, способного качать до 2500 литров воды в час [3.7].
В полевых условиях (например, в экспедициях) часто для приготовления пищи
используются солнечные печи, состоящие обычно из параболоидного зеркала
диаметром до 2 m и кастрюли, размещаемой в фокусе этого зеркала.
319
1
5
3
45 m
4
2
Рис. 7.2.6. Принцип устройства солнечной металлоплавильной печи
Одейло (упрощенно). 1 солнечное излучение, 2 гелиостаты,
3 параболоидное зеркало, 4 печь, 5 здание предприятия
В транспорте широко используются



моторное топливо (бензин, дизельное топливо, керосин, газ),
котельное топливо (на паротурбинных судах),
ядерная энергия (главным образом, на подводных лодках, крупных военных
кораблях и на ледоколах; на торговых судах ядерная энергия не выдержала
конкуренции с другими видами энергии).
В значительно меньшем объеме, главным образом на яхтах и других
спортивных судах, планерах и опытных транспортных средствах, применяются


энергия ветра и
солнечная энергия.
Без преобразования в электроэнергию используется, как уже говорилось,
около 60 % всей первичной коммерческой энергии. Если учитывать и
некоммерческие виды энергии, то доля неэлектрического использования
первичной энергии может достигать приблизительно 75 %.
К наиболее крупным неэлектрическим потребителям энергии относятся






металлургия (домны, производство стали, литейное производство и др.),
производство стройматериалов (цемента, извести, кирпичей и др.),
производство минеральных удобрений,
переработка нефти,
химическая промышленность,
шахты для добывания ископаемого топлива и другого минерального сырья.
320
7.3
ЭЛЕКТРОПРИВОД
Электроприводом называется основанная на применении электроэнергии
система для приведения в движение механизмов, машин, тел или веществ,. С
этой целью в электроприводе могут использоваться



электродвигатели,
электромагниты,
другие средста целенаправленного создания электромагнитного поля.
Началом истории электропривода могут считаться опыты Бенжамина
Франклина (Benjamin Franklin, 1706–1790) в 1748 году с электростатическим
двигателем (см. раздел 3.15). Хотя Франклин считал, что такие двигатели могли
бы найти применение, например, в приводах вертелов и башенных часов,
практическая реализация таких приводов, ввиду слишком малой мощности
двигателей, оказалась невозможной. Электропривод мощностью, достаточной
для реальных механизмов, стал возможным только после открытия
электромагнетизма, и первым электромагнитным приводом следует считать
опытную установку Майкла Фарадея (Michael Faraday, 1791–1867),
изготовленную 3 сентября 1821 года, где металлический стержень, через
который протекал ток, вращался вокруг неподвижного магнита (см. рис. 3.13.2).
Первый электропривод Фарадея может называться электромагнитным
перемешивателем, так как вращающийся стержень приводит в вихревое
движение находящуюся в сосуде жидкость (ртуть). Ток, протекающий в ртути,
создает дополнительную электромагнитную движущую силу. Таким образом,
опытная установка Фарадея содержит признаки первого
магнитогидродинамического электропривода.
В 1820-ые и 1830-ые годы были предложены различные принципы устройства
электрических машин и приводов возвратно-поступательного движения (как в
поршневых паровых машинах). Настоящим днем рождения прикладного
электропривода следует, однако, считать использование первого в мире
вращающегося электродвигателя Морица Германа (Бориса Семеновича) Якоби
(Moritz Hermann Jacobi, 1801–1874) на первом в мире электротранспортном
средстве – морском боте вместимостью до 12 человек, развивавшем скорость
от 2 до 3 верст в час. Первое испытание такого бота было проведено 25
сентября 1838 года в Санкт-Петербурге, на Неве, при плавании как по течению,
так и против течения.
Более широкое применение электродвигателей и электроприводов началось в
1870-ые годы, после изобретения самовозбуждения генераторов постоянного
тока (см. раздел 3.12), которое привело к сооружению первых электростанций и
существенному снижению стоимости электроэнергии. За последнее время
наиболее значительный этап развития электроприводов заключается в
разработке для них в 1990-ых годах тиристорных и транзисторных
преобразователей вместе с применением микропроцессорных систем
автоматического управления. В настоящее время электропривод представляет
собой наиболее крупную группу электроприемников, потребляя около 2/3 всей
генерируемой в мире электроэнергии.
Одна из возможных структурных схем современного плавно регулируемого
высокоэффективного, управляемого микропроцессорной системой
электропривода представлена на рис. 7.3.1.
321
Вмешательство
человека
Уставки
Сигналы управления
6
Обратная связь
P
7
Электроэнергия
M
M
f = const.
1
M
f = var.
2
3
4
5
Рис. 7.3.1. Пример стуктуры электропривода переменного тока.
1 аппаратура коммутации и защиты, 2 преобразователь частоты,
3 электродвигатель или другой электромеханический преобразователь,
4 редуктор или другой механический преобразователь, 5 рабочая
машина, 6 микропроцессорная система управления, 7 канал связи
(многопроводная система, витая пара, радиоканал, волоконно-оптический
кабель или др.), f частота тока
Когда электропривод должен работать по сложным программам, то в его состав
входит ЭВМ с соответствующим программным обеспечением. В составе
электропривода могут быть и другие, не показанные на рис. 7.3.1 элементы,
как, например, электромагнитные муфты, маховики, вспомогательные
источники тока и др.
Если рабочая машина не нуждается в плавном регулировании скорости и в
сложной автоматике, то структура электропривода упрощается. В качестве
примера на рис. 7.3.2 показана принципиальная схема некоторого
нерегулируемого, включаемого и отключаемого вручную электропривода с
асинхронным короткозамкнутым двигателем.
1
2
4
3
M
Рис. 7.3.2. Управляемый вручную нерегулируемый электропривод.
1 защитная аппаратура (например, плавкие предохранители),
2 коммутационный аппарат (например, контактор), 3 электродвигатель,
4 рабочая машина (например, вентилятор)
322
Параметры электропривода варьируются в очень широких пределах.
Номинальная мощность его может быть от нескольких милливатт до нескольких
десятков мегаватт, частота вращения, передаваемая приводимому механизму,
от одного оборота в год (или даже меньше) до нескольких десятков тысяч
оборотов в минуту, диапазон регулирования до 50 000:1 и т. д. В
электроприводе в настоящее время чаще всего используются трехфазные
асинхронные и синхронные двигатели, но находят применение и двигатели
постоянного тока, шаговые и многие другие двигатели.
Плавно регулируемый электропривод с преобразователем частоты может дать
большую экономию энергии при его применении для насосов и вентиляторов
переменной производительности, по сравнению с регулированием при помощи
вентилей или задвижек. На рис. 7.3.3 схематично представлено традиционное
вентильное регулирование производительности насоса, работающего с
постоянной скоростью, и современный привод с преобразователем частоты.
Если среднесуточная нагрузка насоса составляет, как обычно, от 30 % до 60 %
номинальной, то переход на привод с преобразователем частоты позволяет
снизить потребление энергии соответственно от 60 % до 45 %.
a
b
M
M
~
~
V
M
Рис. 7.3.3. Регулирование производительности насоса при помощи
вентиля (а) и при помощи привода с преобразователем частоты (b).
V датчик расхода
Как уже отмечалось, в электроприводе могут использоваться не только
вращающиеся двигатели, но и линейные двигатели, электромагниты и другие
средства создания электромагнитного поля. На рис. 7.3.4 в качестве примера
представлен принцип устройства магнитогидродинамического
электропривода для дозирования жидкого металла (например, магния),
разработанный на кафедре электропривода Таллиннского технического
университета в 1960-ых годах и успешно внедренный на титано-магниевых
комбинатах Казахстана. Подобные установки служат и для перекачивания
жидкометаллического теплоносителя (натрия, калия, лития) в некоторых
ядерных реакторах (см. раздел 3.8).
323
4
5
3
6
2
1
7
Рис. 7.3.4. Принцип устройства магнитогидродинамического
электропривода для дозирования жидкого металла при литье чушек в
изложницы. 1 плавильная печь, 2 жидкий металл (магний, алюминий
или др.), 3 труба подачи жидкого металла, 4 индуктор бегущего
магнитного поля, 5 обмотка предварительного нагрева, 6 изложница,
7 литейный конвейер
Сложные производственные, транспортные и другие устройства могут
содержать несколько одно- или многодвигательных электроприводов, которые
должны работать синхронно или согласованно. К наиболее сложным системам
электроприводов относятся, например, приводные комплексы промышленных
роботов, в составе которых имеются



различные датчики для опознавания объектов обработки или
манипулирования, для определения их местонахождения, размеров и
других свойств,
система точного программного управления различными органами робота,
двигатели и магнитные механизмы специальной конструкции и т. п.
Точная, быстродействующая, гибкая и высоконадежная система
согласованного управления, центральным органом которой является бортовая
ЭВМ, необходима и современным электромобилям, каждое колесо которых
может иметь отдельный электродвигатель и отдельный поворотный механизм.
Устройство, свойства и применение современного автоматизированного
электропривода подробно рассматриваются в соответствующих базовых
учебных курсах специальности Электропривод и силовая электроника.
324
7.4
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОТОПЛЕНИЕ
По сравнению с другими способами отопления, электрическое отопление
отличается значительной простотой, обладая при этом повышенной
надежностью и гибкостью. Однако ввиду того, что электроэнергия дороже, чем
сжигаемое в отопительных устройствах топливо, применение электрического
отопления всегда требует определенного технико-экономического обоснования.
Преимущества электрического отопления перед другими видами отопления
заключаются









в большей гибкости и многообразии,
в удобстве комбинирования с другими способами отопления,
в возможности отказа от применения воды в отопительной системе и,
следовательно, в исключении возможного ущерба от аварий
трубопроводной системы,
в меньшей пожарной опасности по сравнению с сжиганием топлива,
в легкости автоматизации и оптимального регулирования,
в меньших затратах на установку и обслуживание,
в большей надежности,
в простоте точного учета расхода энергии,
в возможности использования дешевого ночного тарифа на электроэнергию
и в выравнивании при этом суточного графика нагрузки энергосистемы.
Основными недостатками электрического отопления считаются



более высокая стоимость электроэнергии по сравнению с топливом,
удорожание электропроводки (часто – применение отдельной проводки для
системы электрического отопления),
необходимость улучшения тепловой изоляции здания, которая, учитывая
дороговизну электрической энергии, при электрическом отоплении,
особенно важна.
Электрическое отопление может быть прямым или аккумулирующим.
На рис. 7.4.1 представлен принцип устройства типичных электрических
комнатных конвекторов (устройств с преимущественно конвекционной
теплопередачей) и радиаторов (устройств с преимущественно излучательной
теплопередачей), а на рис. 7.4.2 – теплоаккумулирующих конвекторов,
нагреваемых, например, ночью (во время действия льготного тарифа на
электроэнергию) и используемых как ночью, так и днем путем регулируемого
отвода тепла при помощи вентилятора. В более простых (маломощных)
электрических теплоаккумуляторах может применяться и естественная
конвекция.
В разговорной речи радиаторами часто ошибочно называют и те нагревательные
устройства, которые отдают тепло преимущественно путем конвекции.
325
5
5
1
6
1
2
3
2
4
4
Рис. 7.4.1. Принцип устройства электрических конвектора (слева) и
радиатора (справа). 1 электронагреватель, 2 кожух, 3 заполняющая
жидкость (например, масло), 4 конвективный приток холодного воздуха,
5 нагретый воздух, 6 тепловое излучение
5
1
2
3
4
Рис. 7.4.2. Принцип устройства электрического аккумулирующего
конвектора. 1 теплоаккумулирующий (минеральный, керамический или
другой) материал со встроенными электронагревателями, 2 кожух,
3 вентилятор, 4 приток холодного воздуха, 5 нагретый воздух
Для быстрого или кратковременного повышения температуры в помещениях
используются калориферы (рис. 7.4.3).
1
5
2
3
4
Рис. 7.4.3. Принцип устройства калорифера. 1 электронагреватели,
2 кожух, 3 вентилятор, 4 приток холодного воздуха, 5 нагретый воздух
Во всех вышеназванных средствах отопления чаще всего используются
трубчатые электронагреватели (ТЭН), в которых нихромовая (или
326
выполненная из другого сплава сопротивления) винтовая спираль окружена
плотной спрессованной тонкозернистой окисью кремния или магния в прочной
трубке из нержавеющей стали или из другого стойкого к коррозии металла (рис.
7.4.4). Такие весьма надежные и долговечные нагревательные элементы при
надлежащем использовании обеспечивают высокую степень
электробезопасности.
1
2
3
4
5
Рис. 7.4.4. Трубчатый электронагреватель (пример). 1 ввод,
2 изоляция ввода, 3 винтовая спираль из проволоки сопротивления,
4 заполняющий материал (SiO2 или MgO), 5 металлическая трубка
Используются и низко- и высокотемпературные теплоизлучатели (рис. 7.4.5).
1
2
3
4
Рис. 7.4.5. Электрический теплоизлучатель (пример). 1 нагревательный
элемент, 2 рефлектор, 3 защитное стекло, 4 тепловое излучение
Электрический нагрев может использоваться и в центральном отоплении.
В таком случае бойлер центрального отопления, как правило, снабжен такими
же электронагревателями, как и вышерассмотренные локальные средства
отопления. В некоторых промышленных установках могут использоваться и
электродные котлы, в которых электроэнергия превращается в тепло
непосредственно в самой воде.
Очень широкое применение нашли нагревательные кабели. Чаще всего они
размещаются в нагреваемом полу (рис. 7.4.6), но могут использоваться как для
предотвращения замерзания водяных труб, так и для защиты от обледенения
водосточных устройств, покрытий тротуаров, дорог и т. п.
Для отопления зданий используются также нагревательные пленки, которые
легко устанавливаются не только в строящихся, но и в существующих зданиях
(например, в подвесных потолках).
327
1
2
3
4
5
Рис. 7.4.6. Принцип устройства электрического отопления в полу.
1 покрытие пола (паркет, плиты, пластикат или др.), 2 выравнивающий
слой, 3 нагревательный кабель, 4 бетон, 5 теплоизоляция
Электрическое отопление зданий регулируется, как правило, автоматически,
при помощи термостатов, устанавливаемых на желаемую температуру. Для
более точного автоматического регулирования могут применяться наружные
датчики температуры, направления и силы ветра и др.
Первый электрический нагреватель для исследования теплового действия
электрического тока (для опытной установки, изображенной на рис. 7.4.7) в 1842 году
изготовил член Академии наук Санкт-Петербурга, уроженец города Тарту Генрих
Фридрих Эмиль (Эмилий Христианович) Ленц (Heinrich Friedrich Emil Lenz, 1804–1865).
Первый опыт изучения электрического отопления относится к 1907 году, когда в
городе Романо (Romano, Северная Италия) были построены первые электрические
теплоаккумулирующие печи. Началом практического применения электрического
отопления следует считать 1912 год, когда в городе Сиэтл (Seattle, США) на такое
отопление были переведены первые четыре жилых дома. В настоящее время
электрическое отопление широко применяется в странах с дешевой электроэнергией
(например, в Норвегии и Канаде), а также по соображениям удобства и надежности.
Многие энергосистемы (например, в Центральной Европе) стимулируют применение
аккумулирующего электроотопления для выравнивания колебаний своей суточной
нагрузки.
3
1
2
4
5
Рис. 7.4.7. Опытная установка Эмилия Ленца для исследования теплового
эффекта электрического тока. 1 бутыль, заполненная спиртом,
2 электронагреватель, 3 термометр, 4 зажим, 5 деревянное основание
328
7.5
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ
Электротехнологией называется совокупность методов прямого
использования электрических явлений для преобразования или обработки
различных веществ и изделий. Эти методы могут быть электротермическими,
электрохимическими, магнитными, электростатическими, механическими,
лучевыми или комбинировнными. Промышленные электротехнологические
установки в настоящее время потребляют приблизительно 25 % всей
электроэнергии, расходуемой в промышленности.
Наиболее мощными электротехнологическими устройствами являются
металлоплавильные печи. По физическому принципу и характеру
электротермических процессов различают следующие типы печей:





дуговые печи,
индукционные печи,
печи сопротивления,
печи излучения,
электроннолучевые печи.
В дуговой печи металл расплавляется под воздействием электрической дуги
постоянного или переменного тока, создаваемой между металлом и
графитовыми электродами (рис. 7.5.1). Интенсивность дуги может
регулироваться путем изменения тока или изменением расстояния между
электродами и металлом. Такие печи могут изготовляться мощностью до
нескольких десятков мегаватт, и они находят применение чаще всего в
сталеплавильном производстве, но могут применяться и в производстве других
металлов и сплавов.
1
2
3
Рис. 7.5.1. Принцип устройства трехфазной дуговой печи.
1 графитовые электроды, 2 электрическая дуга, 3 расплавляемый
металл
Индукционная печь в простейшем случае состоит из тигля и электрической
обмотки переменного тока, которая индуцирует в расплавляемом металле
сильные вихревые токи (рис. 7.5.2). В отличие от дуговой печи, где
высокотемпературная электрическая дуга может вызывать нежелательные
процессы окисления, в индукционных печах обычно получается металл с
меньшим количеством примесей. При необходимости печь может быть
практически герметичной, что позволяет заполнять ее свободное пространство
инертным газом (например, аргоном).
329
1
2
3
4
Рис. 7.5.2. Принцип устройства индукционной печи.
1 тигель, 2 расплавляемый металл, 3 индукторная обмотка,
4 индуцированный ток в расплавляемом металле
В печах сопротивления нагрев раплавляемого металла обычно происходит
косвенно – при помощи высокотемпературных нагревательных сопротивлений,
изготовленных из металла (например, чугуна), карбида кремния (карборунда)
или других жаростойких материалов, размещаемых на стенках или на потолке
(или на всех свободных поверхностях) печи (рис. 7.5.3). Достигаемая
температура зависит от материала нагревателей и внутренней среды печи.
Температура нагревателей, работающих в воздухе, обычно не превышает
1000 oC, из-за чего такие печи могут применяться только для расплавления
некоторых цветных металлов и их сплавов. В вакуумных печах или в случае
инертной среды могут использоваться вольфрамовые или другие тугоплавкие
нагреватели, позволяющие поднять температуру печи до 3000 oC. Реже
используется прямой нагрев, при котором ток пропускается через
расплавляемый металл.
1
2
Рис. 7.5.3. Принцип устройства печи сопротивления. 1 нагревательные
элементы, 2 расплавляемый металл.
Система выпуска металла не показана
В печах излучения обычно используется концентрированное инфракрасное
излучение, получаемое от малогабаритных галогенных ламп накаливания,
размещенных в фокусе параболоцилиндрических зеркал (см. рис. 7.4.5). Тигель
металла при этом в случе необходимости может размещаться в герметически
закрытой камере с покрытием из кварцевого стекла.
Электроннолучевые печи (рис. 7.5.4), как правило, используются для
получения сверхчистых металлов путем их расплавления в вакууме. В верхней
части такой печи размещается мощный катод специальной конструкции
330
(электронная пушка), электронный поток которого фокусируется магнитными
линзами и сдвигается управляющими обмотками вдоль поверхности металла.
1
2
3
4
7
5
6
Рис. 7.5.4. Принцип устройства электроннолучевой печи.
1 электронная пушка, 2 анод, 3 магнитная линза, 4 сдвигающая
обмотка, 5 электронный луч, 6 расплавляемый металл,
7 вакуумный насос
Первую электрическую печь для расплавления металла (дуговую сталеплавильную
печь) построил в 1883 году немецко-английский предприниматель Уильям Сименс
(William Siemens, 1823–1883). Индукционную печь изобрел в 1899 году шведский
металлург Фредерик Адольф Кьеллин (Frederik Adolf Kjellin, 1872–1910).
Электроэнергия используется и для нагрева металлов и других материалов
при их термообработке (при закалке, отжиге, сушке, склеивании и т. п.). Для
этого могут применяться




прямой или косвенный нагрев сопротивлением,
низко- или высокочастотный индукционный нагрев,
диэлектрический нагрев,
нагрев излучением.
Один из простейших способов нагрева заключается в применении печи
сопротивления (рис. 7.5.5). Печь нагревается при помощи достаточно
высокотемпературных нагревательных элементов, изготовленных из металла
(например, из сплавов сопротивления), карбида кремния или других
жаропрочных материалов, размещенных на внутренних поверхностях печи или
на специальных несущих конструкциях. При относительно невысокой
температуре нагрева могут применяться и нагревательные элементы,
изображенные на рис. 7.4.4. Часто через такую печь проходит конвейер, на
котором термообрабатываемые (например, керамические) изделия могут
проходить последовательно зоны с различным температурным режимом.
331
1
2
Рис. 7.5.5. Принцип устройства электрической печи сопротивления.
1 нагревательный элемент, 2 термообрабатываемое изделие
Нагрев сопротивлением применяется и в автоклавах, в которых при помощи
электрических нагревателей создается среда водяного пара высокого давления
для термообработки или испытания различных материалов.
При индукционном нагреве нагреваемое металлическое изделие или его
часть окружают индуктором подходящей конструкции, который может состоять
из одного или нескольких витков необходимой формы или может представлять
собой какую-либо регулярную обмотку (рис.7.5.6). При низкой частоте тока (от
нескольких герц до нескольких десятков герц) электромагнитное поле
проникает в металл на большую глубину и обеспечивает, например, отжиг
изделия. При высокой частоте (от нескольких килогерц до нескольких сотен
килогерц) глубина проникновения электромагнитного поля составляет иногда
всего несколько десятых долей миллиметра, благодаря чему такой способ
нагрева может успешно использоваться для поверхностной закалки.
1
1
2
2
Рис. 7.5.6. Индукционный нагрев. Слева принцип низкочастотного, справа
– высокочастотного нагрева. 1 нагреваемое изделие (справа в качестве
примера зуб зубчатого колеса), 2 индуктор
Диэлектрический нагрев основан на действии высокочастотного
электрического поля (частотой до нескольких сотен мегагерц) на
диэлектрический материал, размещенный между плоскими, обычно сетчатыми,
электродами (как в плоском конденсаторе) (рис. 7.5.7). Так как диэлектрик
никогда не является идеальным (не обладает нулевой удельной
проводимостью), то энергия электромагнитного поля в нем поглощается, что
приводит к нагреву и другим желаемым физическим процессам (к сушке,
затвердеванию, полимеризации и т. п.).
332
1
2
Рис. 7.5.7. Принцип диэлектрического нагрева. 1 сетчатые или другие
электроды, 2 нагреваемый материал
Печи излучения могут быть основаны на применении сверхвысокочастотного
радиоизлучения или оптического (обычно инфракрасного) излучения. Широко
распространены, например, маломощные (мощностью до нескольких киловатт)
микроволновые печи, в которых генерируемое магнетронным генератором
излучение (обычно со стандартной длиной волны в 12,25 cm) направляется
через волновод и антенну в нагревательный объем печи, где оно поглощается
нагреваемым изделием или продуктом (рис. 7.5.8). Наиболее часто такие печи
используются для приготовления пищи, но могут применяться и в иных целях.
5
4
3
6
2
1
Рис. 7.5.8. Принцип устройства микроволновой печи.
1 электропитание, 2 блок преобразования, управления, регулирования и
автоматики, 3 магнетронный генератор, 4 волновод, 5 дисковая
антенна, 6 нагреваемый предмет
Возможность создания микроволновой печи в 1945 году случайно открыл при
исследовании радарных систем инженер американской электронной фирмы Raytheon
Corporation, доктор технических наук Перси Спенсер (Percy Spencer, 1894–1970),
который, однако, сразу понял важность открытия для бытовой электроники. Эта же
фирма в 1953 году впервые в мире начала выпускать бытовые микроэлектронные печи
[1.16].
Одной из важнейших областей электротехнологии является электрическая
сварка. В настоящее время широко применяются




дуговая сварка,
контактная (точечная и линейная) сварка,
электроннолучевая сварка,
лазерная сварка.
При дуговой сварке сварочный электрод обычно расплавляют под
воздействием электрической дуги вдоль сварочного шва между соединяемыми
металлическими частями (рис. 7.5.9). Сварка может производиться как вручную,
так и с использованием различных сварочных машин и роботов. Сварочный
шов наивысшего качества получается при применении постоянного тока,
333
поэтому сварочную дугу в настоящее время создают, главным образом, при
помощи соответствующих сварочных выпрямителей. Прежде широко
использовались сварочные трансформаторы (они и сейчас еще находят
применение), а еще раньше – сварочные генераторы постоянного тока.
2
1
3
4
Рис. 7.5.9. Принцип дуговой электрической сварки.
1 электропитание, 2 сварочный электрод, 3 сварочная дуга,
4 свариваемая деталь
Контактная сварка основана на интенсивном выделении тепла при
прохождении тока через контактное сопротивление места соприкосновения
свариваемых деталей (рис. 7.5.10). Наиболее распространенный вид
контактной сварки – точечная сварка – широко применяется для соединения
листовых деталей в автомобильной промышленности и выполняется чаще
всего при помощи сварочных роботов.
2
1
3
4
3
2
Рис. 7.5.10. Принцип точечной сварки.
1 электропитание, 2 сварочные электроды, 3 свариваемые между
собой детали, 4 точка сварочного соединения
Электроннолучевая сварка осуществляется по такому же принципу, как и
электроннолучевая плавка металлов (см. рис. 7.5.4).
Лазерная сварка используется для получения очень тонких и точных сварных
швов не только между металлическими, но и неметаллическими
неэлектропроводящими деталями, а также для соединения двух или
нескольких различных материалов.
Существует много других способов сварки. Некоторые используемые при
сварке процессы могут применяться и для резки различных материалов.
Впервые дуговую сварку в 1890 году использовал русский инженер Николай Славянов
(1854–1897), а контактную сварку – в 1886 году американский изобретатель и
предприниматель профессор Элиу Томсон (Elihu Thomson, 1853–1937).
334
Старейшим электротехнологическим процессом следует считать электролиз,
так как еще в 1803 году шведскому химику и минералогу Ёнсу Якобу
Берцелиусу (Jöns Jacob Berzelius, 1779–1848) удалось таким способом
выделить из растворов солей чистые металлы, а еще раньше, в 1800 году,
английские физики Энтони Карлиль (Anthony Carlisle, 1768–1840) и Уильям
Никольсон (William Nicholson, 1753–1815) разложили воду посредством
электролиза на водород и кислород. В настоящее время путем электролиза
получают необходимые для электротехники медь и алюминий, а также многие
другие чистые металлы.
Следует отметить, что электролиз алюминия является одним из самых энергоемких
процессов в промышленности – для получения 1 t алюминия необходимо расходовать
приблизительно 14 MWh электроэнергии.
Значительно меньшая мощность требуется для получения гальванических
металлопокрытий (для серебрения, золочения, хромирования, никелирования
и т. п.) в соответствующих гальванических ваннах.
Среди электротехнологических процессов заслуживает внимание и
электроэрозионная обработка, основанная на коррозии обрабатываемого
изделия под воздействием искрового или импульсного электрического разряда
при частоте тока от нескольких десятков герц до нескольких килогерц (рис.
7.5.11). Этот способ позволяет, например, сверлить отверстия любой формы (в
том числе с криволинейной осью) в металле любой твердости. Это
преимущество обычно полностью компенсирует медленность такого способа
обработки.
1
3
4
2
Рис. 7.5.11. Принцип электроэрозионной обработки.
1 электрод, 2 обрабатываемое изделие, 3 искровый или импульсный
разряд в зазоре шириной от 0,01 mm до 0,2 mm, 4 изолирующая жидкость
(например, керосин или масло)
Основы электроэрозионной обработки разработали в 1943 году русские технологи
машиностроения супруги Борис и Наталья Лазаренко.
335
7.6
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ
На освещение в мире расходуется приблизительно 10 % всей вырабатываемой
электроэнергии. В установках электрического освещения применяются главным
образом три вида источников света –



лампы накаливания,
разрядные лампы,
светодиоды.
Существуют и другие разновидности источников света, в том числе
неэлектрические, но их удельная доля, по сравнению с вышеназванными,
очень мала.
Источники света размещаются в световых приборах, среди которых
наибольшее значение имеют




светильники,
прожекторы,
проекторы,
светосигнальные приборы.
В зависимости от места размещения осветительных приборов (в зданиях или
вне их) различают внутреннее и наружное освещение, по их назначению –
рабочее, аварийное, сигнальное, охранное, декоративное, рекламное и другие
виды освещения. Наиболее часто используется внутреннее рабочее
освещение, в котором, в зависимости от сложности и специфики задач при
производстве работ, условий окружающей среды и архитектурных требований,
могут применяться весьма разнообразные технические решения по выбору и
размещению источников света и световых приборов. В случае зрительных
задач средней сложности (например, при чтении и письме) в рабочих
помещениях обычно предусматривается общее освещение, а при сложных
работах, когда более сильное освещение нужно на относительно малой
рабочей поверхности, дополнительно к общему освещению применяют и
местное освещение.
Электрические источники света характеризуются многими показателями, среди
которых наиболее существенными являются
 номинальное напряжение Un ,
 номинальная мощность Pn ,
 номинальный световой поток n ,
 номинальная световая отдача n = n / Pn (отношение номинального
светового потока к номинальной мощности).
Характерные показатели источника света упрощенно представлены на рис.
7.6.1.
336
U
I
P=UI

Рис. 7.6.1. Преобразование энергии в электрическом источнике света.
U напряжение, I ток, P мощность,  световой поток
Единицей светового потока является, как известно, люмен (lm), а единицей
световой отдачи, следовательно, – люмен на ватт (lm/W). Теоретический
предел световой отдачи равен 683 lm/W; такая световая отдача была бы
возможна, если бы вся мощность, потребляемая лампой, превращалась бы без
каких-либо потерь в монохроматическое излучение с длиной волны 555 nm (при
такой длине волны спектральная чувствительность человеческого глаза имеет
наивысшее значение). Наивысшая возможная световая отдача в случае белого
света с равномерным спектром равна приблизительно 250 lm/W. Фактическая
световая отдача электрических источников света, в зависимости от типа и
мощности ламп, находится в пределах от 10 lm/W до 100 lm/W. Световая
отдача некоторых типов ламп показана на рис. 7.6.2.
Световой отдачей характеризуются не только электрические, но и другие источники
света. Так, например, световая отдача свеч находится в пределах от 0,1 lm/W до
0,2 lm/W, световая отдача Солнца составляет 110 lm/W, а световая отдача светлячка –
около 500 lm/W.
337
400
lm Световая отдача
W
Теоретический предел световой отдачи ламп белого света
200
Натриевые лвмпы ВД
Натриевые лампы НД
ЛЛ  26 mm (T8)
Металлогалогенные лампы
ЛЛ  16 mm (T5)
100
80
Компактные ЛЛ с внешним ПРА
60
Компактные ЛЛ со встроенным ПРА
40
Галогенные ЛН сетевого напряжения
С резьбовым
цоколем
Галогенные ЛН
малого напряжения
Трубчатые
20
10
Световые
8 диоды
ЛН с криптоновым заполнением
6
ЛН с аргоновым заполнением
4
Номинальная мощность лампы
2
2
4
6 8 10
20
40 60
100
200
400 600 1000
2000 W
Рис. 7.6.2. Световая отдача некоторых типов ламп в зависимости от их
номинальной мощности.
ЛН лампы накаливания, ЛЛ люминесцентные лампы,
НД низкое давление, ВД высокое давление
Нити накала ламп накаливания в настоящее время изготавливают почти
исключительно из вольфрама, температура плавления которого равна 3380 oC
и который, в зависимости от номинальных мощности и напряжения лампы,
работает при температуре от 2300 oC до 3100 oC. Чем выше рабочая
температура нити накала, тем выше световая отдача лампы. Для достижения
как можно большей рабочей температуры используют, в первую очередь,
338
 выполнение нити накала в виде спирали или биспирали (для уменьшения
площади испарения нити),
 заполнение лампы как можно более тяжелым инертным газом (чаще всего
аргоном или криптоном),
 введение в колбу лампы, кроме инертного газа, некоторого галогена
(обычно иода или брома).
Световая отдача увеличивается и в случае меньшего номинального
напряжения, так как при той же мощности номинальный ток и сечение нити
увеличиваются, что позволяет увеличить и рабочую температуру нити.
Галогенные лампы накаливания основаны на том, что вольфрам,
испарившийся с нити накала, соединяется с добавленным в колбу галогеном
(обычно иодом или бромом), образуя галогенид вольфрама, температура
испарения которого намного меньше, чем вольфрама. Если температура колбы
лампы достаточно высока, то это соединение не может отлагаться на колбе,
благодаря чему в лампе возникает насыщение парами галогенида и
вольфрама, и испарение нити накала прекращается. Чтобы добиться этого
эффекта, температура колбы должна составлять приблизительно 500 oC.
Поэтому колбы таких ламп изготовляются из жаропрочного кварцевого стекла,
а их размеры намного меньше, чем обычных ламп накаливания. Принцип
устройства и работы галогенной лампы накаливания представлен на рис. 7.6.3.
3000 oC
1500 oC
500 oC
 10 mm
<1500 oC
W + I2
WI2
>1500 oC
атом вольфрама
молекула иода
молекула иодида вольфрама
Рис. 7.6.3. Принцип устройства и работы галогенной (иодной) лампы
накаливания
Первые (угольные) лампы накаливания, подходящие для промышленного производства
и массового применения, в 1879 году изготовили американский изобретатель и
предприниматель Томас Алва Эдисон (Thomas Alva Edison, 1847–1931) и английский
изобретатель и предприниматель Джозеф Уильсон Сван (Joseph Wilson Swan, 1828–
1914). Технологию изготовления вольфрамовых нитей разработал в 1906 году
американский физик Уильям Дэвид Кулидж (William David Coolidge, 1873–1975),
заполнение ламп инертным газом предложил в 1913 году американский химик и физик
Ирвинг Лэнгмюр (Irving Langmuir, 1881–1957). Производство галогенных ламп
накаливания наладил в 1958 году американский концерн Дженерал Электрик (General
Electric).
Лампы накаливания отличаются простотой конструкции, малыми размерами,
дешевизной и легкостью использования, но их недостатками являются низкая
световая отдача (обычно от 10 lm/W до 30 lm/W) и относительно короткий срок
службы (чаще всего 1000 … 2000 часов). Поэтому в целях экономии
электроэнергии предпочитают использовать разрядные лампы, основанные,
чаще всего на дуговом разряде в парах металлов с низкой температурой
кипения (обычно ртути или натрия). Световая отдача таких ламп, в зависимости
339
от типа и мощности, находится обычно в пределах от 40 lm/W до 150 lm/W, а
срок службы – от 5 000 до 15 000 часов. Кроме того, спектральный состав
света некоторых типов разрядных ламп практически не отличается от дневного,
что особенно важно при работах, требующих правильного различения цветов.
Разрядные лампы по давлению в колбе делятся



на лампы низкого давления (НД, приблизительно до 100 Pa),
на лампы высокого давления (ВД, приблизительно от 10 kPa до 0,2 MPa),
на лампы сверхвысокого давления (СВД, приблизительно более 0,2 MPa).
Лампы СВД в осветительных установках применяются чрезвычайно редко.
Наиболее широко используются дуговые ртутные лампы низкого давления,
колба которых изнутри покрыта люминофором – люминесцентные лампы
низкого давления (называемые в разговорной речи люминесцентными
лампами). Принцип устройства таких ламп, дающих в настоящее время более
80 % всего светового потока всех электрических источников света в мире,
представлен на рис. 7.6.4.
9
2
1
3
4
5 7
8
6
Рис. 7.6.4. Принцип устройства и работы трубчатой люминесцентной лампы
низкого давления. 1 цоколь, 2 колба, 3 слой люминофора на внутренней
поверхности колбы, 4 электрод, 5 поток электронов, 6 атом ртути,
7 процесс возбуждения атома ртути и возврат в исходное стабильное
энергетическое состояние, 8 квант ультрафиолетового излучения,
9 испускаемое люминофором видимое излучение
Применение люминофора в ртутной лампе НД обязательно, так как излучение
ртутной дуги НД почти полностью ультрафиолетовое, непригодное для
освещения. Другая возможность получения приемлемого спектра излучения –
применение высокого давления (обычно от 10 kPa до 200 kPa) при
одновременном введении в ртуть добавок других металлов (натрия, индия,
таллия, диспрозия и др.). Чтобы эти добавки не могли отлагаться на стенках
колбы, они вводятся в лампу в виде галогенидов, вследствие чего такие лампы
называются металлогалогенными. Выбирая нужные добавки в надлежащем
соотношении, можно добиваться высокой световой отдачи (обычно от 90 lm/W
до 100 lm/W) и спектра, практически совпадающего с дневным светом.
При дуговом разряде в пару натрия ультрафиолетовое излучение не
возникает. Спектр натриевых ламп НД является, однако, монохроматическим
(желтым, с длиной волны 589 nm), поэтому в таком свете невозможно
различать цвета. Большим преимуществом таких ламп является особо высокая
световая отдача (до 200 lm/W), и они хорошо подходят для освещения дорог и
340
улиц. Натриевые лампы ВД обладают более широким спектром, но также с
оранжево-желтым оттенком, из-за чего и эти лампы используются, главным
образом, для наружного освещения.
Зависимость напряжения дугового разряда от тока имеет, как известно,
падающий характер (рис. 7.6.5), вследствие чего лампы дугового разряда не
могут прямо подключаться к сетевому напряжению (в таком случае возникло бы
лавинообразное увеличение тока и лампа перегорела бы). Кроме того, для
зажигания дуги необходим импульс напряжения, существенно превышающий
уровень напряжения сети. Поэтому все разрядные лампы снабжаются
пускорегулирующим аппаратом (ПРА), обеспечивающим зажигание лампы и
ее стабильную работу.
U
Us
Рабочая точка
Uv
Un
In
I
Рис. 7.6.5. Зависимость напряжения разрядной лампы от тока (при
постоянном токе). In номинальный ток лампы, Un номинальное
напряжение лампы, Uv напряжение сети, Us минимально необходимое
напряжение для зажигания лампы
Простейший ПРА переменного тока состоит из индуктивного сопротивления
(дросселя), соединяемого последовательно с лампой, и источника импульсного
напряжения (стартера). Однако в настоящее время в качестве ПРА
используются предпочтительно преобразователи частоты с выходной
частотой от 20 kHz до 50 kHz, обеспечивающие
 беспульсационную работу лампы (пульсацией называется периодическое
изменение светового потока лампы в зависимости от мгновенного значения
тока лампы, свойственное разрядным лампам переменного тока; такая
пульсация может иногда вредно влиять на работу глаз и мозга человека),
 зажигание лампы без применения специальных стартеров,
 быстрое и плавное зажигание,
 меньшие потери энергии (почти вдвое более низкие, чем в случае
дроссельных ПРА),
 больший срок службы лампы,
 более высокую световую отдачу лампы,
 меньшую массу ПРА.
ПРА может выполняться как отдельное устройство, но может и встраиваться в
лампу. Лампы, содержащие ПРА, называются компактными лампами и
снабжаются часто такими же резьбовыми цоколями, как и лампы накаливания.
Они легко могут использоваться вместо ламп накаливания и давать при этом
существенную экономию энергии, благодаря чему их называют
энергоэкономичными лампами.
341
Первую разрядную лампу (с электрической дугой постоянного тока, горящей в воздухе
между угольными электродами) изготовил в 1844 году для освещения своего
лабораторного стола французский физик Жан Бернар Леон Фуко (Jean Bernard Léon
Foucault, 1819–1868). Простую дуговую лампу переменного тока, подходящую для
наружного освещения, в 1876 году изобрел русский инженер-электрик Павел Яблочков
(1847–1894), работавший в Париже. Опытные ртутные люминесцентные лампы НД
впервые продемонстрировала немецкая фирма Осрам (Osram) в 1935 году на
Парижской всемирной выставке, но первые серийно выпускаемые лампы такого типа
представили американские фирмы Дженерал Электрик (General Electric) и Вестингауз
(Westinghouse) в 1938 году на Всемирной выставке в Нью-Йорке (New York) и СанФранциско (San Francisco). Фирма Дженерал Электрик разработала в 1963 году и
первые натриевые лампы ВД, которые в настоящее время предпочтительно
используют для уличного освещения. Металлогалогенные лампы начала выпускать в
1969 году немецкая фирма Осрам; весьма эффектно они применялись для освещения
спортивных сооружений на Мюнхенских олимпийских играх в 1972 году. Первые
компактные люминесцентные лампы разработала в 1981 году нидерландская фирма
Филипс (Philips).
С 2000 года в осветительных установках чрезвычайно быстро стали
распространяться светодиоды. Эти источники света представляют собой
полупроводниковые структуры малого напряжения (обычно от 3 V до 7 V
постоянного тока) и малых размеров (обычно от 1 mm до 5 mm), снабженные
встроенными вогнутым зеркалом и линзой, позволяющие получать
узконаправленное распределение света. Они могут быть как цветными
(красными, желтыми, зелеными, голубыми), так и белыми. Для освещения можно
использовать белые светодиоды или такие цветовые комбинации, которые при
смешивании дают белый свет. Единичная мощность осветительных (силовых)
светодиодов (рис. 7.6.6) в настоящее время находится в пределах от 1 W до 5 W;
их номинальное напряжение составляет обычно 3,6 V или 6,8 V, световая отдача
– от 10 lm/W до 30 lm/W и срок службы – до 40 000 часов. Из-за малой единичной
мощности изготовляются световые модули в виде ламп, пластин или лент,
состоящих из нескольких светодиодов.
1
2 3 4 5
Рис. 7.6.6. Принцип устройства силового светодиода.
1 основание, 2 золотая контактная проволока, 3 полупроводниковый
диод, 4 линза (может содержать люминофор), 5 зеркальная
поверхность
Первые (красные) светодиоды со световой отдачей в 0,2 lm/W были разработаны в
1961 году в США и сразу нашли применение в качестве миниатюрных сигнальных
лампочек. В 1975 году появились оранжевые, желтые и зеленые светодиоды,
позволившие создать светосигнальные устройства со световой отдачей
приблизительно 2 lm/W. Использование светодиодов в рабочем освещении стало
возможным после разработки голубых светодиодов в 1982 году и существенно
ускорилось после появления белых и более мощных (силовых) светодиодов. В
настоящее время светодиоды в рекламном освещении стали вытеснять неоновые и
другие лампы тлеющего разряда высокого напряжения, а в светофорах,
автомобильных сигнальных огнях и переносных фонарях – лампы накаливания.
342
7.7
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ
В случае прикосновения к токоведущим частям (а в установках высокого
напряжения даже при приближении к таким частям) может произойти
поражение человека электрическим током. Действие электрического тока на
человека зависит от рода тока, а также от его величины и длительности. Ток
становится опасным для жизни, если он проходит через сердце и вызывает
некоординированную фибрилляцию (дрожание) мышц желудочков сердца.
В этом случае прекращается кровообращение, и органы человеческого тела,
в том числе мозг, остаются без кислорода и кровяного сахара, переносимых
кровью. Мозг может выдержать отсутствие кровоснабжения не долее пяти
минут, после чего наступает смерть. Опытами на животных установлено, что в
случае импульсного тока фибрилляция желудочков сердца возникает тогда,
когда импульс приходится на середину процесса сокращения желудочков, что
составляет от 10 % до 20 % периода работы сердца, то есть, от 0,1 s до 0,2 s.
На электрокардиограмме этому соответствует начальная часть так
называемого пика T (рис. 7.7.1). Это означает, что короткие импульсы тока,
если они не попадают в этот критический интервал времени, могут даже при
большой силе тока иногда оказаться безопасными.
R
T
P
R
T = 0,7 s … 1 s
P
t
Q
Q
S
S
Предсердия
Желудочки
140
Кровяное давление
120
Сокращение (систол)
Расслабление (диастол)
100
80
100 %
Вероятность возникновения фибрилляции
желудочков сердца при воздействии на них
электрического тока
0
Рис. 7.7.1. Электрокардиограмма, работа предсердий и желудочков
сердца, кровяное давление и вероятность возникновения фибрилляции
желудочков при воздействии электрического тока, проходящего через
сердце (значительно упрощенно). t время, T период работы сердца
На основании соответствующих исследований Международная
электротехническая комиссия (МЭК) (International Electrotechnical Commission,
IEC) составила диаграммы [7.4], одна из которых (для переменного тока)
приведена на рис. 7.7.2.
343
a
10 s
5
b
c 1 c2 c 3
AC-4-1
t
1
AC-4-2
21
AC-4-3
1
0,5
AC-1
AC-3
AC-2
AC-4
0,2
0,1
0,05
0,02
0,01
0,1 0,2 0,5 1
I
2
5 10 20
mA
50 100 200 500 1
2
5 10
A
Рис. 7.7.2. Действие переменного тока сетевой частоты (50 Hz или 60 Hz)
на взрослого человека. I действующее значение тока, протекающего
через тело человека, t длительность тока. AC-1, AC-2, AC-3, AC-4-1,
AC-4-2 и AC-4-3 области интенсивности действия тока, a, b, c1 , c2 и c3
пороговые кривые между областями
Действие эффективного значения и длительности тока характеризуется на рис.
7.7.2 четырьмя областями:




область AC-1 (при токе до 0,5 mA), в которой действие тока на человека
практически неощутимо,
область AC-2, в которой действие тока явно ощущается, но не вызывает
каких-либо опасных физиологических явлений,
область AC-3, в которой ток обычно не вызывает повреждений организма,
но может вызывать судороги, затруднения дыхания и нарушения ритма
сердца, но не фибрилляции мышц желудочков сердца,
область AC-4, в которой ток может вызывать фибрилляцию мышц
желудочков сердца и, вследствие этого, прекращение кровообращения.
Область AC-4, в которой ток опасен для жизни, делится на три части:



часть AC-4-1, в которой вероятность возникновения фибрилляции мышц
желудочков сердца относительно мала и обычно не превышает 5 %,
часть AC-4-2, в которой вероятность возникновения фибрилляции мышц
желудочков сердца выше 5 %, но не превышает 50 %,
часть AC-4-3, в которой вероятность возникновения фибрилляции мышц
желудочков сердца превышает 50 %.
Буквы АС в этих обозначениях означают переменный ток (англ. alternating current).
В установках низкого напряжения с номинальным напряжением 230 V / 400 V
человек может в худшем случае попасть под междуфазное напряжение,
действующее значение которого равно 400 V. Так как сопротивление тела
344
человека обычно находится в пределах от 0,5 k до 2 k, через него может
протекать ток от 0,2 A до 0,8 A, что явно опасно для жизни.
Человек может попасть под напряжение в двух случаях:


прикасаясь к частям электрооборудования, которые нормально находятся
под напряжением (путем прямого прикосновения, как показано на рис.
7.7.3 слева); такие части называются токоведущими частями;
прикасаясь к электропроводящим частям электрооборудования или к
другим частям, которые нормально не находятся под напряжением, но
оказались под напряжением из-за нарушения изоляции (путем косвенного
прикосновения, как показано на рис. 7.7.3 справа); такие части называются
открытыми проводящими частями.
Токоведущая часть
Изоляция
Открытая проводящая
часть
Токоведущая часть
Нарушение
изоляции
Ток прикосновения
Ток прикосновения
Рис. 7.7.3. Поражение человека электрическим током при прямом (слева) и
косвенном (справа) прикосновении (примеры)
Защита от прямого прикосновения (называемая также основной защитой)
может реализоваться следующими способами:
 основная изоляция (изоляция, которую можно устранить только путем
разрушения);
 дополнительная (двойная или усиленная) изоляция, обеспечивающая
повышенный уровень защиты; такая изоляция называется также защитной
изоляцией;
 защитное малое напряжение, при котором через тело человека не может
возникать ток, опасный для жизни; максимально допускаемое действующее
значение этого напряжения как между фазами, так и между фазой и землей
в установках переменного тока равно 50 V; в установках постоянного тока
защитное малое напряжение не должно превышать 120 V;
 защитные ограждения и оболочки, препятствующие прямому
прикосновению;
 защитные барьеры, препятствующие приближению к токоведущим частям;
 создание непроводящего окружения (например, полов и стен из
изоляционных материалов);
345
 размещение электрооборудования дальше, чем на расстояние
протянутой руки;
 в случае работ, проводимых под напряжением, – применение
изоляционных инструментов и изолирующих защитных средств.
Защита при косвенном прикосновении может реализоваться
 заземлением открытых проводящих частей (защитным заземлением),
 быстродействующим автоматическим отключением электропитания при
попадании открытых проводящих частей под напряжение,
 выравниванием потенциалов открытых проводящих частей и сторонних
проводящих частей при помощи проводников выравнивания потенциала,
 электрическим защитным разделением, например, при помощи
специальных разделительных трансформаторов,
 вместе с основной защитой, например, при помощи дополнительной
изоляции, защитного малого напряжения, защитных барьеров и др.
Названные виды защиты могут различными способами комбинироваться. При
этом во всех электроустановках обязательно должны применяться оба вида
защиты – как от прямого прикосновения, так и при косвенном прикосновении.
При повышенной опасности (в случае влажного окружения, в наружных
установках, в случае нахождения электрооборудования в ведении
неквалифированного персонала и т. п.) требуется предусмотреть еще и
дополнительную защиту, которая в установках низкого напряжения
реализуется при помощи автоматических выключателей от токов утечки.
Такие выключатели срабатывают тогда, когда ток утечки, который может быть
вызван попаданием человека под напряжение путем прямого или косвенного
прикосновения, составляет 30 mA или больше. Как показано на рис. 7.7.2, при
длительном токе, превышающим это значение, может возникать опасность
фибрилляции желудочков сердца. Отключение этого выключателя должно
произойти за время, не превышающее 30 ms; это может предотвратить
опасную длительность тока при его действующем значении порядка 0,4 A
(такой ток, как было сказано выше, может возникать при прямом прикосновении
в случае напряжения 400 V и сопротивления тела человека 1 k).
Особенно важным считается выравнивание потенциалов вместе с защитным
заземлением электроустановки. Заземляющее устройство рекомендуется
выполнять в виде замкнутого контура в фундаменте здания (в виде
фундаментного заземления). В случае применения системы выравнивания
потенциалов (рис. 7.7.4), все проводящие части, доступные одновременному
прикосновению, приобретают один и тот же потенциал, в результате чего
напряжение прикосновения становится равным нулю и опасность поражения
электрическим током практически исчезает.
346
Опасная токоведущая часть
Открытая
проводящая часть
Сторонняя проводящая
часть
Главная шина
выравнивания потенциала
Сторонняя
проводящая часть
Заземляющее устройство
установки
Рис. 7.7.4. Принцип выравнивания потенциалов на вводе электропитания
в здание
В конструкции всех электроприемников, как уже сказано, должны быть
предусмотрены как основная защита, так и защита при косвенном
прикосновении; в случае необходимости применяется и дополнительная
защита. По тому, какими способами могут осуществляться первые два вида
защиты, все электроприемники делятся на три класса электробезопасности:
 класс I, когда основная защита обеспечивается основной изоляцией, а
защита при косвенном прикосновении – присоединением к открытым
проводящим частям заземленного защитного проводника (рис. 7.7.5);
 класс II, когда как основная защита, так и защита при косвенном
прикосновении обеспечивается дополнительной (двойной или усиленной)
изоляцией (рис. 7.7.6);
 класс III, когда как основная защита, так и защита при косвенном
прикосновении обеспечивается защитным малым напряжением (рис. 7.7.7).
L PE N
Штепсельное соединение
с защитным контактом
Обозначение зажима для
присоединения защитного
заземленного проводника
Основная изоляция
Металлическая оболочка
Рис. 7.7.5. Схема присоединения электроприемника I класса к сети через
штепсельное соединение
347
L PE N
Штепсельное гнездо
с защитным контактом
или без него
Обозначение II класса
Знак запрета заземления
Двойная или усиленная
изоляция
Изоляционная или
металлическая оболочка
Рис. 7.7.6. Схема присоединения электроприемника II класса к сети через
штепсельное соединение
L
N
Разделительный трансформатор
 50 V
Обозначение разделительного
трансформатора
Специальное штепсельное соединение
защитного малого напряжения
Обозначение III класса
Основная изоляция
(может и отсутствовать)
Изоляционная или металлическая оболочка
(может и отсутствовать)
Рис. 7.7.7. Схема присоединения электроприемника III класса к сети через
штепсельное соединение и разделительный трансформатор
Стандарты и правила, действовавшие в бывшем СССР, допускали
использовать и электроприемники нулевого класса, которые, как и
электроприемники I класса, имели основную изоляцию, но соединение
металлической оболочки с защитным проводником не было предусмотрено.
Предполагали, что защита при косвенном прикосновении обеспечивается
использованием электроприемников в непроводящем окружении. В
соответствии с этим в электропроводке жилых, административных, школьных и
других подобных зданий защитные проводники не предусматривались. Так как
фактически в этих зданиях непроводящего окружения не было (окружение
считается проводящим, если в нем имеются соединенные с землей
водопроводные или канализационные трубы, центральное отопление, ванны и
раковины, металлические и бетонные стройконструкции и т. п.), то защита при
косвенном прикосновении оставалась нереализованной, и каждое нарушение
изоляции могло привести к возникновению условий, опасных для жизни. На рис.
7.7.8 представлена одна из таких ситуаций, не допускаемых международными
стандартами электробезопасности.
348
L
N
Электропроводка без защитного проводника
Электроприемник нулевого класса
Uf
Рис. 7.7.8. Возникновение длительной опасности поражения
электрическим током при нарушении изоляции электроприемника
нулевого класса. U f напряжение прикосновения, равное фазному
напряжению сети
В Эстонии электроприемников нулевого класса в продаже больше нет, но если
в электропроводке здания нет защитного проводника, то любой
электроприемник I класса превращается в приемник нулевого класса. Поэтому
в Эстонии в настоящее время проводится реконструкция электропроводки
существующих зданий, заключающаяся в переходе на проводку TN-S (см.
раздел 4.5) и вместе с тем в замене ненадежных алюминиевых проводов
медными.
В СССР производились и электроприемники, не имевшие основной защиты (основной
изоляции), например, электрические плитки с открытой спиралью нагрева и излучатели
накаливания открытого исполнения.
Кроме защиты от поражения электрическим током в электроустановках,
необходимо предусмотреть и защиту от вредного действия возможной
открытой электрической дуги.
Требования электробезопасности строго установлены Законом
электробезопасности, а также международными стандартами по устройству и
эксплуатации электроустановок. Эти нормативные документы подробно
изучаются всеми электриками не только в учебных заведениях, но и на
различных курсах по безопасности проведения электротехнических работ.
В Эстонии электротехнические и другие стандарты издаются на основании европейских
и других международных стандартов Эстонским центром по стандартам (Eesti
Standardikeskus), который с 1 января 2004 года является членом Европейского
комитета стандартизации (Comité Européen de Normalisation, CEN) и Европейского
комитета электротехнической стандартизации (Comité Européen de Normalisation
Électrotechnique, CENELEC). В соответствии с положениями, действующими в этих
организациях, в Эстонии должны вводиться все европейские стандарты, в том числе,
естественно, и те, в которых устанавливаются подробные требования к
электробезопасности. Стандарты обязательны для применения во всех новых и
реконструируемых установках.
349