Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_4463
.pdf
Кремниевые сплавы, созданные в соответствии с данным изобретением, особенно выгодны в тех случаях,
когда желательно избегать чрезмерного отжига как меди, так и любых альфа-сплавов. Например,
конденсаторные трубки часто изготавливаются из сплава, известного как «адмиралтейская смесь»,
содержащего 30% цинка, 1% олова и остальное — медь.
Если в качестве замены используется сплав почти того же состава, но содержащий дополнительно 0,4%
железа и 0,15% кремния, то готовая труба после первого отжига перед окончательной холодной вытяжкой при
температуре 850 °C и второго отжига при температуре 550 °C будет иметь стабильную твердость 100 по
Бринеллю, предел прочности на растяжение 65 000 фунтов на квадратный дюйм, предел упругости 28 000
фунтов на квадратный дюйм и относительное удлинение 25%. Это очень выгодно отличается от показателей
Бринелля: 75, предел прочности на растяжение 52 000 фунтов на квадратный дюйм и предел упругости 15 000
фунтов на квадратный дюйм, а также 45% пластичности для обычной "адмиралтейской смеси".
В случае чистой меди можно предотвратить или отсрочить отжиг, если металл содержит около 0,4-0,6%
железа и 0,15-0,20% кремния. Такой сплав не начнет отжигаться при температуре ниже 400 °C, даже при
обычной обработке. Однако, если применить двойную термическую обработку, как описано выше, металл не
будет отжигаться при температуре ниже 500-525 °C.
Изобретение также включает производство термообработанных сплавов, в которых вместо железа
используется небольшая доля хрома. Количество используемого хрома колеблется от 0,3% до 2%, при этом
оптимальное количество составляет около 1,4%. Количество добавляемого кремния составляет примерно
0,1-0,35%.
Термическая обработка этих медно-хромо-кремниевых сплавов заключается в закалке при 900-950 °C и
последующем нагреве до 450-550 °C. После закалки сплав имеет предел прочности на растяжение около 42
000 фунтов на квадратный дюйм, предел упругости 10 000 фунтов на квадратный дюйм, относительное
удлинение 50%, твердость по Бринеллю 40, электрическое сопротивление 3,5 мкОм на кубический сантиметр.
После повторного нагрева сплав имеет предел прочности на растяжение 60 000 фунтов на квадратный дюйм,
предел упругости 25 000 фунтов на квадратный дюйм, относительное удлинение 25%, твердость по Бринеллю
100-120 и сопротивление 2,1-2,3 мкОм на кубический сантиметр. При дальнейшей холодной обработке предел
прочности на растяжение повышается до 80 000–85 000 фунтов на квадратный дюйм, предел упругости — до
45 000–60 000 фунтов на квадратный дюйм, твердость по Бринеллю — до 140–150, а относительное
удлинение снижается до 8%.
Благодаря этим свойствам сплав особенно подходит для изготовления высокопрочных железнодорожных
кабелей. 65 Разумеется, следует понимать, что изобретение применимо к производству различных
термообработанных альфа-латунных сплавов, альфа-бронзовых сплавов и подобных альфа-сплавов, в
которых медь является основным компонентом.
основной компонент.
Подробно описав и определив природу моего изобретения и способ его осуществления, я заявляю, что то, что
я 75
=== НАЧАЛО ФАЙЛА: patent_256458.txt ===
ССЫЛКА: https://translationportal.epo.org/emtp/translate/?ACTION=description-retrieval&COUNTRY=GB&ENGINE=
google&FORMAT=docdb&KIND=A&LOCALE=sq_AL&NUMBER=256458&SRCLANG=EN&OPS=ops.epo.org/3.2&T
RGLANG=ru
========================================
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ GB256458A
[]
СПЕЦИФИКАЦИЯ ПАТЕНТА
3 Дата подачи заявки: декабрь. 21, 1925. № 32,261 25, ó -Полностью принято: авг. 12, 1926.
ПОЛНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ.
Улучшения, связанные с сокращением потерь в системах передачи электроэнергии.
(Сообщение компании W ESTERN ELECTRIC COMPANY, INCORPORATED, корпорации штата Нью-Йорк,
головной офис которой находится по адресу: 195, Бродвей, Нью-Йорк, округ Нью-Йорк, Соединенные Штаты
Америки).
Мы, компания STANDARD TELEPHONES AND CABLES LIMITED, британская компания, расположенная по
адресу: Connaught Rouse, Aldwych, London, W.C. 2, England, настоящим заявляем о характере данного
изобретения и о способе его осуществления, которые будут подробно описаны и установлены в следующем
заявлении:
Данное изобретение относится к передающим цепям, и в частности к средствам и методам снижения потерь
при передаче в таких цепях.
С развитием методов передачи телефонных и телеграфных сигналов с помощью несущих токов,
распространяющихся по открытым проводным линиям, возникли новые проблемы передачи.
В связи с тем, что используемые несущие токи имеют относительно высокую частоту по сравнению с
голосовыми токами или токами Морзе, используемыми в обычных методах связи, было обнаружено, что
затухание значительно увеличивается, настолько, что ретрансляторы для усиления передаваемых токов
должны располагаться на гораздо меньших расстояниях друг от друга, что увеличивает стоимость
оборудования за пределами терминальных станций, на которых используется несущая аппаратура. Кроме
того, затухание настолько велико, что использование несущих частот телефонных линий значительно выше
30 000 циклов в секунду стало нецелесообразным.
Анализ факторов, вызывающих это затухание, показывает, что в него вступают три основных фактора:
во-первых, сопротивление переменного тока линии [Цена 11-].
Во-первых, потери на утечку происходят в самих проводниках, причем они увеличиваются с частотой из-за
поверхностного эффекта; во-вторых, 40 потери на утечку происходят в используемых изоляторах; и в-третьих,
дополнительные потери на утечку происходят в траверсах и штырях, несущих изоляторы.
В настоящее время не существует практических методов устранения потерь, вызванных первым из этих
факторов, поскольку эти потери, по-видимому, присущи самому проводнику в его нынешней конструкции.
Потери, обусловленные третьим из этих факторов, могут быть практически устранены с помощью одной из
особенностей данного изобретения, которая заключается в обеспечении пути с практически нулевым
сопротивлением между диэлектриком одного изолятора, несущего один из проводников 55 цепи передачи, и
изолятором, несущим другой проводник.
Другие особенности изобретения направлены на снижение второго из вышеупомянутых факторов. Каждый
изолятор действует как конденсатор, при этом стекло изолятора образует диэлектрик, провод и
соединительная проволока на внешней стороне изолятора составляют одну пластину, а деревянный штырь,
на котором поддерживается изолятор, составляет другую пластину. Образовавшийся таким образом
конденсатор вносит потери на утечку из-за так называемого диэлектрического гистерезиса.
Согласно еще одной особенности изобретения № 70, изоляторы изготовлены из материала, имеющего угол
потерь менее двадцати минут.
Проведенные обширные исследования показали, что очень существенная часть затухания, вызванного
утечками через изоляторы, обычно используемые на открытых проводных линиях, изменяется в очень
широком диапазоне при различных погодных условиях.
В сухую погоду внешняя пластина конденсатора, то есть часть линейного провода, прилегающая к изолятору
и связанному с ним соединительному проводу, представляет собой пластину относительно небольшой
площади, поэтому емкость относительно мала, и, следовательно, потери на утечку, даже на несущих
частотах, невелики -6 по сравнению с общим затуханием цепи. Однако во влажную погоду вся внешняя
поверхность изолятора становится влажной, в результате чего проводящая площадь за пределами изолятора
значительно увеличивается. В результате емкость, а следовательно, и потери на утечку, значительно
увеличиваются. В условиях экстремально влажной и сухой погоды ослабление системы 1l5 значительно
изменяется по этой причине.
Таким образом, другие особенности изобретения касаются конструкции изоляторов таким образом, чтобы их
несущая способность была одинаковой как во влажную, так и в сухую погоду.
Изобретение может быть более полно понято из следующего описания в сочетании с прилагаемым чертежом,
на котором фиг. 1 иллюстрирует стандартное расположение траверс и изоляционных штырей линии
электропередачи; фиг. 2 представляет собой эквивалентную электрическую схему для расположения,
показанного на фиг. 1; фиг. 3 иллюстрирует усовершенствованный способ изготовления траверс и
изоляционных штырей в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 4 представляет собой эквивалентную
электрическую схему для расположения, показанного на фиг. 3; фиг. 5 и 6 представляют собой теоретические
схемы, иллюстрирующие факторы, влияющие на распространение переменного тока по линиям
электропередачи; и фиг. 7 представляет собой ряд кривых, иллюстрирующих преимущества, получаемые при
использовании настоящего изобретения.
На рис. 8 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая возникновение потерь на гистерезис в
диэлектрике; на рис. 9 — векторная диаграмма, иллюстрирующая потери на гистерезис; а на рис. 10, 11 и 12
показаны три типа улучшенных изоляторов, используемых в связи с настоящим изобретением. На фиг. 13
показан тип изолятора 5(), обычно используемый в телефонных линиях, а на фиг. 14, 15 и 16 изображены
некоторые изоляторы малой емкости, которые могут быть использованы в связи с настоящим изобретением.
На фиг. 17 и 18 изображены два типа изоляторов, снабженных внешними защитными слоями в соответствии с
настоящим изобретением.
На фиг. 19 и 20 показаны две формы металлических покрытий, которые могут быть спрессованы для
придания формы внешней поверхности существующего изолятора, а на фиг. 21 и 22 показаны
модифицированные формы изоляторов, в которых внешнее металлическое покрытие выполнено таким
образом, чтобы обеспечить дополнительную оболочку для изолятора. рис.
23 На рисунках 30 показаны дальнейшие варианты осуществления изобретения.
Обращаясь к рис. 1, на котором в упрощенной форме изображена типичная конструкция поперечной балки,
используемая в телефонных линиях, 1 и 2 обозначают пару проводников телефонной линии, которые обычно
прокладываются от столба к столбу по всей стране в обычной конструкции с использованием гибких проводов.
Поперечная балка 3 длиной 7,5 обычно представляет собой деревянную планку с деревянными штифтами 4 и
5, на которых установлены изоляторы 6 и 7, обычно из стекла или другого непроводящего материала.
Проводники 1 и 2 крепятся к изоляторам 6 и 7 с помощью проволочных стяжек или проводников 8 и 9.
Иногда используются металлические поперечные балки и металлические штифты, но основная особенность
изобретения № 85 касается только наиболее распространенных случаев, когда либо поперечные балки, либо
штифты, либо и то, и другое, изготовлены из материала, который является лишь плохим проводником,
например, из дерева. 90 Чтобы понять, как возникают потери из-за утечки через такую систему, как описанная
выше, следует помнить, что древесина, из которой изготовлены поперечная балка 3 и штифты 4 и 5, не
является идеальным непроводником, а фактически представляет собой относительно плохой диэлектрик по
сравнению со стеклом, из которого состоят изоляторы 6 и 7. Таким образом, траверса и штифты действуют
как конденсатор с шунтирующим путем утечки, обладающим высоким сопротивлением. Кроме того, металл
проводников 1 и 2, прилегающих к изоляторам, и металл соединительных проводов 8 и 9 образуют пластину
конденсатора 105, диэлектриком которого является сам стеклянный изолятор, а деревянной булавкой –
другая пластина. В условиях влажной погоды площадь наружной пластины конденсатора фактически
значительно увеличивается за счет смачивания внешней поверхности стекла изолятора, так что эффекты
утечки, создаваемые изолятором, значительно усиливаются в сырую погоду.
115 Действие изолятора и связанных с ним частей как конденсатора зависит от трех факторов, во-первых, от
емкости C.
между его пластинами (то есть, емкость между линейным проводником, соединительной проволокой и влагой,
если таковая имеется, на его внешней поверхности, с одной стороны, и штифтом изолятора, с другой
стороны); во-вторых, проводимость Gde, представляющая собой утечку постоянного тока от линейного
проводника по внешней поверхности изолятора и под его оболочкой к поддерживающему штифту. Утечка
постоянного тока не зависит от частоты и, будучи поверхностной утечкой, конечно, сильнее во влажную
погоду, чем в сухую, но в целом составляет довольно небольшую часть общих потерь при передаче;
в-третьих, проводимость G, которая представляет собой потери на диэлектрический гистерезис в материале
самого изолятора. Эта проводимость является функцией емкости изолятора и увеличивается с частотой, так
что на высоких частотах она становится очень существенным фактором.
Элементы, влияющие на работу изолятора, схематически показаны на рис. 2. Помимо этих факторов,
существуют еще два фактора, которые в первую очередь касаются настоящего изобретения, а именно:
эквивалентная емкость 0Ca траверсы и штырей, и эквивалентная проводимость Go, представляющая собой
сумму истинной проводимости 2(0) между внутренней поверхностью одного изолятора и внутренней
поверхностью другого, а также дополнительной проводимости, представляющей диэлектрические потери в
траверсе и штырях. Эти факторы также схематически представлены на рис. 2.
Для устранения эквивалентной проводимости штифтов и траверсы штифты изготавливаются либо из
проводящего металла, как показано на фиг. 3 под номерами 11 и 12, либо, если используется дерево, дерево
покрывается металлическим проводником, таким как металлическая фольга, обернутая вокруг штифта, или
тонкой металлической оболочкой из меди или другого подходящего материала. Кроме того, металлические
штыри в одном случае или металлические оболочки в другом случае соединены непосредственно
металлическим проводником 10 на фиг. 3, причем сопротивление этого проводника практически равно нулю,
так что между внутренней поверхностью изолятора 6 и внутренней поверхностью изолятора 7 практически
существует короткое замыкание. Полученная эквивалентная электрическая схема схематически изображена
на рис. 4.
В описании настоящего изобретения до настоящего момента рассматривалась только схема, состоящая из
одной пары проводов. Очевидно, что 9 j a= \/ l j\9/(R2+ L'2)2 Когда L2w2 велико по сравнению с R2, а Ce22
велико по сравнению с G2, что имеет место для частот, используемых для передачи несущей, это выражение
сводится к 1R/22/C/L+ GI2,/LIC. Следовательно, любое уменьшение сопротивления IR или проводимости G
приведет к уменьшению затухания цепи.
Как уже было сказано, сопротивление R является неотъемлемой характеристикой, применимой к цепям,
состоящим из нескольких проводов. Например, в распространенной схеме фантомного питания используются
два провода с каждой стороны цепи. В такой цепи металлические штыри в одном случае или металлические
оболочки в другом соединены металлическим проводником, так что между внутренней поверхностью всех
изоляторов одной стороны цепи и внутренней поверхностью всех изоляторов другой стороны возникает
практически короткое замыкание.
Для того чтобы понять, как данная конструкция приводит к снижению потерь на утечку, поскольку она
предполагает такое расположение, которое на первый взгляд кажется обеспечивающим лучший путь утечки,
чем первоначальная конструкция, теперь кратко рассмотрим теорию передачи. Обращаясь к рис. 5, любую
систему передачи обычного типа, рассматриваемую здесь, можно представить как линию, состоящую из
большого числа участков, каждый из которых включает последовательную индуктивность L, обусловленную
материалом самих проводов линии, последовательное сопротивление R, также присущее материалу самих
проводов линии, параллельную емкость C и параллельную проводимость G.
Постоянная распространения такой проводящей системы может быть выражена известной формулой: y = (R +
jLo) (G + jC) = a + f + j, где y — постоянная распространения на единицу длины, а R, L, G и C —
соответственно, сопротивление, индуктивность, проводимость и емкость на единицу длины.
w в 2 7r раз больше частоты; j — оператор x/- 1; a — постоянная затухания на единицу длины, а i — член,
представляющий собой простое изменение фазы передаваемого тока.
Теперь значение параметра a в приведенном выше уравнении определяется выражением:
H)5 (G2 + C2) + RG - LC2 2 самих проводников линии, не могут быть устранены никакими практическими
физическими средствами. Однако возможно осуществить 11 очень значительное снижение проводимости (G.
Для того чтобы применить только что изложенные теоретические соображения к практической проблеме,
представленной в случае открытых проводов, проложенных на опорах, обратимся к схеме на рис. 6, которая
показывает электрический эквивалент открытой линии, проводники которой установлены на стеклянных
изоляторах, которые, в свою очередь, установлены на штырях, закрепленных на поперечных балках.
Емкость C на рис. 5 теперь представлена емкостью Co, обусловленной – тем, что воздух действует как
диэлектрик между линейными проводниками, и емкостями Ci и Cl, которые соответствуют емкостям,
обусловленным действием изолятора как конденсатора, как уже было описано. Использование воздуха в
качестве диэлектрика не влечет за собой потерь на утечку, или, по крайней мере, потери на утечку настолько
малы, что ими можно пренебречь.
Однако с величинами Ci и Cli связаны диэлектрические потери, представленные проводимостями Gh и G'h.
Аналогично, проводимости Gdc и Glde связаны с этими емкостями, но эти проводимости представляют собой
только утечку постоянного тока и имеют относительно небольшое значение. Однако, как уже объяснялось, все
проводимости, связанные с емкостями Ci и Cli, могут быть значительно уменьшены с помощью подходящих
методов изготовления изоляторов, которые будут описаны позже. Однако остается проводимость G, которая
представляет собой потери в деревянных изоляционных штырях и траверсе. Если эта проводимость
закорочена и, следовательно, исключена из цепи, то проводимость G на рис. 5 пропорционально
уменьшается, и, как будет видно из приведенных выше уравнений, это уменьшение значения G приводит к
уменьшению потерь энергии.
Доказательство этого факта можно привести следующим образом: предположим на данный момент, что
проводимость, связанная с изоляторами, равна нулю, — условие, которое, как уже отмечалось, можно
приблизительно выполнить на практике. При данном условии очевидно, что ток, протекающий через
проводимости G, будет вызывать потери энергии, которые, конечно же, должны быть вычтены из энергии,
передаваемой по цепи. Однако если эта проводимость закорочена на t5, то ток, протекающий между
проводами, представляет собой чистый емкостной ток, не создающий потерь. В этой связи следует отметить,
что результат, которого заявители достигают путем закорачивания контактов и траверсы, теоретически может
быть получен путем обнуления их эквивалентной проводимости, однако на практике отменить это условие
невозможно.
Представление о величине уменьшения потерь на утечку, достигнутого таким образом, можно получить,
рассмотрев кривые на рис. 7. Эти кривые представляют затухание на разных частотах линии передачи,
причем каждая из кривых соответствует различному состоянию затухания цепи, измеряемому по оси Y, и
частоте по оси X. Например, кривая А представляет собой зависимость затухания от частоты, где линия
передачи включает последовательное сопротивление R (скин-эффект), последовательную индуктивность L и
параллельную емкость C, но не имеет проводимости рассеяния G. Будет видно, что затухание увеличивается
с повышением частоты, и это связано с наличием последовательного сопротивления Rt. Если бы не было
последовательного сопротивления, затухание было бы равномерным на всех 7,5 частотах.
Кривая B отображает изменение затухания в зависимости от частоты, наблюдаемое в реальной линии
передачи в условиях сухой погоды. Здесь, конечно, у нас (80) есть проводимость утечки G, обусловленная
потерями на гистерезис в изоляторах и утечкой через поперечные балки и штыри. Кривая C — это
аналогичная кривая для той же трассы в условиях влажной погоды. Следует отметить, что затухание теперь
значительно возросло, в основном из-за смачивания поверхности изоляторов, что приводит к увеличению
емкости и, как следствие, к увеличению диэлектрических потерь, представленных GO и Ghl на рис. 6.
К сожалению, конструкцию установки необходимо адаптировать к условиям влажной погоды, когда
ослабление сигнала значительно возрастает (9,5%). Необходимо не только организовать цепь таким образом,
чтобы передача осуществлялась в коммерческих целях при данных условиях, но и предусмотреть
специальные меры для поддержания стабильной передачи при любых погодных условиях.
Таким образом, становится очевидным, что если огромные потери, представленные кривой С, можно
устранить или даже существенно устранить, так что мы получим состояние, близкое к кривой А, то это
приведет к огромной экономии на предприятии не только за счет сокращения необходимого количества
ретрансляторов, но и за счет того, что не потребуется 10 регуляторов передачи для поддержания постоянного
напряжения в различных погодных условиях.
Кривая D представляет собой изменение затухания в зависимости от частоты в условиях влажной погоды (115
градусов), когда штыри и траверсы закорочены в соответствии с настоящим изобретением.
Следует отметить, что потери при передаче, обусловленные проводимостью G на рис. 5 120, уменьшились
почти вдвое по сравнению с первоначальным значением. Изменение потерь в штырях и траверсе из-за
меняющихся погодных условий также было устранено. 1295 Следует отметить, что использование данного
изобретения, наряду с усовершенствованными методами изготовления изоляторов, описанными далее,
снижает потери при передаче практически до тех же пропорций 130 256,458, которые существовали бы, если
бы не было никакой проводимости утечки и не было бы никакого другого затухания, кроме того, которое
создается поверхностным сопротивлением R линейных проводников. Потери при передаче сигнала в
условиях влажной и сухой погоды существенно не изменятся, поэтому необходимость в мерах по
поддержанию постоянного уровня передачи больше не потребуется.
Кроме того, абсолютное снижение затухания, представленное кривыми C и E, позволит использовать
пропорционально меньшее количество ретрансляторов.
Далее будут описаны подходящие методы изготовления изоляторов, позволяющие снизить потери при
передаче сигнала, представленные кривой D, даже в условиях влажной погоды до кривой E, обозначенной
пунктирной линией.
Потери, представленные разностью между кривыми А и D, практически полностью обусловлены так
называемыми гистерезисными потерями диэлектрика, составляющего изолятор. Этот диэлектрический
гистерезис в некоторой степени аналогичен потерям на гистерезис, возникающим при намагничивании
железа. Хотя это явление до конца не изучено, по-видимому, оно вызывает эффект, эквивалентный потерям,
вызванным проводимостью в изоляторе. Например, если рассматривать изолятор как конденсатор, как уже
было описано в связи со схемой на рис. 2, то диэлектрические потери можно представить как сопротивление
R, зашунтированное вокруг емкости C конденсатора (см. рис. 8). Сопротивление R изменяется с частотой
приблизительно в соответствии с выражением l=R0o//, где Ro — постоянная, зависящая от характеристик
диэлектрика.
Если теперь к системе, показанной на рис. 8, приложить переменную электродвижущую силу E, то через
конденсатор C будет протекать ток I, а через сопротивление R — ток I. Ток I будет сдвинут по фазе на 900
градусов относительно тока I и будет являться «бессиловым» током. Если мы построим графики токов I и I в
виде векторной диаграммы, как показано на рис. 9, то результирующий ток I2 будет образовывать угол с током
I, не представляющим собой потери энергии. Ток IL представляет собой потерю энергии, и если бы этого тока
не было, действие конденсатора C было бы аналогично действию идеального конденсатора, и не было бы
потерь при передаче энергии из-за конденсатора.
Угол ' для данного диэлектрика является мерой гистерезисных потерь материала и поэтому известен как угол
потерь.
Для материалов, обычно используемых в качестве диэлектриков, и особенно для материалов, применяемых в
качестве телефонных изоляторов, угол потерь сравнительно невелик и составляет порядка 1/12 или 20 на
телефонных частотах. Однако даже эти малые углы влекут за собой значительные потери, как будет
отмечено позже. Таким образом, становится очевидно, что если изолятор изготовлен из материала со
значительно меньшим углом потерь, чем используемые в настоящее время материалы, то потери
проводимости, обусловленные гистерезисом, могут быть в значительной степени устранены.
Угол потерь может быть определен следующим образом: Бессиловой ток, протекающий через конденсатор,
может быть выражен формулой I = ECo, где C — емкость, E — приложенное напряжение, а ω — 27r-кратная
частота. Аналогичным образом, нынешний представитель...
Потеря энергии может быть выражена как I = ElR. Когда угол ( мал, π = tan = sin '. Из рис. 9 видно, что sin p =
R/ECo) = 1/RCw.
Следовательно, угол потерь можно выразить как p = 1/RCo. Из приведенного выше уравнения следует, что
если R бесконечно, или, что то же самое, если проводимость G равна нулю, то угол потерь будет равен нулю.
Как будет показано далее, потери мощности зависят от угла потерь диэлектрика, и очевидно, что если угол
потерь равен нулю, то потерь мощности не будет. Следовательно, если в качестве изолятора использовать
материал с чрезвычайно малым углом потерь, потери на гистерезис могут быть сведены к пренебрежимо
малым значениям.
Потери мощности P можно выразить как P = I12R = E2/R'.1% = "/ ' 7() 9t) Из уже выведенного выражения,
определяющего угол потерь, очевидно, что = 1 / Co'p, и, подставляя это значение R в предыдущее уравнение
1iC5, получаем P.=-E2Cp. Из этого выражения очевидно, что потери пропорциональны углу потерь, а также
зависят от диэлектрической постоянной, поскольку C, емкость, пропорциональна диэлектрической постоянной
материала. Диэлектрическая постоянная, как известно:
Это всего лишь отношение емкости конкретного диэлектрика к емкости воздуха. ' 11 -5 Из вышеизложенного
теперь станет ясно, что мы можем практически устранить потери на гистерезис изолятора, если в качестве
изоляционного материала использовать диэлектрик с углом θ, равным 16°. Используемые изоляторы имеют
угол потерь в районе от 1 до 2 градусов при -80,000 циклов, а коэффициент пропускания равен 1000 из-за
использования этих материалов; ik"ery':hig:h 1b f:'! i/1.'))iz[! ;'., - 25d,468 на частотах этого порядка, как станет
ясно при сравнении кривой D на рис. 7 с кривой A. Однако на обычных телефонных частотах, как будет видно
из левых концов кривых, потери из-за гистерезиса не так велики, и до появления передачи несущего тока ими
можно было пренебречь. Эксперименты показали, что стекла могут быть изготовлены с малыми углами
потерь путем обработки по двум различным линиям.
Один из способов — добавить в материал, из которого изготовлено стекло, большое количество какого-либо
тяжелого металла, например, свинца, сурьмы или бария. Другой метод заключается в производстве стекла,
которое по своему составу приближается к определенному химическому соединению (например, к
боросиликату). Примером первого типа является стакан следующего вида:
Диоксид кремния S0, - - - 64,64 Оксид свинца PbO - - 21,66 Оксид натрия Na.O - - 9,10 Оксид калия KO - 3,20
Пентаоксид фосфора 02PoO. 0. 75 Оксид бора B10, - - 0,37 Оксид алюминия AlIO0 - - 0,20 Оксид железа FeO-,
- - 0,04 Оксид кальция CaO - - 0,02 Оксид магния MgO - 0,02 Фтор F - - - Следы 100,00 После измерения и
испытаний стекло указанного состава показало следующие электрические характеристики:
I) Электрическая постоянная - 4(G) Угол потерь (минуты) Произведение - - 1000 циклов - _. - 6,8 - - -- - 16 (0,27)
_- - 1,84 30 000 циклов 6,7 12 (0,20) 1,34 Будет видно, что это стекло при 30 000 циклах имеет угол потерь
всего двенадцать минут по сравнению с углом потерь от 1 до 2 градусов, который был характерен для ранее
используемых изоляторов. Иными словами, угол потерь этого стекла составляет от одной пятой до одной
десятой от угла потерь ранее использовавшихся стекол. Это, конечно, следует из ранее изложенной теории,
учитывая, что диэлектрическая постоянная - угол потерь (в минутах) - произведение.
Здесь мы имеем угол потерь в девять минут при 30 000 циклах, или даже большее уменьшение угла потерь по
сравнению с обычным изолятором 7', стеклом. Как уже отмечалось ранее, потери пропорциональны углу
потерь, а также зависят от диэлектрической постоянной, поэтому произведение диэлектрической постоянной
и угла потерь является мерой потерь. Как видно, в случае с электрическим пирексом качество несколько ниже,
чем в случае с другим упомянутым видом стекла.
Оба стекла имеют более низкую диэлектрическую постоянную, чем обычное изоляционное стекло, для
которого обычное значение составляет около 8, так что таким образом достигается дальнейшее улучшение.
Однако предел в отношении снижения диэлектрической постоянной вскоре будет достигнут, и для
дальнейшего снижения потерь необходимо использовать стекло с малым углом потерь.
Испытания изоляторов, изготовленных из пирексного стекла, показали, что использование 91% таких
изоляторов снижает потери на гистерезис, а также пропорционально уменьшает диэлектрические потери в
условиях влажной погоды.
Примером стекла второго типа, то есть стекла, которое приближается к определенному химическому
соединению, является обычное стекло, известное как электротехническое пирекс.
В конечном итоге это стекло приближается по свойствам к боросиликату, а измерения и испытания этого
конкретного стекла показывают, что оно обладает следующими электрическими характеристиками:
-- - 5.3 - - 17 (0 .28) -- - 1.49 5.3 9 (0 .15) кривая D, которая представляет собой условие, при котором
используются обычные изоляторы, к пунктирной линии кривой E на рис. 7. Иными словами, когда угол потерь
95° уменьшается до значения несколько меньше двадцати минут, диэлектрические потери становятся
настолько малыми, что ими практически можно пренебречь. Как видно из кривых на рис. 7, путем
закорачивания проводимости траверс и штырей, а также использования изолятора из стекла с малым углом
потерь, можно уменьшить потери при передаче практически до тех же размеров, что и при отсутствии
какой-либо проводимости утечки и отсутствии других затуханий, кроме тех, которые возникают из-за
сопротивления линейных проводников.
В данных условиях потери при передаче сигнала как в сухую, так и во влажную погоду не будут существенно
различаться, поэтому необходимость в поддержании постоянного эквивалентного уровня передачи сигнала
отпадет. Кроме того, абсолютное снижение затухания на 115 единиц, представленное кривыми C и E,
позволит использовать пропорционально меньшее количество ретрансляторов.
Изолятор может иметь форму, показанную на фиг. 10, на которой изображен изолятор согласно
предшествующему уровню техники, в котором предусмотрена обычная внешняя канавка 13, в которой
линейный проводник закреплен с помощью проволочной стяжки. Внутренняя часть 14 стеклянного изолятора
имеет резьбу, как показано на рисунке, для того, чтобы изолятор можно было навинчивать на штифт, который
для данного типа изолятора можно считать деревянным штифтом, покрытым тонким металлическим
покрытием. В нижней части изолятора 15 предусмотрен внешний защитный кожух 15 для защиты внутренней
части изолятора от влаги, и предпочтительно также предусмотрен внутренний защитный кожух 16, чтобы путь
утечки из канавки 2113 через защитные кожухи к внутренней части изолятора, контактирующей со штифтом,
представлял собой длинный путь с высоким сопротивлением.
Это приводит к тому, что проводимость постоянного тока (см. рис. 2) снижается до сравнительно
незначительного значения.
На рис. 11 показана слегка модифицированная форма изолятора, предназначенного для использования в
сочетании с металлическим штифтом. Поскольку металлический штифт может иметь меньший диаметр (39),
чем деревянный штифт, резьбовая часть (17) изолятора в данном случае изготовлена меньшего диаметра,
так что отношение внешнего диаметра к внутреннему диаметру составляет примерно 4. Увеличение
отношения внешнего диаметра изолятора к внутреннему, как будет показано далее, может существенно
помочь в снижении диэлектрических потерь изолятора. Вместо дополнительной нижней юбки, как показано на
рис. 10 (рис. 16), нижняя юбка 18 в данном случае выполнена из гофрированной ткани с внутренней стороны,
как показано на рис. 19, чтобы максимально удлинить путь утечки постоянного тока.
На рис. 12 показан другой тип изолятора, предназначенный для использования с металлическим
изоляционным штырем. Общая форма этого изолятора весьма схожа с формой, показанной на рис.
11, за исключением того, что его внешний диаметр несколько меньше.
Из этого следует, что если конструкция изолятора механически такова, что его емкость уменьшается, то
соответственно уменьшится и гистерезисные потери, обусловленные диэлектриком изолятора.
Как уже было сказано, емкость изолятора обусловлена тем, что поверхность штифта изолятора действует как
одна пластина конденсатора, а соединительный провод и проводник линии 6n — как другая пластина.
Внешняя проводящая поверхность, включающая линейный проводник и соединительный кабель, фактически
значительно увеличивается в площади во время влажной погоды из-за влаги на внешней поверхности
изолятора.
Обращаясь, например, к рис. 13, можно увидеть, что эффект достигается с помощью конденсатора,
включающего диэлектрик в виде изолятора, как показано на рисунке, с внутренней цилиндрической
проводящей областью, соответствующей ему, с внутренней резьбовой поверхностью 20, и внешней
цилиндрической проводящей поверхностью, простирающейся от верхней части изолятора до нижнего края
нижней юбки 21. Однако, поскольку воздух, диэлектрическая постоянная которого значительно меньше, чем у
изоляционных материалов, занимает часть пространства между нижней частью штифта и внешней
поверхностью изолятора, эффективную емкость можно рассматривать как величину между проводящей
поверхностью, контактирующей с полостью штифта в стекле, и той частью внешней поверхности, которая
находится непосредственно напротив. Если не учитывать верхнюю часть изолятора, то можно считать, что это
приблизительно конденсатор, состоящий из двух концентрических цилиндрических проводников, разделенных
диэлектриком. Для такого конденсатора, где диаметр внешнего цилиндра равен R1, а диаметр внутреннего
цилиндра равен R2, емкость составит 0,2416 EL log10 -3 (C so 8 5 В приведенном выше выражении 11 — это 9
диэлектрическая постоянная, а L — длина цилиндра.
Из этого уравнения ясно, что мощность уменьшится, если мы увеличим отношение R к R2. Следовательно, в
изоляторе типа 1('), показанном на рис. 13, емкость уменьшится, и, соответственно, диэлектрические потери
снизятся, если мы увеличим отношение внешнего диаметра к внутреннему диаметру. 305 Однако сразу
станет очевидно, что это соотношение нельзя увеличивать бесконечно по очевидным механическим
причинам.
Кроме того, снижение мощности не прямо пропорционально увеличению 11М) этого соотношения, а
пропорционально увеличению логарифма этого соотношения.
Предположим, как это и происходит на практике, что обычный телефонный изолятор сконструирован таким
образом, что отношение 11,5 R к R составляет примерно 2 (внешний диаметр изолятора в канавке для
проволоки составляет приблизительно два дюйма, а диаметр полости для штифта — около одного дюйма). )
Тогда 120 log 1 = 0,3010 R2. Для получения уменьшения емкости в 2 раза диаметры должны быть выбраны
таким образом, чтобы log -1 = -0,6021 l2.
-7 или, другими словами, отношение внешнего диаметра к внутреннему должно быть равно -4. Изменение
соотношения может быть легко осуществлено без изменения внешней формы изолятора с помощью
металлического изоляционного штифта таким образом, чтобы диаметр внутренней резьбовой части:
Размер G-ly составит примерно полдюйма, как показано на рис. 14. В то же время, в -10, чтобы уменьшить
сопротивление между верхней частью штифта и верхней частью изолятора, верхняя часть изолятора была
приподнята. Как уже говорилось, в любом случае желательно использовать металлический опорный штифт,
чтобы легко закоротить проводимость траверсы. Такая конструкция позволит уменьшить потери,
обусловленные диэлектрическим гистерезисом, примерно вдвое, или, другими словами, потери,
представленные разностью между кривой А и кривой 1D на рис. 7. Аналогичный результат может быть
получен и при использовании конструкции, подобной показанной на рис. 15, в которой внутренний диаметр
совпадает с диаметром, показанным на рис.
13 Однако внешний диаметр вдвое больше, чем на рис. 13, и верхняя часть изолятора снова приподнята;
другими словами, мы можем уменьшить емкость, а следовательно, и потери на гистерезис, вдвое, удвоив
внешний диаметр или уменьшив внутренний диаметр вдвое. Пропускная способность между внешней
поверхностью и полостью штифта для такого изолятора составила бы около 17 ммс по сравнению с 35 ммс
для существующего изолятора.
Однако дальнейшее развитие в этом направлении проектирования нецелесообразно, поскольку уменьшение
вместимости в 4 раза пропорционально логарифму отношения внешнего диаметра к внутреннему. Например,
если требуется добиться уменьшения в 5 раз, необходимо, чтобы log R = 1,505 R2f Hlence, следовательно,
отношение внешнего диаметра к внутреннему должно быть равно 32; другими словами, хотя в случае
удвоения отношения потери могут уменьшиться вдвое, для уменьшения потерь в пять раз необходимо
возвести отношение в пятую степень.
Однако некоторое дополнительное снижение грузоподъемности o5 может быть достигнуто, если уменьшить
высоту внутреннего отверстия для опорного штифта. Разумеется, очевидно, что производительность
конденсатора зависит от площади пластин. Уменьшение высоты отверстия для опорного штифта
соответственно уменьшает площадь эффективной внутренней пластины конденсатора. Например, на рис. 16
показан изолятор, эквивалентный изолятору, имеющему 6.
Соотношение внешнего и внутреннего диаметров составляет 4, причем этот эффект достигается за счет
уменьшения внутреннего отверстия до половины обычного диаметра, а высота отверстия при этом
составляет лишь половину высоты, показанной на рис. 15, так что площадь внутренней поверхности пластины
уменьшается до четверти; это, конечно, приводит к дальнейшему уменьшению емкости материала и,
следовательно, к уменьшению диэлектрических потерь.
Обращаясь к кривым на рис. 7, если потери уменьшить с показанных кривой C до показанных кривой D путем
закорачивания проводимости траверсы и штырей, как уже было описано, станет очевидно, что потери в
условиях влажной погоды, представленные кривой D, если их уменьшить вдвое, не будут существенно
больше, чем потери в условиях сухой погоды, показанные кривой B, и такое уменьшение потерь может быть
достигнуто с помощью описанных выше новых конструкций изоляторов.
В любом случае, потери, вызванные гистерезисом в условиях влажной погоды (90 градусов по Фаренгейту),
при такой конструкции могут быть уменьшены до величины, не существенно превышающей одну четверть
потерь, вызванных проводами линии электропередачи при 30 000 циклах. Будет не только значительное
снижение максимальных потерь (на 95%), но и существенное уменьшение колебаний потерь в зависимости от
погодных условий, что позволит отказаться от регулирования передачи (на 10%) и использовать меньшее
количество ретрансляторов.
На фиг. 17 А обозначает диэлектрический материал изолятора обычной формы, имеющего внутреннюю
резьбу, как показано на рис. 22, позволяющую прикрутить изолятор к деревянному штифту траверсы.
Как обычно, по внешней периферии изолятора предусмотрена канавка 23, чтобы линейный провод мог лежать
в этой канавке. Под канавкой 23 нижняя юбка 24 тянется вниз, образуя сухой канал на внутренней
поверхности нижней юбки от ее нижнего края до точки 25, где поддерживающий штифт соприкасается с
диэлектриком изолятора. Этот сухой путь предотвращает утечку постоянного тока в условиях влажной погоды.
Соседние файлы в папке патенты