автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка систем электротеплоснабжения с резисторами из композиционных материалов для агропромышленных комплексов

ГОРЕЛОВ СЕРГЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С РЕЗИСТОРАМИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность: 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Красноярск 2007

003068222

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Цугленок Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Маркин Виктор Борисович

доктор технических наук, профессор Худоногов Анатолий Михайлович;

доктор технических наук, профессор Багаев Андрей Алексеевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет».

Защита состоится « 18 » мая 2007 г. в 9-00 на заседании регионального диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», по адресу 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90, КрасГАУ (тел./факс: (391-2) 27-03-86; Е -mail: info@kgau.ru ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Красноярского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан «_» апреля 2007 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Бастрон А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изменения экономических отношений и форм собственности в России приводят к структурной перестройке в сельском хозяйстве и к созданию предприятий новых организационных форм. Произошло массовое акционирование сельскохозяйственных предприятий, идёт неуклонный рост числа фермерских хозяйств. При этом отмечается общее увеличение удельных энергетических затрат по большинству видов сельскохозяйственной продукции. Примерно 15% затрат на электро- и теплоснабжение региона приходится на энергообеспечение сельскохозяйственных производителей, из которых более половины расходуется в непроизводственной сфере. Потребление тепловой энергии в общем балансе энергоресурсов, например в Западной Сибири, приближается к 80%. Стоимость тепловой энергии, в силу монополизации добычи и переработки энергоресурсов, в ближайшие годы может превысить 500 руб / МДж.

В условиях, когда наряду с традиционными и невозобновляемыми источниками энергии (уголь, нефть, газ и др.), всё большее внимание уделяется возобновляемым и нетрадиционным источникам энергии (ВНИЗ) - ветровой, солнечной, геотермальной, энергии малых рек и др., возрастают требования к надёжности электроснабжения потребителей, к качеству электроэнергии и электромагнитной совместимости. Растут требования к технологиям энергосбережения тепловых процессов производственного и бытового назначения, учитывающих как экологические, так и социальные условия.

Социальная значимость электроснабжения и энергосбережения в стране подчёркивается решениями, принятыми на государственном уровне. Это нашло отражение в федеральных программах Правительства РФ «Энергосбережение в России в 1998-2005г.г.» и «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года».

Поэтому возникает необходимость системного подхода при решении вопросов электротеплоснабжения, электромагнитной совместимости и энергосберегающих технологий в рамках агропромышленного комплекса (АПК), с использованием новых средств преобразования электрической и других видов энергии в тепловую и с учётом социального и экологического аспектов, что является наиболее актуальным в регионах Сибири и Дальнего Востока.

Системные методы для решения возникающих задач в энергетике сельского хозяйства использовали А.А.Багаев, В.Н.Делягин, В.П.Закарюкин, ЛВ.Куликова, Н.Н.Макаров, А.Х.Мусин, О.К.Никольский, А.М.Худоногов, Г.И.Цугленок, Н.В.Цугленок и др.

Главным го направлений стратегии надёжности электроснабжения и энергосбережения является перестройка энергоёмких производств и повышение эффективности использования электротеплоэнергаи с привлечением но-

вых технологий.

Основные положения по повышению эффективности электротепловых процессов в АПК изложены в трудах Л.А.Астраханцева, В.С.Аханова, Л.А.Баранова, А.Г.Возмилова, Л.С.Герасимовича, В.Н.Делягина, Г.Я.Иванова, И.Ф.Кудрявцева, Ю.А.Меновщикова, О.К.Никольского,

A.Г.Пршцепы, ОЛ.Хомутова, А.М.Худоногова, Н.В.Цугленка, Г.Д.Яневского и др. В работах названных авторов показана необходимость учёта причинно-следственных связей функционирующих средств нагрева в составе единой биотехнической системы, направленных на повышение эффективности использования электротепловой энергии и ресурсосбережение. Без этого рост удельных затрат энергии в АПК, в существующих условиях ценообразования на энергоресурсы, с одной стороны, и сельскохозяйственную продукцию - с другой, приводит к низкой рентабельности, или убыточности сельскохозяйственного производства, что создаёт проблемную ситуацию и делает ресурсосбережение актуальной народнохозяйственной задачей.

Таким образом, разработка системы электротеплоснабжения вызывает необходимость комплексного изучения технических, экономических и социальных сторон вопроса. В сельском хозяйстве, промышленности, транспорте и других отраслях перспективно использование локального обогрева объектов низкотемпературными электронагревательными устройствами (ЭНУ), позволяющими обеспечивать большую гибкость управления при низком расходе электроэнергии. Известны ЭНУ, которые классифицируют по функциональным свойствам, конструктивным признакам, видам теплопередачи. Теоретические основы и практические рекомендации применения ЭНУ изложены в работах российских исследователей: А.А.Багаева, Ю.Н.Вершинина,

B.П.Горелова, М.С.Добжинского, Ю.В.Зайцева, А.И.Елшина, А.Н.Качанова, Р.В.Манчука, В.Б.Маркина, Н.Н.Минаковой, Л.Б.Первухина, В.Н.Растригина, Л.Н.Татьянченко, В.Я.Ушакова и др.

Системно-аналитический обзор опубликованных отечественных и зарубежных источников выявил перспективность разработок ЭНУ из резистив-ных композиционных материалов (РКМ). При этом показана необходимость исследования механизма электропроводности РКМ и контактных устройств резисторов и ЭНУ, а также обоснования методов регулирования электро-, тепло- и физико-механических характеристик при производстве ЭНУ с электропроводными наполнителями из переходных форм углерода, дисперсных оксидов металлов и их сплавов.

В диссертации решается научно-техническая проблема, заключающаяся в разработке путей повышения надёжности и качества энергоснабжения промышленных и бытовых сельскохозяйственных потребителей. Применение новых технологий, обеспечивающих снижение материальных затрат в АПК решает актуальную народнохозяйственную задачу.

Целью работы является разработка методики энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей с применением композиционных электрона-

гревательных устройств и резисторов на основе адекватной им теории электропроводности и физически обоснованной технологии их опытно-промышленного производства с использованием энергосберегающих технологий в АПК.

Для достижения поставленной в работе цели были определены основные задачи исследований:

1 Провести технико-экономический анализ состояния электро- и теплоснабжения производственных объектов АПК и быта жителей сельских регионов, в том числе целесообразность комплексного использования возобновляемых источников энергии в системе АПК.

2 Определить с позиций системного подхода области применения низкотемпературного электронагрева.

3 Обосновать составы резистивных композиционных материалов с учётом требований к электрофизическим и конструкционным параметрам электронагревателей композиционного типа.

4 Разработать технологию производства изделий га сложных резистивных композиционных материалов.

5 Обосновать эффективные методы повышения энергетических параметров изделий из композитов.

Объект исследования - элементы системы энергообеспечения тепловых процессов производственной и бытовой сфер в сельском хозяйстве Сибири и Дальнего Востока.

Предметом исследования являются основные физические закономерности, режимы работы изделий из резистивных композиционных материалов и их применение в АПК.

Работа проводилась в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ и научно-техническими программами:

- государственной научно-технической программой до 2000 года: № 0.51.21 «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства»;

- «Концепцией энергетического обеспечения сельскохозяйственного производства в условиях многоукладной экономики», принятой РАСХН в 1993 и 1999г.г.;

- комплексной научно-технической программой Минобразования «Энергосбережение России на 1999 - 2005г.г.» при исполнении Постановления Правительства РФ № 588 «О дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения в России» от 15.06.1998;

- приоритетными национальными проектами с 2004 г. по развитию агропромышленного производства и улучшению жизни на селе;

- тематическим планом научно-технических исследований Новосибирской государственной академии водного транспорта до 2010 года.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись разработанные теоретические и экспериментальные методы, обоснован-

ность и достоверность которых подтверждается научной строгостью, удовлетворительным совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, сопоставительными расчётами, проводимыми на базе специализированных программ. Использовались основные положения теории электромагнитного поля, тепло- и массообмена, методы электрофизики, математической статистики и теории вероятностей. В работе использовано математическое моделирование, методы структурных исследований. Обработка численных результатов физических экспериментов осуществлялась с применением теории планирования экспериментов. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена практической реализацией методов и технических устройств.

Научная новизна определяется тем, что разработаны:

- математические модели для электро-, тепло- и физико-механических характеристик резистивных композиционных материалов;

- развитие теории и методов расчёта электропроводности РКМ;

- граничные условия действия принятых математических моделей в зависимости от напряжённости электрического поля, температуры, диэлектрической проницаемости, работы выхода электронов ;

- основные требования для проектирования и создания электросбере-гающих технических средств систем электротеплоснабжения АПК;

- методики анализа структуры РКМ на основе силикатных и полимерных связок, содержащих в качестве электропроводного ингредиента дисперсные углеродистые и другие материалы;

- мероприятия по направленному регулированию комплекса характеристик РКМ;

- теоретическое обоснование и новые технические средства для пропитки жидкими диэлектриками поверхности изделий из РКМ с помощью ультразвука;

- методика тренировки и разбраковки изделий из РКМ в сильных электрических полях.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что на основе теоретически доказанной возможности получения резисторов и электронагревателей из РКМ, повышающих надёжность электротеплоснабжения, проведены экспериментальные исследования образцов, предложена технология изготовления и осуществлено опытно-промышленное производство:

1 По формулам для полного тока контактирующих частиц из переходных форм углерода с использованием компьютерных технологий получены более точные данные, объясняющие характер электропроводности РКМ.

2 Разработаны и апробированы в производственных условиях составы композиций на основе силикатных и полимерных связок, а также технические решения промышленного производства конструкций из РКМ.

3 Предложены и прошли опытно-промышленную проверку технологические правила изготовления изделий го резистивных композиционных ма-

териалов.

4 Обоснованы технологические приёмы, позволяющие повышать надёжность контактных устройств изделий.

5 Разработаны способы пропитки жидкими диэлектриками поверхности изделий из РКМ с помощью ультразвуковых технологий.

6 Научно-технические результаты использованы при проектировании и изготовлении изделий из РКМ, позволяющих повысить эффективность и надёжность электротеплоснабжения потребителей АПК.

7 Определены области рационального использования изделий из РКМ.

8 Предложен способ повышения электромагнитной совместимости электрооборудования в АПК с применением композиционных резисторов.

9 Разработаны электронагреватели и резисторы из РКМ, используемые в качестве преобразователей электрической энергии нетрадиционных и возобновляемых источников в тепловую энергию, для электротеплоснабжения АПК.

Реализация и внедрение результатов исследований

Разработанные научно-технические и проектно-технологические методики приняты к использованию: в ОАО «Сибирский научно-исследовательский институт энергетики»; при опытном производстве в ВНПО «Энерготех-пром» (г. Москва); при опытном производстве в учреждении УФ-91/8 СИД и СР УВД Новосибирской области; на производственном участке в г.Яровое Алтайского края; сельскохозяйственных энергетических предприятиях и организациях Казахстана и других стран СНГ; в ГНУ «Сибирского института механизации и электрификации» СО РАСХН.

Результаты работы используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Теоретические основы электротехники», «Технология конструкционных материалов», «Перенапряжения и молнисзащита», «Электротехнологические установки сельскохозяйственного производства», «Электроснабжение предприятий, городов и сельского хозяйства», а также при курсовом и дипломном проектировании в Новосибирской государственной академии водного транспорта (НГАВТ), Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ), Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ), Алтайском государственном аграрном университете (АГАУ), Иркутской сельскохозяйственной академии (ИрСХА), Иркутском государственном университете путей сообщения (ИрГУПС), Томском политехническом университете (ТПУ).

На защиту выносятся следующие результаты:

1 Математические модели описания макроструктуры РКМ, учитывающие особенности ингредиентов сложных составов композитов.

2 Более достоверные данные по механизму электропроводности РКМ на основе силикатных и полимерных связок.

3 Теоретически обоснованные и экспериментально подтверждённые пути направленного регулирования комплекса характеристик РКМ и изделий

из них.

4 Методы расчёта электро-, тепло и физико- механических параметров изделий из РКМ для применения их в системах электротеплоснабжения АПК.

5 Разработанные конструкции изделий из РКМ и технологические режимы, обеспечивающие повышенную надёжность при их эксплуатации на сельскохозяйственных предприятиях и в быту.

6 Технологический регламент промышленного производства изделий из РКМ.

7 Способы повышения надёжности электротеплоснабжения и электромагнитной совместимости потребителей АПК.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в следующем:

- постановке научных задач и разработке методик проведения экспериментов;

- анализе качества энергообеспечения АПК и сельских жителей с использованием возобновляемых и нетрадиционных источников энергии и поддержанием надёжного электротеплоснабжения;

- разработке теоретических моделей и методик расчёта электропроводности резистивных композиционных материалов;

- разработке конструкций электронагревателей, резисторов и электроизоляционных материалов и участии в опытно-промышленном производстве;

- анализе теоретических и экспериментальных исследований очистки и пропитки изделий из РКМ в среде диэлектрических жидкостей с применением ультразвуковых технологий;

- разработке технологического правила для опытно-промышленного производства электронагревателей и резисторов из бетэла и рапита;

- авторском надзоре при изготовлении и эксплуатации электронагревателей и резисторов из РКМ.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись и обсуждались на 13 международных, всероссийских и региональных конференциях, симпозиумах и совещаниях: международной научно-технической конференции «Проблемы комплексного развития регионов Казахстана» (г. Павлодар, 1996г.); международной научно-практической конференции «Наука и новые технологии в энергетике» (г. Павлодар, 2002г.); международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г. Новосибирск, 2002г.); международной научно-технической конференции «Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния» (г. Новосибирск, 2003г.), международной научно-технической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности» (г. Томск, 2004г.); второй международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г.Тобольск, 2004г.); международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности

(производство, наука, образование)» (г.Томск, 2005г.); всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия; от получения и распределения до эффективного использования» (г.Томск, 2006г.); межвузовской научно-технической конференции «Научный потенциал Сибири» (г.Новосибирск, 1993г.); научно-техническом семинаре «Энергетика, экология, надёжность» (г.Томск, 1994г.); научно-практической конференции «Современные проблемы технических наук» (г.Новосибирск, 1996г.) и научно-технических конференциях в Новосибирской государственной академии водного транспорта (1993-2006 г.).

Публикации. Результаты исследований нашли отражение в 120 научных трудах, в том числе: 9 научных и учебных изданиях, 87 статьях.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 382 страницах и состоит из введения, шести глав и основных выводов по диссертации. Список литературы включает 388 наименований. BIO приложениях приведены вспомогательные материалы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности решаемой в работе научно-технической проблемы. Приведена краткая характеристика и состояние предмета исследований. Сформулированы цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе анализа литературных источников изложены особенности энергообеспечения производственной сферы и населения страны, в том числе в сельском хозяйстве. По классификации С.В.Алексеенко, А.С.Беляева, Н.И.Воропая, В.ВЛитвака, Б.В.Лукутина, Б.Г.Санеева, Т.Б.Степановой, ВЛ.Федянина и др. энергия, полученная от использования различных видов топлива (уголь, продукты нефтепереработки, газ) и ядерное топливо относят к основным энергоресурсам. В зависимости от источников происхождения и роли в экобиосистеме энергию подразделяют на возобновляемую и невозобновляемую [6,19].

Непосредственно извлекаемую в природе энергию (воды, топлива, ветра и др.) называют первичной, а энергию, полученную после её преобразования на специальных станциях - вторичной энергией. Электрическая энергия, полученная при преобразовании ¿в горячей воды и пара, от переработки бытовых отходов и т.п. - относится ко вторичным источникам энергии (рисунок 1). В перспективе доля возобновляемых и нетрадиционных источников энергии будет увеличиваться [49, 60]. На смену углеродсодержащих топлив закономерно приходит водородная энергетика, предусматривающая использование прогрессивных технологий.

В настоящее время системный подход признан в качестве общей концептуальной основы решения сложных технических задач. Физическая при-

рода связей между элементами системы, как и природа самих элементов, имеет большое разнообразие. Системой можно назвать совокупность элементов, обладающих связями и свойствами, отличными от свойств отдельных элементов. Например, к системе электроснабжения относят связанные между собой источник энергии, электрические сети и потребители электроэнергии.

Элементами в системе электроснабжения являются электрические распределительные сети, содержащие кабельные и воздушные линии электропередачи, элементы оборудования электрических подстаншй (резисторы, разрядники и т.д.). В свою очередь для разработчиков элементов оборудования подстанций системой будет мощный резистор, имеющий достаточно сложную конструкцию, и т.п. [62].

Рисунок 1 - Составные элементы нетрадиционной энергетики

Наличие иерархичности строения системы означает определённую соло дч и ценность элементов, а также то, что каждый компонент системы может также рассматриваться как система, которая в свою очередь является лишь одним из компонентов более высокого порядка. Это вызывает необходимость разбиения сложных задач на ряд более простых, т.е. осуществлять декомпо-

10

зицию. Основным системообразующим фактором распределительной электрической сети является целенаправленность ее поведения, включая реакцию на внешние воздействующие факторы. Процедура исследования процессов на основе системного анализа должна включать в себя следующие этапы:

— эмпирический системный анализ;

— проблемно-ориентировочное описание;

— теоретический системный анализ.

Совокупность описанных этапов с включением взаимосвязей может рассматриваться как структура системного анализа и моделирования процессов в техносфере. В соответствии с рекомендациями системного анализа произведена декомпозиция системы электроснабжения сельскохозяйственного районного центра в виде модели на рисунке 7.

Рисунок 2 - Модель процесса функционирования электрической сети населённого пункта: 1(1) - входные воздействия на систему со стороны вышестоящих систем (заданные функции, выделенные ресурсы, требуемые условия работ и т.п.); В(() — выходные воздействия на нижестоящие системы и внешнюю среду (полезные И вредные результаты функционирования); 8(1) — состояния системы (условно нормальное и аварийное)

Модель включает а себя электрическую сеть (машину - М), эксплуатирующий её персонал (человека - Ч), рабочую среду (среду - С), взаимодействующих между собой по заданной технологии (технологию — Т). Технология - это совокупность приёмов и методов, используемых для поддержания свойств и состояния электрической сети в заданных пределах, включающая в себя также организационно-технические мероприятия по обеспечению бесперебойной работы. Кроме перечисленных основных компонентов системы, её модель включает также внутренние связи между компонентами и связи компонентов с окружающей средой [63].

Всё это позволяет учесть особенности электротеплоснабжения промышленности АПК, бытовых потребностей населения Сибири и Дальнего Востока, включающие как высокие требования к надёжности систем электротеплоснабжения потребителей из-за суровых климатических условий и значительной протяжённости линий электропередачи, так и вследствие этих причин большие затраты па содержание производственной и социальной ин-

Рисунок 3 - Дерево целей системы энергоснабжения сельскохозяйственного районного центра

Общая глобальная цель системы энергоснабжения АПК представляет собой дерево целей (рисунок 3), включаю шее набор взаимосвязанных ггадце-

лей (рисунок 4) [6, 62].

Рисунок 4 ~ Целегтоглощаюшая нижестоящая система по разработке ре-зщтивных материалов для электронагревателей и резисторов

Системно-аналитическая проработка темы показала, что для повышения надёжности электроснабжения, качества электроэнергии и электромагнитной совместимости оборудования перспективным направлением является применение различных типов резисторов, электронагревателей и заземлителей [2-6, 11, 20]. В электроэнергетических сетях от 0,4 до 110 кВ, машиностроительном производстве, строительстве жилых и промышленных объектов сельскохозяйственного профиля эффективно применение электротехнических изделий из резистивных композиционных материалов цилиндрического и пластинчатого типов, например, из электропроводного бетона - бетэла и рапита, изготавливаемого на основе высокотемпературных синтетических каучуков и полимеров [1-4].

Анализ состояния проблемы позволил сформулировать научную новизну, цель и задачи исследований.

Вторая глава содержит системно-аналитический обзор математических моделей и научных гипотез по электропроводности многокомпонентных резистивных материалов, структура которых подразделяется на изотропные, анизотропные, зернистые, волокнистые и т.д. Функциональные зависимости электропроводности, изложенные в трудах В.И.Оделевского, Б.С.Гальперина, А.В.Нетушила, М.П.Тонконогова, М.С.Добжинского, получили значительное применение при анализе гетерогенных систем для структур с взаимопроникающими ингредиентами и изолированными включениями [1, 3, 4]. Сложность механизма электропроводности многослойных контактов проводящих частиц для зернистых систем на основе барьерно-туннельной проводимости указывается Р. Хольмом, Р. Скарисбриком, В.М.Нестеровым, Дж. Андерсеном, С. Дюком, А.П.Эфросом, Г.Д.Михайловым, В.И.Глыбиным [3, 15]. Рассматривается математическая модель и механизм электропроводности металлических или полупроводниковых поверхностей (МДМ и ПДП систем) через тонкую диэлектрическую прослойку путём туннелирования электронов через прямоугольный потенциальный барьер на границе раздела этих систем (рисунок 5) [21,29,40].

Проведённые в середине 70-х годов XX века на ЭВМ «Мир-1» расчёты по уравнениям полного тока контактирующих полупроводниковых частиц содержали ряд упрощающих допущений, позволивших получить лишь качественную картину процесса. Развитие теории туннелирования электронов в системе двух контактирующих полупроводниковых частиц предусматривает учёт нерегулярности поверхности частиц, силы электрического изображения высшего порядка, расширение ограничений разложений Маклорена до четвёртого члена при определении коэффициента прозрачности потенциального барьера на границе контактирующих частиц

5

п(е, iv) = схр

где V = 4л^2т*/и ; 5- ширина зазора;.^?- работа выхода электрона; 1УХ -

энергия электрона; т - эффективная масса электрона; Л - постоянная Планка.

ие

1

17_ж

- 1- -\ТАй

ооооорооо.> "Г

Г/.

X .

ООООООООО

Рисунок 5 - Диаграмма уровней энергии на поверхности контакта частиц полупроводник-диэлектрик-полупроводник для прямоугольного потенциального барьера

Для максимальной величины потенциальной энергии электрона (е) при приложении поля (£), т.е. (/(х) = (/0 - е ■ Е ■ х , уточнение хода потенциала

предусматривает учёт сил электрического изображения высшего порядка

„2

и{х)=и0--

1б7гсд£0 еп+ея

пБ

(«о)2 -*2

_1_ пБ

(2)

где п0 - концентрация электронов в зоне проводимости на поверхности; х -расстояние от поверхности первой частицы до электрона; Ев- диэлектрическая проницаемость; £0 - диэлектрическая постоянная; 5 - расстояние между поверхностями частиц; 1/0 - работа выхода электрона.

Максимальная величина потенциального барьера 11(х) определяется при х=Б/2

£п ~£д

1б7Г£д£0 £п+£д

2 К - + -1

5 2

пБ

1

("о) -(%) ^

(3)

Изменение потенциальной энергии электрона за счёт сил электрического изображения при учёте влияния внешнего электрического поля (£) определяется

2

e Sn

167T£S£Ü Sn + £d

2 !v

- + -I

S 2

nS

H)2~(s/)2

При применении теории к реальным контактам необходимо учитывать нерегулярность поверхности контактирующих полупроводниковых частиц, имеющих вид шероховатой поверхности.

Концентрация электронов в зоне проводимости на поверхности (п0) зависит от величины загиба зон (AR). Для вырожденного электронного газа применимо выражение

(\s4k)/

16

ч

/5

2 '

(5)

где к - постоянная Больцмана; Т - температура; £п — диэлектрическая постоянная полупроводника; р - радиус экранирования Дебая-Гюккеля.

Для коэффициента прозрачности потенциального барьера (I) при и(х) > I V

D(WX) = expi

-An^flm*)/

'h

[U(x)-Wxp-S[ =

= exPl

(-4 л

-ílm ),

[u-uu-wxf*-s\.

(6)

Проводя преобразования и исключая упрощающие ограничения для коэффициента прозрачности потенциального барьера имеем

D{WX) = ехр<!

(i4U)

(7)

где ии - и, - и:.

Решение уравнения полного тока ПДП системы проводим для вырожденного электронного газа, подчиняющегося функции распределения электронов Ферми-Дирака

ЯЮ = 1/(1 + ехр[(И' - ¿и)/кт\. (8)

После преобразований с учётом коэффициента прозрачности потенциального барьера (7) уравнение полного тока принимает вид

Л

J о

lern

U

i ехр

-4 Wz

m

h -Ы-Ю

2 Vi/

S\dr] x

dVv-dV7

xi 1 —TF-1-Ц-~ W

-00

exp

n + f <У}-У?)

/kT}+\

1 2

где r[=—m{Vx) -ц = Щ -ц = U; Vx,Vv,Vz - скорость электронов по осям х, у, z.

При решении уравнения (9) в разложениях рядов табличных интегралов расширяем учёт составляющих до четвёртого члена разложения и исключаем упрощения. Уравнение полного тока тогда запишется в виде

j{EJ,S,z) = 2AkT^!u\-^^\ +---+ 1 ~ ехр^7/ кТ) I ^ (10)

• {(vSkT) (vSkT + 2л! U) 2л! U J

где А = [(4л • ткТе)/Л3]• expf- vs[ju ~({\x + Uu)/2^fU)}.

Вводим обозначения

N = 2AjukT-,B = (vSkT + 24Uy]-C = 24U-(vSkT)-2-,

D = [l + exp(i/ / kT)] (2yfU)~l.

Получаем выражение j ~ N(B+C+D), которое справедливо при

2А4йкТ>0 . (12)

В уравнении полного тока, записанном выше, учтём диффузионную составляющую тока, направленную встречно приложенному полю, которая значительна в слабых электрических полях. Выражение принимает вид j = j(E, Т, 5, с) • ф - exp{-eES / АГ)]} =

= N(B + C+D)-{[\-exp(-eES/kT)}.

Решение уравнения полного тока (13) было выполнено для системы контактирующих полупроводниковых углеродистых частиц при изменении в заданных интервалах параметров, входящих в уравнение полного тока (таблица 1) [48].

Для проведения расчётов по уравнению полного тока была создана компьютерная программа, позволяющая получить зависимости плотности тока в контакте от параметров ПДП-системы для дальнейшего их использования в технологии получения изделий. Программа для решения уравнения полного тока и его коэффициентов написана на языке программирования Delphi 7,0, может работать на ПЭВМ любой конфигурации и предназначена для работы в среде MS Windows 98/2000/ХР.

График зависимости плотности тока в контактах ПДП от ширины зазора (рисунок 6) показывает, что изменение зазора и напряжённости электрического поля значительно влияют на проводимость системы.

Расчётные параметры Величина параметра

Работа ныхода и0, Дж (2,24-6,41) 10'14

Ширина ¿¡иора м (0,5- 10)10''

Напряженность электрического роля Е, В/м 10т- 10*

Температура У, К 300 - 700

Диэлектрическая проницаемость ^ ! - 11

11остоянная Планка И. Дж*с 6,62-10"

г.)1Шр| ия Ферми Дж 0,08 И)14

Эффективная масса электрона т' 1,1-т

Масса электрона т, кг 9,110"31

Концентраций электронов я, см 1 МО1''

Заряд алейрона е, Кл шш"

Диэлектрическая постоянная Е(1, Ф/е 8,85 1012

у, а/м3

Рисунок б - Зависимость плотности тока в контакте ПДП от ширины зазора - 8(нм) и напряжённости поля - Е (В/м)

£

При изменении и0= 6,41-10'"Дж; 7"=300 К; 3 = I увеличение зазора от 5 =7» 10 ' до 5 = 9 - Ю"9 м приводит к уменьшению плотности тока практически в 10 раз, а изменение напряжённости поля от Е - 1Сг до Е = 10я В-'м

вызывает изменение плотности тока в 13 раз.

Работа выхода электронов U0 оказывает решающее влияние на проводимость ПДП систем. В свою очередь работа выхода находится в большой зависимости от приложенного электрического поля. По расчётам видно, что снижение работы с U„ - 6,41 *101" до И0 = 2,24*10 14 Дж при прочих равных условиях приводит к увеличению плотности тока почти на три порядка.

['асчеты показывают, что диэлектрическая проницаемость материала зазора незначительно влияет на проводимость системы. Так, при U„ = 2,24-Ю"'4

Дж; Т ~ 300 К; S = 2.9 Ш'^м увеличение диэлектрической проницаемости

£

д or I ло 4 приводит к уменьшению плотности тока до 20% (рисунок 7).

Рисунок 7 Зависимость плотности тока в контакте ПД11 от температуры - Т и диэлектрической проницаем ОСТИ - е

Температура также оказывает слабое влияние на плотность тока в контакте (рисунок 8).

Если нри 1/0= 2,24*10",9Дж, 5*= 1,5 10'" м; Еб = 11 не учитывать

диффузионную составляющую тока, то увеличение температуры от Т — 300 К до Т = 500 К приводит'К незначительному увеличению плотности тока в контакте ( менее 5%). Увеличение температуры приводит к резкому возрастанию диффузионной составляющей полного тока. Увеличение напряжённости электрического поля на порядок приводит к снижению влияния температуры почти на 10%, т.е. снижает влияние диффузионной составляющей полного тока. При напряжённости электрического ноля более 10я В/м с достаточной степенью точности диффузионной составляющей полного тока можно пренебречь.

ЕЭ-

Е 100000000

— Е «=10000000

— е "юооооо

е -100000

300 Г 35в 1 400 450 400 ; т. к

.. Т - 300 в ^ОООООООО 5 - 1.5 , С.-. 1,1 ,

Рисунок 8 - Зависимость плотности тока в контакте ГТДП от температуры - Т и напряжённости поля - Е(В/м)

В результате решения уравнения полного тока получен ряд зависимостей, которые в комплексе позволяют направленно регулировать свойства РКМ технологическими приёмами [15, 21].

Анализ физических явлений, определяющих механизмы прохождения тока через гетерогенные системы, показал целесообразность сведения расчёта электропроводности композиций к решению двух задач. Во-первых, к расчёту сопротивления единичного контакта между соседними частицами проводящей фазы и, во-вторых, к усреднению характеристик этого контакта по всему «бьёму композиции, т.е. определению интегральных характеристик композиционного материала суммированием вкладов от каждого единичного контакта. Эта задача носит статистический характер, и её решение основывается на том или ином предположении о пространственном распределении единичных контактов по объёму композиции.

К последнему времени достигнуты заметные успехи в разработке методов решения статистической части этой задачи, которые носят общий характер и практически не зависят от конкретного вида рассматриваемого композиционного материала. Характерные особенности прохождения тока через композиция обусловлены явлениями, происходящими непосредственно в единичном контакте. Поэтому в значительной мере точность решения всей задачи расчёта электропроводности зависит от обоснованности выбора модели единичного контакта.

Рассмотрим явления, происходящие в контактах между частицами дисперсного технического углерода - (сажи), образующими проводящую фазу в резистивиых смесях, нашедших применение в конструкциях мощных рези-

сторов и ЭНУ.

Природа возникновения сил сцепления между частицами сажи полностью не выяснена, хотя известно, что эти силы по своему значению превышают взаимодействие Ван дер Вальса, а области их проявления локализуются пятнами по поверхности сажевых частиц. Таким образом, электропроводность порошкообразных резистивных смесей обеспечивается, в основном, за счёт непосредственного контактирования частиц между собой, а так как зазор в таких контактах не превышает трёх атомных слоёв, то естественно предположить практически чисто омическую (линейную) проводимость порошкообразных резистивных смесей. Однако, проведённый нами эксперимент показал, что при больших электрических полях происходит заметное нарушение линейности вольт-амперной характеристики смесей. В углесажевых композициях нелинейность вольт-амперной характеристики объясняется большим числом контактов, в которых проводящие частицы разделены слоем связующего толщиной от 0,1 до 10 мкм. Однако доля таких контактов мала и проявление нелинейности можно связать с эмиссией носителей заряда в при-контактной области, роль которой в увеличении эффективности площади контакта возрастает с уменьшением расстояния между проводящими частицами. Это позволяет моделировать единичный контакт двумя плотно прижатыми частицами сажи, эффективная площадь контакта между которыми определяется с учетом эмиссионных токов в приконтактной области [1, 3, 6].

Общий ток через порошкообразную резистивную смесь складывается из омической и эмиссионной составляющей тока через контакты между частицами сажи.

Анализ вольт-амперных характеристик резистивных композитов показал, что в исследуемых образцах резистивных смесей при напряжённости электрического поля менее 5-104 В/м, зависимости имеют линейный характер. Это позволяет с полным основанием предположить о проявлении механизма туннелирования носителей заряда через зазор в области, непосредственно примыкающей к пятну контакта.

При воздействии на образцы более сильных полей (Е > 5-104 В/м) наблюдается увеличение плотности эмиссионного тока, показывающее, что в общей проводимости резистивных смесей всё большую роль начинают играть периферийные участки приконтактной области слипшихся частиц сажи. Так как при этом растёт толщина зазора и, следовательно, вероятность туннелирования тока уменьшается, остаётся предположить о проявлении механизмов, свойственных прохождению тока через более толстые диэлектрические прослойки, т.е. механизмов, связанных с эмиссией Шоттки, эффектом Френкеля и токами, ограниченными пространственным зарядом.

Моделирование структуры композитов на прозрачных образцах, изучение микрошлифов и непрозрачных сколов на микроскопах, не позволяют судить о реальной структуре резистивного материала. Однако можно выделить контактирующие между собой скопления-глобулы из технического углерода,

позволяющие выдвигать гипотезы об электропроводности гетерогенных систем. При этом более подробно рассматривается приложение теории протекания для сильно неоднородных систем.

В теории прыжковой проводимости наиболее важную роль играют задачи о протекании по случайным узлам. Исследования показали, что электрическая проводимость в неупорядоченной системе с локализованными состояниями осуществляется за счёт прыжков электронов и следует рассматривать процесс протекания. Начиная с конца 50-х годов прошлого века термин протекание (percolation - просачивание) широко применяют для большого круга математических задач [21,29, 37].

Представим эффективную электрическую проводимость неупорядоченной системы в виде достаточно большого куба, имеющего концентрацию электропроводной фазы - х и порог протекания - хс. Порогом протекания называют границу значений д:, вероятность значимой электрической проводимости р(х) = 0. Численные расчёты показали, что за порогом протекания функция р(х) нарастает до 1 и при 0<х-хс« 1 эффективная электрическая проводимость

а<х>(х-хс)', (14)

где i - критический индекс.

С помощью модельных экспериментов найдены не только критический индекс, но и пороги протекания для различных решёток. Так, для простой кубической решётки по данным разных авторов порог протекания хс : 0,247±0,005; 0,25±0,013, а для объемно-цилиндрической решетки хс : 0,178±0,005. Критический индекс t электропроводности по результатам численных расчётов: 1,725±0,005; 1,6±0,1; 1,75±0,1; 2±0,005. Электропроводность удобно моделировать в двумерном случае, например, когда мелкодисперсный проводниковый материал распределен в полимерной связке. Величина пороговой концентрации для подобной периодической коллоидной структуры в случае коагуляции частиц и образования плотно упакованных

I

агломератов с координационным числом z составляет рс = рс ■ pz , где pz -

плотность агломерата. Таким образом рс, (рс) зависит от плотности упаковки, определяемой в свою очередь размерами и формой частиц. Эффективная электропроводность такой системы

о = (р- рс- Р2)' - 05)

Значение критического индекса /, вычисленного методом наименьших квадратов, за порогом проводимости равно 1,95 ± 0,1

Теория перколяции не получила широкого применения для трёхфазных и более сложных гетерогенных материалов, к которым относятся бетэл, ви-лит и тирит. Эффективная электропроводность трёхфазных композиций за-

висит от концентрации электропроводной фазы, гранулометрии и ряда технических факторов.

В бетэле можно выделить три фазы: 1) частицы из переходных форм углерода; 2) цементные гели и микроскопические поры; 3) диэлектрический наполнитель и макроскопические поры. Электропроводность сильно неоднородной смеси можно записать

с*(Рс-Р-а)*' (16)

где а - доля объёма, занимаемого первыми двумя фазами.

Проведённые нами и другими исследователями расчёты с использованием метода наименьших квадратов показывают, что критический индекс для пекового кокса - 2,53±0,58, для технического углерода типа ПМ-15 и ПМЭ-100В -равен, соответственно ^=2,54±0,55 и^=2,55±0,12.

В ряде композиций, содержащих более двух компонентов (бетоны, порошкообразные системы, огнеупоры) можно выделить элементарную ячейку, для которой применим метод обобщённой проводимости. При кубической укладке сферических частиц диаметра £>, радиус контактного пятна г„ для двух частиц принимает вид

гп = 0,7253 Тр/2)-.р-77, (17)

где "п = 2(1 - - коэффициент Пуассона; ц - модуль Юнга; р - сила прижатия частицы к соседней.

При определении номинального удельного сопротивления, подтверждающего теорию перколяции, различные соотношения средних размеров частиц ингредиентов композиции: проводника й„р и диэлектрика йт, для экспериментального значения удельного сопротивления /эксп, приводятся к нулевой пористости (#=0)

Р„ом (77=0) =/зОТ(Я>0) (1-77).«, (18)

где 2 <п < 3,5

Реальные композиции с резко различающимися параметрами компонентов имеют значительно большее удельное сопротивление по сравнению с композициями со спеченными частицами одного размера. Это зависит от соотношения размеров частиц ¿„р /(1и1. Последнее влияет на пороговую концентрацию проводника х„р = хс.

Крупные частицы изолятора образуют пространственную цепочечную систему с разрывами. Мелкие частицы стремятся образовывать матричную непрерывную структуру. Расчётным путём критическая концентрация определяется

0,33 - огс1Е\0,55(^ / аизГ ] ■ (19),

В целом удельное сопротивление элементарной ячейки композиции определяется её свойствами и объёмными концентрациями ингредиентов.

В слабых электрических полях для случайно однородных систем вольт-

амперные характеристики анализируют при соотношении

еЕХ«кТ, (20)

где X - длина свободного пробега электрона; е = 1,6-10"19 Кл.

При рассмотрении вольт-амперных характеристик бетэла с различной концентрацией проводникового компонента, имеющего структуру со взаимопроникающими частицами, выявлено, что порог протекания - хс уменьшается при увеличении Е. Рост критического индекса / связывается с замыканием тупиковых цепочек, разделённых тонкими диэлектрическими слоями. В промежуточных полях наблюдается зависимость параметров теории протекания от изменения электрического поля.

Анализ механизмов электропроводности гетерогенных систем указывает на сложность происходящих процессов. Проведённые нами расчёты и работы других авторов позволяют предположить:

- электропроводность в слабых электрических полях подчиняется пер-коляционной теории;

- в сильных электрических полях электропроводность необходимо рассчитывать по уравнению полного тока контактирующих проводящих частиц;

- в промежуточных электрических полях действует эффект Френкеля.

В третьей главе приводится обоснование применения ингредиентов в резистивных композиционных материалах (РКМ) и электротехнических конструкций (резисторов, электронагревателей и др.), предназначенных для работы в схемах электротеплоснабжения АПК. Использование гетерогенной системы для бетэла, состоящей из электропроводной фазы, цемента и диэлектрических наполнителей, позволило создать бетэловые резисторы и ЭНУ с большой энергией рассеяния при минимальной индуктивности [ 1-4].

Повышенные тепло- и электрофизические параметры РКМ получены при применении силикатной связки - натриевого жидкого стекла вместо цемента. Например, диэлектрические композиционные материалы на основе натриевого жидкого стекла имеют: повышенную нагреваемость, позволяющую длительное время работать при температурах, достигающих 1300 К; стойкость к воздействию минеральных кислот большой концентрации; высокие адгезивные свойства, позволяющие при максимальном количестве компонентов получать необходимые механические свойства; высокую механическую прочность в воздушно-сухом состоянии [6,9].

Диэлектрические наполнители не только участвуют со связкой в создании структуры композиции, но и оказывают решающее влияние на физико-механические, тепло- и электрофизические свойства.

Стремлением к повышению водостойкости бетэла обусловлено использование в его составе коллоидной смеси каучука или другого полимера в водной среде - различных типов латексов с добавлением неионогенных поверхностно-активных веществ (НПАВ). В этом случае латексы при смешивании не коагулируют с активными наполнителями, например, содержащими поливалентные ионы цемента, глины, гипса и т.п.

Выбор полимерного связующего для РКМ с необходимыми эксплуатационными характеристиками определяется возможностью реализации производства при комбинировании связующего с армирующими наполнителями, то есть возможностью создания эффективной технологии. К связующим предъявляется ряд специальных требований: стабильность характеристик в заданном температурном интервале, негорючесть, нетоксичность, водо- и химостойкость и т.д. [10,16,26,33].

Применение электропроводных полимерных композиций для резисторов различного назначения оценивалось в зависимости от их состава и последующей обработки. Электрическая проводимость их осуществляется техническим углеродом, дисперсным графитом или порошковыми металлами, введёнными в структуру полимеров.

Так как структура полимера в значительной степени определяет распределение электропроводного компонента, то удельное сопротивление РКМ зависит от природы эластомера. Критерием выбора полимерного связующего является обеспечение заданных электрофизических, теплофизических и физико-механических характеристик.

Повышенной теплостойкостью обладают силоксановые фторкаучуки. Экспериментально установлено, что при одинаковом содержании технического углерода меньшим электрическим сопротивлением обладают РКМ на основе полимеров, имеющих высокоупорядоченные надмолекулярные образования. Более стабильные электрофизические характеристики имеют резины на основе смесей кристаллизирующихся и аморфных каучуков, по сравнению с электропроводными резинами на основе каждого из каучуков в отдельности. Резина на основе комбинаций бутилкаучука (БК-2055) и бутадиен-нитрильного сополимера (СКН-26) имеет электропроводность, сильно зависящую от условий введения наполнителя, что связывают с формированием токопроводящей углеродной структуры. Для всех разновидностей бутилкаучука введение активных наполнителей способствует повышению прочностных, тепло- и электрофизических характеристик [3,4, 9,10,20].

Наряду с фторсодержащими каучуками в последнее время находят применение политетрафторэтилен (ПТФЭ) - фторопласт-4 (Ф-4), сополимеры тетрафторэтилена с гексафторпропиленом. Фторопласты обладают высокой химической активностью, термо-, морозо-, и атмосферостойкостью, комплексом повышенных физических свойств и негорючестью. ПТФЭ не выдерживает действия только газообразных хлора или фтора при повышенных температурах и давлениях, а также расплавленных щелочных металлов. Являясь термически стойким полимером, ПТФЭ имеет незначительные потери массы при высокой температуре.

Нами выполнены поисковые исследования композитов на основе ПТФЭ с наполнителями из кокса и графита. Дальнейшие исследования фторопласта, наполненного графитом, стекловолокном, дисперсными и ультрадисперсными железом и бронзой, позволяют прогнозировать получение новых РКМ с

требуемыми электро- и теплофизическими характеристиками [3, 16, 33]. Исследования показали перспективность применения в качестве связки и защитных покрытий кремнийорганических полимерных продуктов - силиконов [3,4, 6,9].

Составы разработанных резистивных композиционных материалов близки к приведённым в таблице 2. В работе приведены схемы технологических процессов производства изделий из РКМ на основе силикатных и полимерных связок [4, 6, 37].

Особенностью РКМ является изотропность по электрической проводимости, которая оказывает влияние на физико-механические характеристики, температуропроводность и другие параметры материалов и изделий из них.

Таблица 2 - Примеры сложных составов резистивных композиционных материалов

Наименование компонентов Соотношение компонентов в массовых до-

лях,%

Бетэл РКМ 1 РКМ 2 РКМЗ

Цемент 23-24 - - -

Кварцевый песок 4-34 0,1 0,01 -18 0,01 - 38,88

Углеродистый тонкомолотый порошок или технический углерод 6-29 4,5-10 3-15 0,01 - 50

Вода 5-30 5-20 5-20 -

Баритовый концентрат 8-9 - - 0,01 - 8,84

Гексахлор - п-ксилол - - - 0,26-0,4

Доменный или феррошлак - 60-75 50-70 -

Молотый силикат натрия - - 5-25 -

Оксид кальция - - 0,01 - 8 -

Гипс - - 0,01 - 8 - .

Натриевое жидкое стекло - 15-24 - -

Оксид цинка - - 1,48-4

Бутилкаучук - - - 30-50

Хлоропреновый каучук - - 2,6 - 2,65

Фенолформальдегидная смола - - - 4,5-5,7

Дисперсный селен - - - 0,01 - 10

Перикпаз 6-38 - - . -

Дисперсный теллур - - 0,01 - 5,5 -

Нами получен анизатропный материал при введении дисперсного магнетита Таштагольского месторождения Кемеровской области в композиции с силикатными и полимерными связками [3, 9]. Получение бетэла с магнитными свойствами - магнитобетэла, позволило рекомендовать введение в токоо-граничивающий реактор сердечник из данного РКМ [9,12,27].

В четвёртой главе рассмотрены конструкции резисторов электронагревателей из РКМ и их прижимных контактов.

В различных электрических схемах наиболее распространёнными элементами являются резисторы, ЭНУ и заземлители, изготавливаемые из металлических и непроволочных материалов. Многообразие резисторов и ЭНУ, связанное с областями их применения, вызвало необходимость более детальной классификации с учётом их технологических и конструктивных особенностей. В работе приводятся данные по исследованию структурообразо-вания, закономерностей его изменения для композитов на основе силикатных и полимерных связок - бетэла и рапита (рисунок 9) [1-3,9, 56].

Рисунок 9 - Целепоглощающая нижестоящая система классификации резисгивных композиционных материалов для электротехнических конструкций

С целью повышения надёжности контактных узлов в работе исследуется распределение электрического поля в прижимных контактах изделий из

РКМ, объёмных резисторов и электронагревателей, в которых рабочий элемент набирают из отдельных однотипных резистивных цилиндров, квадратов и т.п., различных размеров по толщине и площади (рисунок 10) [1-4, 9, 41, 56].

6)

Рис у к 10 - Конструкции электронагревательных устройств1, а) из РКМ4; б) из РКМ2; в) из РКМЗ; г) из РКМЗ; 1 - электронагреватель; 2 - электрод; 3 - электроизоляционный материал (бетон или резина)

Наборные конструкции на основе однотипных дисков позволяют широко варьировать такими параметрами резисторов как номинальное сопротивление, рабочее напряжение и т.д. Однако известно, что электрическая прочность резисторов значительно ниже прочности самих резистивных дисков, что объясняется не только увеличением неоднородности электрического ноля с увеличением общей длины резистин но го элемента, но и наличием большого числа прижимных контактов, вызывающих нарушение гомогенности структуры резистивного элемента по его длине. Это необходимо учитывать при разработке резисторов и на этапе проектирования количественно оценивать влияние контактного сопротивления на снижение рабочих напряжений резисторов [3, 4, 41, 56],

Из анализа конструктивных особенностей резисторов видно, что в областях, удаленных от контактов, расчёт распределения электрического поля может быть проведён на основе простейших формул [1-4, 9, 41]. Оценка же полей в гтриконтактных областях затруднена из-за многовариантности конструкций контактных узлов, значительной степе ни нелинейности вольт-

амперных характеристик резистивных материалов и отсутствия стандартной методики расчёта. Наиболее приемлемым для решения этой зада1™ является метод последовательных приближений, когда на первом этапе решается задача распределения поля в отдельном резистинном диске, а затем влияние соседних дисков рассматривается как возмущение (рисунок 11). С привлечением теории возмущения находится новое распределение полей в резистив-ном диске и задача решается вновь. Итерации продолжаются до тех пор, пока невязка в определении приконтактных электрических полей не станет меньше требуемой [3, 4!],

Рисунок 11 - Расчётные граничные условия резистивного диска

Расчёт распределения потенциала основывается на решении уравнения Лапласа, описывающего электрическое поле в проводящей среде. В цилиндрических координатах и с учётом осевой симметрии резистивных дисков, уравнение Лапласа имеет вид

d2U \dU d2U

+-+ = 0. (21)

dr rdr ¿21

Решение уравнения может быть представлено в виде U т <p(Z) + y/(Z, г), где ср(2) является решением задачи при равномерном распределении потенциала, а 14/ (Z,r) учитывает стягивание линий тока к электроду, т.е. контактное сопротивление [3, б, 41]. Для ср(Z) уравнение и граничные условия запишутся

= 0, ф(Z) =0, = pj(h,r) , (22)

dZ2 z=0 dZ.

где p - удельное сопротивление материала резистивных дисков; J(h,r) -плотность тока через торцевую часть диска; h - высота диска.

С учётом определения функции <p(Z)h J(h,r) = const, решение имеет вид <p(Z)= I-Z-p/jt-R, где I - ток через резистивный диск и R - его радиус. Граничные условия для функции vj/ (Z,r)-

где

dy(z,r) dy/jzr) j 2

dy/(z,r) Ip Ip

(23)

¿г ГЩ ПК* лЕ1 Тогда общее решение уравнения (21) для х|/ (Т.,г)

V (2,г) = ]Г С„МХп ■ г) зКК • 2). (24)

С учётом граничных значений окончательно получаем и _ I • г • р ] 2/р • г)-/](А,„ • R^)Jo(^n - г)

лЯ2 я/?!2 ск(\п-г)а1Д(1.п-К) где а „ = К „ • - положительные корни уравнения ^ (к „, Л) = 0; JQ и ^ -функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядка, соответственно.

Выражение (25) получено без учёта переходного сопротивления между электродом и самим резистивным диском. Однако, исходя из граничных условий (23), т.е. постоянной плотности тока через поверхность электрода, легко учесть и переходное сопротивление, которое в ряде случаев влияет на распределение потенциала в большей мере, чем сопротивление стягивания, значение которого оценивается вторым слагаемым выражения (25).

Численное решение позволяет рассчитывать шля в резисторах с различной степенью нелинейности вольт-амперных характеристик. В этом случае уравнение, описывающее распределение потенциала имеет вид

Уф(5Уф) = 0, (26)

где 5 - проводимость материала диска; ф - потенциал.

Граничные условия при решении уравнения (26) записываются следующим образом

^ =А>г>К-,^о = 0, (27)

йг г-Я сЬ 0

где R - радиус; 20 - полувысота; г - текущая координата в радиальном направлении и Z - координата по высоте диска (причём начало координат выбрано в середине диска).

йф

Условие -= 0; И. = г>Л; \ справедливо лишь для уединенно-

йг

го резистивного диска. Если же учитывать влияние соседних дисков, то при подаче напряжения на резистивный элемент, в зазоре между кромками дис-

ков появляется разность потенциалов, которая индуцирует поверхностный заряд и поэтому приведённое граничное условие нарушается, а вместо уравнения Лапласа необходимо решать уравнение Пуассона. Однако из-за сложности прямого решения задачи предложен и реализован способ последовательного приближения, когда на первом этапе принимается первоначальное граничное условие, а затем, после решения интегральных уравнений и определения поверхностного заряда, граничное условие уточняется и задача решается вновь до тех пор, пока разница в определении плотности заряда на кромках дисков не станет меньше требуемой.

При апроксимации нелинейной вольт-амперной характеристики резисторов использовано выражение [1-4, 9,40]

и=Я01а, (28)

где и - напряжение, приложенное к резистору; /?о - сопротивление резистора при токе 1 = \А;а- степень нелинейности.

Из формулы (28) следует

д = 30(Ш)-Е°-а)/а, (29)

где 6 - удельная электропроводность; г)0 - удельная электропроводность при /= 1А; Е - напряжённость электрического поля.

При решении уравнения (27) использовался численный метод последовательной верхней релаксации.

По составленной программе рассчитывались электрические поля в ре-зистивных дисках с различной степенью нелинейности вольт-амперных характеристик, исследовалось влияние на параметры резисторов переходных сопротивлений между слоем металлизации (электродом) и диском. При этом оценивалось сопротивление, обусловленное разницей диаметров электрода и диска, рассматривалось сопротивление всего резистивного элемента с учётом контактных сопротивлений между резистивными дисками и т.д.

Анализ полученных результатов показал, что основной вклад в сопротивление между контактирующими резистивными дисками вносит сопротивление стягивания, обусловленное разностью диаметров электрода и самого диска, а также переходное сопротивление, возникающее на границе электрод - резистивный диск. При этом оказалось, что для стандартных дисков значение сопротивления стягивания, в зависимости от степени нелинейности вольт-амперной характеристики резистора, составляет от 3,5 до 3,8 % полного сопротивления резистивного диска [3].

В результате между кромками соседних дисков возникает большая разность потенциалов, вызываемая падением напряжения на контактном сопротивлении. С увеличением тока через резистор напряжение в зазорах между дисками растёт и происходят локальные разряды, стимулирующие полный пробой резистора.

Таким образом, наличие в контактных узлах резисторов воздушных зазоров снижает электрическую прочность резисторов и поэтому напряжение пробоя зависит не только от электрической прочности самих резистивных

дисков, но и от значения контактного сопротивления, а также способа соединения дисков друг с другом.

Экспериментальные значения напряжённости электрического ноля в зазорах между резистивными дисками можно снизить: тщательной изоляцией стыков между дисками с помощью различных клеевых составов; шоопирова-нием торцевых поверхностей дисков алюминием, кадмием, цинком и другими металлами с дальнейшим покрытием Эквадагом или контактолом. Подготовленные таким образом резистивные диски собирают в виде колонки, которую обжимают с усилием от 0,3 до 2,0 МПа. При этом обеспечивается надёжное контактирование металлизированных поверхностей и исключается наличие воздушных пустот между ними. Поверхность резистивной колонки покрывают по специальной технологии слоем электроизоляционных крем-нийорганических эмалей. Типовые промышленные конструкции резисторов приведены на рисунке !2 [1-6].

Рисунок 12 - Конструкция бетзловых резисторов типов: а - РБШН-3,5; б - РСК-Н-02, выпущенных предприятием «Энерготехпром»:

I - активная часть; 2 - резист ивные диски (галеты); 3 - фарфоровая покрышка; 4, 5 - металлические верхняя и нижняя крышка е предохранительными клана нами; 6 - тарельчатая пружина; 7 - скосы дисков; 8 - диэлектрический наполнитель; 9 - электроизоляционное покрытие

В питой главе даётся обоснование промышленной технологии, предусматривающей очистку и пропитку поверхности резистивных колонок, собранных из цилиндрических элементов из РКМ, с помощью ультразвука [6, 18, 54]. Ультразвуковые колебания высокой интенсивности обеспечивают многократное ускорение процессов, протекающих на границе контакта материалов и гидравлической среды (очистка и пропитка), снижая наружную пористость обрабатываемых изделий, увеличивая электрическое напряжение перекрытия но их поверхности и в поверхностном слое [3, 6, 56, 59],

а)

Для обработки поверхности резистивных колонок применяют электроизоляционные масла, кремнийорганические лаки и эмали, пропиточные и заливочные компаунды. При этом в ультразвуковом поле в процессе кавитации происходит уменьшение вязкости гидравлической среды и её проникновение в микротрещины и капилляры. Эффективность применения ультразвука связана в основном с двумя его характерными особенностями: лучевым распространением и большой плотностью энергии. Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых волн сопровождается сопутствующими эффектами: отражением, фокусировкой, образованием теней [53-55].

При выводе волнового уравнения, в том числе с учётом особенностей ультразвуковых систем, рассматривается задача, когда физическое тело (ре-зистивная колонка) помещается в основание трёхмерного сосуда (я • Ь • Л) с ультразвуковыми излучателями. Сосуд заполнен до некоторого уровня к активной жидкостью.

Можно считать, что ультразвуковая установка работает с постоянной мощностью Р. Это наиболее благоприятный режим, обеспечивающий стабильный технологический процесс. Тогда количество израсходованной энергии IV определяется из соотношения

то то

IV = ¡Р(1)Л = = РГ0. (30)

о о

Следовательно, минимизация по времени эквивалентна минимизации потребляемой энергии. Рассмотрим волновое уравнение вида

дР

р = (31) Л ах

где /- искомая функция; х - координата, по которой распространяется плоская волна; р - давление внутри жидкости вдоль этой координаты; р0 -плотность жидкости в состоянии равновесия.

Как видно из (31), динамика волнового процесса определяется дифференциальными уравнениями второго порядка в частных производных. Из термодинамики известно, что р есть функция плотности и температуры жидкости. Температура, в свою очередь, изменяется при сжатии и растяжении. Теплопроводность жидкостей, в отличие от твёрдых веществ, очень мала, поэтому в первом приближении можно считать, что процесс распространения переменного давления происходит адиабатически, то есть без заметного теплообмена между соседними частями. Тогда давление превращается в однозначную функцию от плотности р - /(р0). [55].

Обозначим

Р = Р0 = ЬР'Р = Ро = ДР< (32)

где Ар и Др - соответственно, изменения давления и плотности при нарушении равновесия.

Принимая неизменность давления при равновесии (др0 1(1х = 0) и подставляя (32) в (31), получим

д2/ д

Ро-т = —(Ар). (33)

ш (IX

Обозначив £ = д/1(11, можно записать

р„+ Др =/(р0 + А р) = Дро ) +/(ро) Ар +/ "(Ро) (Ар)2 +-.. (34) Выражение (34) есть разложение нелинейной функции / в ряд Макло-рена. Поскольку /(р0) = р0, то

Ар = /'(р0)Ар + /"(РоХАр)2+- (35)

При незначительных изменениях давления, сводящихся к малым приращениям, ряд (35) ограничивается первым членом. В ходе динамических деформаций исходный объём V,, превращается в У(1)

У(0=Уо[1+ Е(0]. (36)

С другой стороны, произведение плотности на объём, равное массе вещества, не меняется р(0^(0 = Р0У0 = т. (37) Подставляя (36) в (37) получим (р0 + Ар)(1 + е) = р0, из которого Ар Др Ар

Ро + АР Ро Ро Пренебрегая степенями высшей малости, получаем

е = -Др/р0;Др = -р0е. (39)

Др = -р0/,(Ро)е = -Ро/'(Ро)- (40)

Отсюда исходное волновое уравнение приобретает вид

= "2 Х2"' (41)

01 ОХ

где и = {гйГ0). (42)

Выражение (41) содержит символ и, физический смысл которой соответствует скорости распространения упруговязкой волны в гидросреде. Исходя из (42), скорость распространения и пропорциональна квадратному корню из производной давления по плотности. Введём понятие модуля упругости р = р/'(р)Е, или р=£Е, при Е = р/'(р) = у р. Тогда волновое уравнение приобретает вид

Э2/ Е82/

—г = —г- <43)

3/ рдх

откуда и = л]Е/у , (44)

где Е - взвешенный модуль упругости.

2

Из (44) запишем Е = у и .

Удельное акустическое сопротивление определяется

5 = = Рл//'(Р) = РИ-Тогда средняя плотность потока энергии в синусоидальной волне

~ 1 Па 1 2 2

1 (АрвГ

(46)

(47)

где \'т, Дрт - соответственно, амплитуды скорости и давления.

Выражение (47) имеет прямую аналогию с электрическими цепями. Если выразить в виде и действующее значение электрического напряжения, а Л - активное сопротивление цепи, то мощность Р определяется выражением

,2 ,,2

Р =

(48)

=

Я 2Л

где ит - л[2и - амплитудное значение напряжения.

Численные значения описываемых величин приведены в таблице 3 [6]. Таблица 3 - Результаты расчётов параметров веществ

Вещество р, гсм"3 и, м/с 8 = ри

Железо 7,7 5470 398-Ю4

Кварц 2,65 5710 153-Ю4

Вода 4 1494 149-Ю3

Масло 0,9 1450 135-Ю3

Воздух 1,29-10"3 331 42,9

Из таблицы следует:

1 Акустические параметры различных веществ резко различаются в зависимости от их агрегатного состояния. Для металлов удельное акустическое сопротивление минимум на один порядок выше, чем для жидкостей, и на пять порядков выше, чем для воздуха.

2 Те же параметры для разных типов жидкостей соизмеримы. Удельное акустическое сопротивление масла отличается от аналогичного показателя для воды на 14/149 ~ 10%. Это позволит в дальнейшем учитывать конкретный тип жидкости или её ингредиентов.

3 При акустическом сопротивлении воздуха намного ниже, чем жидко-

сти, следует, что на границе двух сред (жидкость - воздух) условия распространения волны резко изменяются. Это значит, что волна претерпевает полное внутреннее отражение, независимо от среды её возникновения. Поэтому можно считать, что потерь энергии и её рассеяния в воздух практически не происходит. Следовательно, в ограниченном объёме жидкости необходимо рассматривать взаимодействие двух волновых процессов с практически одинаковой интенсивностью: излучаемой и отражаемой от поверхностей и стенок волн.

В любой точке трёхмерного пространства результирующее излучение соответствует векторной сумме трёх составляющих примерно равной интенсивности. С учётом того, что указанные векторы имеют периодическую амплитуду, общая картина взаимодействия волн имеет достаточно сложный характер, который даёт структуру внутреннего трёхмерного силового (гидравлического) поля в активной зоне. Она зависит, прежде всего, от размеров ванны (активной зоны), высоты столба жидкости, объёмов и конфигурации погружаемых деталей.

При обосновании модульной схемы ультразвуковой системы учитывают, что резонансные частоты / и сопротивления 2 при выборе структурной схемы различны даже для отдельных излучателей одного типа. Подбор излучателей по / и 2 технологически очень труден и практически невозможен в условиях серийного производства [55].

Равномерность загрузки по мощности излучателей в мозаичной системе ввиду различных частот и сопротивлений может быть достигнута только в модульных системах, когда каждый излучатель питается от отдельного модульного генератора, охваченного цепями автоподстройки по частоте.

В свою очередь, модульный генератор должен состоять из функциональных субмодулей, что значительно улучшит ремонтопригодность и обеспечит возможность дальнейшей модернизации модульного генератора.

В шестой главе исследуются способы совершенствования электротехнических изделий из РКМ и применение последних в схемах энергоснабжения АПК и других объектов.

В резисторах и ЭНУ наиболее слабым местом является контактный узел. Нами установлено, что для композиционных резисторов на основе силикатов положительные результаты получены с контактами при шоопирова-нии поверхности алюминием, цинком, кадмием и другими металлами [3-5, 13]. Экспериментальные данные свидетельствуют, что электрическое перекрытие образцов начинается с возникновением искрения и частичной дужки в месте контактирования электродов резистора. При этом качественно оценивались процессы, происходящие в испытуемом образце и определялись концентраторы напряжений, находящиеся на кромках контактной поверхности резистора. Последнее послужило основанием для разработки конструкций контактных поверхностей резистора с применением специальных клеящих паст, изменением характера «кромки» поверхности и т.д. [3].

Для повышения разрядного напряжения резисторов с электропроводными наполнителями предлагаются следующие пути:

- повышение однородности резистивных композиционных материалов;

- улучшение агдезии металлических электродов с резистивными композиционными материалами;

- устранение краевых эффектов;

- кратковременный обжиг (тепловой удар) поверхностного слоя резистора;

- покрытие поверхности резистора кремнийорганическими эмалями;

- улучшение теплоотдачи и теплоотвода.

Всё вышеуказанное позволило разработать рекомендации по регулированию комплекса электрофизических, тепло- и физико-механических параметров РКМ технологическими способами (таблица 4) [6, 48, 56].

Основные технологические приёмы изготовления электротехнических устройств из РКМ представлены на рисунке 13 [1-4].

Технология изготовления изделий из РКМ предусматривает наличие на них электроизоляционных материалов виде эмалей, стеклонитей или слоя электроизоляционного бетона [3, 4, 59]. В работе рассмотрены примеры использования золошлаковых отходов электростанций в качестве наполнителей бетона для электрической изоляции, защиты электронагревателей и резисторов от механических повреждений и атмосферного воздействия. Это также является одним из путей решения экологической проблемы в зоне работы электростанций и сельских котельных на твёрдом топливе.

Неоднородность структуры РКМ является причиной, обуславливающей электротепловой вид отказа композиционных изделий. В этой связи выявление дефектов структуры может быть положено в основу прогнозирования надёжности работы изделий на стадии изготовления.

В работе применены новые прогрессивные методы исследования резистивных композиционных материалов на основе силикатных и полимерных связок с использованием высокоэффективного метода радиационного контроля - промышленной рентгеновской вычислительной томографии (ПРТВ), где сочетаются информационные возможности рентгеновского излучения с достижениями вычислительной математики и цифровой техники в решении обратной задачи интроскопии [3, 4, 13]. Метод ПРТВ при контроле объёмной структуры электротехнических материалов является наиболее эффективным в неразрушающем контроле. С помощью рентгеновского томографа были исследованы распределения относительной плотности РКМ на резистивных элементах высотой и диаметром 0,05 м, которые позволяют количественно оценить, в процентах, изменение плотности материала по объёму элементов. Установленные закономерности распределения плотности позволяют, во-первых, объяснить причины отказа резисторов в приповерхностной зоне, во-вторых, наметить пути совершенствования внутренней структуры РКМ технологическими методами [4, 56].

Таблица 4 - Технологические способы регулирования параметров резистивных композиционных материалов

Способ Ингредиенты композиции и особенности технологии Улучшаемый параметр

Изменение проводящей фазы: Концентрация проводника, дисперсность проводниковых частиц и тип Удельное сопротивление, электрическая прочность, энергоёмкость, нелинейность

Изменение типа связки: Тип цемента, жидкое стекло и растворы щелочей, тип каучука Пористость, водопоглощение, разрушающее напряжение при сжатии, стабильность удельного сопротивления, температурный коэффициент сопротивления

Введение наполнителей: Кварцевый песок или периклаз, оксиды металлов, дисперсные металлы или полупроводники Теплопроводность, электрическая прочность, энергоёмкость, разрушающее напряжение при сжатии, температурный коэффициент сопротивления

Формование смеси: вибрирование, динамическое или статическое прессование Физико-механические параметры Удельное сопротивление, энергоёмкость, электрическая прочность, разрушающее напряжение при сжатии, пористость, нелинейность, температурный коэффициент сопротивления

Формование при действии постоянного или переменного напряже- Сырая смесь, готовое изделие Удельное сопротивление, разрушающее напряжение при сжатии, пористость, нелинейность, температурный коэффициент сопротивления

Обработка поверхности изделия Пропитка электроизоляционными жидкостями, кратковременный обжиг Электрическая прочность, энергоёмкость, пористость, водопоглощение

Изменение режима гидротермальной обработки: Воздушносухая, в среде насыщенного пара, вулканизация Удельное сопротивление, разрушающее напряжение при сжатии, энергоёмкость, нелинейность, пористость, температурный коэффициент сопротивления

Введение поверхностно-активных веществ и ла-тексов Поливинилацетатная эмульсия, (ПВА) и эмульгатор, латекс с эмульгаторами Удельное сопротивление, энергоёмкость, электрическая прочность, водопоглощение, разрушающее напряжение при сжатии, нелинейность, температурный коэффициент сопротивления.

о ч о а

£3

ЧО

си ^

С Я

5 о » я тз

л —

И ^

л I

4 I к

а с

г з

X л

а

ц

кс В о р

ё 5 к В

о ё

ж

о ~ § §

а 2

5 §

§ §

Де

ел Й

о

к о ч

Л) р>

4 «

X

X §

о

3

5

РЕЗИСТИВНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Ингредиенты композиций

Технологии изготовления

электропроводные

Металлы и их оксиды

Простые и сложные полупроводники

Дисперсные углеродные металлы

Углеродные волокна

Шунгиты, руды некоторых металлов и их оксиды

электроизоляционные

Кварцевый песок

Периклаз (М£0); оксиды кальция, цинка, титана и др;

синтетические волокна; препреги

Связующие: цемент, силикат натрия, магнезит с бишофитом,

ортофосфорная кислота, специальные глины, полимеры, эмали, клеи

Намотка

Формование

Напыление <

Склеивание

Вулканизация

Высокотемпературная обработка

Ультразвуковая обработка

Типы конструкций

Объёмные

Пластинчатые

Плёночные

> Ленточные

* Волокнистые

Действительно, повышенная плотность электропроводного компонента в приповерхностной зоне способствует образованию каналов повышенной проводимости, что при воздействии электрического поля приводит к развитию теплового пробоя в этой зоне. Качественные картины распределения плотности электропроводной фазы РКМ при отсутствии металлических включений возможно получить на магниторезонансных томографах [6].

В тепловых методах неразрушающего контроля (ТНК) используется тепловая энергия, распространяющаяся в изделии, например, при протекании электрического тока в электронагревателях. Основной характеристикой температурного поля, являющейся индикатором дефективности, служит величина локального перепада температуры. Топология поля и его величина в градусах являются функцией различных технологических факторов. Определение температурного поля произведено на специальных стендах, с применением различных типов тепловизоров. Наличие значительных локальных превышений температуры свидетельствовало о технологических недоработках в изделиях Из РКМ [3, 4, 6).

Дня обнаружения дефектов в изделиях из РКМ широко применяются также ультразвуковые технологии.

Важной особенностью объёмных резисторов цилиндрического и пластинчатого типов является их нагрев за время действия напряжения до 3,0 с и затем длительное остывание до температуры окружающего воздуха. Это позволяет использовать их в энергетических установках в качестве мощных баластных резисторов, шуитов высоковольтных воздушных выключателей, например, класса напряжений от 0,4 до 110 кВ, связанных с коммутациями в сельских линиях электропередачи, в высоковольтных выключателях, на установках поперечной и продольной ёмкостных компенсаций [2, 5,6].

Повышение надёжности работы электротехнического оборудования электрических подстанций целесообразно обеспечивать заземлением нейтрали трансформаторов и автотрансформаторов. Ограничение токов однофазного короткого замыкания (К.З.) на электрических подстанциях и станциях обеспечивают частичным заземлением нейтрали трансформаторов через мощную резисторную установку. Увеличение до 2-х раз отключающей способности высоковольтных воздушных выключателей тина ВВН достигают установкой при модернизации шунтирующих бетэловых резисторов. Применение низкоомного резистора для шунтирования главных дугогасительных контактов выключателей, позволяет снизить напряжение на главных контактах в несколько раз. Бетэловые резисторы успешно применяются в схемах высоковольтных генераторов импульсных напряжений (ГИН) и генераторов импульсных токов (ГИТ), для заземления нейтрали электрических сетей, трансформаторов и автотрансформаторов [2,6,23].

Для изменения конструкции реакторов перспективным является использование магнитопроводов из композиций с силикатными и полимерными связками - магнитобетэла, что позволяет:

- создать токоограничивающие реакторы с уменьшенным, по сравнению с применяемыми в настоящее время бетонными, расходом обмоточных материалов до 50% при одновременном сокращении габаритов изделия до 60%;

- меняя оснастку, изготавливать магнитопроводы любой конфигурации 16,9,12].

Различного рода электронагревательные устройства применяются для обогрева помещений судов, двигателей и кабин автотранспорта, тракторов и автомобилей, передвижных домиков, животноводческих ферм, овощных теплиц и др. [4, 10, 20. 47, 58]. Электронагревательные устройства композиционного типа классифицируются по функциональным свойствам, исполнению, конструктивным признакам, видам теплопередачи и др. Из всего разнообразия ЭНУ следует выделить изделия пластинчатого типа из электропроводных композиционных материалов на основе высокотемпературных каучуков, обладающих повышенной коррозийной стойкостью, достаточно эластичных и имеющих сниженные массогабаришые показатели. С их помощью осуществляется внедрение энергосберегающих технологий в сельском хозяйстве (тепличные комплексы; обогрев молодняка птиц, свиней, крупного рогатого скота), на фанспорте, в жилищно-коммунальной и бытовой областях.

Как и в промышленно развитых странах широкое применение находят ЭНУ сельскохозяйственного назначения с температурой на поверхности до 333 К. Создаются условия для локального микроклимата вблизи человека, птицы, животного или механизма [10, 30,37].

Дополнительно с ЭНУ рассмотренных типов для поддержания требуемого термовлажностного режима в стационарных и мобильных помещениях разработано устройство «Гейзер», позволяющее плавно регулировать изменение температуры от 283 до 400 К при влажности от 10 до 90% , с одновременным подогревом воды до 373 К [6].

В последнее время особое внимание уделяют разработке технических средств, ограничивающих коммутационные перенапряжения на распределительных устройствах (РУ) 6 кВ, вследствие несоответствия их условиям электромагнитной обстановки (ЭМО) в электрической сети [6. 11, 14]. Разрабатывают устройства, реагирующие на кондуктивную коммутационную электромагнитную помеху (ЭМП), в соответствии с мероприятиями технического обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Рекомендуется для эффективного подавления кондуктивных коммутационных ЭМП предусматривать в ЯС - цепи установку резисторов из РКМ и экранирования кабельных каналов [2, 3, 6, 20].

Основные выводы и рекомендации

1 Анализ особенностей энергообеспечения производственной сферы и населения АПК указал на перспективность использования возобновляемых и нетрадиционных источников энергии для повышения надёжности и качества

элекгротеплоснабжения, особенно в отдаленных районах Сибири и Дальнего Востока. С позиций системного подхода, показана целесообразность применения изделий из резистивных композиционных материалов - бетэла и рапи-та в качестве активной нагрузки. Это приводит более чем к 50 % сокращению затрат на энергоснабжение.

2 Систематизация теоретических исследований по композиционным резистивным материалам выявила основные механизмы электропроводности в системах полупроводник-диэлектрик-полупроводник контактирующих полупроводниковых частиц в РКМ, развитие теории электропроводности которых привело к получению расчётных формул, увеличивающих достоверность количественных параметров.

3 В результате экспериментальных и теоретических исследований предложены физико-математические модели, на основании которых получены формулы и алгоритмы расчёта контактных сопротивлений изделий из РКМ. Установлено, что увеличение зазора в контакте ПДП на 1 нм приводит к десятикратному уменьшению плотности тока.

4 Проанализированы зависимости электропроводности по уравнению полного тока от напряжённости электрического поля, температуры, работы выхода электронов, диэлектрической проницаемости среды. Так, например, изменение напряжённости электрического поля в 10 раз приводит к увеличению плотности тока в 13 раз.

5 Установлена применимость теории протекания для расчёта электропроводности в слабых электрических полях до 102 В/м. Показана применимость критических индексов теории - <7 и Я к гетерогенным системам типа бетэл-рапит. Сделано заключение о применимости теории Френкеля в промежуточных электрических полях от 102 до 104 В/м.

6 Обоснован выбор ингредиентов до 10 составов РКМ и электротехнических конструкций (резисторов, электронагревателей, заземлителей), предназначенных для работы в схемах электротеплоснабжения АПК и других энергопотребителей. Предложены пути повышения комплексных параметров электронагревательных устройств для условий эксплуатации на предприятиях АПК и в быту.

7 Установлены закономерности изменения электрофизических и других характеристик бетэла и рапита в зависимости от структуры материала. Даны рекомендации по технологии изготовления изделий из РКМ, содержащих силикатные и полимерные связки. Удельная энергия рассеяния изделий из РКМ увеличена на 25-40 %.

8 Разработаны более 10 конструкций электронагревательных устройств и резисторов для различных областей применения в АПК. Результаты теоретических исследований распределения электрического поля в прижимных контактах электротехнических изделий использованы для разработки технологических правил изготовления изделий из РКМ.

9 На основании теоретического анализа волнового уравнения для ультразвуковых систем обоснована промышленная технология очистки и пропитки поверхности резистивных колонок в среде жидких диэлектриков. Разработана структурная схема ультразвукового модуля для управления пьезоэлектрическими излучателями более 30 типов.

10 По результатам комплексных исследований резисторов и электронагревательных устройств на испытательных установках и в реальных схемах электротеплоснабжения предложены мероприятия по совершенствованию параметров характеристик изделий из РКМ.

11 Разработаны и прошли промышленную апробацию технологические правила изготовления резистивных устройств из РКМ на основе силикатных и полимерных связок.

12 Разработано устройство «Гейзер» для поддержания термовлажного режима в помещениях стационарного и мобильного типов (температуры от 283 до 400 К при влажности от 10 до 90 %) с одновременным подогревом воды до 373 К как в быту и агропромышленных комплексах, так и на промышленных объектах.

13 Изложенные в диссертации методические рекомендации внедрены более чем в 10 научно-исследовательских и учебных учреждениях, а также на 3-х предприятиях при опытно-промышленном производстве.

14 Промышленное производство резисторов и ЭНУ из РКМ позволяет решить важные задачи для сельских электроэнергетических систем и электротеплоснабжения потребителей. Экономический эффект от внедрения превышает 2,7 млн. руб.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации Научные ы учебные издания

1. Горелов, C.B. Резистивные композиты в энергетике [Текст]. В 2 ч. 4.1. Основы технологии и электропроводности / С.В.Горелов, Р.В.Манчук; под ред. В.П.Горелова. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп. - 2000. - 240 с.

2. Горелов, C.B. Резистивные композиты в энергетике [Текст]. В 2 ч. 4.2. Параметры резисторов и области применения / С.В.Горелов, Р.В.Манчук; под ред.

B.П.Горелова. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2000. - 210 с.

3. Горелов, C.B. Контактные устройства резисторов из композиционных материалов [Текст] / С.В.Горелов [и др.]; под ред. В.П.Горелова. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2002. - 236 с.

4. Горелов, C.B. Применение композиционных нагревателей в системах местного обогрева [Текст] / C.B. Горелов // Низкотемпературные нагреватели из композиционных материалов в промышленности и быту: В.П. Горелов. -М. - 1995. - §24-§30, П.1-П.7.-С. 166-209.

5. Горелов, C.B. Внутренние перенапряжения и защита от них [Текст] /

C.В.Горелов // Перенапряжения и молниезащита: С.В.Горелов [и др.]; под ред.

ВЛХГорелова. - 2-е изд., пересмотр. - Новосибирск. - 2003. - Гл.17-18. - С. 185-200.

6. Горелов, C.B. Энергоснабжение стационарных и мобильных объектов [Текст]. В 2 ч. Ч. 1 / C.B. Горелов [и др.]; под ред. В.П.Горелова, Н.В.Цугленка. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2006. - 423 е..

7. Горелов, C.B. Изоляция и перенапряжения в системах электроснабжения [Текст]: учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1 / С.В.Горелов, Л.Н.Татьянченко, С.О.Хомутов. -Барнаул: Алг. гос. техн. ун-т, 2002. - 116 с.

8. Горелов, C.B. Проводниковые материалы [Текст] / С.В.Горелов // Технология конструкционных электротехнических материалов: учеб. пособие: 2 кн. в 1 / С.В.Горелов [и др.]; под ред. В.П.Горелова, М. Н.Иванова. - 2-е изд., дополн. - Новосибирск. - 2005. - Гл. 2. - С. 39-108.

9. Горелов, C.B. Резисторы из электротехнических материалов / С.В.Горелов И Технология конструкционных электротехнических материалов: учеб, пособие: 2 кн. в 2 / С.В.Горелов [и др.]; под ред. ВЛХГорелова, Е.В.Ивановой. - 2-е изд., дополн. -Новосибирск, - 2005. - П. 6. - С. 48-108.

Статьи апериодических изданиях по перечню ВАК

10. Горелов, C.B. Применение полимерных композиций в сельском хозяйстве [Текст] / С.В.Горелов, В.П.Прохоров // Ползуновский вестник. - 2003. - № 1-2. - С. 165-167.

11. Горелов, C.B. Композиционные резисторы в схемах, повышающих электромагнитную помехозащищенность электрооборудования [Текст] / С.В.Горелов, Е.В.Иванова И Ползуновский вестник. - 2005. - №4. - 4.3. - С. 238-242.

12. Горелов, C.B. Реакторы на напряжение (6ч35) кВ с магнитопроводами из резисгивных композитов [Текст] / С.В.Горелов // Ползуновский вестник. - 2005. - №4. -4.3.-С. 250-253.

13. Горелов, C.B. Контроль технологических параметров композиционных резисторов для мобильных и стационарных энергетических объектов [Текст] / С .В.Горелов, Е.В.Иванова // Трансп. дело России. - 2005. - №4. - С. 38-39.

14. Горелов, C.B. Повышение помехозащищённости электрических сетей (6ч10) кВ [Текст] / С.В.Горелов, Е.В.Иванова // Трансп. дело России. - 2005. - №4. -С. 39-40.

15. Горелов, C.B. Электрическая проводимость резисгивных композитов [Текст] / С.В.Горелов // Энергосбережение и водоподготовка. - 2005. - №6. - С. 65-67.

16. Горелов, C.B. Применение в энергетике композитов с полимерными и силикатными ингредиентами [Текст] / С.В.Горелов // Энергосбережение и водоподготовка. - 2006. - №1. - С. 69-71.

17. Горелов, C.B. Утилизация золошлаковых отходов тепловых электростанций [Текст] / С.В.Горелов, А.Ф.Бернацкий // Трансп.дело России. - 2005. - №4. - С. 34-36.

18. Горелов, C.B. Снижение надёжности двигателей внутреннего сгорания при загрязнении моторных масел [Текст] / С.В.Горелов, ЯЛ.Вельц, Б.Д.Умаров // Ползуновский вестник.-2005.-№4. - Ч.З. - С. 247-249.

19. Горелов, C.B. История освоения нетрадиционных источников энергии в Западной Сибири: Системный анализ процессов, происходящих в экосоциотехносфере [Текст] / С.В.Горелов [и др.] // Ползуновский вестник. - 2003. - № 3-4. - С. 105-110.

20. Горелов, C.B. Резисторы из композитов в системах энергообеспечения агропромышленных комплексов [Текст] / С.В.Горелов, Е.Ю.Кислицин, Н.В.Цугленок // Вестник КрасГАУ. - 2006. - № 13. - С. 314-319

21. Горелов, C.B. Теоретические положения разработки изделий из резиетив-ных композиционных материалов для энергетики АПК [Текст] / С.В.Горелов, Е.Ю.Кислицин, Н.В.Цугленок//Вестник КрасГАУ. — 2006. — № 13. — С. 319-324

Статьи в российских и иностранных изданиях; материалы международных и региональных конференций

22. Перспективы применения электронагревателей композиционного типа на шлюзах [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // тр. / Новосиб. инст-т инж. вод. трансп. - Новосибирск, 1989. - С. 70-75.

23. Горелов, C.B. Высоковольтная импульсная испытательная установка [Текст] / С.В.Горелов, В.П.Горелов, Г.В.Шувалов // Информ. листок Новосиб. ЦНТИ. - 1990.-№443-90.-6 с.

24. Горелов, C.B. В. Конструктивное исполнение резисторов из электропроводных композиций [Текст] / С.В.Горелов, П.В.Горелов // Научный потенциал Сибири: Межвуз. сб. науч. тр. - Новосибирск, 1993. - С. 39-40.

25. Горелов, C.B. Высоковольтный резистор для электрофизических установок [Текст] / С.В.Горелов, П.В.Горелов, Н.С.Бурянина // Энергетика, экология, надёжность: матер, науч.- техн. семинара / Том. политехи, ун-т. - Томск, 1994. - С.8-9.

26. Горелов, C.B. Новые разработки резистивных композиционных материалов [Текст] / С.В.Горелов, П.В.Горелов, В.Ф.Тонышев // Проблемы комплексного развития регионов Казахстана. 4.2. Электроэнергетика и теплоэнергетика: матер, между-нар. науч.-техн. конф., Павлодар., 5-7 дек. 1996 г. - Апматы: Каз. гос. ИНТИ, 1996. -С. 199-202.

27. Горелов, C.B. Применение электротехнических бетэлов [Текст] / С.В.Горелов, В.ПГорелов, Е.В.Дмитриев // сб. ст. / Инст-т физики АН Азерб. - Баку, ЭЛМ, 1997.-С. 21-23.

28. Горелов, C.B. Электробезопасность при обслуживании композиционных нагревателей на агропромышленных объектах [Текст] / С.В.Горелов // Наука, практика, образование: тр. / Алт. гос. техн. ун-т. - Барнаул, 1997, Вып.7. - С. 47-50.

29. Горелов, C.B. Механизм электропроводности композиций сельскохозяйственного назначения [Текст] / С.В.Горелов И Наука, практика, образование: тр. / Апт. гос. техн. ун-т.-Барнаул, 1997. Вып.7.-С. 155-157.

30. Горелов, C.B. Тепловой расчёт животноводческого помещения с электронагревательными полами из рапита [Гексг] 1 С.В.Горелов // Наука, практика, образование: тр. / Алт. гос. техн. ун-т. - Барнаул, 1997. Вып.7. - С. 189-190.

31. Горелов, C.B. Экономическая эффективность применения электронагревателей' из резистивных композиционных материалов в сельском хозяйстве [Текст] / С.В.Горелов // Наука, практика, образование: тр. / Алт. гос. техн. ун-т. - Барнаул, 1997. Вып.7-С. 189-190.

32. Фторопластовые композиционные материалы [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // Электроснабжение, электрооборудование, автоматика речных судов и промышленных предприятий: сб. науч. тр. / Новосиб. гос. акад. вод. трансп. — Новосибирск, 1997.-С.14-15.

33. Горелов, C.B. Разработка композитов на основе фторопластов и эпоксидных смол [Текст] / С.В.Горелов, В.П. Горелов, Е.В.Дмитриев // сб. статей / Инст-т физики АН Азерб. - Баку, ЭЛМ, 1997. - С. 19-21.

34. Повышение надёжности работы электросетевых конструкций в районах Крайнего Севера [Текст] / C.B. Горелов [и др.] II Электрофизика, электроснабжение,

электрооборудование, автоматика и экология промышленных предприятий и речных судов: сб. науч. тр. / Новосиб. гос. акад. вод. трансп. - Новосибирск, 1998. - С. 286288.

35. Выбор материалов и анализ характеристик полимерных бетонов для изготовления объёмных диафрагм [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // Электроснабжение, энергосбережение, электрификация и автоматика предприятий и речных судов : сб. науч. тр. / Новосиб. гос. акад. вод. трансп. - Новосибирск, 2001. - С.80-86.

36. Исследование полимерных композиционных материалов [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // Наука и новые технологии в' энергетике: Междунар. науч.-практич. конф., посвящ. 90-летию академика Ш.Чокина. - Павлодар: Павлод. гос. ун-т. им. С.Торайгырова, 2002. - С. 291-298.

37. Разработка резистивных композиционных материалов в России [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2002. - №1. - С. 8490.

38. Физика теплового удара в технологии электропроводных бетонов [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2002. - №1. - С. 90-92.

39. Бернацкий, А.Ф. Технология и свойства электроизоляционного бетона [Текст] / А.Ф.Бернацкий, С.В.Горелов // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2002. ~№1.-С. 92-101.

40. Горелов, C.B. Особенности электропроводности бетэла в сильных электрических полях [Текст] / С.В.Горелов, Г.Р.Манчук, Р.В.Манчук // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост.- 2002. - №2. - С. 158-165.

41. Горелов, C.B. Электрическое поле в приконтактных областях резисторов [Текст] / С.В.Горелов // Матер, конф. науч.-техн. работников вузов и предприятий. 4.1, Новосибирск, 12-14 марта 2003 г. - Новосибирск, 2003. - С. 157-159.

42. Горелов, C.B. Мощные композиционные резисторы и мониторинг их эксплуатации [Текст] / С.В.Горелов // Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния : тр. междунар. науч.-техн. конф. 4.2, Новосибирск, 15-19 сент. 2003г. - Новосибирск, 2003. - С. 291-296.

43. Горелов, C.B. Полимерные композиционные материалы [Текст] / С.В.Горелов, В.П.Прохоров, Е.Л.Томилин // Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния : тр. междунар. науч.-техн. конф. 4.2, Новосибирск, 9-12 сент. 2003. - Новосибирск, 2003. - С. 297-299.

44. Применение энергосберегающих возобновляемых и нетрадиционных источников энергии на речных и агропромышленных объектах [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2003. - №3. - С. 132-137.

45. Горелов, C.B. Управление системой жизнеобеспечения растений в регулируемых условиях [Текст] / С.В.Горелов, Г.Я.Иванов, Е.В.Крышталёв // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2003. - №3. - С. 231-235.

46. Энергомассообмен в теплице [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2003. - №3. - С. 235-239.

47. Композиционные материалы на транспорте и агропромышленных комплексах [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: тр. 2-й междунар. науч.-техн. конф., Тобольск, 8-11 сент. 2004 г. - Новосибирск, 2004.-С. 69-72.

48. Оптимизация параметров резиепдагых композиционных материалов (РКМ) на основе анализа и решения уравнения полного тока [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: тр. 2-й междунар. науч.-техн.

конф., Тобольск, 8-11 сект. 2004 г. - Новосибирск, 2004. - С. 165-167.

49. Использование автономных источников энергии [Текст] / С.В.Горелов [и др.] // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: тр. 2-й междунар. науч.-техн. конф., Тобольск, 8-11 септ. 2004 г. - Новосибирск, 2004. - С. 227-232.

50. Новые технологии обогрева мобильных и стационарных объектов [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: тр. 2-й междунар. науч.-техн. конф., Тобольск, 8-11 сент. 2004 г. - Новосибирск, 2004. - С. 269-271.

51. Разработка материалов, повышающих экологическую безопасность тепловых и атомных электрических станций [Текст] / С.В.Горелов [и др.] // Физико-технические проблемы в атомной энергетике и промышленности (производство, наука, образование): сб. тез. докл. междунар. науч.-практ. конф., Томск, 7-8 июня 2005 г. - Томск, 2005. - С. 156-157.

52. Горелов, C.B. Золошлаковые отходы ках перспективное сырьё для применения в энергетической и строительной отрасли [Текст] / С.В.Горелов, А.Ф.Бсрнацкий, В.И.Крюков // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2004. - №2. -С. 156-166.

53. Горелов, C.B. Общие принципы использования ультразвуковых технологий при ремонте судовых установок [Текст] / С.В.Горелов, Я.Я.Вельц // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2005. - №1-2. - С. 86-88.

54. Горелов, C.B. Пропитка изоляции с применением ультразвука [Текст] / С.В.Горелов, Я.Я.Вельц // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2005. - №1-2. - С. 89-91.

55. Горелов, C.B. Расчёт эффективного размещения ультразвуковых излучателей в технологических установках [Текст] / С.В.Горелов, Я.Я.Вельц // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2005. - №1-2. - С. 92-97.

56. Методы повышения энергетических характеристик композиционных резисторов и их контроль [Текст] / С.В.Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2006. - № 1 - 2. - С. 270-275.

57. Рациональное использование силовых фильтро-компенсирующих устройств в электрической сети [Текст] / C.B. Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2006. - №1. - С. 255-258.

58. Горелов, C.B. Композиционные резисторы в схемах электроснабжения [Текст] / С.В.Горелов, В.В.Горелов, В.Е.Крышталёв // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования: тр. / Всерос. науч.-техн. конф., Томск, 17-19 мая 2006 г. - Томск, 2006. - С. 133-135.

59. Горелов, C.B. Ультразвуковые технологии на промышленных и сельскохозяйственных объектах [Текст] / С.В.Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2006. - № 2. - С. 181-184

60. Горелов, C.B. Мероприятия, повышающие бесперебойное электроснабжение промышленных и бьгтовых потребителей [Текст] / С.В.Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2006. -№ 2. - С. 185-188

61. Горелов, C.B. Применение аккумуляторов в схемах электроснабжения с традиционными и возобновляемыми источниками энергии [Текст] / С.В.Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2006. - № 2. - С. 189-195

62. Горелов, C.B. Основы системного подхода оценки переходных процессов в электрических сетях [Текст] / С.В.Горелов, Н.Н.Макаров, С.Б.Долгушин // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2006. - № 2. - С. 226-228

63. Горелов, C.B. Системный анализ состояния оборудования распределительных электрических сетей [Текст] / С.В.Горелов, Н.Н.Макаров, С.Б.Долгушин // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2006. - № 2. - С. 229-232

Личный вклад в монографиях и статьях, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50%.

Кроме того, отдельные вопросы диссертации рассмотрены в 40 печатных работах и в 26 отчетах по НИР.

Подписано в печать 22.03.07 г. с оригинал-макета

Бумага офсетная № 1, формат 60 х 84 1/16, печать трафаретная - Riso.

Уел печ. л. 2,7 . Тираж 120 экз. Заказ № 13 . Бесплатно

ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

ФГОУ ВПО («НГАВТ»),

630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33.

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО «НГАВТ»