автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Электротехнологии для обеспечения работы гидроэлектростанций автономных электроэнергетических систем северных и восточных районов

МАНЧУК ГЛЕБ РУСЛАНОВИЧ

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТЫ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СЕВЕРНЫХ И ВОСТОЧНЫХ РАЙОНОВ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

ь АБГ 2015

Специальность: 0514.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы»

005571/иэ

Новосибирск —2015 ____-—---—

005571205

Работа выполнена в ФГЪОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта» (ФГБОУ ВО «СГУВТ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Горелов Сергей Валерьевич

Официальные оппоненты: Лукутин Борис Владимирович, доктор технических наук, профессор ФГОАУ ВО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", кафедра "Электроснабжение промышленных предприятий", профессор

Емельянов Николай Иванович, кандидат технических наук, доцент, ООО «Болид», заместитель директора

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный технический университет»

ÀG.io

Защита состоится_;_2015 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта» по адресу: 630099, г.Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, ФГБОУ ВО «СГУВТ», (тел/факс (383) 222-62-35; E-mail: nsawt_ese@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта» и на сайте http://www.stu.ru/science/theses_dis_list.php

Автореферат разослан О ^ ^ ' 2015 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

валов ерий Владимирович

✓ ' /

■"Т

МАНЧУК ГЛЕБ РУСЛАНОВИЧ

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТЫ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СЕВЕРНЫХ II ВОСТОЧНЫХ РАЙОНОВ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Специальность: 0514.02 — «Электрические станции и электроэнергетические системы»

Новосибирск — 2015

Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта» (ФГБОУ ВО «СГУВТ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Горелов Сергей Валерьевич

Официальные оппоненты: Лукутин Борис Владимирович, доктор технических наук, профессор ФГОАУ ВО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", кафедра "Электроснабжение промышленных предприятий", профессор

Емельянов Николай Иванович, кандидат технических наук, доцент, ООО «Болид», заместитель директора

Ведущая организация: Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный технический университет»

Защита состоится_^ •'"^О 2015 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта» по адресу: 630099, г.Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, ФГБОУ ВО «СГУВТ», (тел/факс (383) 222-62-35; E-mail: nsavvt_ese@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта» и на сайте http://www.stu.ru/science/theses_dis_list.php

Автореферат разослан ^ Q?"" 2015 г.

Учёный секретарь / ^Коновалов

диссертационного совета AJ/^" ^^^"Т^алерий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Развитие энергетики на севере и востоке страны определяет актуальность развития системообразующих сетей России. Важнейшими потребителями теплоэлектроэнергии являются объекты военно-промышленного комплекса (ВПК), агропромышленный комплекс (АПК), гидротехнические сооружения, предприятия геологоразведочной, газонефтяной и горнодобывающей промышленности, жилищно-бытовой сектор. Принцип, положенный в основу государственных программ, приоритетных национальных проектов и всего «Плана Путина» - поддержка национального сельскохозяйственного производителя.

Стратегической задачей, вытекающей из целей развития и усиления российского государства, в том числе его продовольственной безопасности, является выход промышленности и сельского хозяйства на уровень наиболее развитых государств.

Для решения актуальных задач энергопотребителей повышения эффективности строительства в климатических условиях северных и восточных районов страны и повышения надёжности энергосистем в России и за рубежом были разработаны новые электропроводные композиты (бетэл, рапит, вилит, тирит, оксидноцинковая керамика) и изделия на их основе (резисторы, варисторы, вентильные разрядники и нелинейные ограничители перенапряжений).

Решению этих проблем посвящены исследования таких организаций как МЭИ, ЛПИ, НГТУ1, ТПУ, «БЭЛ», «Болид», СибНИИЭ, а также ведущих специалистов Инкина А.И., Неймана В.Ю.2, Овсянникова А.Г., Лукутина Б.В. , Ушакова В.Я., Емельянова Н.И.4, Данилова Г.А. и других.

Способность электропроводных композитных материалов нагреваться при протекании через них электрического тока и возможности регулирования свойств технологическими методами, определили перспективность создания объёмных низкотемпературных обогревательных элементов различного назначения. Обладая большой теплоаккумулирующей способностью, относительно небольшой единичной мощностью и достаточным ресурсом работо-

1 Инкин А.И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин: учебники НГТК. Новосибирск: ЮКЭА, 2002. - 464 с.

2 Нейман В.Ю., Малинин Л.И. К моделированию источников электроэнергии // Научный вестник НГТУ. - 2013. - №2. - С. 194-203.

3 Лукутин Б.В., Сурков МЛ. Нетрадиционные способы производства электроэнергии: учеб. пособие. Томск: Из-во Томского политехи, ун-та. - 2012. -193 с.

4 Емельянов Н.И., Ильиных М.В., Сарин Л.И. Средства и методы ограничения внутренних перенапряжений в сетях (6-35) кВ // Энергетик. - 2011. -№11. — С. 6 — 10.

способности, например, бетэловые обогреватели позволили разработать и реализовать мощные тепловые системы, приборы и устройства, обеспечивающие интенсификацию технологических процессов АПК и при строительстве объектов различного назначения в суровых климатических условиях, для которых применение других типов обогревателей малоэффективно или нецелесообразно.

Создание и внедрение в гидротехническое и энергетическое строительство, промышленное производство, АПК, в энергосистемы устройств, схем, методов и систем было связано с необходимостью решения целого ряда качественно новых научно-исследовательских, конструкторско-технологический и специальных технологических и электротехнических задач. Это определило специфику выполнения исследований с привлечением различных научных направлений — электрофизики, физики твердого тела и теплофизики, физической химии и технологии силикатов, призванных объяснить закономерности изменения электрофизических и физико-механических свойств композитов с силикатными связками, особенности формирования структуры, пути совершенствования характеристик композиций и повышения рабочего ресурса изделий из электропроводных композитов.

В связи с этим возросла актуальность исследований, направленных на создание новых композитных материалов и изделий на их основе, а также усовершенствованных электротепловых технологий, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов при строительстве гидроэлектростанций и других сооружений в суровых климатических условиях, изучения закономерностей изменения электрофизических свойств композитных материалов, используемых при производстве обогревателей и резисторов с повышенными эксплуатационными параметрами.

Большую помощь и поддержку при выполнении исследований оказал научный консультант [Манчук Руслан Владимирович].

Объектом исследования является энергопотребители ВПК, АПК, предприятия горнодобывающей и газонефтяной промышленности, строящиеся сооружения ГЭС и мини-ГЭС в суровом климате северных и восточных районов.

Предметом исследования являются электротехнологии на основе композитных обогревателей для энергетических объектов и гидротехнического и промышленного строительства.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии.

Перечень исследований, изложенных в работе, выполнялся в соответствии с целевыми комплексными научно-техническими программами по темам:

- сводная программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (СП НИОКР «Сибирьэнерго»), утвержденная Корпорацией «ЕЭЭК», Департаментом стратегии развития и научно-технической практики РАО «ЕЭС России», (1996-2003 гг.);

- госбюджетной теме г/б—11 (государственный регистрационный № 01.88.004137) «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур», ФГБОУ ВО «СГУВТ», (2002-2015 гг.).

Идея работы заключается в создании и применении тепловых систем с композитными обогревателями для производства строительных работ в суровых климатических условиях.

Цель и задачи исследования. С учётом актуальности проблемы целью диссертационной работы является повышение надёжности замкнутых электрических сетей и снижение непроизводственных затрат электроэнергии путём научного обоснования применимости изделий из электропроводных композитов для создания новых электротепловых технологий и интенсификации технологических процессов при энергетическом, сельскохозяйственном, гидротехническом, и промышленном строительстве.

Основными задачами, вытекающими из сформулированной цели, являются:

— теоретически и экспериментально обосновать техническую эффективность применения электропроводных композитов с силикатными связками для создания тепловых систем и нагревательных приборов для энергетического, сельскохозяйственного, промышленного и гидротехнического строительства в климатических условиях северных и восточных районов;

— рассмотреть применяемые электротехнологии для функционирования автономных электроэнергетических систем в условиях низких температур;

— разработать методику испытаний электротепловой защиты на полигоне гидроэлектростанции;

— проанализировать механизм проводимости электротепловых конструкций;

— исследовать влияние условий эксплуатации на ресурсные параметры электротехнического оборудования;

— определить рабочий ресурс композитных обогревателей и резисторов и предложить способы повышения стабильности их электрофизических параметров;

— обосновать возможность применения электротехнологий на основе композитов в электроэнергетических системах для обеспечения бесперебойного электротеплоснабжения;

-экспериментально обосновать целесообразность применения закладных композитных обогревателей при бетонировании основных сооружений ГЭС, мини-ГЭС, ПАТЭС;

— предложить к практической реализации технические решения с использованием композитных изделий на гидроэлектростанциях и в электрических сетях.

Научная новизна работы состоит в решении крупной научно-технической задачи создания новых электротепловых технологий, обеспечи-

вающих интенсификацию технологических процессов при гидроэнергетическом,сельскохозяйственном, промышленном и гидротехническом строительстве в суровых климатических условиях. Новые элементы работы заключаются в следующем:

1 Разработаны и внедрены в производство протяжённые электротепловые системы защиты от промерзания грунта предприятий, основных сооружений ГЭС, мини-ГЭС, ПАТЭС и сельскохозяйственных объектов.

2 Исследована и экспериментально проверена техническая эффективность использования композитных обогревательных элементов для тепловых систем и отопительных приборов, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов при сооружении объектов гидроэнергетического, промышленного и сельскохозяйственного назначения в климатических условиях северный и восточных районов.

3 Впервые показано, что для описания электропроводности бетэла применима теория протекания (перколяционная теория) в широком диапазоне возможных соотношений концентраций компонентов; разработаны расчётные формулы определения электропроводности.

4 Установлена взаимосвязь параметров структуры с особенностями электропроводности, ресурсной стабильности композитных обогревателей и резисторов.

5 Определены закономерности изменения рабочего ресурса и принципы конструирования протяжённых электротепловых систем.

6 Показана техническая эффективность использования бетэловых изделий для обогрева шлюзовых затворов ГЭС и мини-ГЭС, гребней земляных плотин и дренажей, электрического торможения гидрогенераторов и электросетевых устройств.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии теоретических основ проводимости электрически неоднородных композитов и тепловых систем на их основе, работающих в условиях сурового климата.

Практическая значимость результатов работы заключается во внедрении научных положений и рекомендаций диссертации на отраслевом уровне в проектную и эксплуатационную практику, что повышает качество функционирования строящихся энергетических объектов в условиях длительных отрицательных температур.

Совокупность полученных результатов представляется как решение важной научно-технической задачи, имеющей существенное значение для экономики развивающихся сырьевых северных и восточных районов России.

Методы исследования. В процессе выполнения работы применялись: анализ и обобщение данных из литературных источников, методы теоретических основ электротехники и теории электрических сетей, методы математической статистики и теории вероятностей, методы системного анализа, расчеты по универсальным и специализированным компьютерным программам.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Теоретические и экспериментальные исследования энергоснабжения потребителей в труднодоступных северных и восточных районах с помощью невозобновляемых, возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (мини-ГЭС, ПАТЭС и др).

2 Обоснование эффективности применения тепловых технологий с композитными обогревателями для тепловой защиты оснований гидроэлектростанций, гидросооружений, сельскохозяйственных объектов и жилищно-бытового сектора.

3 Результаты исследований стабильности электрофизических характеристик электропроводных композитов.

4 Техническое и технологическое обеспечение ресурсных испытаний композитных обогревателей.

5 Технологические методы совершенствования эксплуатационных параметров электропроводных композитов.

6 Разработки мощных электротепловых систем защиты грунта от промерзания и интенсификации технологических процессов в гидроэнергетическом, гидротехническом, сельскохозяйственном и промышленном строительстве.

7 Технические решения по применению композиционных резисторов для электрического торможения гидрогенераторов и для электросетевых устройств.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций.

Достоверность обеспечена: использованием исходной информации, полученной с помощью сертифицированного оборудования и средств измерений; достаточной точностью измерения электрических величин; корректностью программного обеспечения; непосредственным участием в экспериментах.

Обоснованность подтверждается принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений, публикациями, практической реализацией полученных результатов.

Реализация работы. Рекомендации по повышению качества строительных работ и безаварийной работы энергетических систем в районах с суровым климатом нашли применение: на Вилюйской ГЭС внедрены электротепловые системы; на технических сооружениях агропромышленных комплексов и промышленных предприятиях; на опрытно-промышленном производстве при выпуске композитных электрообогревателей и мощных резисторов в г. Новосибирске и г. Москве; в учебном процессе ВУЗов г. Новосибирска.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных, российских и региональных совещаниях и конференциях, в том числе:

- международной научно-технической конференции "Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт", Новосибирск, 2002 г.;

- международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы и перспективы инновационного развития современной России", г. Нижневартовск, 2014 г.;

- научно технических конференциях профессорско-преподавательского состава и инженерно-технических работников речного и морского транспорта и других отраслей. Новосибирск, 2003-2014 г.;

- научно-технических конференциях профессорско-препо-даватель-ского состава Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета. Новосибирск, 2001-2003 г.

Публикации. Результаты исследований изложены в 25 научных трудах, из которых 19 статей, в том числе 9 статей в журналах по перечню ВАК РФ, 6 отчётах по научно-исследовательским работам.

Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решения, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору. Личный вклад в работах, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50 %.

Структура н объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и трёх приложений.

Общий объём работы составляет 234 страницы, включая 74 рисунка и 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении: обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и научные задачи работы; приведены основные научные результаты, выносимые на защиту; показана научная новизна исследований и оценена их практическая значимость, отражены уровень апробации и личный вклад автора в решение научных задач; представлены структура и объём диссертационной работы, а также объём публикаций.

В первой главе проведен системный ретроспективный анализ особенностей возведения сооружений в регионах России с суровыми природно-климатическими условиями. Увеличение добычи полезных ископаемых, развитие ВПК, АПК и жилищно-бытового сектора требуют обеспечения бесперебойного энергоснабжения. Эксплуатация замкнутых электрических сетей от 0,4 до 35 кВ, отдалённость энергопотребителей вызывают необходимость применения комбинированных схем электротеплоснабжения, включающих возобновляемые и нетрадиционные источники энергии (ВНИЗ). При этом учитывают также эксплуатацию ГЭС, мини-ГЭС и плавучих атомных электростанций малой мощности (ПАТЭС) [8]. Делается вывод о целесообразности применения в гидроэнергетическом и промышленном строительстве электротепловых технологий на основе электропроводных композитов с силикатными связками, например, бетона электропроводного (бетала) [1-2,7]. Описана принципиальная схема изготовления электропроводных композитов

и пути направленного регулирования их электрофизических и теплофизиче-ских характеристик [2,17,20].

Рассчитанные на работу в условиях повышенных электрических напряжений и сильных токов электропроводные композиты применяют для создания мощных тепловых систем и приборов электроэнергетического назначения [3,6,17].

На примере построенного экспериментального полигона приведены результаты опытно-производственных испытаний тепловой защиты грунтового основания гидроэлектростанций.

Показано, что электропроводность применяемых композитов коррелирует с их структурой. Так, рост объёмной концентрации углерода С! сопровождается резким увеличением на несколько порядков электропроводности в окрестности некоторого значения объёмной концентрации С]0 порога протекания по перколяционной теории [4,8,20]. Значения критических индексов трёхмерной задачи определяли как

р = р2(С1-С10Г', (1)

где р и р2 - удельные электрические сопротивления, соответственно, композиций и высокоомного компонента; < - критический индекс.

Путём математического моделирования определено, что зависимость электропроводности а (с])описывается формулами

о^-СюГ'.С^Сю + бСь

а1-8^,С,=С10; (2)

^(Сш-СО^.С^Сю-бС,.

сСС.-СюГ'^С.о + бС,; а а!Лт£^=С10; (3)

где 1, ц, 8 — критические индексы, связанные соотношением я = I (в"1).

С учётом свойств компонентов композитов определено, что критические индексы теории протекания ( 1, я, в ) постоянны и не зависят от технологических факторов. Их численные значения: I = 1,75±0,05; ц = 0,9±0,1 , в = 0,65±5 или близки к традиционным в теории протекания. С учётом влияния на структуру технологических условий и свойств компонентов выведены расчётные формулы для определения электропроводности [11,20].

Для случая большой концентрации углерода (С1 = 0,20 > С10, т.е. порога протекания) применяют формулу [4]

р- р2(с; -с;,)-' №

где С1 и С2 — соответственно, объёмные концентрации углерода и цемента

(величины обозначенные штрихом относятся к матрице);

р1 = 1-10"3 Ом-м - удельное электрическое сопротивление углерода.

Во второй главе исследовано влияние различных факторов на стабильность электрофизических характеристик композитных изделий [1,7, 9, 21].

Основное назначение электрообогревателей и резисторов из электропроводных композитов (бетэла, рапита, вилита, оксидноцинковой керамики) — обеспечение бесперебойной работы электротепловых систем в строительстве различных сооружений и электротехнического оборудования в энергосистемах [2,7, 9, 11]. Получены данные по изменению электрического сопротивления композитов с силикатными связками под влиянием переменных атмосферных условий. Определены теплофизические параметры композитов, являющиеся определяющим фактором эксплуатационной стабильности рабочего ресурса.

По разработанной методике выявлен характер изменения величины сопротивления композитов (старение) под воздействием циклических тепловых нагрузок, которые в наибольшей степени соответствуют эксплуатационным режимам работы. Старение в циклах определялось при фиксированных температурах в диапазоне от 473 до 763 К при длительности выдержки около 30 мин. в заданной температуре (рисунок 2).

Потеря электропроводности при Т > 623 К связана с температурной деструкцией, которая происходит при перекристаллизации и разложении гид-ратных новообразований в цементном калиге. Температурная деструкция разрушает целостность контактов и прерывает сквозную электропроводную структуру образца. Продолжительность теплового старения (п) связана с абсолютной температурой старения (Т) зависимостью !п(1/Т). С учётом этого при температуре 473 К тепловое старение начинается после (700 - 800) циклов. Старение резисторов обусловлено локализацией тока и мощности в областях структуры, где неоднородность выше, чем в среднем по объёму резистора. Неоднородность возрастает с увеличением сопротивления (уменьшением С]), поэтому высокоомные резисторы имеют менее стабильные электрические характеристики. Наибольшей стабильностью обладают резисторы из композиций с р0 = (0,3-0,4) Ом-м. Резисторы из этих композиций наиболее надёжны в эксплуатации. Под надёжностью любого изделия понимается свойство объекта выполнять функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.

Статистическая обработка данных по полным и частотным отказам позволила определить количественные показатели надёжности бетэловых резисторов: функцию распределения числа включений под нагрузку до отказа в нормированных режимах работы; среднее число включений резисторов под нагрузку до отказа.

На основании этих показателей определена основная характеристика надёжности - пропускная способность в виде зависимостей напряженности электрического поля (Е) от среднего числа включений под нагрузку ( п ) ко-

торых не наблюдалось отказов. Эта зависимость для всех испытанных резисторов описывается эмпирической формулой

nEy = const (5)

Значение коэффициента у составляет (5-6). Изменение ресурса пропускной способности в зависимости от удельного электрического сопротивления (р„) бетэла приведено на рисунке!. Зависимость имеет максимум, приходящийся на интервал значений - (0,30- 0,50) Ом-м. который обусловлен уменьшением однородности структуры при увеличении удельного электрического сопротивления бетэла (уменьшении С^) снижением механической прочности на разрыв при его уменьшении (увеличении СО [7,13].

Рисунок 1 - Интенсивность старения композитов с силикатными связками (бетэла) в зависимости от температуры нагрева образцов и концентрации электропроводной фазы: 1-С, >0,275 ; 2-С, <0,275

В третьей главе исследован рабочий ресурс композитных обогревателей при длительном включении под электрическое напряжение.

Особенностью использования композитных электрических обогревателей в электротепловых системах при интенсификации технологических процессов в промышленности и гидроэнергетическом строительстве является большая продолжительность их эксплуатации [12-13,23].

Для каждого вида применения обогревателей в зависимости от условий эксплуатации установлен необходимый период работоспособности. Например, если тепловые системы для интенсификации процессов твердения бетона полов и раствора стяжек кровли в зимний период должны выполнять свои функции в течение (160 - 700) часов, то система тепловой защиты грунтового основания гидротехнических сооружений ГЭС, предприятий ВПК и АПК от промерзания, в соответствии с требованиями технических условий, должна функционировать до 18000 часов [21]. В этой связи одной из важнейших задач, определяющих техническую эффективность применения композитных обогревателей, является определение ресурса работоспособности обогревате-

лей в различных режимах эксплуатации и разработка решений обеспечивающих заданный срок работоспособности [1,12].

Учитывая, что определение ресурса требует длительных испытаний, зачастую его определение проводится в ускоренном режиме. При ускоренном определении ресурса необходимо, чтобы причины выхода из строя были те же, что и в эксплуатационном режиме.

Значение испытательной мощности определяется температурой изделия, при которой ещё не происходит необходимого и резкого роста тока (перегрев и связанный с ним выход из строя) или сопротивления (выгорание токопроводящего компонента, разрушение материала). Эта температура устанавливается в эксперименте.

При использовании прямого метода определения связи времени испытания т и электрической мощности источника ^У, выбирается значение мощности W, заведомо обеспечивающее ускоренное старение. Эту мощность в случае, когда нагреватель теплоизолирован от металла и его ориентация обеспечивают теплоотдачу и тепловое излучение от всей поверхности, можно оценить из условия

1Г = Н(Т8 - Т0 )5 + К(Т* - Г04 )25, (6)

где Н, К - соответственно, коэффициенты конвективной и лучистой теплоотдачи; 5 - площадь большей грани нагревателя; - температура на поверхности нагревателя; Т0 — температура окружающего воздуха.

Для композитных материалов, подобных бетэлу, К > 5-Ю8 Вт- м"2 К"4, Н ~ 10 Вт- м-2 КГ1.

Приняв площадь бетэлового нагревателя Э ~ 0,1 м (для размера (0,40x0,25x0,025) м2, составляющую лучистой теплоотдачи в 3 и 4 можно приближённо записать в виде

-Т(?)~ К(Т5 - Т0)~(Т? -Тд ) , (7)

или с погрешностью менее 10 %

IV =

[т;-7Ь] (8)

и при Г5- 423 К, Т0 = 293 К, когда старение становится заметным, значение мощности составляет > 400 Вт.

Прямой метод не лишён упомянутого выше недостатка — медленного нагрева, при котором условия теплоотдачи изменяются. Однако этот метод достаточно прост и позволяет наиболее быстро получить результаты.

При исследовании рабочего ресурса композитных электрообогревателей предпочтение отдано прямому методу определения связи т и Испытаниям подвергались обогреватели, изготовленные из разных составов, имеющие разные, разбитые по группам, сопротивления, подключенные под напряжения разной величины. Таким образом, заведомо помещая обогреватели в неодинаковые условия по электрофизическим и тепловым параметрам, пред-

ставляется возможность установить опытным путём оптимальные режимы (сопротивление, ток, напряжение, мощность, температуру на поверхности и др.), при которых обеспечивается надёжная работа обогревателей - расчётное количество часов, а также определить и систематизировать зависимости этих параметров от состава композитов.

Экспериментальные исследования показали, что на ресурс работоспособности определяющее влияние оказывает удельная плотность тока, протекающего через композитный нагреватель. Оптимизация плотности тока позволяет исключить или значительно снизить количество отказов, связанных с выходом из строя токовводов. При значениях ] < 0,056 А- см"2 обогреватели сохранили работоспособность в течение( 18000 - 20000) часов, без заметного изменения параметров.

На рисунке 2 приведена зависимость ] = / (т) для обогревателей различного сопротивления.

1, Л см'2

1 11111111 1 11111111 ! |Е III!!!

* 373

\ ▲ \ У

1г Т / Щ - -

] 323 Ят-- 11 11

- - 1X1- 0> ■»»• ю.Вг

ГгЁ'^

"

1

г 1 -.1 Л—

101 101 103 10* т. час

Рисунок 2 - Зависимость рабочего ресурса (т ) обогревателей с различной величиной сопротивления от удельной плотности электрического тока (])

В четвёртой главе, основываясь на проведённых экспериментальных и теоретических исследованиях электропроводности и её связи со структурой, сформулированы и разработаны основные направления совершенствования и расширения функциональных свойств композитов с силикатными связками, определяющие решение наиболее важных задач:

- повышение бесперебойности работы, включающее: увеличение стабильности параметров композиций при постоянной и кратковременной периодической электрической нагрузке; увеличение допустимых напряжения диссипируемой энергии и скорости ввода энергии в объём материала;

- расширение функциональных возможностей за счёт: увеличения нелинейной зависимости удельного электрического сопротивления от напряжения; создание композиций, обладающих терморезистивным эффектом с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления;

- повышение физико-механических свойств: увеличение предела прочности при осевом сжатии и растяжении; снижение водо- и влагопоглощения [ 21].

Рассмотрен ряд физико-химических процессов и технологических приёмов, обеспечивающих решение этих задач. Например, к ним относятся:

1 Применение при производстве композиций специальных форм углерода с технологически регулируемой электропроводностью

В работе исследованы электрофизические свойства карбонизированного торфа и его форм, модифицированных растворами солей металлов. Установлена возможность регулирования в широких пределах его электропроводности путём применения различных модифицированных растворов (рисунок 3).

СГ 2 \ XI »

' л л ч у" г" \

< У 1

С.

0,3 0,4 0,5

Рисунок 3 — Зависимость удельной электропроводности композиций модифицированный карбонизированный торф- цемент от концентрации углерода [11—12]:

1—углерод Со2+ - формы; 2 - углерод №2+ - формы.

Разработаны технологические рекомендации, позволившие получить модифицированный карбонизированный торф с удельным электрическим сопротивлением на порядок выше (углерод А13+ - формы, ~ 0,79-10"2 Ом-м), чем у пекового кокса (~ 0,9-1°~30м-м). Созданные на его основе композиции при одинаковых объёмных концентрациях углерода, удельных сопротивлениях и напряжённостях электрического поля имеют большую [р= (5,0-5,5)]

нелинейность ВАХ по сравнению с композициями на пековом коксе [Р<2,0] [10-11].

2 Регулирование электропроводности композиции путём модификации химического состава материала в зоне непосредственного контакта частиц углерода.

Доказана принципиальная возможность и разработана технология изменения электрофизических свойств композиционных резисторов путём модификации химического состава материала и электрофизической структуры электропроводных областей композиции растворами различных солей [4—5].

3 Создание дополнительных электропроводных структур в композиции, обладающих отличной от углеродной (например, более нелинейной) зависимостью электропроводности.

Создан новый класс резистивных высоколинейных композиционных материалов на основе углерода, оксидов металлов и силикатного вяжущего. Разработана технология изготовления композиций и резисторов на их основе. Проведён комплекс исследований электрофизических свойств композиций с различными оксидами. Установлена степень влияния вида оксида и его объёмного содержания на удельное электрическое сопротивление, коэффициент нелинейности ВАХ, удельную диссипируемую энергию [2, 10].

В пятой главе на основании выполненных исследований электропроводных композитов, например, бетэла в слабых и сильных электрических полях, рабочего ресурса и параметров надёжности изделий были изучены перспективные области их применения в гидротехническом, сельскохозяйственном, промышленном и энергетическом строительстве.

Рисунок 4 - Модернизированная схема пазовой конструкции для обогревателей различного размера и электрическая схема подключения обогревателей.

Предложено применить композитные электрообогреватели для обогрева пазовых конструкций шлюзовых затворов гидроэлектростанций, работающих в пределах переменного уровня воды, с предотвращением образования нале-

ди в зимний период. Проектная металлическая пазовая конструкция предусматривала карманы для композитных обогревателей на суммарную мощность 48 кВт (рисунок 4) [21].

Для этих целей разработаны несколько конструкций модульного блока, греющий элемент в котором выполнен из электропроводных композитных пластин или цилиндрических дисков (рисунок 5).

Решением задач, возникающих при строительстве и эксплуатации грунтовых гидросооружений для ГЭС, мини-ГЭС и для предприятий ВПК и АПК в северо-восточной строительно-климатической зоне, явилось использование опыта разработки и эксплуатации электротепловых систем на основе композитных электрообогревателей. Электротепловая система должна обеспечивать защиту гребня плотины от промерзания в условиях эксплуатации и её тепловая мощность должна быть достаточной для поддержания заданной температуры грунта при возможных отрицательных температурах воздуха.

Рисунок 5 - Схема соединения электрообогревателей в "трековую" конструкцию:

1 — электропроводный композит;

2 — диэлектрическая серьга;

3 — металлический корпус;

4 - соединительная серьга.

Необходимое для обогрева гребня плотины количество тепла определяется

[3, 6] теплопотери с поверхности грунта

0 = (9)

расход тепла на подогрев грунта

(3 = ирсДТ, (10)

расход тепла на таяние льда и нагрев воды

(3 = иРл(свДТ+ слАТ+ч„л). (11)

где Т, - расчётная температура воздуха; Т2 - контрольная температура поверхности грунта; Я — термическое сопротивление грунта, Я = Иг / V (Ьг -толщина слоя грунта от поверхности до тепловой системы; V— коэффициент теплопроводности грунта); ГГ - объём грунта; р - плотность грунта; с - теплоёмкость материалов; ДТ - разность температур; я„л - скрытая теплота таяния грунта.

Очевидно, что эффективность и экономичность системы обогрева будет зависеть от удельной электрической мощности обогревателей, глубины заложения системы, температуры воздуха, что и подтверждено экспериментально.

Исследования рабочего ресурса композитных резисторов определили пути повышения их электрофизических параметров для различного класса напряжений

Решением проблемы электроснабжения в электроэнергетических системах является применение электрических схем для повышения качества управления электромеханическими переходными процессами, например, применением композитных резисторов в мощных устройствах электрического торможения (УЭТ) генераторов [1,8-9,12,21 -24].

Шунтирование главных дугогасительных контактов резистором — наиболее простой способ ограничения перенапряжений в электроэнергетических системах. Высокая эффективность, достигаемая при использовании композитного шунтирующего резистора, связана с особенностями изменения его сопротивления при воздействии напряжения с различными скоростями нарастания.

Решения, обеспечивающие повышение бесперебойности работы энергосистем основаны на применении мощных бетэловых резисторов (рисунок 6).

Исследования показали, что сопротивление резистора в момент срабатывания главных контактов, в результате воздействия больших перенапряжений снижается. Наиболее интенсивное снижение происходит в первые (10-20)мкс, обеспечивая эффективное срабатывание главных контактов. В дальнейшем, в момент срабатывания отделителя ~0,35 с, при подходе тока к нулю, сопротивление возрастает, эффект токоограничения в цепи отделителя увеличивается [7, 13].

С учётом ресурса пропускной способности резисторов разработана методика расчёта мощных резисторных установок (РУ). В ней использован вероятностно-статистический подход, позволивший учитывать случайный характер пропускной способности резисторов и воздействующих напряжений. Для расчёта по этой методике необходимо располагать: данными пропускной способности в виде зависимости Е (р0, т, п ). При этом по заданным значениям т и п , а также выбранному р0 (в диапазоне значений ~(0,30 - 0,40) Ом-м) определяются допустимые уровень напряжённости электрического поля и плотности тока. Затем, по номограммам, по найденным значениям Е и определяется необходимое число комплектующих резисторов и схема их соединения [12, 21].

Рисунок 6 - Конструкции бетэловых резисторов с диссипированной энергией за включение до 3,5 МДж

Ограничение больших токов при авариях и коммутациях с использованием композитных резисторов основано на демпфировании переходных и высокочастотных процессов. При этом подключение резисторов искровым промежутком не применяют. Включение резисторов в нейтраль трансформаторов позволяет использовать их для ограничения токов при однофазных коротких замыканиях. Для повышения надёжности работы шунтовых конденсаторных батарей применяют электрические схемы с композитными резисторами, подключаемыми параллельно каждой фазе конденсаторной батареи [7,12,21].

Перечисленные примеры использования бетэловых резисторов не исчерпывают всех областей их применения. Они могут, например, служить для защиты от феррорезонансных перенапряжений, использоваться для узкополосных фильтров высших гармоник преобразовательных подстанций и т.п.

[1,7].

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 Представлена концепция взаимодействия влияющих факторов, обусловленных низкими температурами в северо-восточных регионах, на применение специальных технологий в энергоснабжении объектов ВПК, АПК, ГЭС, мини-ГЭС, жилищно-бытовом секторе, которые раскрывают следующие факты:

- определена эффективность электротепловых технологий различного назначения;

— доказана экономичность применения электротепловых технологий, реализация которых не связана с доставкой энергоресурсов;

— показана целесообразность применения низкотемпературных композитных электрообогревателей для новых электротепловых технологий;

- проведена опытно-производственная проверка композитов с силикатными связками (бетэла) на экспериментальном полигоне;

- выполнены экспериментально-теоретические исследования электротепловых систем и разработана система управления режимами работы;

— представлен механизм электропроводности сложных композитов с применением перколяционной теории.

2 Разработана методика исследования влияния атмосферных условий на рабочий ресурс электротепловых систем с композитами на основе силикатных связок.

3 Определены предельные энергетические характеристики изделий из электропроводного бетона и зависимость от технологии их изготовления. Для композитов с р0 = (0,3-0,5) Ом-м резисторы способны рассеивать энергию до 0,4-108 Дж-м"3 и они рекомендованы для мощных резисторных установок.

4 Показана техническая эффективность применения протяжённых электротепловых систем на основе электрообогревателей из композитов с электрическим сопротивлением от 10 до 14 Ом.

5 Предложены новые электропроводные композиты на основе карбони-зованного торфа и его модифицированных форм с повышенной нелинейностью вольт-амперной характеристики [р = (5,0-5,5)].

6 Создан новый класс высоконелинейных композитов на основе техуг-лерода, оксида металлов и силикатного вяжущего с р > 30 и допустимой энергией рассеяния \ууд = (1,0-4,0)-10б Дж-м"3.

7 Предусмотрен способ снижения водопоглощения электропроводных композитов с силикатными связками до уровня от 1,18 до 2, 53 %.

8 Представлены рекомендации по использованию обогревательных элементов из электропроводных композитов в энергетическом, гидротехническом, промышленном, сельскохозяйственном и гражданском строительстве.

9 Рассмотрено использование мощных композитных резисторов и протяжённых электротепловых конструкций в электроэнергетических системах для электрического торможения генераторов, в качестве шунтов высоковольтных выключателей, в электрических схемах для ограничения опасных перенапряжений.

Список научных трудов по теме диссертации Статьи, опубликованные в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК

1 Манчук, Г.Р. Системный подход к анализу мероприятий повышающих надёжность электроэнергетических объектов / Г.Р.Мапчук, Г.А.Данилов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2013. - № 1. - С. 357-362.

2 Манчук, Г.Р. Разработка варисторов для нелинейных ограничителей перенапряжений / Г.Р.Манчук, Г.А.Данилов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2013. -№ 1. - С. 353-357.

3 Манчук, Г.Р. Теплофизический расчёт композитных конструкций для электрических станций северных регионов России // Г.Р.Манчук, С.В.Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2013. - № 2. —

С. 290-294.

4 Манчук, Г.Р. Фазовый состав и электропроводность композиций основных клинкерных минералов цемента с углеродом при различных условиях гидратации / Г.Р.Манчук, и Р.В.Манчук // Изв. высш. учеб. заведений. Строительство. - 2010. - № 5. - С. 22-29.

5 Манчук, Г.Р. Фазовый состав продуктов гидратации цементно-углеродистых композиций на различных цементах / Г.Р .Манчук, Р.В .Манчук // Изв. высш. учеб. заведений. Строительство. - 2008. -№ 11-12. - С. 19-25.

6 Манчук, Г.Р. Предотвращение обледенения ступеней открытых входов станций метрополитена / Г.Р.Манчук, Р.В.Манчук // Изв. высш. учеб. заведений. Строительство. - 2005. - № 11-12. - С. 94-103.

7 Манчук, Г.Р. Стабилизация электрофизических параметров композитов для агропромышленных коплексов и электростанций / Г.Р. Манчук, C.B. Горелов [и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб и Дал. Вост. - 2014. - №1-2. - С. 280-286.

8 Манчук, Г.Р. Перспективы энергоснабжения сельскохозяйственных и промышленных объектов в труднодоступных районах с суровым климатом / Г.Р.Манчук, С.В.Горелов, В.П.Горелов // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2014. - №4. - С. 251-256.

9 Манчук, Г.Р. Закономерности изменения эленктрофизических характеристик электротехнических композитных материалов / Г.Р.Манчук, С.В.Горелов [ и др.] // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2015. - №1. -С. 218-222.

Статьи, опубликованные в российских изданиях; материалы международных и всероссийских конференций

10 Манчук, Г.Р. Особенности электропроводности бетэла в сильных электрических полях / Г.Р.Манчук, С.В.Горелов, Р.В.Манчук // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2003. -№ 2. - С. 158-165.

11 Манчук, Г.Р. Электрофизические свойства композиций углерод-оксид-силикатное вяжущее / Г.Р.Манчук, Р.В.Манчук // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2003. - № 2. - С. 166-173.

12 Манчук, Г.Р. Электрофизические свойства композиций карбонизо-ванный торф-силикатное вяжущее / Г.Р.Манчук, Р.В.Манчук II Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2003. -№ 2. - С. 174-182.

13 Манчук, Г.Р. Разработка резистивных композиционных материалов в России / Г.Р.Манчук, С.В.Горелов, П.В.Горелов, В.П.Прохоров // Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. - 2002. - № 1. - С. 84-90.

14 Манчук, Г.Р. Электропроводные наполненные полимеры / Г.Р.Манчук [и др.] // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: тр. междунар. науч.-техн. конф., Новосибирск, 18-19 дек. 2002. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. води, трансп., 2002. - С. 56-63.

15 Манчук, Г.Р. Температурный коэффициент сопротивления и особенности структуры бетэла / Г.Р.Манчук, Р.В.Манчук, АЛЛеонов // Науч.

пробл. транш. Сиб. и Дал. Вост. - 2002.-№ .-С. 144-151.

16 Манчук, Г.Р. Реактивные параметры бетэла в слабых переменных полях / Г.Р.Манчук, Г.В.Шувалов, АЛЛеонов // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: тр. междунар. науч.-техн. конф., Новосибирск, 1819 дек. 2002. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2002. - С. 152-158.

17 Манчук, Г.Р. Особенности гидратации цемента в системе углерод-цемент-вода / Г.Р.Манчук, Р.В.Манчук // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: тр. междунар. науч.-техн. конф., Новосибирск, 18-19 дек. 2002. — Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2002. — С. 205-212.

18 Манчук, Г.Р. Электропроводные композиции с дисперсными ингредиентами / Г.Р.Манчук, С.В.Горелов [и др.] // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: тр. междунар. науч.-техн. конф., Новосибирск, 18-19 дек. 2002. — Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2002. — С. 293— 299.

19 Манчук, Г.Р. Устойчивость узла нагрузки сети (6-10) кВ как параметр электромагнитной совместимости / Г.Р.Манчук [и др.] // Актуальные проблемы и перспективы инновационного развития современной России: тр. междунар. науч.-прктич. конф., Нижневартовск, 15 мая 2014. — Нижневартовск: Нижневарт. филиал ОмГТУ, 2014. — С 21—26.

Отчёты о научно-исследовательских работах

20 Рекомендации по сниженню несимметрпи напряжений в электрических сетях общего назначения: отчёт о НИР (промежуточн.), г/б—11 / ФБОУ ВПО "Новосиб. гос. акад. водн. трансп."; рук. Горелов В.П.; исполн. Манчук Г.Р. [и др.]. - Новосибирск: [б.и.], 2013. 140 с. - Библиогр.: С. 127 -140. -ГР №01.88.0004137. -Инв.№02201362996.

21 Проводимость электрически неоднородных композитов для электросетевых конструкций: Часть 1: отчёт о НИР (промежуточн.) г/б —11/ ФБОУ ВПО «Новосиб. гос. акад. водн. трансп.»; руков. Горелов В.П.; исполн. Манчук Г.Р. [и др.]. - Новосибирск [б.и.], 2014. - 126 с. - Библиогр.: С. 91— 109. - ГР № 01.88.0004137. - Инв. № 02201453316.

22 Проводимость электрически неоднородных композитов для электросетевых конструкций: Часть 2: отчёт о НИР (промежуточн.) г/б — 11 / ФБОУ ВПО «Новосиб. гос. акад. водн. трансп.»; руков. Горелов В.П.; исполн. Манчук Г.Р. [и др.]. - Новосибирск [б.и.], 2014. - 134 с. - Библиогр.: С. 154168.- ГР № 01.88.0004137.- Инв. № 02201453649.

23 Парадигма применения технических средств на трансформаторной подстанции со сдвоенным токоограничивающим реактором: отчёт о НИР (промежуточн.) г/б - 11 / ФБОУ ВПО «Новосиб. гос. акад. водн. трансп.»; руков. Горелов В.П.; исполн. Манчук Г.Р. [и др.]. - Новосибирск: [б.и.], 2014. - 168 с. - Библиогр.: С. 154-168. - ГР № 01.88.0004137. - Инв. № 02201453634.

24 Работа электрических сетей общего назначения в регионах с су-

ровыми климатическими условиями: отчёт о НИР (промежуточн.) г/б —11 / ФБОУ ВПО «Новосиб. гос. акад. води, трансп.»; руков. Горелов В.П.; исиолн. Манчук Г.Р. [и др.]. - Новосибирск: [б.и.], 2014. - 134 с. - Библиогр.: С. 119-134. - ГР № 01.88.0004137. - Инв. № 02201454154.

25 Электропроводные композиты в электроэнергетических системах регионов с суровым климатом: отчёт о НИР (промежуточн.): г/б — 11/ ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта»; руков. Горелов ВЛ.; исполн. Манчук Г.Р. [и др.]. - Новосибирск : [б/и], 2015. -204 с. - Библиогр.: с.193 - 204. - ГР № 01.88.0004137. - Инв. № 215021070045

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

Подписано в печать 24.06.2015г. с оригинал-макета

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

Усл. печ. л. 1,3. Тираж 130 экз. Заказ № 67. Бесплатно

ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта»

ФГБОУ ВО «СГУВТ».

630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33.

Отпечатано в типографии ФГБОУ ВО «СГУВТ»