автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Разработка метода расчета электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины воздушных линий

,5 О»

^ Ц ВЭД На правах рукописи

ШЕРГУНОВА НАТАЛЬЯ АЛЕКСЕЕВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭПРОТИВЛЕНИЯ НАТУРАЛЬНОЙ И КОНСЕРВИРОВАННОЙ 'ЕВЕСИНЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

Специальность 05.22.09 - Электрификация железнодорожного транспорта.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель-доктор технических наук, профессор В. Н. Яковлев.

САМАРА -19 9 8-

Работа выполнена в Самарском Институте инженеров железнодорожного транспорта (Сам И ИТ)

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.Н. Яковлев

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В.П. Михеев кандидат технических наук В.И. Бушуев

Ведушее-предприятие—Куйбышевская железная дорога.

Защита диссертации состоится 29 декабря 1998 г. в 14 - 00 на заседании диссертационного совета К 114.11.01. в

_Уральской государственной академии путей сообщения по адресу

г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, ауд. 283.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УрГАПС. Автореферат разослан 27 ноября 1998 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета академии.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор о/ (7

ПОПОВ В.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.,

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Широкое и разнообразное применение древесины во всех отраслях народного хозяйства объясняется редким сочетанием в этом природном материале многих положительных качеств. Растёт потребность в древесине, широко используемой в качестве изолирующих и опорно-поддерживающих конструкций контактной сета, BCJI СЦБ, в цепях ГГЭ, опорных и крепёжных деталей трансформаторов, пазовых клиньев электрических машин, сырья для химической и химико-механической переработки в листовые и плитные материалы - бумага, картон, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и другие композиты. Электрические свойства древесины играют большую роль при решении проблемы грозоупорности линий электропередачи 35-^220 кВ и более на деревянных опорах и их возгораемости от токов утечки и т.п. Вместе с тем, своеобразные и ещё мало изученные особенности древесины не позволяют использовать её с должным эффектом, вызывают необходимость обеспечения специалистов различных отраслей народного хозяйства достоверной информацией о характеристиках физико-механических свойств конструкционной древесины, особенно, в электросетевом строительстве. Глубокие и всесторонние исследования древесины необходимы для совершенствования и создания новых электроизоляционных материалов, применяемых в системах электрической изоляции, разработки рациональных типов (ТВО, ТСО, ДО, ДНО и др.) опорно-поддерживающих конструкций воздушных линий; улучшения природных свойств и изыскания новых областей применения древесины.

Одним из важных моментов рационального и экономичного использования лесных материалов является повышение срока службы изделий и объектов, выполненных из древесины. Древесина в эксплуатации подвержена воздействию и разрушению разнообразными факторами:

климатическими, агрессивными средами (атмосферными, почвенными, биологическими, подводными) и др. Поэтому недооценка роли химической защиты древесины приносит народному хозяйству значительный ущерб. По литературным данным, ежегодные потери из-за неполноты защитных работ рцениваготся в 1.5 млрд.р. Для заготовки 20 млн.м3 древесины, идущей на противогнилостный ремонт, ежегодно неоправданно вырубается 300 тыс.га леса.

Придавая большое значение проблеме рационального и экономичного использования Совет Министров СССР принял в 1984 году постановление "Об улучшении использования лесосырьевых ресурсов" и "О дополнительных мерах эффективности использования древесины и отходов в народном хозяйстве", которыми предусмотрено увеличение объёмов химической защиты древесины и расширение научно-исследовательских работ в области защиты древесины и материалов на её основе от увлажнения, биоразрушения и возгорания, в том числе совершенствование защитных средств и методов консервирования.

Необходимость расширения использования древесины в качестве изолирующих несущих конструкций и проведение научных исследований электрических свойств деревянных конструкций ВЛ с учётом природно-климатических нагрузок, отмечается как важнейшая задача в решении Межреспубликанской научно-технической конференции "Совершенствование методов эксплуатации и разработка способов защиты от возгорания воздушных линий электропередачи железных дорог в районах с загрязненной атмосферой (27-29 сентября 1989 г., Ташкент).

Представленные в диссертационной работе исследования проводились автором во время выполнения ПИР по приказам Министерства путей сообщения СССР (Проблема 054.01.02.10 "Разработка и внедрение высокоэффективных технологических процессов и технических средств в хозястве электрификации и энергетики"), Среднеазиатской железной дороги,

линейных предприятий (ЭЧ), госбюджетной тематике и хозяйственным договорам с Центральным научно-исследовательским институтом механической обработки древесины (ЩШИМЮД, Архангельск). Работа с 1985 г. выполнялась в Ташкентском институте инженеров железнодорожного транспорта завершена в Самарском институте инженеров железнодорожного транспорта имени М.Т. Елизарова в 1998 г.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка метода расчёта электрического сопротивления натуральной л консервированной древесины сосны на базе комплексных экспериментальных исследований с учётом температурно-влажностных факторов влияния.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1. Анализ результатов исследования физических процессов взаимодействия температурно-влажностных и других факторов с твёрдым капиллярно-пористым коллоидным материалом, влияющих на электрические параметры и характеристики натуральной и консервироватюй древесины сосны.

2. Исследование влияния температурно-влажностных режимов на гигроскопичность (влагопоглощение) и электрическое сопротивление натуральной и консервированной древесины.

3. Разработка метода расчета электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины, ВЛ эксплуатирующейся в различных температурно-влажностных режимах.

4. Определение критерия влагостойкости электроизоляционных твёрдопористых волокнистых материалов па базе древесины.

5.Аиализ причин и опенка отказов несущих и поддерживающих конструкций ВЛ системы продольного электроснабжения.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основные научные положения проблемы исследования электрического сопротивления органических

электроизоляционных материалов в диссертации решены при разработке

теоретического метода расчёта электрического сопротивления

твёрдопористых волокнистых материалов на базе природной древесины.

ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием фундаментальных законов и положений теоретических основ электротехники, теории электроматериаловедения, методов математического моделирования и математических методов обработки научных результатов, теории электрических сетей и систем, основных положений теории электроснабжения элекгрофицированных железных дорог, эксплуатации и надежности воздушных линий элекгронередачи.

В экспериментальном разделе работы использованы стандартные методы испытаний электроизоляционных органических материалов, современные техника и средства измерений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

- разработан метод расчёта электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины с учетом влияний различных температурно-влажностных режимов среды;

- исследована гигроскопичность (влагопоглощение) натуральной и консервированной древесины в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха;

- впервые проведены комплексные исследования электрического сопротивления натуральной и консервированной . древесины в двух температурно-влажностных режимах при изменении в широком диапазоне температуры и относительной влажности воздуха;

- обоснован критерий влагостойкости электроизолиционных материалов на основе твёрдопористых волокнистых диэлектриков природного происхождения - древесины.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Проведённые теоретические и экспериментальные исследования натуральной и консервированной древесины сосны позволили обосновать критерий её влагостойкости, дать качественную и количественную оценку гигроскопичности и электрическому сопротивлению древесины, пропитанной следующими химическими защитными препаратами: органическими, неорганическими (минеральными), фенольными, фтористыми, хлординковыми, медьсодержащими и хромсодержашими; установить и выбрать для защиты несущих и опорно-поддерживающих конструкций ВЛ эффективные химические защитные средства, повышающие электроизоляционные свойства древесины в сложных почвенно-климатических условиях эксплуатации и воздействия токов утечки, предложить математическую модель ожидаемого числа возгораний деревяшшх элементов ВЛ 10 кВ системы продольного электроснабжения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Диссертация и её разделы докладывались на всесоюзных, республиканских, межвузовских и кафедральных научно-технических конференциях: "Перспективные системы и совершенствование устройств электрической тяги на железнодорожном транспорте и электромашиностроение"(Ленинград.1991 г.), НТК молодых учёных и специалистов Средней Азии по экологическим проблемам бассейна Аральского моря "Актуальные вопросы экологии бассейна Арала" (Нукус, 1991 г.); научно-технических конференциях ТашИИТа (Ташкент, 1988 - 1995 гг.); технических советах служб электроснабжения Среднеазиатской (Ташкент, 1989 - 1992 гг.) и Туркменской (Ашхабад, 1990 - 1993 гг.) железных дорог.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты исследований нашли отражение в 6 печатных работах, опубликованных в журналах "Электричество", "Электрическая и тепловозная тяга", межвузовских сборниках научных статей и тезисах НТК.

ОБЪЁМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 105 страниц основного текста, в том числе рисунков 53, таблиц 23, списка литературы на 7 страницах, а также приложения на 44 страницах.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Общая К01щс1щия комплексных экспериментальных исследований гигроскопичности (влагопоглощения) и электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины сосны в зависимости от изменения в широком диапазоне температуры и относительной влажности воздуха в двух температурно-влажностных режимах испытания, вида и концентрации химических защитных препаратов защиты древесины.

2. Метод расчёта электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины сосны с учётом воздействия температурно-влажностного фактора среды, вида и концентрации химической пропитки.

3. Критерий влагостойкости твёрдопористых волокнистых электроизоляционных материалов на основе натуральной и консервированной древесины.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулированы цели и задачи исследования.

Впервой главе выполнен критический анализ основных критериев влагостойкости органических электроизоляционных материалов, которыми являются: величина удельного объёмного электрического сопротивления, угол смачивания поверхности диэлектрика водой, константы диффузии влаги в диэлектриках, диэлектрическая проницаемость или тангенс угла диэлектрических потерь, электрическая прочность, водо- или влагопоглащаемостъ. Проанализированы законы Фика, описывающие сложный процесс диффузии и сорбции паров влаги в органических

изоляционных материалах; закон Генри, устанавливающий взаимосвязь количества поглощённой влаги с давлением паров воды, окружающей материал, и количеством паров воды, растворившихся в нём; метод равновесного влагопоглощения, предложенный Эндрюссом и Джонсоном(1924г.) для расчёта коэффициентов диффузии.

На основании анализа многочисленных исследований приведена качественная и количественная оценка электропроводности органических диэлектриков. Особое внимание при этом уделено оценке электрических свойств твёрдоволокнистых пористых изоляционных материалов природного происхождения.

Решению многих аспектов, связанных с использованием влияния различных факшв на свойства электроизоляционных органических материалов и систем электрической изоляции, а также проведению их электрических испытаний и измерений посвещенны труды ряда учёных и специалистов: И.П .Богородицкого, A.M. Боровикова, IO.A. Варфоломсева, Й.В. Жестяшцикова, В.А. Каргина, В.А .Корицкого, Г.А. Лущейкина, М.М. Михайлова, В.В. Маслова, И.Я. Мягкова, В.В. Пасынкова, A.II. Познаева, Б.И. Сажина, П.С. Серговского, Б.М.Таресва, Г.Н. 'Горговпикова, Б.Н. Уголёва, В.Н. Яковлева, С.А. Яманова и др.

Вторая глава посвящена разработке методик и программ по проведению экспериментальных исследований и испытаний натуральной и консервированной древесины; разработке требований: к отбору образцов древесины и их пропитке химическими препаратами; отбору видов химических препаратов и концентрации пропиток образцов, электродов и электродным измерительным устройствам, и проведению электрических измерений. В главе приводится анализ погрешностей, возникающих при выполнении измерений электрического сопротивления древесины и определении гигроскопичности ее образцов.

Втретьей главе приведены результаты комплексных исследований влияния влажности и температуры среды, различных

химических защитных препаратов с различной концентрацией пропитки древесины на ее гигроскопичность.

Для исследования гигроскопичности пропитанной древесины были использованы современные эффективные препараты и вещества антисепггиков и антипиренов: органические (КМ), неорганические (минеральные) - -(КФА, ФН, ХЦ), фенольные (ПХФН), медьсодержащие (НМ), хромсодержащие (ХМ), комбинированные (ФБС, БС-13, ДМ) и входящий в состав комбинированных препаратов сульфат - аммония (СА).

По типу растворимости исследуемые пропиточные химические препараты и вещества использовались как растворимые в воде (ФН, ПХФН, СА) и в органических растворителях (НМ, ХМ, КМ). По вымываемости: на легко вымываемые (КФА, ФН и др), трудновымываемые (ПХФН) и невымываемые (КМ, ХМ и НМ). По количеству компонентов: однокомпонентные (КФА, ФН, ПХФН, НМ и КМ) и многокомпонентные (ХМ, БС-13, ФБС, ДМ).

Исследованиями установлено, что на интенсивность изменения гигроскопичности древесины сосны оказывают воздействия следующие основные факторы: температура и влажность среды, разновидность химических препаратов и их концентрация, а также характер темнературно-влажностных режимов испытания.

Следует отметить тенденцию к разделению исследуемых антипиренов и антисептиков на две четко обозначенные группы, каждая из которых характеризуется своим диапазоном изменения гигроскопичности. Так, у исследуемых антисептиков первая группа состоит из: натуральной древесины и ФБС-211, для которой характерным диапазоном изменения гигроскопичности является (4.0 ч- 4.35)-10"' г/см3, а вторая группа объединяет: КМ, ХМ, НМ - диапазон изменения - (4.62 •4.83)-10"1 г/см3.

Состав антисептиков, входящих в эти группы, как и разброс этих групп по величине влагопоглощения, четко просматривается, особенно, при низких постояшшх температурах испытания.

а) б)

Рис. 1 а. Зависимость осредненных объемных сопротивлений образцов древееинБггосны от-тсмпературы при постоянной- влажности

Рис. 1 б,.Зависимость осредненных поверхностных сопротивлений образцов древесины сосны от температуры при постоянной влажности

Рост температуры окружающей среды приводит к увеличению гигроскопичности древесины. Аналогичный характер изменения гигроскопичности отмечается и у образцов древесины, пропитанной антипиренами.

Установлено, что по изменениям гигроскопичности наиболее приемлемым препаратом защиты от биоразрушений древесины несущих и опорно-поддерживаюхцих конструкций контактной сети к ЛЭП, является антисептик ПХФН, а для огнезащиты - борсодсржащий антипирен БС-13, которой одновременно является эффективным, биоогнезащитным препаратом.

В работе приведены комплексные исследования по изучению изменения поверхностного (Rs) и объемного (Rv) сопротивления натуральной древесины в широком диапазоне температур от -35°С до 0°С. Величина Rs изменяется от 1.5-Ю10 до 7Т012 Ом, а величина R», в указанном диапазоне температур от 2Т0П до 1013 Ом.

Результаты изменения величин Rs и R, в диапазоне положительных величин от 0°С до 95°С, приведены на рис. 1. Зависимости Rs и Rv от температуры в диапазоне от -35°С до 95°С имеет нелинейный характер. В работе приведены результаты экспериментальных исследований изменения удельного объемного (/?„) и поверхностного (р() сопротивлений образцов древесины, пропитанных защитными

препаратами: КМ, ХМ и ПХФН.

На рис.2 приведены зависимости д, древесины, пропитанной ПХФН, от температуры при постоянной относительной влажности воздуха. Характер изменения кривых типичен для изменения р,,, образцов, пропитанных КМ и ХМ. Сравнивая результаты исследований изменения р,, _ образцов древесины от влажности при постоянной температуре с величиной изменения рг этих же образцов от температуры при постоянной относительной

влажности, можно отметить, что в обоих режимах эксперимента, влажность оказывает существенное влияние па уменьшение д,.

р.)

Рис. 2. Зависимость удельного объемного сопротивления древесины сосны от температуры при постоянной относительной влажности воздуха. Древесина антисептирована ПХФГЬ-100% концентрации (по ТУ 6-04-6-80)

По данным эксперимента установлено, что концентрация древесины, пропитанной препаратом ПХФН, слабо влияет на изменения д, в двух температурно-влажностных режимах, поэтому защитный химический препарат ПХФН можно считать наиболее эффективным для придания древесине несущих и поддерживающих конструкций ВЛ устойчивых изоляционных свойств, особенно в районах с повышенной влажностью.

Вчетвёртой главе разработан метод расчета электрического сопротивления с учетом влияния температуры и относительной влажности воздуха, вида и концентрации химической пропитки. Согласно этого метода электрическое сопротивление древесины выражено произведением трех функций, каждая из которых зависит только от одного аргумента:

/.(б)= А ехр [[а£+а2<Э 2+а3<3. /2(}У )= ехр \( АХ1У +АгШ г+А3Ж /3 (6> ) = ехр Г Г В,0 + Вг9 2+В,0 3

где /'о -С (ехр а 0); О . величина (процент) нроннткн древесины соответствующим-препаратом; —относительная влажность воздуха; # его температура; «0, а,,а2,а},А1,Л2,Л3,В1,В2,В3, С - постоянные параметры.

Значения постоянных параметров уравнений (1) элекгрическоп сопротивления консервированной древесины приведены в таблице 1.

Приводятся в окончательном виде формулы расчета объемного ( поверхностного сопротивления натураиыюй древесины сосны » зависимого от <2. и 0 (параметры осредненныс).

— - Объемное сопротивление Яу для () = О

АУ (£>,»',&) - 4.02 ■ 10П ехр(- З.ЗТ'У 5М/2 - 6.83Ж3 -

4.97 -1О~20 - 10.15 - 1О~402 + 11.15 • 1СГ66>3)

(2)

(3)

Поверхностное сопротивление для Ях для О — О

= 1-36 1012 ехр (-6.56^ + 16Ж 2 -22.23 И'3 --4.83-1О~20-10.80 1О~402+13.2Ю~603) .

Относительная среднеквадратичная погрешность рассчитанные логарифмов различных сопротивлений по разработанному методу щн параметрах, найденных для каждого значения не превышает 2-4%. Дл> генерализованных (осредненкых) параметров - 3 -5%.

По теории метода расчета электрического сопротивления составлен* программа на ПЭВМ на алгоритмическом языке Турбо-Паскаль .Результата расчета электрического сопротивления по удельному объемному

Относительная влажность, %

Рис. 3. Зависимость логарифма сопротивления (объемное)

консервированной древесины сосны от влажности при постоянной температуре воздуха и 100% концентрации пропитки:

а) антисептик - КМ ГОСТ 2770-74;

б) антисептик - ХМ 11 ГОСТ 23787. 8-80;

в) антисептик - ПХФН ТУ 6-04-6-80. Цифры - значения температуры воздуха

сопротивлению древесины, пропитанной препаратами: КМ, ХМ и ПХФН, ш разработанному методу приведены на рис. 3.

Впятойглаве рассмотрены вопросы эксплуатации и надежносп двухцепных воздушных линий 10 кВ системы продольного электроснабжени; железных дорог.

Для оценки числа возгораний деревянных траверс и опор был; разработана методика расчета, согласно которой получено

п - N т Р

1 - К

1 " & с ш

(4)

где п - число возгораний древесины на ВЛ; N - число увлажнений древесины в конкретных условиях; т - количество деревянных опор ш линии (или участке); Г - функция нормального распределения; ±.Л -коэффициент состояния древесины на ослабленном участке (участок траверсы вблизи укосины и штыря); С3 - коэффициент вариации распределения Лапласа.

Расчетное удельное число возгораний деревянных элементов В Л ШкВ, определенное с использованием выражения (4) составило 1,2 на 100 км в год, по опыту эксплуатации -1,3 .

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ:

1. Разработан метод расчета электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины для равновесных условий среды.

2. Проведены комплексные экспериментальные исследования гигроскопичности натуральной древесины и древесины, пропитанной современными эффективными препаратами и веществами антисептиков и антипиренов: органические (КМ), неорганические (минеральные - КФА, ФИ, ХЦ), фенольные (ПХФН), медьсодержащие

Таблица 1.

Параметры уравнений электрических сопротивлений консервированной древесины сосны

Вид древесины Электрическая величина* Постоянные параметры

Л, а, а2 аз

Консервированная ' КМ ру Ом • см 4.71- 1012 .11.7 14.43 -20.86

Р3 Ом 1.10- 1013 7.48 9.29 -13.62

Консервированная ХМ-11 ру Ом-см 4.43- 1012 8.01 11.35 -16.35

Р;; ОМ 9.20- 1012 4.00 1.71 -2.47

Консервированная ПХФН Ом ■ см 2.31- Ю12 1.079 2.484 -3.49

Рз Ом 6.46■ 1015 -6.34 -1.25 1.75

Продолжение таблицы 1.

Вид древесины Электрическая величина* Постоянные параметры

А, А2 А3 в, в2 В3

Консервированная КМ ру Ом • см -4.62 4.16 -5.13 -3.39- 10"2 3.49- 10"4 -1.29- 10"6

р5 Ом -4.79 5.09 -6.29 -5.13- 10"2 -4.19' 10"4 4.63- 10"6

Консервированная ХМ-П. ру Ом-см -4.67 8.21 -10.15 -4.71- 10"2 -0.81- 10"4 0.76- 10"6

Р8 Ом -5.37 7.62 -9.40 -4.55- КГ2 -3.16- ю-4 3.52- 10"6

Консервированная ПХФН Ру Ом-см -10.5 14.44 -1.7.85 -3.67- 10"2 0.483- 10"4 -0.497- 10'6

р5 Ом -10.4 14.05 -17.41 -4.16- 10"2 1.40- 10"4 -1.50- 10"6

*Ру, р - объемное, поверхностное, удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления соответственно.

(ИМ), хромсодержащие (ХМ), комбинированные (ФБС, БС-13, ДМ) и входящий в состав комбинированных препаратов сульфат - аммония (СА). Анализ полученных экспериментальных данных позволил выявить и установить наиболее эффективный химический защитный препарат, придающий древесине высокую устойчивость к влажности, которым является ПХФН 75% концентрации.

3. Проведены экспериментальные исследования Ry и Rs натуральной древесины в двух температурно-влажностных режимах (первый режим относительная влажность - const, температура - var; второй режим температура - const, относительная влажность - var.), а также от вида и степени концентрации защитных химических препаратов КМ, ХМ, ПХФН. Установлено, что препарат ПХФН 75% концентрации пропитки является наиболее эффективным для стабилизации изоляционных свойств древесины несущих конструкций BJI, особенно в районах с повышенной влажностью.

4. По методу расчета электрического сопротивления составлена программа на ПЭВМ на алгоритмическом языке Турбо-Паскаль. Сравнение теоретической и экспериментальной зависимости показывает их удовлетворительное совпадение.

5. Основным критерием влагостойкости электроизоляционного материала является ее удельное объемное сопротивление, полученное в процессе выдержки образцов в условиях постоянной температуры (20 -г 80°С) и переменной относительной влажности (20 95%).Критерий влагостойкости натуральной древесины р., составляет величину - (109 -г- Ю10) Ом-см, а консервированной - (Ю10 1013 ) Ом-см, в зависимости от вида химической пропитки.

6. В целях проведения эффективных профилактических мероприятий от био- и огнеразрушений деревянных элементов несущих и опорно-поддерживающих конструкций BJI продольного электроснабжения, целесообразно ввести в структуру служб электроснабжения дорог

квалифицированный персонал, отвечающий только за

мониторинг состояния элементов ВЛ и их химическую защиту. Предложена математическая модель ожидаемого числа возгораний деревянных элементов В J1 10 кВ системы продольного электроснабжения. Расчетное удельное число возгораний деревянных элементов ВЛ ЮкВ, составило 1,2 на 100 км год, по опыту эксплуатации- 1,3 .

7. Технико - экономический эффект но результатам химической защиты деревянных элементов несущих и опорно-поддерживакяцих конструкций ВЛ продольного электроснабжения от биоразрушений составляет 67,8 тыс.руб (цены 1990 г.) на 1 км линии.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Денисов Ю.М., Сергеев А.И., Шаповалова H.A., Яковлев B.IL Электрическое сопротивление натуральной и консервированной древесины сосны // Электричество.-1994. - №4. - С. 21-26.

2. Яковлев В.Н., Шаповалова H.A. Атиссптирование древесины // Электрическая и тепловозная тяга. - 1994. - № 4,- С. 47-48.

3. Шаповалова H.A., Яковлев В.Н., Варфоломеев Ю. А. Исследование гигроскопичности сосны, пропитанных химическими средствами защиты: Сборник научных трудов/ ЦНИИМОД.-Архангелъск^ 1994. - С. 34-43.

4. Шаповалова H.A., Яковлев В.Н. Метод расчета электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины сосны /Повышение надежности и эффективности полупроводниково-преобразователышй техники в устройствах электрических железных дорог: Сборник научных трудов/ПГУПС - СПб. - 1995. - С. 79-86.

железнодорожном транспорте и электромашиностроение. / Тезисы докладов конференции, посвященной 100 - летию со дня рождения члена корреспондента АН СССР А.Е. Алексеева. - Л. - 1991. - С. 92 - 93.

6. Шаповалова Н.А., Яковлев В.Н. Защита деревянных элементов ВЛ ЮкВ железных дорог в условиях Приаралья //Актуальные вопросы экологии бассейна Арала: Тезисы докладов НТК молодых ученых и специалистов Средней Азии по экологическим проблемам бассейна Аральского моря. - Ташкент. - 1992. - С. 102 - 103.

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НАТУРАЛЬНОЙ И КОНСЕРВИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ СОСНЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

/

г *

■ и"

Подписано к печати 24. 11. 98 г. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Объем 1 усл. печ. л. Тираж 100. Заказ №

Тип УрГАПС 620034 г. Екатеринбург ул. Колмогорова, 66

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕМ СООБЩЕНИЯ РОССИИ Самарским институт инженеров железнодорожного транспорта

На правах рукописи

УДК 674.04;

621.315; 668.1.

Шергунова Наталья Жлвш.севшна,

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НАТУРАЛЬНОЙ И КОНСЕРВИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

Специальность 05.22.09 - "Электрификация железнодорожного транспорта"

Диссертация на соискание ученом степени

кандидата технических наук

Научным, руководитель-доктор технических: наук,

профессор В.Н. Яковлев

Г

САМАРА - 1938 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ.................................,........................................................................5

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ

ЗттТ7тГ' : ' ■ ./"X! г ¡--^л ту ТТ * / Ч ? ? ' в % д 4 '54 'Т^Т ~Ж К ^ ЛЫЧ. I ГЦЦуШЛУ!! 1Ж/1Ш1Л 1 ГЛ' ____...........................................и

1.1. Критерии электрической изоляции органических диэлектриков.... 13

1.2. Качественная оценка электропроводности органических диэлектриков......................................................................................................21

1.3. Количественная оценка электропроводности твердоволокнистых электроизоляционных материалов на базе древесины.....................................25

1.4. Анализ электропроводности консервированной древесины............34

1.5. Обсуждение проблемы и задачи диссертационной работы.............35

Глава 2. МЁТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАТУРАЛЬНОЙ И

КОНСЕРВИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ВОЗДУШНЫХ

ЛИНИЙ.....................................................................................................40

2.1. Методика экспериментальных исследования электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины воздушных линий...................................................................................41

2.2. Методика исследования гигроскопичности древесины....................45

2.3 Математическая обработка экспериментальных данных...................46

.Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАТУРАЛЬНОЙ И КОНСЕРВИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ............................................................................50

3.1. Результаты исследования гигроскопичности (влагопоглощения)

.л?

3.2. Результаты исследования электрического сопротивления древесины..................................... ...........................................................60

3.3. Выводы по третьещ главе....................................................................69

Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ НАТУРАЛЬНОЙ И КОНСЕРВИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ..................................................71

4.1. Метод определения электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины сосны при равновесных условиях..................71

4.2. Обоснование критерия влагостойкости электроизоляционных твердопористых волокнистых материалов......................................................79

4.3. Выводы по четвертой главе...............................................................84

Глава 5. ЭКСПЛУАТАЦИЯ И НАДЕЖНОСТЬ ДВУХЦЕПНЫХ

ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ СИСТЕМЫ ПРОДОЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ...........................85

5.1 Анализ состояния поверхности несущих и опорно-поддерживающих конструкций ВЛ, находящихся в эксплуатации.....................................85

5.2 Разработка системы химической защиты В Л 10 кВ продольного электроснабжения.........................................................................87

5.3 Оценка ожидаемого числа возгораний деревянных несуших и поддерживающих конструкций воздушных линий системы продольного электроснабжения..........................................................................91

5.4. Выводы по пятой главе.....................................................................97

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РАБОТЕ...........................97

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................100

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.............................................................................................108

1.Таблица 15. Результаты испытания по определению влагопоглощения образцами древесины различных защитных препаратов пропитки..........................................................................................................108

2.Акт о пропитке образцов древесины различными защитными препаратами.....................................................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.............................................................................................121

Параметры зависимости логарифма (натурального) сопротивления натуральной и консервированной древесины от внешних условий среды.. .121 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Акты об эффективности внедрения научно-технических

мероприятий...............................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Результаты эксплуатации и обследования состояния

поверхности деревянных несущих и опорных конструкций ВЛ ЮкВ........134

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Разрушение деревянных конструкций В Л 10 кВ от токов утечки и способы химической защиты линий системы продольного

электроснабжения........................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ 6.........................................................................136

Таблица 22. Анализ причин отключений В Л 10 кВ по

годам........................................................................................137

Таблица 23. Анализ отключений ВЛ 10 кВ по годам- и их

длительность. .•.............................................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Расчет технико-экономического эффекта по результатам консервирования древесины ВЛ продольного электроснабжения, исключающим био - и огне деструкцию.............................................139

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Широкое и разнообразное применение древесины во всех отраслях народного хозяйства объясняется редким сочетанием в этом природном материале многих положительных качеств. Растёт потребность в древесине, широко используемой в качестве изолирующих и опорно-поддерживающих конструкций воздушных линий, опорных и крепёжных деталей трансформаторов, пазовых клиньев электрических машин, сырья для химической и химико-механической переработки в листовые и плитные материалы - бумага, картон, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и другие композиты. Свойства древесины играют большую роль при решении проблемы грозоупорности линий электропередачи 35-К220 кВ и более на деревянных опорах и их возгораемости от токов утечки и т.п. Вместе с тем, своеобразные и ещё мало изученные особенности древесины не позволяют использовать её с должным эффектом, вызывают необходимость обеспечения специалистов различных отраслей народного хозяйства достоверной информацией о характеристиках физико-механических свойств конструкционной древесины, оробенно, в электросетевом строительстве.

Глубокие и всесторонние исследования древесины необходимы для совершенствования и создания новых электроизоляционных материалов, применяемых в системах электрической изоляции, разработки рациональных типов (ТВО,ТСО,ДО,ДНО и др.) опорно-поддерживающих конструкций воздушных линий; улучшения природных свойств и изыскания новых областей применения древесины.

Одним из важных моментов рационального и экономичного использования лесных материалов является повышение срока службы изделий и объектов, выполненных из древесины. Древесина в эксплуатации подвержена воздействию и разрушению разнообразными факторами:

климатическими и агрессивными средами (атмосферными, почвенными, биологическими, подводными) и др. Поэтому недооценка роли химической защиты древесины приносит народному хозяйству значительный ущерб. По литературным данным, устраняемые ежегодные потери из-за неполноты защитных работ оцениваются в 1.5 млрд.р. Для заготовки 20 млн.м3 древесины, идущей на противогнилостный ремонт,ежегодно неоправданно вырубается 300 тыс.га леса.

Придавая большое значение проблеме рационального и экономичного использования Совет Министров СССР принял в 1984 году постановление "Об улучшении использования лесосырьевых ресурсов" и "О дополнительных мерах эффективности использования древесины и отходов в народном хозяйстве", которыми предусмотрено увеличение объёмов химической защиты древесины и расширение научно-исследовательских работ в области защиты древесины и материалов на её основе от увлажнения, биоразрушения и возгорания, в том числе совершенствование защитных средств и методов консервирования. Необходимость расширения использования древесины в качестве изолирующих несущих конструкций и проведение научных исследований электрических свойств деревянных конструкций ВЛ с учётом природно-климатических нагрузок, отмечается как важнейшая задача в решении Межреспубликанской научно-технической - конференции "Совершенствование методов эксплуатации и разработка способов защиты от возгорания воздушных линий электропередачи железных дорог в районах с загрязнённой атмосферой (27-29 сентября 1989 г., Ташкент).

Представленные в диссертационной работе исследования проводились автором во время выполнения НИР по приказам Министерства путей сообщения СССР (Проблема 054.01.02.10 "Разработка и внедрение высокоэффективных технологических процессов и технических средств в хозястве электрификации и энергетики") Среднеазиатской железной дороги, линейных предприятий (ЭЧ), госбюджетной тематике и хозяйственным договорам с Центральным научно-исследовательским Институтом

механической обработки древесины (ЦНИИМОД, Архангельск). Работа с \ 1985 г. выполнялась в Ташкентском институте инженеров железнодорожного

транспорта завершена в Самарском институте инженеров железнодорожного транспорта имени М.Т.Елизарова в 1998 году.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка метода расчёта равновесного электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины сосны на базе комплексных экспериментальных данных с учётом температурно-влажностных факторов влияния.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1. Анализ результатов исследования физических процессов взаимодействия температурно-влажностных и других факторов с твёрдым капиллярно-пористым, коллоидным материалом, влияющих на электрические параметры и характеристики натуральной и консервированной древесины

к

сосны.

2. Исследование влияния температурно-влажностных режимов на гигроскопичность (влагопоглощение) и электрическое сопротивление натуральной и консервированной древесины.

3. Разработка метода расчета электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины, ВЛ эксплуатирующейся в различных температурно-влажностных режимах.

4. Определение критерия влагостойкости электроизоляционных твёрдопористых волокнистых материалов на базе древесины.

5.Анализ причин и оценка отказов несущих и поддерживающих конструкций ВЛ системы продольного электроснабжения.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основные научные положения проблемы исследования электрического сопротивления органических

^ электроизоляционных материалов в диссертации решены при разработке

теоретического метода расчёта электрического сопротивления твёрдопористых волокнистых материалов на базе природной древесины.

ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием фундаментальных законов и положений теоретических основ электротехники, теории электроматериаловедения, методов математического моделирования и математических методов обработки научных результатов, теории электрических сетей и систем, основных положений теории электроснабжения электрофицированных железных дорог, эксплуатации и надежности воздушных линий электропередачи. В экспериментальном разделе работы использованы стандартные методы испытаний электроизоляционных органических материалов, современные техника и средства измерений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

разработан метод расчёта электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины с учетом влияния температурно-влажностных режимов среды;

исследована гигроскопичность (влагопоглощение) натуральной и консервированной древесины в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха;

впервые проведены комплексные исследования электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины в двух температурно-влажностных режимах при изменении в широком диапазоне температуры и относительной влажности воздуха;

обоснован критерий влагостойкости электроизоляционных материалов на основе твёрдопористых волокнистых диэлектриков природного происхождения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Проведённые теоретические и экспериментальные исследования натуральной и консервированной древесины сосны позволили обосновать критерий её влагостойкости, дать качественную и количественную оценку гигроскопичности и электрического сопротивления древесины, пропитанную следующими химическими защитными препаратами: органическими, неорганическими(минеральными), фенольными, фтористыми, хлорцинковыми, медьсодержащими и хромсодержащими; установить и выбрать для защиты несущих и опорно-поддерживающих конструкций ВЛ эффективные химические защитные средства, повышающие электроизоляционные свойства древесины в сложных почвенно-климатических условиях эксплуатации и воздействия токов утечки.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Диссертация и её разделы докладывались на всесоюзных, республиканских, межвузовских и кафедральных научно-технических конференциях: "Перспективные системы и совершенствование устройств электрической тяги на железнодорожном транспорте и электромашиностроение"(Ленинград. 1991 г.), НТК молодых учёных и специалистов Средней Азии по экологическим проблемам бассейна Аральского моря "Актуальные вопросы экологии бассейна Арала" (Нукус, 1991 г.); научно-технических конференциях ТашИИТа (Ташкент, 1988-1995 гг.); технических советах служб электроснабжения Среднеазиатской (Ташкент, 1989-1992 гг.)и Туркменской (Ашхабад, 1990-1993 гг) железных дорог.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты исследований нашли отражение в 6 печатных работах, опубликованных в журналах "Электричество", "Электрическая и тепловозная тяга", межвузовских сборниках научных статей и тезисах НТК.

ОБЪЁМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 105 страниц основного текста, в том числе рисунков 53,

таблиц 23, списка литературы на 7 страницах, а также приложения на 44 страницах.

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации и приведено краткое содержание работы по главам.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ выполнен критический анализ основных критериев влагостойкости органических электроизоляционных материалов, которыми являются: величина удельного объёмного электрического сопротивления, угол смачивания поверхности диэлектрика водой, константы диффузии влаги в диэлектриках, диэлектрическая проницаемость или тангенс угла диэлектрических потерь, электрическая прочность, водо-или влагопоглащаемость. Проанализированы законы Фика, описывающие сложный процесс диффузии и сорбции паров влаги в органических изоляционных материалах; закон Генри, устанавливающий взаимосвязь количества поглощённой влаги с давлением паров воды, окружающей материал, и количеством паров воды, растворившихся в нём; метод равновесного влагопоглощения, предложенный Эндрюсом и Джонсоном (1924 г.) для расчёта коэффициентов диффузии.

На основании анализа многочисленных исследований приведена качественная и количественная оценка электропроводности органических диэлектриков. Особое внимание при этом уделено оценке электрических свойств твёрдоволокнистых пористых изоляционных материалов природного происхождения.

Решению многих аспектов, связанных с использованием влияния различных факторов на свойства электроизоляционных органических материалов и систем электрической изоляции, а также проведению их электрических испытаний и измерений посвещенны труды ряда учёных и специалистов: Н.П. Богородицкого, А.М .Боровикова, Ю.А .Варфоломеева, И.В. Жестянщикова, В.А. Каргина, В.А. Корицкого, Г.А. Лущейкина, М.М. Михайлова, В.В. Маслова, И.Я. Мягкова, В.В. Пасынкова,

А.П. Познаева. П.С. Серговского, Б.И. Сажина, Б.М. Тареева, Г.Н. Торговникова, Б.Н. Уголёва, В.Н. Яковлева, С.А. Яманова и др.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке методик и программ по проведению экспериментальных исследований и испытаний натуральной и консервированной древесины; разработке требований к отбору образцов древесины и их пропитке химическими препаратами; отбору видов химических препаратов и концентрации пропиток образцов, электродов и электродным измерительным устройствам, проведению электрических измерений. В главе приводится анализ погрешностей, возникающих при выполнении измерений электрического сопротивления древесины и определении гигроскопичности ее образцов.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА содержит результаты комплексных экспериментальных исследований гигроскопичности и электрических свойств древесины сосны. Равновесное электрическое сопротивление и гигроскопичность натуральной и консервированной древ