ЭЛЕКТРОТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И РЕЗИСТОРОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ

Рисунок 13 – Целепоглощающая нижестоящая система технологии изготовления резистивных устройств из композиционных материалов [13-14]

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. Для контроля неоднород­ности структуры композиционных материалов разработан ряд эксперимен­тальных методов, в том числе применение ультразвуковых приборов и уст­ройств, основанных на резонансных методах измерения. Однако они имеют недостатки, связанные с малой разрешающей способностью и тем, что изме­нение параметра (плотности материала) часто лежит в пределах ошибки из­мерения прибора. В некоторых случаях для проведения контроля плотности необходимо выпиливать из изделий образцы строго определенной формы.

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 [4, 16, 17]. 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 [17, 56].

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 [13-14].

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 PКМ.

Для обнаружения дефектов и внутренней пористости в изделиях из РКМ широко применяются также ультразвуковые технологии. Для исключения наружной пористости резисторов под воздействием ультразвука производят пропитку их поверхности электроизоляционными жидкостями.

В шестой главе рассмотрено применение электронагревателей и резисторов из РКМ на сельскохозяйственных объектах и технико-экономическое обоснование.

Одной из важных особенностей 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, шунтов 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 ёмкостной компенсации [13-15,18].

Повышение надёжности работы электротехнического оборудования электрических подстанций целесообразно обеспечивать заземлением нейтрали трансформаторов и автотрансформаторов. Ограничение токов однофазного короткого замыкания (К.З.) на электрических подстанциях обеспечивают частичным заземлением нейтрали трансформаторов через резисторную установку. Увеличение до 2-х раз отключающей способности высоковольтных воздушных выключателей типа ВВН достигают установкой при модернизации шунтирующих бетэловых резисторов. Бетэловые резисторы успешно применяются в схемах высоковольтных генераторов импульсных напряжений (ГИН) и генераторов импульсных токов (ГИТ), для заземления нейтрали электрических сетей от 6 до 35кВ [13-15,23].

Для изменения конструкции реакторов в сельских электрических сетях, 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 [3, 13, 21].

Технология изготовления изделий из РКМ предусматривает наличие на них электроизоляционных материалов в виде эмалей, стеклонитей или слоя электроизоляционного бетона [16, 17, 59]. С целью повышения разрядного напряжения по поверхности изделий композиционного типа в технологии изготовления рекомендовано применять импульсный температурный режим (тепловой удар) [14, 38 ]. Этому способствуют также 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[14, 39, 52].

Различного рода электронагревательные устройства из РКМ применяются для обогрева помещений судов, двигателей и кабин автотранспорта, тракторов и автомобилей, передвижных домиков, животноводческих ферм, овощных теплиц и др. [1, 11, 17, 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 массогабаритные показатели. С их помощью осуществляется внедрение энергосберегающих технологий в сельском хозяйстве (тепличные комплексы; обогрев молодняка птиц, свиней, крупного рогатого скота), на транспорте, 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 [1, 30, 37].

Дополнительно к 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 95%, с одновременным подогревом воды до 373 К [13-14].

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 экранирование кабельных каналов и установку в схемах, содержащих RC-цепи, резисторов из РКМ [11-16].

В работе приводится технико-экономическое обоснование применения электронагревателей из РКМ в тепличном хозяйстве и в свинарнике-маточнике [30, 31, 46].

Основные выводы и рекомендации

1 Проведённый системно-аналитический обзор особенностей энергообеспечения производственной сферы и населения АПК указал необходимость бесперебойности и качества электротеплоснабжения, особенно в отдалённых районах Сибири и Дальнего Востока, с более широким применением нетрадиционных источников энергии, а в качестве активной нагрузки, электронагревателей и резисторов из РКМ (бетэла и рапита), имеющих низкую себестоимость по сравнению с аналогичными изделиями из металлических и керамических материалов. Это сокращает до 30% затраты на устройства для преобразования электрической энергии в тепловую.

2 Разработанный системный подход к теоретическому исследованию и конструированию изделий из РКМ создал условия для их математического моделирования при определении характера электропроводности многофазных систем, содержащих полупроводниковые или металлические дисперсные ингредиенты.

3 По выполненным расчётам установлена применимость теории протекания для определения электропроводности РКМ в слабых электрических полях до 102 В/м. Показана правомерность использования критических индексов перколяционной теории – t, q и S к гетерогенным системам типа бетэл-рапит. Сделано заключение о целесообразности применения теории Френкеля для расчёта электропроводности гетерогенных систем в промежуточных электрических полях от 102 до 104 В/м, а в сильных электрических полях от 104 до 107 В/м – по уравнению полного тока контактирующих ПДП–систем.

4 В результате систематизации теоретических исследований по композиционным резистивным материалам выявлены основные механизмы электропроводности в системах контактирующих полупроводниковых частиц в РКМ, развитие теории электропроводности которых привело к получению расчётных формул, увеличивающих достоверность количественных параметров.

5 На основании предложенных физико-математических моделей получены формулы и алгоритмы расчёта электропроводности ПДП–систем и контактных сопротивлений изделий из РКМ. Установлено, что увеличение зазора в контакте ПДП на 1 нм приводит к десятикратному уменьшению плотности тока. 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.

6 Теоретически обоснован и экспериментально подтверждён выбор ингредиентов до 10 составов РКМ и электротехнических конструкций (резисторов, электронагревателей, заземлителей), предназначенных для работы в схемах электротеплоснабжения и повышающих электромагнитную помехозащищённость электрооборудования АПК и других объектов. Разработаны мероприятия по совершенствованию параметров электронагревательных устройств для условий эксплуатации на предприятиях АПК и в быту: увеличена температура при постоянном включении до 363 К и работе в агрессивной среде при влажности, достигающей 95%.

7 На основании исследований и расчётов 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. Предельная плотность тока через изделия увеличена до 20% (при частоте 50 Гц) и удельная энергия рассеяния возросла на 25-40 %.

8 В результате проведённых натурных экспериментов и их анализа разработаны более 10 конструкций электронагревательных устройств и резисторов для различных областей применения в АПК, со снижением металлоёмкости до 80% и стоимости до 45% от аналогичных устройств отечественного и зарубежного производства. Результаты теоретических исследований распределения электрического поля в прижимных контактах электротехнических изделий использованы при разработке технологических правил изготовления изделий из РКМ.

9 Проведённый теоретический анализ волнового уравнения для ультразвуковых систем привёл к обоснованию технологии очистки и пропитки поверхности резистивных изделий в среде жидких диэлектриков, увеличивающую допустимую напряжённость электрического поля в режиме включения до 35%. Для пропитки изделий разработана структурная схема ультразвукового модуля, обеспечивающая управление пьезоэлектрическими излучателями более 30 типов.

10 По результатам комплексных исследований резисторов и электронагревательных устройств на испытательных установках и в реальных схемах электротеплоснабжения, предложены мероприятия для улучшения параметров изделий из РКМ.

11 Выполненные исследования и новые технические решения позволили разработать технологические правила изготовления резистивных устройств из РКМ на основе силикатных и полимерных связок, которые прошли промышленную апробацию.

12 Технико-экономическая эффективность применения электронагрева с изделиями из РКМ на сельскохозяйственных объектах по сравнению с другими способами поддержания температуры подтверждается промышленным производством резисторов и ЭНУ из РКМ, экономический эффект от внедрения которых превысил 3,0 млн. руб. Это доказывается внедрением методических рекомендаций, изложенных в диссертации, в 10 научно-иссле-довательских и учебных заведениях.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в периодических изданиях по перечню ВАК

1. Горелов, С.В. Применение полимерных композиций в сельском хозяйстве / С.В.Горелов, В.П.Прохоров // Ползуновский вестник. – 2003. – № 1-2. – С. 165-167.
2. Горелов, С.В. Композиционные резисторы в схемах, повышающих электромагнитную помехозащищенность электрооборудования / С.В.Горелов, Е.В.Иванова // Ползуновский вестник. – 2005. – №4. – Ч.3. – С. 238-242.
3. Горелов, С.В. Реакторы на напряжение (6–35) кВ с магнитопроводами из резистивных композитов / С.В.Горелов // Ползуновский вестник. – 2005. – №4. – Ч.3. – С. 250-253.
4. Горелов, С.В. Контроль технологических параметров композиционных резисторов для мобильных и стационарных энергетических объектов / С.В.Горелов, Е.В.Иванова // Трансп. дело России. – 2005. – №4. – С. 38-39.
5. Горелов, С.В. Повышение помехозащищённости электрических сетей (6–10) кВ / С.В.Горелов, Е.В.Иванова // Трансп. дело России. – 2005. – №4. – С. 39-40.
6. Горелов, С.В. Электрическая проводимость резистивных композитов / С.В.Горелов // Энергосбережение и водоподготовка. – 2005. – №6. – С. 65-67.
7. Горелов, С.В. Применение в энергетике композитов с полимерными и силикатными ингредиентами / С.В.Горелов // Энергосбережение и водоподготовка. – 2006. – №1. – С. 69-71.
8. Горелов, С.В. Утилизация золошлаковых отходов тепловых электростанций / С.В.Горелов, А.Ф.Бернацкий // Трансп.дело России. – 2005. – №4. – С. 34-36.
9. Горелов, С.В. Снижение надёжности двигателей внутреннего сгорания при загрязнении моторных масел / С.В.Горелов, Я.Я.Вельц, Б.Д.Умаров // Ползуновский вестник. –2005. –№4. – Ч.3. – С. 247-249.
10. Горелов, С.В. История освоения нетрадиционных источников энергии в Западной Сибири: Системный анализ процессов, происходящих в экосоциотехносфере / С.В.Горелов [и др.] // Ползуновский вестник. – 2003. – № 3-4. – С. 105-110.
11. Горелов, С.В. Резисторы из композитов в системах энергообеспечения агропромышленных комплексов / С.В.Горелов, Е.Ю.Кислицин, Н.В.Цугленок // Вестник КрасГАУ. – 2006. – № 13. – С. 314-319.
12. Горелов, С.В. Теоретические положения разработки изделий из резистивных композиционных материалов для энергетики АПК / С.В.Горелов, Е.Ю.Кислицин, Н.В.Цугленок // Вестник КрасГАУ. – 2006. – № 13.– С. 319-324.
13. Горелов, С.В. Исследование электромагнитной совместимости технических средств и методы систематизации результатов экспериментов / С.В.Горелов, С.Б.Долгушин, В.Е.Крышталёв // Вестник КрасГАУ. – 2008. – № 2. – С 256-261.
14. Горелов, С.В. Механизм роста электрического сопротивления электронагревателей в условиях агрессивных сред / С.В.Горелов, С.Б.Долгушин, В.Е.Крышталёв // Вестник КрасГАУ. – 2008. – № 2. – С 262-264.
15. Горелов, С.В. Системный подход к повышению надёжности энергоснабжения потребителей / С.В.Горелов [и др.] // Научн. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. – 2008. – №1. – С. 235-239.
16. Горелов, С.В. Автономные источники и преобразователи электрической энергии для потребителей северных регионов / С.В.Горелов [и др.] // Научн. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост. – 2008. – №1. – С. 239-243.

Научные и учебные издания