Электротехнологии для обеспечения работы гидроэлектростанций автономных электроэнергетических систем северных и восточных районов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Манчук Глеб Русланович

• Манчук Глеб Русланович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Манчук Глеб Русланович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

1.1 Энергоснабжение потребителей в труднодоступных северных и восточных районах России

1.2 Электротепловые технологии в гидроэнергетическом и промышленном строительстве в суровых климатических условиях

1.3 Современные направления в применении электропроводных композитных обогревателей

1.4 Методика испытаний электротепловой защиты на экспериментальном полигоне гидроэлектростанции

1.5 Механизм проводимости электротепловых конструкций

1.6 Выводы

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

2.1 Влияние условий окружающей среды на величину сопротивления электрических обогревателей

2.2 Термостойкость и термостабильность электропроводных композитов

частоты

2.4 Основные закономерности изменения пропускной способности композитных изделий при эксплуатации

2.5 Способность электрообогревателей выдерживать электрические перегрузки

2.6 Выводы

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧЕГО РЕСУРСА КОМПОЗИТНЫХ ОБОГРЕВАТЕЛЕЙ

3.1 Анализ методов ускоренного определения рабочего ресурса электрообогревателей из композитов

3.2 Техническое и технологическое обеспечение экспериментальных исследований рабочего ресурса электротехнических композитных изделий

3.2.1 Аппаратура, приборы и электрическая схема для проведения ресурсных испытаний

3.2.2 Технология изготовления экспериментальной партии композитных обогревателей

3.3 Экспериментальное определение оптимальных параметров обогревателей электроэнергетического назначения

3.4 Анализ результатов ресурсных испытаний электрических обогревателей

3.5 Выводы

ГЛАВА 4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ КОМПОЗИТОВ

4.1 Электрофизические свойства композиций карбонизированный торф - силикатное вяжущее

4.2 Способы модификации электрофизических свойств композитов

4.3 Электрофизические свойства композитов углерод-оксид-силикатное вяжущее

4.4 Технологические способы повышения стабильности электротехнических характеристик композитов

4.5 Выводы

ГЛАВА 5 ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ КОМПОЗИТОВ

В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ДЛЯ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

5.1 Обогрев пазовых конструкций шлюзовых затворов гидроэлектростанций

5.2 Конструкции композитных обогревателей гребней каменноземельных плотин гидроэлектростанций в северных и восточных районах

5.3 Разработка тепловых приборов на базе композитных электробогревателей для распределительных устройств электростанций и подстанций

5.4 Резистивное электрическое торможение генераторов для динамической устойчивости и безаварийной работы электроэнергетических систем

5.5 Мощные электротехнические устройства из композитов в схемных решениях, защищающих подстанционное и электросетевое электрооборудование

5.6 Выводы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А Оценка достоверности экспериментальных результатов и выводов

Приложение В Методика электрических испытаний композитных

резисторов

Приложение С Акты о внедрении результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электротехнологии для обеспечения работы гидроэлектростанций автономных электроэнергетических систем северных и восточных районов»

ВВЕДЕНИЕ

Основой технического прогресса в промышленности сельском хозяйстве и других отраслях является наличие и доступность энергоресурсов. Мировое потребление энергоресурсов в настоящее время составляет около 8 млрд тонн нефтяного эквивалента в год и, при сохранении современных темпов, может достичь к середине столетия (35-50) млрд тонн в год [1, 5, 8-9].

Основными видами топлива, которые покрывают большую часть прироста потребления энергии в настоящем и обозримом будущем являются невозобнов-ляемые ресурсы органического топлива - газ, нефть и уголь. Незначительная часть энергопотребления (до 10 %) обеспечивается за счёт возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ), что позитивно сказывается на экологии и занятости населения в сельской местности.

Следует учитывать, что энергетика от ВНИЭ ориентируется на существующие ресурсы данного региона и их масштабному использованию должен предшествовать длительный мониторинг мощности источников и структуры потребности региона в энергии. Периодичность потоков энергоресурсов во времени далеко не всегда совпадает с реальными потребностями в энергии. Смена времени года и географическое положение региона влияют на регулярность и интенсивность потоков возобновляемых источников энергии. В этой связи комплексное применение различных видов ВНИЭ и традиционных источников повышает надёжность энергоснабжения. Использование возобновляемых и нетрадиционных источников энергии становится частью государственной энергетической политики, предусматривающей:

- ускорение развития производства установок и оборудования;

- обеспечение устойчивого энергоснабжения предприятий и населения;

- создание автономных энергосистем на местных ВНИЭ;

- улучшение экологических показателей на территории России за счёт снижения вредных выбросов в окружающую среду.

Росту производства энергии на основе нетрадиционных и возобновляемых энергоресурсов будет способствовать строительство объектов малой гидроэнерге-

тики, ветроэнергетики, фотоэнергетики, геотермальных станций и предприятий переработки биомассы [2, 39].

Важнейшими потребителями теплоэлектроэнергии в северных и восточных регионах России являются объекты военно промышленного комплекса (ВПК), агропромышленного комплекса (АПК), предприятия геологоразведочной, газонефтяной и горнодобывающей промышленности, гидротехнические сооружения, 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 [8-10].

Во всех сценариях развития энергетики Россия занимает одно из наиболее важных мест, так как обладает огромными запасами газа, угля, нефти, урана и гидроресурсов. На территории России сосредоточено 45 % мировых запасов природного газа, 13 % нефти, 23 % угля и 14 % урана.

Значительные запасы органического топлива в мире и России определили, что две трети потребности электроэнергии в настоящее время покрывается тепловыми электростанциями, 17 % - атомными и 20 % - гидроэлектростанциями [8-9 .

Россия обладает гидроэнергетическими ресурсами мирового значения. Её экономический гидроэнергетический потенциал оценивается в 850 млрд кВт-ч, при этом в восточных районах (Сибирь, Забайкалье, Якутия и Дальний Восток) сосредоточено 66 % экономически эффективных запасов гидроэнергии. Основная часть этих запасов находится в бассейнах рек Енисея и Лены [3-4].

Гидроэнергетический потенциал России в настоящее время освоен на (1920) %. В Европейской части страны этот показатель составляет 46,4 %, в Сибири -19,7 %, а на Востоке - всего 3,3 %. По степени освоения экономически эффективных гидроресурсов Россия значительно уступает экономически развитым стра-

нам: в США и Канаде степень их освоения составляет (50-55) %, в европейских странах и Японии - (60-80) % [3- 4].

Наличие неиспользованного экономически эффективного потенциала -свыше 650 млрд. кВт-ч определяет реальные возможности дальнейшего гидростроительства. Программой гидроэнергетического строительства [4] намечается сооружение и ввод в действие на Востоке страны значительного количества от крупных ГЭС до мини-ГЭС и микро-ГЭС. Вновь создаваемые гидроэнергетические мощности, совместно с уже построенными ГЭС Востока, ежегодно будут экономить десятки миллионов тонн условного топлива. Также актуальным представляется строительство гидросооружений для новых генерирующих источников - создаваемых плавучих атомных теплоэлектростанций (ПАТЭС) мощностью до 100 МВт [29, 34 - 38].

Строительство гидросооружений энергетического и сельскохозяйственного назначения северных и восточных регионах страны имеет много особенностей. Среди них основные такие, как удалённость от промышленно освоенных центров, отсутствие готовых транспортных и энергетических связей, значительные колебания температуры наружного воздуха в годовом и суточном разрезе, наличие веч-номёрзлых грунтов, короткие безморозные периоды и т.д. Все эти особенности налагают специфические требования к применяемым конструктивным решениям, методам и срокам производства работ в энергетическом, сельскохозяйственном и промышленном строительстве.

Природно-климатические и географические условия являются во многом причинами относительного удорожания строительства. В первую очередь, к ним относятся: повышенная оплата труда, различные удорожающие факторы, включающие затраты на снегоуборочную работу, прогрев оснований и конструкций, временное отопление строящихся помещений, разработку мёрзлых грунтов, расходы при производстве наружных работ зимой и другие. Затраты в сметных нормах «зимних удорожаний», как правило, составляет (30-60) % суммы прямых затрат, что приводит к существенному увеличению временно «замороженных» средств к моменту получения электроэнергии. Это обязывает строителей и проек-

тировщиков всемерно сокращать сроки строительства и, в первую очередь, продолжительность периода до пуска первых агрегатов.

Актуальность этой проблемы очевидна и была отмечена ещё в проекте "Программы развития и концепции технического перевооружения гидроэнергетики России на период до 2015 года", где признано необходимым, в целях сокращения сроков и удешевления строительства, разработка нормативных документов на строительство крупных ГЭС и мини-ГЭС, других объектов, предусматривающих применение новых технологий и индустриальных методов строительства, совершенствование организации строительных работ и сокращение затрат на вспомогательные и временные сооружения [4].

Развитие гидроэнергетики в северных и восточных регионах страны определяет также актуальность строительства системообразующих электрических сетей России по Сибири и Дальнему Востоку.

Сложившаяся к настоящему времени структура электроэнергетической системы России формировалась на протяжении длительного периода времени, в течение которого существенно изменились как требования к основному оборудования, так и условия его работы. Это привело к тому, что на значительном числе электростанций и подстанций энергосистем страны токи коротких замыканий (КЗ) превысили техническую возможность высоковольтного оборудования. Так, общее число выключателей напряжением 110 кВ и выше, не соответствующих условиям эксплуатации, превысило 5000. Столь же актуальной стала проблема динамической стойкости трансформаторов, которые работали в условиях, когда сквозной ток однофазных КЗ значительно превышает допустимый. Уровень токов КЗ в крупных энергосистемах достиг (35-45) кА на напряжениях выше 110 кВ, а в отдельных узлах - даже (50-55) кА. В дальнейшем развитие системообразующих сетей и трансконтинентальных связей привело к увеличению токов КЗ до (60-80) кА [5-9]. Это вызывает увеличение аварийности в энергосистемах и снижение надёжности электротеплоснабжения потребителей.

Возникшее техническое несоответствие применяемой аппаратуры условиям её эксплуатации может быть разрешено: заменой оборудования на более мощное

и совершенное; применением схемных мероприятий; введением в схемы энергосистем дополнительных устройств, снижающих скорости восстанавливающихся напряжений (СВН) и токов коротких замыканий; модернизацией существующего оборудования.

Замена оборудования на более совершенное, видимо, является в техническом отношении наилучшим решением. Однако это чрезвычайно сложная производственная проблема, требующая больших капитальных вложений, материальных и трудовых ресурсов. Поэтому комплексное использование схемных мероприятий и модернизации существующего оборудования приняты как наиболее экономичный способ согласования условий эксплуатации и технических возможностей используемого оборудования. При этом одним из эффективных средств является применение мощных резисторов с активным сопротивлением.

Для решения актуальных задач повышения эффективности функционирования ВПК и АПК, строительства в суровых климатических условиях и повышения надёжности энергосистем в России и за рубежом были разработаны новые композитные материалы (рапит, вилит, тирит, эком, оксидноцинковая керамика) и изделия на их основе (резисторы, варисторы, вентильные разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений) [5, 20, 29, 32-33].

В Сибирском НИИ энергетики (СибНИИЭ), Сибирском государственном университете водного транспорта (СГУВТ), Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) разработан новый материал бетэл - электропроводная композиция из технического углерода и силикатного вяжущего и на его основе новые технологии строительства гидротехнических объектов на севере страны, а также устройства и оборудование для модернизации электросетевого оборудования в энергосистемах [8-32].

Способность композитных материалов (бетэла, вилита, рапита, экома) нагреваться при протекании электрического тока и возможность регулирования свойств технологическими методами, определили перспективность создания объёмных низкотемпературных нагревательных элементов различного назначения. Обладая большой теплоаккумулирующей способностью, относительно неболь-

шой единичной мощностью и достаточным ресурсом работоспособности, например бетэловые нагреватели, позволили разработать и реализовать мощные тепловые системы, приборы и устройства, обеспечивающие интенсификацию технологических процессов при строительстве гидротехнических сооружений в условиях Севера, для которых применение других типов нагревателей малоэффективно или нецелесообразно.

Для решения проблемы повышения надёжности и устойчивости электрических сетей России и электросетевого оборудования на основе бетэла разработаны мощные резисторы, способные рассеивать значительную электрическую энергию.

Технические характеристики разработанных резисторов не уступают характеристикам резисторов из углекерамических материалов, выпускаемых за рубежом, а по ряду параметров (удельной энергии рассеяния, допустимой температуре перегрева и др.) превосходят их. Организация серийного производства резисторов позволила внедрить оригинальные устройства, схемы и методы для повышения отключающей способности выключателей, ограничения токов КЗ, повышения динамической устойчивости энергосистем, надёжного отключения конденсаторных батарей и т.п. [5, 8-10, 26-29].

Создание и внедрение в гидротехническое строительство, промышленное производство, сельское хозяйство и энергосистемы указанных устройств определило специфику выполнения исследований с привлечением различных научных направлений - электрофизики, физики твердого тела и теплофизики, физической химии, химии и технологии силикатов, призванных объяснить закономерности изменения электрофизических и физико-механических свойств бетэла, особенности формирования структуры, пути совершенствования характеристик композиций и повышения надёжности резисторов и обогревателей [5-10]. Однако до настоящего времени нет единого мнения о закономерностях изменения электропроводности изделий из композитов и их надёжности в условиях реально воздействующих электрических нагрузок, что не позволяет прогнозировать поведение обогревателей и резисторов в процессе эксплуатации и назначать научно-обоснованные режимы работы, нормировать рабочий ресурс, конструировать

наиболее оптимальные с точки зрения технико-экономических показателей установки и устройства, совершенствовать свойства новых типов резисторов и нагревателей и расширять их функциональные возможности.

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 энергетических, сельскохозяйственных и гидротехнических сооружений в климатических условиях Севера и Дальнего Востока, 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 науч-

ный 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 элек-

тротеплоснабжения;

-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, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов при гидроэнергетиче-ском,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 невозоб-новляемых, 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-преподавательского состава Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета. Новосибирск, 2001-2003 г.

Публикации. Результаты исследований изложены в 24 научных трудах, из которых 18 статей, в том числе 8 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 и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и трёх приложений.

Общий объём работы составляет 234 страниц, включая 74 рисунков и 24 таблиц.

ГЛАВА 1 ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

1.1 Энергоснабжение потребителей в труднодоступных северных и восточных районах России

Увеличение количества разведанных полезных ископаемых, расширение добычи на нефтегазовых месторождениях в северных регионах Азиатской и Европейской частей России, развитие агропромышленного комплекса и жилищно-бытового сектора требуют обеспечения надёжного энергоснабжения. Эксплуатация замкнутых электрических сетей от 0,4 до 35 кВ подобных энергопотребителей, по сравнению с питающимися от удалённых электрических систем (ЭЭС) сетями до 110 кВ и выше, связана с особенностями технологических процессов и разнообразным воздействием окружающей среды. Поэтому необходимо учитывать особенности электротеплоснабжения, такие как:

1) высокие требования к бесперебойности электротеплоснабжения из-за суровых климатических условий и значительной протяжённости линий электропередачи;

2) увеличенные финансовые затраты на содержание производственной и социальной инфраструктуры.

Отдалённость энергопотребителей вызывает необходимость применения возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ) для повышения качества и надёжности энергообеспечения (рисунок 1.1) [5-6, 29].

Следует отметить, что бесперебойное и качественное снабжение теплоэлек-тропотребителей от отдельных возобновляемых источников бывает неэффективным из-за непостоянства потоков энергии и требуется применять аккумуляторы энергии (электромеханические, индуктивные, молекулярные, электрохимические и др.). Для повышения эффективности необходимо использовать комбинированные схемы электротеплоснабжения (рисунок 1.2).

• солнечная

• ветровая

• Низкопотенциальное тепло земли, воды,

• гидравлическая (мини ГЭС, приливы, волны)

• твердые бытовые отходы

• тепло промышленных и бытовых стоков

• тепло и газ вентиляции

• водопроводная энергетика

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Манчук Глеб Русланович, 2015 год

и Источник 1 Источник а Источник Б Источник

0,94±0,05 121-124 122-126 2,06±0,16 142 1,00 132 0,62 96

0,82±0,05 127 1,73±0,005 131 0,70 135 0,59 118

0,83±0,013 128 1,60±0,01 132 0,80 134

0,86±0,02 129 1,75±0,10 133

0,85±0,10 130 1,73±0,10 130 0,65±0,01 136

0,98 120

1,30 134 0,65 139, 140

1,30 138 0,70±0,05 141

1,90±0,2 137

2,16 122

Тогда при С1 > С10, = о(С1-С1о), то есть 1 = 1. Реальные пути протекания -извилисты, их сечение вдоль длины переменно, кроме того, от проводящих цепей ответвляются тупиковые фрагменты («мёртвые концы», по терминологии [52]), часть длины проводящих цепей шунтирована проводящими ответвлениями.

При такой структуре бесконечного кластера удельную электропроводность композиции, у которой объёмная концентрация электропроводного компонента С1 > С10, можно зквивалентировать системой образец стержней постоянного сечения с эффективной объёмной концентрацией С1эфф=( С1-С10)1, 1 > 1 , параллельных полю и проходящих через весь образец. Отсюда ясно, что чем больше 1;, тем ниже электропроводность, то есть, возможно, что: а) тем выше извилистость электропроводных цепей; б) тем больше тупиковых ответвлений; в) тем ниже минималь-

ные сечения цепей; г) тем менее эффективны шунтирующие ветви.

Если с ростом Ci(o = const) формируются новые электропроводные цепи, но их геометрические особенности такие же, как у первой цепи, индекс t постоянен.

Для анализа критического индекса q запишем (1.11) при C1 < С10 в виде

р-р 2(C - Сю)-q, (1.16)

где р и р2 - удельное электрическое сопротивление, соответственно, композиции и высокоомного компонента. Видно, что чем больше q, тем быстрее падает р с увеличением С1. Следовательно q характеризует механизм электропроводности диэлектрических слоёв, разделяющих скопления электропроводных частиц или отдельные частицы. Чем больше q, тем выше такая электропроводность [63-64]. Анализируя критический индекс S учтём, что S = t (t+q)-1. При t >> q, формула (1.11) для С1= С10 примет вид о = о2, то есть при С1= С10 удельная электропроводность композиции равна удельной электропроводности высокоомного компонента и область изменения о лежит правее точки С10. Если t<<q, то S^0 и в пороге протекания о ~ о2 вся область изменения о лежит левее точки С10. Из этого следует, что при S ~ l сечение первой электропроводной цепи ничтожно мало, а в противоположном случае (S ~ 0) - оно практически совпадает с сечением образца. Последнее невозможно, ибо С10< 1. Поэтому всегда 0< S < 1. Этот критический индекс связан именно с минимальным сечением первой электропроводной цепи - ведь какой извилистой или прямой она ни будет, пока она не стала сплошь электропроводной, сохранится условие С1< С10.

Таким образом, критические индексы зависят от геометрии распределения электропроводного компонента в объёме композиционного материала и в равных технологических условиях формирования структуры должны быть постоянными. Они "чувствительны" лишь к определённым особенностям этой геометрии. Так, например, в [64] показано, что индекс t может отклоняться от обычных значений, если: велика эффективная дробная размерность бесконечного кластера [64]; если перенос происходит по областям пространства между хаотически расположенными сферическими дырами; если электропроводности отдельных проводящих эле-

ментов составляют размытую функцию распределения; если геометрия частиц электропроводного компонента сильно анизотропна, когда малая доля объёма этого компонента включена в электропроводные цепи (для игольчатых частиц 1 = 3,1).

Асимптотический характер формул (2,11) определяет нижний предел применимости теории протекания (минимальное значение С1-С10). Область применимости о = о1(С1-С10)1 снизу ограничена - поскольку 0 С1 <С10 < 0 С1 >С10 то имеем

01(01 - Сш)1 >о 2(С1 - Сш)-ч, (1.17)

Из (1.17) получим

1

г \

8С1 = С1 - С

10

Ч01 У

1

(1.18)

Сопоставление (1.16) с шириной АС1 - области значений С1, внутри которой происходит сильное изменение о, позволяет указать область применимости (1.12). Это интервал значений, примерно равный С10 ± (АС1-25С1). Очевидно, если АС1 < 25С1, формулы (1.12) неприменимы. Интервал 5С1 уменьшается вместе с критическими индексами и отношением о2 / о1 что видно из (1.17).

Столь чёткого представления относительно верхнего предела применимости ТП (максимального значения |С1-С10|) не существует. Упоминание о верхней границе критической области ТП содержится в [65], где отмечено, что на решётке Бете ширина критической области

5С((Ш) = С((т) - С10 < 7-1, (1.19)

С(т) ТТТ 7

где - верхняя граница применимости ТП; 2 - координационное число.

Бете - типичная модель структуры неоднородной среды. Все её узлы связаны между собой, от каждого узла ответвляется одно и то же число связей.

В теории протекания в задаче связей порог протекания определяется по формуле [52]

С' = ^ 2 (1.20)

где ё - размерность пространства.

Если скомбинировать (1.19) и (1.20), получим

ссО) С(т) - С ё -1

ЬС^ = ¿1. (1.21)

С10 С10 а

Этот подход к определению 5С(т) не имеет строгого доказательства и рассматривает лишь частный случай ТП - задачу связей. Однако из (1.21) видно, что с ростом размерности пространства при одном и том же С10 увеличивается область применимости ТП. В трёхмерном случае 5С1(т) / С10 < 0,667 и ширина критической области 5С1(т) / Сю < 0,667Сю.

Важной особенностью формулы (1.21) является постоянство отношения 5С1(т)/С10 , из которого следует, что чем меньше С10, тем уже область применимости ТП.

Предпринимались попытки оценивать верхний предел применимости ТП, связывая 5С1(т) с долей узлов Р(С1), принадлежащих бесконечному кластеру

Р(С1)=Л(С1-С10)Р, С1 > С10; Р(С1) < С1. (1.22)

В трёхмерном случае критический индекс в= 0,4. Анализ зависимостей Р(С1) при моделировании на ЭВМ [56] показал, что А-1,0 и неравенство (1.22) справедливо при 0,011 < С1(т) < 0,73 .

1

исимость 5С1(т) от С10 структуры вынуждает предположить непостоянство верхнего предела применимости ТП. В силу этого для его оценки, особенно в реальных композициях, видимо, необходимо исходить из структурных критериев. Например, из очевидности того, что ТП неприменима, если структура - матрица на основе электропроводного компонента, то есть С2 < С20. Поскольку С20, по аналогии с С10, будет зависеть от свойств компонентов и технологии изготовления композиции, то и 5С1(т) будет величиной переменной.

1.6 Выводы

Рассмотренные способы оценки 5С1(т) даже для модельных ситуаций не дают однозначного ответа. Более того, зависимость 5С1(т) от С10 и особенностей

1 Энергетический потенциал северных и восточных регионов страны и

перспективы его освоения требуют применения специальных технологий, интенсифицирующих процессы строительства сооружений в зимние периоды.

2 Показана целесообразность строительства гидросооружений для ГЭС, мини-ГЭС и плавучих атомных теплоэлектростанций (ПАТЭС) малой мощности.

3 Техническая эффективность тепловых технологий различного назначения доказана опытом строительства гидротехнических сооружений и предприятий газонефтяной, горнодобывающей, ВПК и АПК в суровых климатических условиях.

4 Наиболее экономичными в Северных и Восточных регионах являются электротепловые технологии, реализация которых не связана с доставкой энергоресурсов.

5 Актуально создание электротепловых технологий на базе новых электропроводных материалов, обеспечивающих расширение областей их применения.

6 Электрофизические и физико-механические исследования свойств электропроводного бетона (бетэла) и разработка объёмных низкотемпературных обогревательных элементов показали возможность создания на их основе новых электротепловых технологий различного назначения.

7 Проверка эффективности бетэловых обогревателей осуществлена в ходе опытно-производственных испытаний на экспериментальном полигоне при обосновании технической возможности создания системы тепловой защиты грунтового основания гидротехнических сооружений от промерзания, например, Вилюй-ской ГЭС-3 и мини-ГЭС.

8 Результаты опытно-производственных испытаний показали техническую эффективность бетэловых обогревателей и явились основой для выполнения экспериментально-теоретических исследований электротепловых систем в широком диапазоне реальных условий эксплуатации.

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Основное назначение изделий из композитов (бетэла, рапита, вилита, ок-сидноцинковой керамики), например, обогревателей и мощных резисторов -обеспечение безаварийной работы мощных электротепловых систем в гидротехническом, сельскохозяйственном, жилищном строительстве и электротехнического оборудования в энергосистемах. Поэтому, кроме общих закономерностей изменения электропроводности, необходимо знать характеристики надёжности композитов, определяющие долговечность и рабочий ресурс изделий из них, стабильность их характеристик и, как следствие, технико-экономическую эффективность [8-9, 24, 33].

Ранее выполненные в этом направлении работы [18-21] касались, главным образом, определения предельных энергий и электрических напряжений, в основном при апериодической форме импульса воздействующего напряжения. С использованием этих характеристик решены вопросы рационального выбора технологии изготовления, конструкции резисторов и расчёта первых опытных рези-сторных установок [18, 26-28, 72].

Расширение использования изделий, например, из бетэла для повышения надёжности работы объектов электроэнергетического назначения и создание электротепловых систем для интенсификации технологических процессов в сельскохозяйственном и гидротехническом строительстве определило необходимость проведения комплекса исследований количественных характеристик надёжности и их учёта при использовании бетэловых изделий в электрических схемах.

Под надёжностью любого изделия понимается свойство объекта выполнять функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, режимов хранения и транспортирования [20].

Этот комплексный показатель обусловлен целым рядом конструктивных, производственно-технологических и эксплуатационных факторов. Следствием

многообразия факторов, влияющих на надёжность композитов является случайный характер процессов изменения свойств во времени, приводящих к деградации характеристик и отказам. Поэтому надёжность композитных изделий, подчиняется вероятностно-статистическим закономерностям, знание которых необходимо при оценке технического уровня, сравнении различных конструктивных и технологических решений, расчёте рабочего ресурса тепловых систем и резисторных установок.

К показателям, характеризующим надёжность композитов, необходимо отнести:

- отказы и их интенсивность в зависимости от характера электрической нагрузки;

- пропускную и перегрузочную способность;

- скорость изменения электрических параметров (старение) в процессе эксплуатации под воздействием электрической, тепловой нагрузок и атмосферных условий.

При воздействии электрических нагрузок количественные оценки надёжности определяют [20] :

- интенсивность отказов /\(п);

- среднее число включений до отказа п;

- функция распределения числа включений до отказа Р(п).

За интенсивность отказов принято число отказов за определённое число включений, отнесённое к числу изделий, которые оставались исправными к определённому уровню наработки - /\(п) ~ -—^ ,

(К - п)Ак

(Ап - число изделий, вышедших из строя за определённое число включений Ак; п - общее число отказавших с начала испытаний изделий; N - число испытанных изделий).

Вопросы надёжности можно разделить на три основные группы: технологическую надёжность, определение количественных показателей надёжности в условиях эксплуатации и обеспечение схемной надёжности систем. Совокупность

этих показателей определяют уровень эксплуатационной надёжности. Поэтому комплекс исследований количественных показателей надёжности даёт возможность установить технологические недостатки изготовления композиции и изделий из них, ресурс работоспособности и перегрузочные возможности, номинальные режимы эксплуатации и пути совершенствования свойств бетэла.

2.1 Влияние условий окружающей среды на величину сопротивления электрических обогревателей

Стабильность во времени и при нормальных нагрузках определяет возможные области применения и техническую эффективность материала. Вопросы стабильности свойств особенно важны, например для бетэловых композиций, изделия из которых используются в устройствах наружной установки и вероятность контакта с атмосферой не исключена. Поэтому оценка степени возможного изменения сопротивления при воздействии атмосферных условий, а также условий агрессивной среды на различных объектах, важна как с точки зрения эксплуатации, так и при разработке путей стабилизации свойств композиции. С этой целью определено изменение сопротивления образцов - цилиндров (диаметром и высотой по 0,05 м), хранившихся в течение десяти лет в климатических условиях Сибири. В это время они подвергались попеременному воздействию отрицательных и положительных температур при непостоянной влажности окружающей атмосферы. Следует отметить, что специальные метеорологические наблюдения не проводились, не фиксировались также и сезонные изменения в сопротивлении образцов. Поэтому результаты проведённых исследований следует рассматривать как итоговое влияние за длительный срок переменных атмосферных условий.

В ходе длительного хранения сопротивление высокоомных образцов возросло, а низкоомных - уменьшилось. При объёмной концентрации углерода С1~(0,22-0,25) сопротивление осталось неизменным (таблица 2.1).

Перед длительным хранением все образцы были высушены при Т ~ 423 К до постоянной массы. Повторная их обработка после длительного хранения при такой же температуре снизила сопротивление образцов во всем диапазоне объёмных концентраций углерода, при этом полученные значения сопротивле-

ний оказались меньше начальных. Изменение сопротивления образцов при увлажнении композиции и сушке ранее [13] объяснено шунтирующим влиянием избытка воды и физической усадкой цементного камня. Более интенсивное снижение сопротивления при сушке после длительного хранения свидетельствует о том, что усадочные явления в этом случае стали интенсивнее. Последнее может быть связано с физико-химическими процессами в структуре композиции во время хранения.

Таблица 2.1 - Изменение сопротивления образцов в процессе хранения и последующей сушки

^Условия"^^ Сопротивление, в Ом

0,15 0,20 0,50 0,40 0,50

После формовки 5,5104 4,0102 1,4101 1,98 1,00

После хранения 4,5104 4,6102 7,010о 1,80 1,00

После хранения и сушки

при 423 К 2,0104 2,6102 5,510° 1,40 0,80

После хранения и сушки

при 573 К 1,0104 10102 5,610° 0,95 0,6

Цемент химически активен на протяжении всего срока существования композиции. Со временем процесс гидратации минералов цементного клинкера замедляется, но полностью не прекращается.

Гидратация сопровождается изменениями в абсолютных объёмах твёрдой фазы (увеличением) и повышением степени закристаллизованности гидратных новообразований. Гидратные соединения цементного камня способны при повышении температуры и уменьшении влажности окружающей среды терять межпакетную и структурную воду и вновь её присоединять при увеличении влажности. Эти процессы приводят к объёмным деформациям - усадке композиции. Деформационные напряжения при изменении объёма твёрдой фазы в ходе гидратации, кристаллизации и увлажнении, а также физическая усадка при обезвоживании гидрат-

ных соединений, изменяют условия контактирования частиц углерода и, как следствие, электрическое сопротивление бетэла.

При значениях объёмной концентрации углерода, большей порога протекания (С1 > С10), в комплексной электропроводной фазе углерод-гидратированный цемент оба компонента непрерывны по всему объёму. Электропроводность в этом случае осуществляется благодаря контакту частиц углерода через тонкие адсорбированные слои. В такой структуре контакт жёстко зафиксирован между частицами негидратированного цемента. В этих условиях, возникающие в результате увеличения объёма твёрдой фазы продуктов гидратации цемента радиальные силы (рисунок 2.1,А), всесторонне обжимают контактирующие частицы углерода. Увеличивается контактное давление и площадь контактного пятна. Последнее приводит к снижению электрического сопротивления.

Когда С1 < С10, объём клиньев из гидратированного цемента в зоне контакта частиц углерода велик, а при С1 << С10 между частицами углерода возможно возникновение гидратных прослоек. Здесь деформационные силы всесторонне обжимают уже не единичный контакт, а каждую частицу углерода (рисунок 2.1 ,Б), способствуя ослаблению контактного усилия, увеличению зазора и росту сопротивления.

Изменение сопротивления зависит от интенсивности технологических режимов, типа компонентов и их объёмных концентраций в композиции. Соотношение Як / Ян (где Як и Ян соответственно, сопротивление после и до выдержки) колеблется в пределах (0,70-80).

Относительное изменение сопротивления увеличивается с уменьшением объёмной концентрации углерода в композиции. Последнее связано с большей долей цементной составляющей и большими деформациями в результате дополнительной гидратации непрореагировавшей части цементного клинкера.

Рисунок 2.1 - Модель действующих в единичном контакте сил:

1 - негидратированный цемент; 2 - адсорбционный слой; 3 - гидратирован-ный цемент; 4 - углерод

Увеличение объёма гидратных новообразований в процессе длительного хранения приводит при повторной сушке к более интенсивной физической усадке и дополнительному снижению сопротивления у всех композиций. Анализ интенсивности изменения сопротивления бетэла в процессе длительного хранения даёт возможность выделить ряд факторов, способствующих стабилизации сопротивления. Так, к уменьшению Як / Ян приводит увеличение объёмной концентрации углерода, водокомпозиционного отношения в смеси (рисунок 2.2) и интенсификация режимов гидротермальной обработки (повышение температуры и давления пара), то есть технологические приёмы, увеличивающие степень гидратации цементного клинкера и уменьшающие долю негидратированного цемента в композиции. Однако эти же мероприятия увеличивают нестабильность композиции в процессе эксплуатации, поскольку большая степень начальной гидратации увеличивает объёмную долю гидратных новообразований, включающих низкотемпературную структурную воду, и при нагреве, в результате воздействия электрических нагрузок, усиливает физическую усадку и снижает сопротивление бетэла.

Ян/Як__

14

12 10 8 6 4 2 0

0,1 0,2 0,3 0,4 С,

Рисунок 2.2 - Влияние водокомпозиционного отношения бетэловой смеси (В/К) и объёмной концентрации углерода (С1) на коэффициент изменения сопротивления бетэла в ходе длительного хранения: 1 - В/К = 0,12; 2 - В/К = 0,15; 3 - В/К = 0,18.

Эффективным способом, повышающим стабильность сопротивления во всех режимах, является уменьшение общей пористости композиции при увеличении усилия уплотнения смеси при изготовлении образцов (рисунок 2.3).

Таким образом, повышению стабильности сопротивления композиций способствует снижение интенсивности абсорбционно - десорбционных процессов и физической усадки затвердевшего вяжущего при переменных темпера-турно-влажностных условиях. Это может быть достигнуто в результате:

- применения технологических мероприятий, обеспечивающих достаточную механическую прочность и минимальную пористость изделий;

- применения режимов гидротермальной обработки, при которых в структуре затвердевшего цементного камня формируются высокотемпера-турные гидратные новообразования;

- проведения стабилизирующей сушки при температурах, превышающих эксплуатационные температуры изделий;

- разработки конструктивных мероприятий, обеспечивающих надёжную герметизацию бетэловых изделий.

Ян/Як 40

30

20

10

0

0,5 1,5 2,5 3,5 Р, МПа

Рисунок 2.3 - Влияние энергии уплотнения бетэловой смеси на коэффициент изменения сопротивления бетэла в ходе длительного хранения

2.2 Термостойкость и термостабильность электропроводных композитов

Характерным режимом работы бетэловых изделий на сельскохозяйственных и строительных объектах является воздействие электрических нагрузок, при которых они могут нагреваться до значительных температур. Поэтому термостойкость и термостабильность является важным фактором, определяющим их эксплуатационную надёжность. В связи с этим проведены термические испытания, в ходе которых определялись предельные температуры для бетэла разного состава, допустимое число циклов нагрев-охлаждение при разных значениях температур, характер изменения сопротивления (старение) образцов под воздействием тепловых нагрузок.

Не существует единой методики проведения испытаний на тепловое старение композиционных материалов. Для каждого конкретного случая методика разрабатывается в зависимости от условий работы материала. Общим является то, что образцы помещаются в термокамеры, где выдерживаются в течение определённых промежутков времени при повышенных температурах. Сочетание старящих факторов и их интенсивность соответствуют особенностям работы материала в эксплуатации. С учётом характера работы бетэла термические испытания проведе-

ны в двух режимах, имитирующих эксплуатационные тепловые нагрузки нагревателей и резисторов.

По первому режиму определялась предельная температура, при которой образец теряет свои резистивные свойства. Испытуемый образец помещался в термокамеру и нагревался вместе с ней до определённой температуры [в интервале (573825) К]. После выдержки (~30 мин), когда температура внутри образца становилась равной температуре внутри камеры, измерялось его сопротивление. Предельными считались температуры, при которых сопротивление образца необратимо возрастало.

Для определения характера теплового старении проведены циклические испытания, которые в наибольшей степени соответствуют эксплуатационным режимам работы. В ходе этих испытаний образец помещался в камеру, где выдерживался около 30 мин. при заданной температуре* затем измерялось его сопротивление и он охлаждался до комнатной температуры. Такие циклы повторялись до тех пор, пока сопротивление образца не изменялось на 50 % по сравнению с начальным значением. Старение в циклах определялось при температурах 673, 623, 573, 473 К.

Следует отметить, что принятые режимы испытаний по степени жёсткости воздействующих тепловых нагрузок более тяжёлые, чем нагрев до этих же температур электрическим током. Так например, при электрических нагрузках образцы подвергаются воздействию максимальных температур в течение десятых долей секунды, тогда как в термических испытаниях длительность воздействия ~30 мин. Кроме того, при токовых нагрузках выделение тепла происходит достаточно равномерно по всему объёму резистора, при внешнем же нагреве возникает резкий

градиент температур в радиальном направлении, что приводит к значительным ме-

*

ханическим напряжениям.

* Контроль и регулирование температуры осуществлялись контактным термометром и электронной системой регулирования. Температура внутри образца и в камере измерялась калиброванными термопарами. Показания термопар регистрировались милливольтметром Щ-4310. Разброс в показаниях температур не превышал ± 5%. Сопротивление измерялось омметром Щ-34. Испытания проведены на образцах - цилиндрах диаметром и высотой по 510-2 м.

В режиме постоянного нагрева на экспериментальных зависимостях Я(Т), (рисунок 2.4) наблюдается три участка:

- до 373 К имеет место незначительное снижение сопротивления за счёт удаления влаги;

- до 623 К - более интенсивное снижение сопротивления и его стабилизация;

- выше 623 К - резкое увеличение сопротивления.

Я, Ом

10'

\(У

10'

10

1 ' ~ 1 1 1

! 1 1 1 1 \ ^

1 1 1 2 1 3 1 1 4 1 1 1 1 1 1

1 1 }

1 \ ^

1 ! 1

373 473 573 673 773 Т, К

Рисунок 2.4 - Изменение сопротивления бетэловых образцов в зависимости от температуры нагрева:

1 - С = 0,20; 2 - С = 0,30; 3 - С = 0,40; 4 - С = 0,50

1п п

3,0 2,0

1,0 о

1 \ 2 7 У

г

/ / / /

723 673 623 573 Т, К

Рисунок 2.5 - Интенсивность старения бетэла в зависимости от температуры нагрева образцов: 1 - С > 0,275; 2 - С < 0,275

Потеря электропроводности при Т > 623 К связана с температурной деструк-

Объёмная концентрация углерода в композиции составляла С1= (0,20-0,50). Значение удельных

цией, которая происходит при перекристаллизации и разложении гидратных новообразований в цементном камне. Температурная деструкция разрушает целостность контактов и прерывает сквозную электропроводную структуру образца. Разрушение цементного камня в условиях эксперимента зависит только от температуры, поэтому, независимо от его объёма в композиции, нарушение электропроводности наблюдается для всех композиций при одной температуре - 623 К.

Влияние удельного сопротивления образцов на ход зависимостей Я(Т) при Т < 623 К минимально.

Известно [73] , что при циклических тепловых нагрузках скорость старения зависит от температуры. Продолжительность старения отсчитывается от начала испытаний до момента достижения заданной доли начального значения, основного контролируемого параметра материала (в данном случае - сопротивления) и связана с абсолютной температурой старения Т зависимостью

1п п = Т + В, (2.1)

где А и В - постоянные, зависящие от особенностей материала; п - число циклов.

Количество циклов нагрев-охлаждение также определяется температурой и концентрацией углерода. Чем выше температура, при которой проводится испытание на тепловое старение, тем меньше разница в количестве выдерживаемых циклов. При температуре циклического нагрева 573 К эта разница для крайних значений объёмной концентрации углерода (0,25 < С1 < 0,50) составляет 15 циклов. Испытания при Т = 473 К показали, что после нескольких циклов сопротивление стабилизируется и остаётся практически неизменным для каждого состава вплоть до максимально достигнутого в испытаниях уровня наработки (100 циклов). При этой температуре не выявилось сколько-нибудь заметной тенденции к увеличению сопротивления, что свидетельствует о низкой скорости теплового старения. Прогноз долговечности при циклическом нагреве и охлаждении может быть сделан на основании экспериментально полученной зависимости 1п п(1/Т) (рису-

сопротивлений - (510-2-20) Ом-м

нок 2.5). Зависимости 1п п(1/Т) для образцов разного состава - прямые линии. Композиции делятся на две группы, одна с С1 > 0,275 (ро < 50 Ом-м), другая с С1 < 0,275. Это означает, что при С1 < 0,275 композиции практически равноценны по термостойкости и термостабильности. То же самое можно сказать о композициях С1 > 0,275. Точка пересечения зависимостей 1п п(1/Т) соответствует температуре - 623 К.

Смена нагрева и охлаждения приводит к воздействию на материал знакопеременных механических напряжений. Интенсивность термонапряжений определяется количественным соотношением углеродвяжущее и температурой нагрева.

Используя зависимость 1п п(1/Т) , можно оценить долговечность бетэла при различных температурах. Так, например, при 473 К тепловое старение начинается после (700-800) циклов.

Термические испытания выявили незначительное отличие в зависимостях Я(Т) для образцов разных номиналов; а также несколько более высокую термостойкость и термостабильность образцов с удельным сопротивлением ро < 5,0 Ом-м (С1 > 0,275). Многократный нагрев до температуры 473 К не позволил обнаружить сколько-нибудь заметных изменений в значениях сопротивлений образцов при числе циклов п = 100.

Результаты термических испытаний являются косвенным подтверждением вывода о том, что старение бетэла в результате многократных токовых нагрузок обусловлено, прежде всего, локализацией тока и мощности в определённых областях структуры композиции, где температура выше, чем в среднем по объёму образца из-за неоднородности структуры. Неоднородность возрастает с увеличением удельного сопротивления, поэтому высокоомные образцы имеют менее стабильные электрические характеристики.

2.3 Изменение электрического сопротивления обогревателей при кратковременных воздействиях напряжения промышленной частоты

В ряду факторов, наиболее сильно влияющих на электрические параметры композитных обогревателей, необходимо отметить число воздействий напряжения (п) - уровень наработки.

Исследование влияния числа воздействий при различных напряжённостях (Е), длительности импульса (т^) и энергии импульса (соим) электрической нагрузки проведено на образцах - цилиндрах (диаметром - 200 мм и высотой - 100 мм), сформированных по номиналам в 4 группы: (ро = (0,3-0,4); (1,0-1,5); (3,0-4,0) и (8,0-10,0) Ом-м).

Результаты анализировались по зависимостям Я (п) и ЯЕ (п). Первая характеризует изменение сопротивления в слабом поле до и после включения под нагрузку при увеличении числа воздействий. Вторая - изменение от воздействия к воздействию мгновенных значений сопротивления при амплитудном значении напряжения в начале и конце импульса.

При ро = (0,3-0,4) Ом-м первые включения под нагрузку приводят к снижению сопротивления (рисунок 2.6 и 2.7), интенсивность которого зависит от уровня диссипированной энергии. Интенсивность возрастает с увеличением энер-

8 3

гии импульса. Например, при ю^ = 3,910 Дж-м" сопротивление снижается на

8 3

30 %, при юим = 1,610 Дж-м" на (3-4) % (рисунок 2.6). За пределами начального спада оно стабилизируется. Увеличение энергии импульса в процессе испытаний также приводит к снижению сопротивления (рисунок 2.7). Здесь необходимо отметить, что во время воздействия электрической нагрузки одновременно со снижением сопротивления наблюдается выделение из резистора водяного пара, которое прекращается при стабилизации сопротивления.

Поведение сопротивления более высокоомных образцов [ро=(1,0-1,5) Ом-м] принципиально не отличается. При этом номинале после многократных воздействий вслед за начальным снижением наблюдается незначительное увеличение сопротивления. Уровень нагрузки, при котором сопротивление стабилизируется, ниже -юим=2-108 Дж-м-3, Е=3,1104 В-м-1.

Рисунок 2.6- Зависимость Яо, ЯЕ (п) бетэловых образцов при многократном воздействии импульса напряжения различной энергии:

1 - Яо до воздействия импульса; 2 - Яо после воздействия импульса; 3 - ЯЕ в начале импульса; 4 - ЯЕ в конце импульса

О 10 20 30 40 50 п, вкл

Рисунок 2.7 - Зависимость Яо, ЯЕ (п) бетэловых образцов при изменении энергии импульса воздействующего напряжения в процессе испытаний: 1 - Яо до воздействия импульса; 2 - Я после воздействия импульса; 3 - ЯЕ в начале импульса; 4 - ЯЕ в конце импульса

Анализ результатов испытаний образцов следующей группы [ро = (3,0-4,0) Омм] показал, что они отличаются нестабильностью, более быстро старятся. На рисунке 2.8 в качестве примера приведены несколько кривых стабильности, из которых видно, что, начиная с первого включения, сопротивление непрерывно растёт в течение всего цикла испытаний. Скорость изменения сопротивления в первые (8-10) воздействий напряжения значительно выше, чем в последующих. В конечном итоге образец выходит из строя.

Аналогично протекает процесс старения самых высокоомных из числа испытанных образцов [ро = 8,0-10,0 Ом-м].

Представляет интерес сопоставление результатов испытаний образцов, отказавших в результате многократных токовых воздействий и сохранивших к концу испытаний работоспособность (рисунок 2.8). Кривые стабильности образцов, отказавших в ходе испытаний, показаны на рисунке пунктиром. За несколько включений до пробоя (5-7) у высокоомных образцов на зависимостях Я, (п) возрастает скорость увеличения сопротивления. Ход кривых ЯЕ (п) остаётся неизменным; лишь за (1-2) включения до пробоя значение ЯЕ в конце импульса напряжения уменьшается, что связано с увеличением (примерно в 2 раза) скорости роста тока через образец.

Быстрее протекает процесс старения при увеличении длительности воздействия и сохранении неизменным уровня напряжения. Например, в два раза увеличивается скорость роста сопротивления образцов группы ро=(3,0-4,0) Ом-м при увеличении тим от 0,5 до 1,0 с.

На рисунке 2.9 приведены зависимости изменения сопротивления образцов при постоянных юим и Е для образцов с номиналами ро = (1,0-1,5) Ом-м и (5,0-4,5) Ом-м (рисунок 2.9,А), а также Ро=(3,0-4,5) Ом-м и (8,0-10,0) Ом-м (рисунок 2.9,Б). При значительном различии величин диссипированной энергии (~2,1-2,7) раза значения АЯ / Я и АЯ / ЯЕ при равных ро практически одинаковы. Эти результаты показывают, что уровень стабильности зависит не только от энергии импульса, но и от амплитуды воздействующего напряжения.

Я, Ом

0 10 20 30 40 п, вкл

Рисунок 2.8 - Зависимость Я,, ЯЕ (п) бетэловых образцов с удельным электрическим сопротивлением, ро = (3,0 > 4,0) Омм при многократном воздействии импульса напряжения с постоянной энергией:

1 - Яо до воздействия импульса; 2 - Яо после воздействия импульса; 3 - ЯЕ в начале импульса; 4 - ЯЕ в конце импульса

Установленный характер зависимостей Яо(п), ЯЕ(п) обусловлен процессами, происходящими в композиции при многократных воздействиях напряжения. Основное влияние на электропроводность композиций оказывает два противоположно действующих процесса: окислительный, который вызывает необратимое увеличение сопротивления, а также процесс, связанный с удалением из образцов воды, приводящий к снижению его электрического сопротивления. В зависимости от того, какой из этих процессов протекает интенсивнее, происхо-

дит либо увеличение, либо снижение электропроводности композиций. Остановимся подробнее на особенностях протекания этих процессов.

о 10 20 30 40 п, вкл

Рисунок 2.9 - Зависимость изменения сопротивления бетэловых образцов различного номинала от числа включений под напряжение при постоянных юим и Е: 1 - ро = 1,5 Омм; 2 - ро = 3,7 Омм; 3 - ро = 8,8 Омм

Затвердевший цементный камень - капиллярно-пористое тело. Технический углерод, применяемый в композициях, также имеет пористость, достигающую (50-70) % по объёму. Поэтому эквивалентная пористость композиции,

в зависимости от технологии изготовления и состава, колеблется от 20 до 40 % [136]. Материал, обладающий такой пористостью, активно абсорбирует влагу при увеличении влажности окружающей среды и теряет её в сухой атмосфере и при нагреве. Термические исследования показали, что даже сразу после прохождения полного технологического цикла, включающего сушку при Т = (423455) К, в объёме материала (при неизменных атмосферных условиях) содержится до 0,5 % (по массе) воды в свободном состоянии и воды, удаление которой происходит вплоть до (523-573) К (структурная вода гидратных новообразований цемента).

Под воздействием электрического напряжения образец нагревается. При достижении температуры 373 К и более происходит превращение свободной воды в пар. Образовавшийся пар через поры выводится из композиции. Удаление воды приводит к интенсивной физической усадке, обжатию единичных контактов углерод-углерод и, как следствие, к снижению сопротивления композиции в целом. Увеличение электропроводности низкоомных образцов (0,3-0,4 Ом-м) на первых включениях вызвано именно постепенным обезвоживанием композиций. Влияние окисления углерода на характеристики образцов этого номинала мало заметно.

Существенное влияние окислительный процесс оказывает на поведение зависимостей Яо(п), ЯЕ(п) более высокоомных образцов (р 0 > 5,0 Ом-м). Вследствие полидисперсности частиц электропроводного углерода конечную структуру композиции можно представить системой распределённых в объёме единичных контактов с широким спектром контактных сопротивлений. При приложении импульса напряжения в части контактов выделяется большое количество тепла, что приводит к сгоранию низкоомных контактов и к снижению электропроводности. Окислительный процесс продолжается от импульса к импульсу, постепенно затухая.

Отличие в поведении кривых стабильности Я0(п) и КЕ(п) высокоомных образцов может быть объяснено тем, что в результате многократных воздействий напряжения непосредственный контакт между частицами углерода в некоторых

цепочках нарушается. Вследствие этого при малых напряжениях, используемых для измерения Яо, сопротивление цепочек велико. Вблизи максимума напряжения эти цепочки вновь становятся электропроводными. В результате электропроводность изменяется незначительно (участок насыщения на кривых ЯЕ(п)).

Проведённые исследования позволяют утверждать, что стабильность бетэ-ла при воздействии электрической нагрузки, главным образом, определяется удельным электрическим сопротивлением композиции. Наибольшей стабильностью обладают композиции с р0 = (0,3-0,4) Омм. При всех уровнях воздействующего напряжения, включая и режим, в котором многократные воздействия завершались пробоем (напряжённость Е = 2,4104В-м-1, длительность т = 0,5 с) не наблюдалось роста сопротивления.

В ходе испытаний выборочно измерялась интегральная температура тела образца. Многократный нагрев резисторов р0 = (0,3-0,4) Ом-м до температур (423-573) К, не приводит к заметному изменению электрических параметров. Образцы с р0 = (3,0-4,5) Ом-м, где зафиксированы меньшие температуры (333393) К весьма нестабильны. На основании этого можно заключить, что интегральная температура нагрева образцов не является основным фактором старения. В ходе термических испытаний получены результаты, косвенно подтверждающие этот вывод.

2.4 Основные закономерности изменения пропускной способности композитных изделий при эксплуатации

Полные отказы образцов в результате многократных воздействий напряжения наблюдаются в виде коротких замыканий и механических разрушений. В основном происходят они в конце импульса напряжения. Короткие замыкания проявляются как пробой образца или перекрытие его по поверхности.

Основным механизмом коротких замыканий в композиции является электротепловой пробой, после которого образуется один или несколько каналов диаметром (1-2) мм (рисунок 2.10, 1). Причиной развития пробоя является локальная концентрация тока в микрообъёме композиции. Пробой происходит в теле образца, вдали от боковой поверхности и завершается его механическим раз-

рушением. Он является основным видом внезапных отказов. Случаи перекрытия образцов по поверхности редки и фиксировались, главным образом, в первых включениях образцов под нагрузку и в испытаниях на перегрузочную способность.

Разрушение образцов (рисунок 2.10, 2) вызвано термомеханическими напряжениями в объёме, возникающими при нагреве композиции вследствие неравенства коэффициентов термического расширения и парообразования в результате испарения избыточной воды при Т > 373 К. Когда механические напряжения превышают предел прочности образец разрушается. Такой вид отказа наиболее типичен для образцов, не прошедших перед испытаниями сушки и в режимах, близких к предельным. Как правило, термомеханические разрушения наблюдаются в нескольких начальных включениях образцов под нагрузку. Многократные воздействия напряжения приводят к возникновению трещин вдоль и поперёк тела образца, отслоению поверхности электродов и т.п. (рисунок 2.11). Под нагрузкой (рисунок 2.12) отчётливо видны области искрения, по интенсивности свечения которых можно судить о наиболее нагруженных участках. При больших нагрузках в начальных включениях наблюдается интенсивное паровыделение.

Результаты электрических испытаний композиционных образцов показывают, что надёжность существенно зависит от состава композиции.

Оценка количественных показателей надёжности, таких, как закон распределения Р(п), среднее число включений под нагрузку п, производилась путём статистической обработки экспериментальных данных по деградационным и полным отказам. В качестве деградационного отказа образца принималось отклонение сопротивлении ЯЕ на 15 % по сравнению с начальным значением.

1

Рисунок 2.10 - Характерный вид полных отказов бетэловых образцов после воздействия электрической нагрузки:

1 - электрический пробой; 2 - термомеханическое разрушение

Рисунок 2.11 - Бетэловые образцы после 75 включений под электрическую нагрузку (Е = 1,4 104В м"1; т = 1,0 с)

Рисунок 2.12 - Бетэловые образцы в процессе электрических испытаний

На рисунке 2.13, 1 построена гистограмма полных отказов образцов номинала (0,3-0,4) Омм, испытанных при Е = 2,4104 В-м-1 и т = 0,5 с.

Расчёт среднего и среднеквадратичного отклонения даёт следующие результаты: п=9,6; оп= 5,65. Для аппроксимации полученного распределения было использовано гамма-распределение. В этом случае плотность распределения вероятностей [24, 74]

ед = ха ех/р, (2.2)

где Р > 0, а > -1, х > 0.

Математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение, соответственно

т = в(а + 1), о = Рл/аЛ (2.3)

Интегральная функция гамма-распределения есть нормированная на единицу неполная гамма-функция

Г * ^ а +1

Р(х) = Г—1—т-х ае-х/рёх= -А <1. (2.4)

V ) J —\ П—\ гу /— - К >

Г

_V

—в г- - — —\рс

Плотность распределения отказов Б(п) в исследованном режиме описывается функцией (2.2) при значениях а = 2,0, Р = 5,0, т.е.

ВД = 0,018 п2 е-033п. (2.5)

Огибающая кривая £(п) приведена на рисунке 2.13, 1. По (2.3) найдены значения т = 9 и о = 5,2. Интегральная функция распределения при этих т и о

Е(п)=1-0,054е-0,33п(п2+6п + 18). (2.6)

На рисунке 2.13, 2 приведены графики функций распределения отказов. Оценка степени согласованности теоретического и экспериментального распределения производилась по методу Колмогорова [2, 18, 24]. Наибольшее расхождение между двумя распределениями составляет величину Н = 0,09 (рисунок 2.13,2). Сравнение полученного значения Н = 0,09 с критическим для объёма выборки N = 30 и доверительной вероятности Р = 0,9 показало, что гипотеза о предполагаемом гамма-распределении может быть принята.

Определение среднего числа включений под нагрузку проводилось на осно-

вании анализа деградационных отказов по кривым стабильности образцов. Характер распределения числа включений под нагрузку, приводящих к отклонению сопротивления за пределы 15 %, симметричный. Определение средних значений для групп образцов производилось с помощью размаховых оценок. Среднее число включений для образцов номинала (3,0-4,0) Омм, испытанных при Е = 4,4-104В-м-1 и т= 0,5 с, равно п = 8,3; для резисторов с р0 = (8,0-10,0) Ом-м, испытанных в тех же условиях, п = 13,8.

На основании данных о внезапных и деградационных отказах на рисунке 2.14 построена зависимость Е(р0). Среднее число включений принято равным п ~10 для всех групп образцов. Из рисунка видно, что с увеличением удельного сопротивления растёт напряжённость. По этому графику трудно судить о достоинствах того или иного номинала с точки зрения пропускной способности. Наглядное представление о возможностях бетэла исследованного диапазона значений сопротивлений даёт график зависимости ю (р0).

9 3

Максимум удельной диссипированной энергии ю ~ 0,410 Дж-м" приходится на область значений (0,3-0,5) Ом-м. Образцы этого номинала отличаются не только стабильностью электрических параметров, но и наибольшим значением допустимой энергии.

Возможное число включений под нагрузку зависит от уровня воздействующего напряжения. С уменьшением напряжения (рисунок 2.15) допустимое число включений возрастает. У высокоомных образцов с ростом напряжённости увеличивается интенсивность старения, сопротивление выходит за допустимые пределы при меньшем числе включений, увеличивается вероятность полных отказов. Все это даёт основание применить понятие ресурса пропускной способности, сформулированное в [73] , для карбидокремниевых резисторов. Эмпирическая формула, связывающая среднее значение ресурса пропускной способности (А ), интенсивность (Е ) и допустимое число воздействий п

А=п Ет =сопв1 (2.7)

пригодна и для образцов из бетэловых композиций.

N

0 4 8 12 16 20 п,вю1

Рисунок 2.13 - Графики функции плотности распределения (1) и функции распределения (2) от числа включений бетэловых образцов до отказа

В [17, 21, 73] на основании экспериментальных исследований среднего числа отказов при различной интенсивности воздействий для образцов (резисторов) практически используемого диапазона сопротивлений установлено, что значение коэффициен-

та у = (5-6).

Рисунок 2.14 - Изменение пропускной способности (ю) и допустимой напряжённости электрического поля (Е) бетэловых образцов в зависимости от удельного сопротивления композии (ро) и количества включений под нагрузку (п).

Рисунок 2.15 - Зависимость среднего числа импульсов воздействующего напряжения (п), выдержанных бетэловыми образцами с ро = 0,4 Ом м до пробоя, при различной напряжённости электрического поля; длительность воздействия: 1 - 0,5 с; 2 - 1,0 с; 3 - 2,0 С; 4 - 4,0 с

2.5 Способность электрообогревателей выдерживать электрические перегрузки

Соотношение (2.7) определяет ресурс при одинаковой длительности импульсов

воздействующего напряжения. В реальных условиях эксплуатации бетэл подвергается воздействиям напряжения различной амплитуды и длительности. Взаимосвязь этих параметров и их предельные допустимые величины имеют практическое значение и могут быть установлены по результатам разрушающих испытаний при ступенчатом увеличении длительности импульса и одноразовом воздействии напряжения вплоть до отказа.

Типичный характер изменения сопротивления образцов при ступенчатом

*

утяжелении условий испытаний приведён на рисунке 2.16 . Ступенчатое повышение воздействующей на образец нагрузки приводит к снижению его сопротивления, как в слабом (Я0), так и в сильном (ЯЕ) поле, при этом интенсивность снижения возрастает с увеличением напряжения. Отмеченный характер изменения Я0 и ЯЕ согласуется с общими закономерностями изменения сопротивления бетэла в результате обезвоживания композиции при нагреве. Например, в ходе второй ступени нагружения (тим = 1,0 с, Е =1,4-104 В-м-1) образца с удельным сопротивлением 0,4 Омм (рисунок 2.16), его температура достигает (473-493) К и сопровождается интенсивной сушкой и физической усадкой.

Наиболее интенсивное снижение сопротивления наблюдается в начале ступени нагружения и в последующем стабилизируется. Утяжеление воздействующей электрической нагрузки на каждой последующей ступени приводит к дальнейшему росту температуры и повторению процесса снижения и стабилизации сопротивления.

По результатам однократных воздействий построены зависимости предельной длительности воздействия от уровня нагрузки Е(т) и ю(т) (рисунок 2.17). В диапазоне значений напряжённости (0,7-52,40) 104В-м-1 предельная длительность уменьшается от 6,4 с до 0,6 с. При этом уровень удельной рассеиваемой

8 8 2 энергии изменяется мало - с 5,0-10 до 5,8-10 Дж-м"

*Оптимальные длительности импульсов, амплитуды и количество включений на протяжении одной ступени нагружения выбраны по результатам экспериментов

Я, Ом

X, = 1,0 с т2= 2,0 с т3= 3,0 с

/

/ / 4---

/ / 1 2

Е = 2,6 ' 104 В'м"!

1,6 1,2 0,8 0,4

0 5 10 п, вкл

Рисунок 2.16 - Изменение сопротивления бетэловых образцов от числа импульсов воздействующего напряжения при ступенчатом увеличении их длительности и постоянном уровне напряжения:

1 - Яо до воздействия напряжения; 2 - Я после воздействия напряжения; 3 - ЯЕ в начале импульса; 4 - ЯЕ в конце импульса

Т[ — 0,5 с т2= 1,0 с х3= 1,5 с

—4-- V \

—/-г-

1 1 1 2 1 Г* 3 4

Е = 1,4 104 В'м"1

Рисунок 2.17 - Зависимость диссипированной энергии (ю) и предельной напряжённости электрического поля (Е) от длительности воздействия напряжения для бетэловых образцов с ро = 0,4 Омм: количество включений, п = 1: 1 - ю(т); 3 - Е(т). количество включений, п = 50: 2 - ю(т); 4 - Е(т).

Время выхода образца из строя для одного и того же значения напряжённости подвержено разбросу. Указанный разброс связан как со стохастическим характером процессов, приводящих к разрушению резисторов, так и некоторым отличием в значениях их сопротивлений.

Применительно к резисторам разрядников и ограничителей перенапряжений взаимосвязь параметров обычно описывается выражением вида

[73]

Етт =сош1, (2.8)

где т - длительность воздействия напряжения, приводящего к разрушению резистора; т - коэффициент, характеризующий материал.

Расчёты показали, что экспериментально полученная зависимость Е(т) в диапазоне (0,75-2,40)-104 В-м-1 удовлетворительно аппроксимируется этим выражением при т = (0,5-0,55). Значение коэффициента т, полученное в разрушающих испытаниях при числе воздействий п = 1, может быть использовано при расчётах расходуемого ресурса пропускной способности.

2.6 Выводы

1 При изменении влажности и температуры окружающей среды, а также при нагреве бетэловых композиций их сопротивление изменяется. Нестабильность электропроводности связана с адсорбционно-десорбцион-ными процессами и физической усадкой цементного камня. Это требует надёжной герметизации бетэловых изделий и разработки технологических и конструктивных мероприятий по повышению стабильности электропроводности композиций.

3 Проведённые исследования показали, что под воздействием электрической нагрузки наблюдается увеличение удельного электрического сопротивления (старение) бетэла. Интенсивность старения связана с уровнем, длительностью и частотой воздействий напряжения, плотностью тока и температурой тела бетэлового образца. С ростом удельного сопротивления интенсивность старения возрастает. Наибольшей стабильностью параметров обладает бетэл с р0 = (0,3-1,5) Омм.

3 В процессе электрических испытаний в режимах, близких к разрушающим, установлено, что температура бетэловых образцов с р0 = (0,3-0,4) Ом-м достигает 573 К, а при р0 > 3,0 Ом-м - 393 К. Испытания бетэла на термостойкость показали, что предельная температура, которую выдерживают образцы при однородном нагреве, практически не зависит от состава и равна ~ 623 К. Превышение этой температуры вызывает необратимое увеличение сопротивления. Многократный нагрев различных композиций до температур ~ 473 К не приводит к изменению характеристик

бетэла.

4 Совместный анализ основных результатов электрических и термических испытаний показал, что причиной деградации характеристик бетэла является локальный перегрев и интенсификация окислительных процессов участков структуры из-за неравномерного распределения тока, вызванного неоднородностью материала. Следствием этого является меньшая стабильность параметров высокоом-ных композиций (р0 >3,0 Ом-м) по сравнению с низкоомными (0,3-1,5) Омм.

5 Основным видом полного отказа бетэловых образцов является электрический пробой. Перекрытие наблюдается в редких случаях. Разрушения образцов, вызванные термомеханическими деформациями, имеют место в нескольких начальных включениях бетэловых образцов под нагрузку.

6 Пропускная способность бетэла зависит от удельного сопротивления композиции. Для оценки пропускной способности, располагаемого и расходуемого ресурса может быть использована эмпирическая зависимость п Ет = сош! при у = (56). Наибольшей пропускной способностью обладают композиции с р0 = (0,3-0,5) Ом-м. Образцы этого номинала способны диссипировать энергию ю = 0,4-10

3 —

Дж-м" при числе включений п = 10. Взаимосвязь параметров длительности и уровня воздействующего напряжения описывается уравнением Еттим = сош! при т = (0,50-0,55).

7 Удельная диссипируемая энергия существенно зависит от количества абсорбированной в материале влаги. В условиях постепенного увеличения длительности электрической нагрузки, вызывающей интенсивную сушку бетэла, получены зна-

8 2

чения диссипируемой энергии [р0 = (0,3-0,4) Ом-м] ю = (7,5-8,0) 10 Дж-м" В увлажнённом состоянии значения диссипируемой энергии для этих образцов при од-

8 2

норазовом воздействии напряжения до разрушения - (5,0-5,8) 10 Дж-м"

8 Исследования характеристик надёжности бетэловых композиций позволили разработать следующие практические рекомендации:

- в качестве комплектующих элементов тепловых систем в гидроэнергетическом строительстве целесообразно использовать нагреватели из бетэловых композиций с удельным электрическим сопротивлением (0,3-0,4) Ом-м, которые при

прочих равных условиях обеспечивают повышенной ресурс работоспособности систем;

- для повышения надёжности изделий из бетэловых композиций должны быть приняты меры технологического и конструкционного характера, препятствующие поглощению бетэлом влаги в процессе эксплуатации изделий;

- при производстве мощных бетэловых резисторов электроэнергетического назначения необходимо использовать наиболее энергоёмкие композиции с ро = (0,3-0,4) Омм, что позволяет формировать резисторные установки различного назначения с меньшим числом резисторов.

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧЕГО РЕСУРСА КОМПОЗИТНЫХ ОБОГРЕВАТЕЛЕЙ

Особенностью использования композитных электрических обогревателей в электротепловых системах для интенсификации технологических процессов в АПК, АПК, промышленности и гидроэнергетическом строительстве является относительно большая продолжительность их эксплуатации[5-10, 17, 21, 32] .

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 и предприятий АПК от промерзания, в соответствии с требованиями технических условий, должна функционировать до 18000 часов [37, 39-40, 74].

В этой связи одной из важнейших задач, определяющих техническую эффективность применения композитных обогревателей, является определение ресурса их работоспособности в различных режимах эксплуатации и разработка решений, обеспечивающих заданный срок работоспособности [20-21, 46].

3.1 Анализ методов ускоренного определения рабочего ресурса электрообогревателей из композитов

Среднее время работы прибора, устройства, установки и т.п. в определённом режиме (ресурс) является одной из важнейших эксплуатационных характеристик. Наиболее достоверной оценкой ресурса конструкции является определение времени её работы в режиме эксплуатации, например, на ГЭС, мини-ГЭС, сельскохозяйственных объектах. Такого рода испытания требуют значительного времени. Поэтому определение ресурса зачастую проводится в ускоренном режиме [17, 24, 73].

При ускоренном определении ресурса необходимо, чтобы причины выхода из строя были те же, что и в эксплуатационном режиме.

Значение испытательной мощности определяются температурой изделия, при которой ещё не происходит необратимого и резкого роста тока (перегрев и связанный с ним выход из строя) или сопротивления (выгорание токопроводяще-го компонента, разрушение материала). Эта температура устанавливается в эксперименте [8-10].

Для определения ресурса в ускоренном режиме используются различные методы [24, 26-29, 84, 88-89].

1 Режим постоянной энергии. Образец включается под напряжение промышленной частоты, при этом предполагается, что он выйдет из строя, если рассеянная им энергия Е достигнет некоторого порогового значения Ew. Эта энергия может быть определена

т w т w

Ew = j J ■ Udt= I wdt. (3.1)

0 0

Если значение тока (J), напряжения (U) и электрической мощности (w), действующие в течение времени Tw не зависят от времени, то Ew = Tw w. Предполагая Ew = const, получим Tw = w-1.

При применении этого метода следует иметь ввиду, что при небольшой мощности время нагрева образца до постоянной температуры может оказаться соизмеримым с Tw. Кроме того, предположение о постоянстве Ew означает, что в любом рабочем режиме механизм деградации нагревателей один и тот же, что неочевидно.

Гипотеза постоянства Ew полезна, если она не подтверждается. Это свидетельствует либо о различии механизмов деградации в разных рабочих режимах, либо о существовании, по крайней мере, одной пороговой мощности, ниже которой деградация идёт очень медленно, а выше - значительно быстрее. При этом мощность w изменяется в сравнительно узком интервале численных значений.

2 Метод «доламывания». Метод предусматривает испытание образцов в двух режимах - рабочем и форсированном. Если время испытания в рабочем режиме - Tw (среднее значение - Tw), а время форсированного режима при испытании до отказа - Tf (среднее значение - Tf), то численные значения tw и Tf должны

подбираться так, чтобы выполнялась равенство

т + Т = 1 , (3.2)

Т уу Т /

Этот метод прост и нагляден. Величина т - искомый ресурс в рабочем режиме, который может быть определён из серии экспериментов, путём варьирования т™ и (т£ - также заранее неизвестная величина). Поскольку в (3.2) зависимости т и тг от мощности в явном виде не входят, то для их определения требуются дополнительные испытания при разных т™ и Т£ и постоянных т, т/ , а также исследования зависимостей т™ и тг от мощности при различных её значениях. Эти дополнительные исследования увеличивают объём и продолжительность испытаний.

3 Термофлуктационный метод. Прочность твёрдых тел определяется наличием в них дефектов структуры, повышающих свободную энергию, а также флуктуаций энергии, причём внешние воздействия играют роль спускового механизма при переходе избыточной энергии в энергию разрушения.

Эта гипотеза носит весьма общий характер и её математическая формулировка

^ - иор(Е)"

т = тоехр

(3.3)

т

где W-энергетический барьер; ио- активационный объём; Т - температура, К; ф - функция, описывающая снижение барьера за счёт внешних воздействий; Е -электрическое поле (механическое напряжение).

При испытании бетэловых обогревателей электрическое поле невелико, поэтому ускоренное определение т связано в основном с изменением температуры (Т) при их нагреве, а относительно длительный нагрев усложняет анализ по (3.3).

4 Прямой метод определения связи т и При использовании этого метода выбирается значение мощности W, заведомо обеспечивающее ускоренное старение. Эту мощность в случае, когда обогреватель теплоизолирован от металла и его ориентация обеспечивает теплоотдачу и тепловое излучение от всей поверхности, можно оценить из условия

= Н(Т8 -То)Б + К(Т84-То4)28, (3.4)

где Н, К - коэффициенты конвективной и лучистой теплоотдачи; Б - площадь большой грани; Т8 - температура на поверхности нагревательного элемента; То -температура окружающего воздуха.

. -8 -2 -4 -2 -1

Для материалов, подобных бетэлу К > 510 Вт-м "" К , Н - 10 Вт •м К [81-84].

Приняв площадь бетэлового обогревателя Б - 0,1 м (для размера (0,40х0,25х0,025) м, составляющую лучистой теплоотдачи в (3.4) можно приближённо записать в виде

К(Т84 - То4) - К(Т8 - То) . 2( Т^ + То3), (3.5)

или с погрешностью менее 10 %

W = [Н + К 2( Т83 + То3)] . [Т8 - То], (3.6)

и при Т8 = 423 К, То = 293 К, когда старение становится заметным, значение мощности составляет W < 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.

5 Вероятностно-статистические исследования. При изготовлении партии бетэловых обогревателей даже при фиксированном соотношении компонентов бетэла конечное значение электрического сопротивления (Я) нагревателя является величиной случайной. Диапазон возможных значений (Я±АЯ) зависит от качества исходного сырья, уровня технологии и точности выполнения технологических операций.

Последнее определяет случайный характер рабочего ресурса обогревателя, который зависит от параметров эксплуатации: температуры (Т), удельной электрической мощности ^уд), плотности электрического тока (|). Параметры Т, Wyд, | функционально связаны с Я, что позволяет применить методы разработанные в теории планирования эксперимента [2, 18, 24, 74], которые дают возможность ми-

нимизировать объём эксперимента и получить достоверную информацию.

При исследовании рабочего ресурса бетэловых обогревателей принят прямой метод определения связи т и W.

3.2 Техническое и технологическое обеспечение экспериментальных исследований рабочего ресурса электротехнических композитных изделий

Испытаниям подвергались обогреватели, изготовленные из разных составов, имеющие разные, разбитые по группам, сопротивления, подключённые на напряжения разной величины. Таким образом, заведомо ставя их в неодинаковые условия по электрофизическим и тепловым параметрам, представляется возможным 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 бетэловой смеси [17, 24, 32, 50]. В дальнейшем, при промышленном выпуске, используя данные испытаний и варьируя ими, можно изготавливать обогреватели с параметрами и энергоресурсом согласно техусловиям потребителя.

3.2.1 Аппаратура, приборы и электрическая схема для проведения ресурсных испытаний

Ресурсные испытания проводились в специальной камере, оборудованной стеллажами для размещения обогревателей, приточно-вытяжной вентиляцией, обеспечивающей отвод тепла и приборами контроля параметров электрической схемы и температуры.

Технические возможности испытательной камеры позволяли включать под электрическую нагрузку одновременно пять групп обогревателей в соответствии со схемой приведённой на рисунке 3.1, при этом их количество в группе составляло 28 шт., а схема включения обеспечивала одновременно семь уровней воздействующего напряжения (~ 220; 110; 73; 55; 36 и 33 В). Одновременно испытаниям подвергалось 140 шт. обогревателей.

Рисунок 3.1 - Принципиальная электрическая схема ресурсных испытаний композитных обогревателей

Управление режимом испытаний осуществлялось с единого щита управления. Система приточно-вытяжной вентиляции в автоматическом режиме поддерживала в испытательной камере температуру на уровне (298-303) К. Экспериментальная партия изготовлена по прессованной технологии, описание которой приведено ниже.

3.2.2 Технология изготовления экспериментальной партии композитных обогревателей

Требования, предъявляемые к технологии изготовления композитных электрических обогревателей определяются их назначением - преобразование электрической энергии в тепловую. Поэтому основной задачей технологии является обеспечение заданного электрического сопротивления, стабильного в пределах установленного допуска, в течение всего срока эксплуатации. Одновременно должна быть достигнута достаточная механическая прочность, позволяющая использовать нагреватели в бетонных и железобетонных конструкциях в виде закладных элементов, и транспортировать их на большие расстояния [13-17].

Использование нагревательных элементов как закладных греющих элементов в бетонных массивах и железобетонных конструкциях, приводит к необходимости в ряде случаев включение в технологический процесс операций по гидроизоляции обогревателей.

Ранее в ходе натурных экспериментов на различных строительных объектах в Якутии, где композитные обогреватели размером (0,40х 0,25х0,03) м применялись для интенсификации твердения бетона, было установлено, что анизотропия обогревателя приводит к неравномерности теплового поля.

Учитывая технологичность изготовления и большую транспортную устойчивость, для создания протяжённых тепловых систем принята конструкция квадратного обогревателя с размерами (0,25х0,25х0,03) м, (рисунок 3.2).

Обогреватели для ресурсных испытаний готовились по традиционной технологии - методом полусухого прессования [8-9, 12-17, 24]. Основными сырьевыми компонентами являются цемент, сажа, песок, удовлетворяющие следующим требованиям [17, 24, 26-29]:

Цемент. Для изготовления композитной смеси должен применяться портландцемент марки 400, удовлетворяющий ГОСТ 10178-85. Использование других видов цемента (шлакопортланд, глиноземистый и т.д.) не допускается.

м

Разрез по 1-1

Рисунок 3.2 - Общий вид бетэлового обогревателя:

1 - бетэловая смесь; 2 - токоввод (провод ПЩ-3)

Сажа. Для обеспечения электропроводности в состав смеси вводится сажа П-803, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 7885-86. Могут быть использованы и другие углеродные дисперсные или тонкомолотые материалы, однако их применение должно быть обосновано экспериментом.

Мелкий заполнитель. Для повышения механической прочности и трещи-ностойкости, а также в целях регулирования сопротивления, в состав смеси вводится кварцевый песок, удовлетворяющий ГОСТ 22551-77, предварительно просушенный при температуре (333-353) К (остаточная влажность не более 1,0 %) и просеянный через сито № 1,25.

Вода. Вода обычная водопроводная (питьевая).

Кроме указанных компонентов при производстве обогревателей используется медный многожильный провод типа ПЩ-3 для изготовления токовводов и лак ПФ-231 для гидроизоляции.

Технология прессования полусухих смесей с последующей немедленной выпрессовкой показана на рисунке 3.3.

Подготовка смеси. Технология предусматривает двухступенчатое переме-

шивание компонентов (сухое и влажное). Приготовление сухой смеси производится в вибрационных мельницах типа МВ0-200. Дозирование компонентов осуществляется весовыми дозаторами с точностью ± 1,0 %, при этом в вибромельницу вначале загружаются цемент и песок, а затем сажа. Для МВ0-200 продолжительность сухого перемешивания составляет - 45 мин. За это время обеспечивается равномерное распределение компонентов в объёме смеси.

Из вибромельницы сухая смесь подаётся в двухвальный смеситель типа «Вернер», где она увлажняется и производится влажное перемешивание. Количество воды определяется по водокомпозиционному отношению, (В/К) - отношение массы воды к массе сухих компонентов

В

В / К =-, (3.7)

Ц + П + С

где В, Ц, П, С - соответственно, масса воды, цемента, песка и сажи.

Обычно В/К = (0,1-0,15) и подбирается опытным путём в процессе отработки технологии. Время влажного перемешивания зависит от типа смесительного агрегата и определяется экспериментально и составляет (20-30) мин.

Перемешанная смесь протирается сквозь сито № 3,0 и развешивается на дозы (навески), масса которых зависит от геометрических размеров нагревателя и усилия уплотнения смеси. Навески засыпаются в специальную прессформу установленную в портале пресса, смесь в матрице прессформы разравнивается и производится её прессование.

Дозировка готовой смеси на одну плиту составила - 3,90 кг. При этом объёме и усилии прессования 15,0 МПа достигается требуемая толщина нагревателя 0,03 м.

Прессование. Прессование обогревателей производилось в специальной прессформе установленной на гидравлическом прессе МС-100, при этом применялись оборачиваемые металлические поддоны, пластиковые прокладки и фиксирующие токовод латунные втулки (рисунок 3.4).

Рисунок 3.3 - Принципиальная технологическая схема прессования полусухих смесей

Рисунок 3.4 - Поддон в собранном виде:

1 - латунная втулка; 2 - токоввод; 3 - пластиковая прокладка; 4 - металлический поддон

Соблюдался следующий порядок: на очищенный поддон (4) устанавливалась пластиковая прокладка (3), в совмещенные отверстия поддона и прокладки устанавливаются втулки (1), в которые заводятся тоководы (2) и фиксируются в пазах поддона. Поверхность пластика смазывается машинным маслом. Собранный таким образом поддон помещается в матрицу (5) прессформы (рисунок 3.5). Засыпается и разравнивается бетэловая смесь (3) укладывается верхняя текстолитовая прокладка (2) толщиной (15-20) мм и подводится верхняя траверса пресса (1). Производится

прессование путём перемещения нижнего пуансона (6) установленного на прессующем цилиндре (7) пресса.