Введение к работе
Актуальность работы. Развитие энергетики в России основывалось на укрупнении единичной мощности электростанций и их агрегатов, создании системообразующих линий электропередачи высоких напряжений, расширения и усложнения распределительных сетей.
Сложившаяся к настоящему времени структура ЕЭС России формировалась на протяжении длительного времени, в течение которого существенно изменились как требования к основному оборудованию, так и условия его работы. Это привело к тому, что в семидесятых годах на значительном числе электростанций и подстанций энергосистем токи коротких замыканий превысили техническую возможность высоковольтного оборудования. К 1980 году общее число выключателей напряжением ПО кВ и выше, не соответствующих условиям эксплуатации, превысило 6000. Столь же актуальной стала проблема динамической стойкости трансформаторов. Уровень токов коротких замыканий в крупных энергосистемах достиг 35...45 кА на напряжениях 110...500 кВ, а в отдельных узлах 50...55 кА. Это привело к увеличению аварийности в энергосистемах и снижению надежности электроснабжения потребителей.
Возникшее техническое несоответствие применяемой аппаратуры условиям ее эксплуатации может быть разрешено: заменой оборудования на более мощное и совершенное; применением схемных мероприятий, введением в схемы энергосистем дополнительных устройств, снижающих скорости восстанавливающихся напряжений и токи коротких замыканий; модернизацией существующего оборудования.
Замена оборудования на более совершенное является в техническом отношении наилучшим решением. Однако это сложная производственная проблема, требующая больших капитальных вложений. Поэтому комплексное использование схемных мероприятий и модернизации существующего оборудования приняты как наиболее экономичный способ согласования условий эксплуатации и технических возможностей используемого оборудования.
Одним из эффективных средств повышения надежности и устойчивости работы энергосистем является применение в электрических схемах и аппаратах мощных активных сопротивлений - резисторов, которые позволяют демпфировать переходные электромагнитные и электромеханические процессы при авариях и коммутациях в электрических сетях. Традиционные решения, основанные на применении для этих целей резисторов на основе
сплавов высокого сопротивления, не в состоянии удовлетворить современные требования либо по техническим, либо по экономическим причинам. Поэтому актуальной стала проблема создания резисторов электроэнергетического назначения относительно невысокой стоимости при достаточных технических характеристиках.
Создание с участием автора нового композиционного материала -электропроводного бетона (бетэла), обеспечило условия для разработки на его основе резисторов электроэнергетического назначения, а организация их серийного производства на Опытном производственно -техническом предприятии "Энерготехпром" (г. Москва) позволила внедрить устройства, схемы и методы, обеспечивающие повышение отключающей способности высоковольтных выключателей, ограничение токов короткого замыкания, повышение динамической устойчивости энергосистем, надежное отключение конденсаторных батарей и т.п.
Способность бетэла нагреваться при протекании через него электрического тока определила перспективность создания избетэла низкотемпературных объемных нагревательных элементов различного назначения. Обладая большой теплоаккумулирующей способностью, относительно небольшой единичной мощностью и достаточным ресурсом работоспособности, бетэловые нагреватели позволили разработать и реализовать тепловые системы, устройство которых на других типах нагревателей малоэффективно или нецелесообразно.
Создание и внедрение бетэловых резисторов в электроэнергетику, промышленное производство и разработка новых устройств, схем, методов и систем было связано с необходимостью решения ряда качественно новых научно-исследовательских, конструкторско-технологических и специальных электротехнических задач. Это определило специфику выполнения исследований и вызвало необходимость привлечения различных научных направлений: электрофизики, физики твердого тела, техники высоких напряжений, физической химии, химии и технологии силикатов, технологии строительных материалов, призванных объяснить закономерности изменения электрофизических и физико-механических свойств бетэла, особенности формирования структуры, определить пути совершенствования характеристик композиций и повышения надежности резисторов и нагревателей.
Отсутствие информации о закономерностях изменения электропроводности бетэловых резисторов в слабых и сильных электрических полях и их надежности в условиях реально воздействующих электрически* нагрузок не позволяло прогнозировать поведение резисторов в процессе эк-
сплуатации и назначать научно-обоснованные режимы работы, нормировать рабочий ресурс, конструировать наиболее эффективные с точки зрения технико-экономических показателей резисторные установки и устройства, совершенствовать свойства резисторов и нагревателей и расширять их функциональные возможности. Это определило актуальность исследований, направленных на изучение закономерностей изменения электрофизических свойств бетэловых композиций, используемых при производстве резисторов и нагревателей, а также научного обоснования разработки технологических методов изменения электропроводности, стабилизации свойств и повышения надежности изделий из бетэла, методики расчета резисторных установок с учетом рабочего ресурса и особенностей эксплуатации.
Цель и задачи работы. С учетом актуальности проблемы целью работы является исследование и научное обоснование закономерностей изменения электрофизических свойств и методов направленного их регулирования в бетэловых композициях.
Основными задачами, вытекающими из сформулированной цели являются:
экспериментальное исследование особенностей слабо- и сильнополевой электропроводности бетэловых композиций в зависимости от факторов технологии и характера воздействующего напряжения;
анализ факторов, определяющих основные закономерности изменения слабо- и сильнополевой электропроводности, нелинейности вольт-амперных характеристик и энергетической прочности композиций;
разработка основных положений теории электропроводности бетэловых композиций в слабых и сильных электрических полях;
исследование структуры бетэла и ее взаимосвязи с электрофизическими свойствами с учетом характеристик компонентов, технологических и физико-химических процессов, формирующих структуру композиций;
определение и технологическая разработка методов изменения нелинейности вольт-амперной характеристики(ВАХ) композиции, а также повышения стабильности свойств и эксплуатационной надежности резисторов;
оценка возможности расширения области применения композиций. Разработка, экспериментальная проверка и практическая реализация новых эффективных технических решений с использованием бетэла и изделий на его основе.
Методы исследования. Для выполнения поставленных в работе задач использовались теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования основывались на использовании основных положений и расчетных уравнений электрофизики и химии силикатов: теории эффективной среды и протекания, механизмов сильнополевой электропроводности в твердых телах и теории гидратации минеральных вяжущих. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных образцах резисторов и промышленных бетэловых резисторах при использовании аттестованного испытательного оборудования НИЦ ВВА (г. Москва), ОАО "ЭЛСИБ", ОАО "СИБНИИЭ" (г. Новосибирск).
Обоснованность и достоверность результатов обуславливается корректным использованием соответствующих решаемым задачам математических методов и законов электрофизики и химии силикатов, высокой адекватностью математических моделей исследуемых объектов. Выводы и рекомендации подтверждены результатами полученными в лабораторных условиях и использованием современных методов, часть из которых самостоятельно разработана автором, а также положительным опытом промышленного производства и эксплуатации резисторов в энергосистемах страны.
Научная новизна работы состоит в решении крупной научно-технической проблемы создания мощных бетэловых резисторов, обеспечивающих повышение надежности и эффективности работы электроэнергетической системы страны и ее электрических сетей. Новые элементы работы заключаются в следующем:
1 .Установлены прежде не наблюдавшиеся закономерности изменения электропроводности бетэла. Особенности электропроводности объяснены с позиций разработанных моделей электропроводности.
-
Впервые показано, что для описания электропроводности бетэла в слабых электрических полях применима теория протекания в широком диапазоне возможных соотношений концентраций компонентов. Разработаны расчетные формулы для определения электропроводности. Установлена зависимость отдельных параметров теории протекания от свойств компонентов и условий технологии.
-
На основе высоковольтных исследований электропроводности бетэловых резисторов в сильных электрических полях, установлено, что вольт-амперные характеристики резисторов в определенных условиях нелинейны и обладают гистерезисом.
-
Установлено, что основным механизмом электропроводности бетэла в сильных электрических полях является теория протекания в сильном поле.
-
Исследованы закономерности изменения рабочего ресурса бетэ-ловых резисторов. Создана методика расчета мощных резисторных установок с учетом вероятностного характера рабочего ресурса резистивных элементов и воздействующих электрических нагрузок.
-
Исследована структура бетэла и установлена взаимосвязь параметров структуры с особенностями электропроводности, стабильности и надежности бетэловых резисторов. Разработаны технологические методы регулирования характеристик бетэла.
-
На основании исследований особенностей электропроводности бетэла, структуры и разработанных методов регулирования характеристик создан новый класс нелинейных композиционных материалов углерод-ок-. сид-силикатное вяжущее.
-
Расширены области возможного применения бетэловых композиций: разработаны, не имеющие аналогов в отечественной и зарубежной практике, протяженные тепловые системы защиты грунта от промерзания; тепловые системы подогрева ступеней открытых входов станций метрополитена; тепловые системы для интенсификации технологических процессов в гидротехническом, промышленном и гражданском строительстве.
-
Впервые исследована и экспериментально проверена техническая эффективность использования бетэловых композиций в качестве экранирующих материалов для защиты объектов от электромагнитных воздействий.
Научная новизна подтверждена 43 авторскими свидетельствами на изобретения и зарубежными патентами.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Комплекс исследований, изложенных в работе, выполнялся в соответствии с целевыми комплексными научно-техническими программами ГКНТ СССР по темам:
0.01.06.07.Н13 "Разработать устройства для ограничения токов короткого замыкания и восстанавливающихся напряжений и определить их технико-экономические показатели", (1976...1980 гг.);
0.01.06.07.Н5* "Разработать изолирующие и проводящие элементы линий и подстанций с использованием новых материалов и испытать их в условиях эксплуатации"', (1976...1980 гг.);
* Автор является научным руководителем НИР по этим темам.
0.01.06.Ц.05.02.Н4* "Создать и испытать мощные бетэловые резисторы с повышенной удельной аккумулирующей энергией, схемы и устройства с резисторами для повышения динамической устойчивости и ограничения токов короткого замыкания", (1981...1985 гг.);
0.01.06.10 "Дальнейшее повышение эффективности, надежности и управляемости электрических сетей и энергосистем ЕЭС СССР". Задание ПН' "Продолжить работы по созданию бетэловых резисторов и резистор-ных установок электроэнергетического назначения с повышенными технико-экономическими показателями", (1985...1990 гг.);
- Сводная программа научно-исследовательских и опытно-кон
структорских работ (СП НИОКР "Сибирьэнерго"), утвержденная Корпора
цией "ЕЭЭК", Департаментом стратегии развития и научно-технической
политики РАО "ЕЭС России". (1996...1999 гг.).
Выполненные в рамках этих программ исследования и рекомендации использованы при разработке и организации серийного производства бетэловых резисторов на предприятии "Энерготехпром" (г. Москва); модернизации электросетевого оборудования и устройств повышающих надежность электрических сетей; производстве электрических тепловых приборов и мощных тепловых систем для нужд электроэнергетики.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзных и региональных совещаниях и конференциях, в том числе:
Научно-техническом совете Министерства энергетики и электрификации СССР. Москва, 1976 г.;
Научно-техническом совещании по применению резисторов в энергосистемах. Баку, 1978 г.;
Всесоюзном научно-техническом совещании "Применение в электроэнергетике мощных бетэловых резисторов и резисторных установок". Новосибирск, 1980 г.;
Всесоюзной научной конференции "Физика диэлектриков". Баку, 1982 г.;
Пятой Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика: экология, надежность, безопасность". Томск, 1999 г.;
Международной научно-технической конференции "Композиты -в народное хозяйство России". Барнаул, 1999 г.;
Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета. Новосибирск, 1998, 1999, 2000 гг.
Часть работ экспонировалась на ВДНХ СССР: разработка и внедрение модернизации воздушного выключателя ВВН-110-6 путем установки резисторов РБШН, 12.10.76 г. нафаждена бронзовой медалью; разработка резистора из электропроводного бетона, 18.12.84 г. нафаждена бронзовой медалью.
Материалы исследований, изложенные в диссертации, являются составной частью работы "Создание и организация промышленного производства бетэловых резисторов для защиты оттоков короткого замыкания Единой электроэнергетической системы страны", удостоенной Государственной премии СССР в области науки и техники за 1985 год .
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты электрофизических, физико-химических и технологических исследований бетэловых композиций. Анализ закономерностей изменения электропроводности бетэла в слабых и сильных электрических полях.
-
Теоретическое обоснование особенностей электропроводности бетэла и мощных резисторов на его основе. Разработка математического аппарата для расчета электропроводности бетэловых композиций и оценки на стадии проектирования пригодности компонентов, составов и технологических режимов для получения композиций с заданной электропроводностью.
-
Исследование закономерностей изменения рабочего ресурса бетэловых резисторов. Создание методики расчета мощных резисторных установок.
-
Разработка научно-технических основ создания высоконелинейных композиционных материалов гидратного твердения. Новый класс нелинейных композиций углерод-оксид-силикатное вяжущее. Электрофизические и технологические исследования.
-
Разработка технологических методов изменения электропроводности и нелинейности, повышения стабильности и надежности свойств резисторов. Технологическая реализация способов направленного изменения свойств бетэловых композиций.
-
Исследования связанные с расширением области возможного применения бетэловых композиций. Разработка мощных электротепловых систем защиты грунта от промерзания; систем подофева ступеней открытых входов станций метрополитена; тепловых систем для интенсификации технологических процессов в электроэнергетическом, промышленном и фаж-данском строительстве. Разработка композиционных экранирующих материалов для нужд электроэнергетики.
Публикации. Результаты исследований изложены в 127 научных трудах, из которых 26 авторских свидетельств на изобретения, 17 зарубежных патентов (Англия, Франция, Германия, Канада, Швеция, Италия), 2 монографии, 22 статьи, 60 отчетов по научно-исследовательским работам.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 243 наименований и 4 приложений.
Общий объем работы составляет страницы, включая рисунков и таблиц.
