Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Функционирование автономных электроэнергетических систем в условиях низких температур 18
1.1 Энергоснабжение потребителей в труднодоступных северных и восточных районах России 18
1.2 Электротепловые технологии в гидроэнергетическом и промышленном строительстве в суровых климатических условиях 25
1.3 Современные направления в применении электропроводных композитных обогревателей 30
1.4 Методика испытаний электротепловой защиты на экспериментальном полигоне гидроэлектростанции 45
1.5 Механизм проводимости электротепловых конструкций 52
1.6 Выводы 72
ГЛАВА 2 Исследование влияния условий эксплуатации на электротехническое оборудование 74
2.1 Влияние условий окружающей среды на величину сопротивления электрических обогревателей 76
2.2 Термостойкость и термостабильность электропроводных композитов 81
2.3 Изменение электрического сопротивления обогревателей при кратковременных воздействиях напряжения промышленной частоты 85
2.4 Основные закономерности изменения пропускной способности композитных изделий при эксплуатации
2.5 Способность электрообогревателей выдерживать электрические перегрузки 100
2.6 Выводы 104
ГЛАВА 3 Экспериментальное определение рабочего ресурса композитных обогревателей 107
3.1 Анализ методов ускоренного определения рабочего ресурса электрообогревателей из композитов 107
3.2 Техническое и технологическое обеспечение экспериментальных исследований рабочего ресурса электротехнических композитных изделий 111
3.2.1 Аппаратура, приборы и электрическая схема для проведения ресурсных испытаний 111
3.2.2 Технология изготовления экспериментальной партии композитных обогревателей 113
3.3 Экспериментальное определение оптимальных параметров обогревателей электроэнергетического назначения 123
3.4 Анализ результатов ресурсных испытаний электрических обогревателей 124
3.5 Выводы 131
ГЛАВА 4 Совершенствование электрофизических параметров изделий из электропроводных композитов 133
4.1 Электрофизические свойства композиций карбонизированный торф - силикатное вяжущее 134
4.2 Способы модификации электрофизических свойств композитов... 143
4.3 Электрофизические свойства композитов углерод-оксид-силикатное вяжущее 147
4.4 Технологические способы повышения стабильности
электротехнических характеристик композитов 159
4.5 Выводы 170
ГЛАВА 5 Применение электропроводных композитов в электроэнергетических системах для бесперебойного электроснабжения 174
5.1 Обогрев пазовых конструкций шлюзовых затворов гидроэлектростанций 174
5.2 Конструкции композитных обогревателей гребней каменноземельных плотин гидроэлектростанций в северных и восточных районах 179
5.3 Разработка тепловых приборов на базе композитных электробогревателей для распределительных устройств электростанций и подстанций 184
5.4 Резистивное электрическое торможение генераторов для динамической устойчивости и безаварийной работы электроэнергетических систем 190
5.5 Мощные электротехнические устройства из композитов в схемных решениях, защищающих подстанционное и электросетевое электрооборудование 198
5.6 Выводы 204
Основные выводы и рекомендации 206
Список литературы
- Методика испытаний электротепловой защиты на экспериментальном полигоне гидроэлектростанции
- Основные закономерности изменения пропускной способности композитных изделий при эксплуатации
- Техническое и технологическое обеспечение экспериментальных исследований рабочего ресурса электротехнических композитных изделий
- Электрофизические свойства композитов углерод-оксид-силикатное вяжущее
Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие энергетики на севере и востоке страны определяет актуальность развития системообразующих сетей России. Важнейшими потребителями теплоэлектроэнергии являются объекты военно-промышленного комплекса (ВПК), агропромышленный комплекс (АПК), гидротехнические сооружения, предприятия геологоразведочной, газонефтяной и горнодобывающей промышленности, жилищно-бытовой сектор. Принцип, положенный в основу государственных программ, приоритетных национальных проектов и всего «Плана Путина» - поддержка национального сельскохозяйственного производителя.
Стратегической задачей, вытекающей из целей развития и усиления российского государства, в том числе его продовольственной безопасности, является выход промышленности и сельского хозяйства на уровень наиболее развитых государств.
Для решения актуальных задач энергопотребителей повышения эффективности строительства в климатических условиях северных и восточных районов страны и повышения надёжности энергосистем в России и за рубежом были разработаны новые электропроводные композиты (бетэл, рапит, вилит, тирит, оксидноцинковая керамика) и изделия на их основе (резисторы, варисторы, вентильные разрядники и нелинейные ограничители перенапряжений).
Способность электропроводных композитных материалов нагреваться при протекании через них электрического тока и возможности регулирования свойств технологическими методами, определили перспективность создания объёмных низкотемпературных обогревательных элементов различного назначения. Обладая большой теплоаккумулирующей способностью, относительно небольшой единичной мощностью и достаточным ресурсом работоспособности, например, бетэловые обогреватели позволили разработать и реализовать мощные тепловые системы, приборы и устройства, обеспечивающие интенсификацию технологических процессов АПК и при строительстве объектов различного назначения в суровых климатических условиях, для которых применение других типов обогревателей малоэффективно или нецелесообразно.
Создание и внедрение в гидротехническое и энергетическое строительство, промышленное производство, АПК, в энергосистемы устройств, схем, методов и систем было связано с необходимостью решения целого ряда качественно новых научно-исследовательских, конструкторско-технологический и специальных технологических и электротехнических задач. Это определило специфику выполнения исследований с привлечением различных научных направлений - электрофизики, физики твердого тела и теплофизики, физической химии и технологии силикатов, призванных объяснить закономерности изменения электрофизических и физико-механических свойств композитов с силикатными связками, особенности формирования структуры, пути совер-
шенствования характеристик композиций и повышения рабочего ресурса изделий из электропроводных композитов.
В связи с этим возросла актуальность исследований, направленных на создание новых композитных материалов и изделий на их основе, а также усовершенствованных электротепловых технологий, обеспечивающих интенсификацию технологических процессов при строительстве гидроэлектростанций и других сооружений в суровых климатических условиях, изучения закономерностей изменения электрофизических свойств композитных материалов, используемых при производстве обогревателей и резисторов с повышенными эксплуатационными параметрами.
Большую помощь и поддержку при выполнении исследований оказал научный консультант Манчук Руслан Владимирович.
Объектом исследования является энергопотребители ВПК, АПК, предприятия горнодобывающей и газонефтяной промышленности, строящиеся сооружения ГЭС и мини-ГЭС в суровом климате северных и восточных районов.
Предметом исследования являются электротехнологии на основе композитных обогревателей для энергетических объектов и гидротехнического и промышленного строительства.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии.
Перечень исследований, изложенных в работе, выполнялся в соответствии с целевыми комплексными научно-техническими программами по темам:
- сводная программа научно-исследовательских и опытно-
конструкторских работ (СП НИОКР «Сибирьэнерго»), утвержденная Корпо
рацией «ЕЭЭК», Департаментом стратегии развития и научно-технической
практики РАО «ЕЭС России», (1996-2003 гг.);
- госбюджетной теме г/б-11 (государственный регистрационный №
01.88.004137) «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы
оборудования в условиях пониженных температур», ФГБОУ ВО «СГУВТ»,
(2002-2015 гг.).
Идея работы заключается в создании и применении тепловых систем с композитными обогревателями для производства строительных работ в суровых климатических условиях.
Цель и задачи исследования. С учётом актуальности проблемы целью диссертационной работы является повышение надёжности замкнутых электрических сетей и снижение непроизводственных затрат электроэнергии путём научного обоснования применимости изделий из электропроводных композитов для создания новых электротепловых технологий и интенсификации технологических процессов при энергетическом, сельскохозяйственном, гидротехническом, и промышленном строительстве.
Основными задачами, вытекающими из сформулированной цели, являются:
теоретически и экспериментально обосновать техническую эффективность применения электропроводных композитов с силикатными связками для создания тепловых систем и нагревательных приборов для энергетического, сельскохозяйственного, промышленного и гидротехнического строительства в климатических условиях северных и восточных районов;
рассмотреть применяемые электротехнологии для функционирования автономных электроэнергетических систем в условиях низких температур;
разработать методику испытаний электротепловой защиты на полигоне гидроэлектростанции;
проанализировать механизм проводимости электротепловых конструкций;
исследовать влияние условий эксплуатации на ресурсные параметры электротехнического оборудования;
определить рабочий ресурс композитных обогревателей и резисторов и предложить способы повышения стабильности их электрофизических параметров;
обосновать возможность применения электротехнологий на основе композитов в электроэнергетических системах для обеспечения бесперебойного электротеплоснабжения;
-экспериментально обосновать целесообразность применения закладных композитных обогревателей при бетонировании основных сооружений ГЭС, мини-ГЭС, ПАТЭС;
- предложить к практической реализации технические решения с ис
пользованием композитных изделий на гидроэлектростанциях и в электриче
ских 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:
-
Разработаны и внедрены в производство протяжённые электротепловые системы защиты от промерзания грунта предприятий, основных сооружений ГЭС, мини-ГЭС, ПАТЭС и сельскохозяйственных объектов.
-
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.
-
Впервые показано, что для описания электропроводности бетэла применима теория протекания (перколяционная теория) в широком диапазо-
не возможных соотношений концентраций компонентов; разработаны расчётные формулы определения электропроводности.
-
Установлена взаимосвязь параметров структуры с особенностями электропроводности, ресурсной стабильности композитных обогревателей и резисторов.
-
Определены закономерности изменения рабочего ресурса и принципы конструирования протяжённых электротепловых систем.
-
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:
-
Теоретические и экспериментальные исследования энергоснабжения потребителей в труднодоступных северных и восточных районах с помощью невозобновляемых, возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (мини-ГЭС, ПАТЭС и др).
-
Обоснование эффективности применения тепловых технологий с композитными обогревателями для тепловой защиты оснований гидроэлектростанций, гидросооружений, сельскохозяйственных объектов и жилищно-бытового сектора.
-
Результаты исследований стабильности электрофизических характеристик электропроводных композитов.
-
Техническое и технологическое обеспечение ресурсных испытаний композитных обогревателей.
-
Технологические методы совершенствования эксплуатационных параметров электропроводных композитов.
-
Разработки мощных электротепловых систем защиты грунта от промерзания и интенсификации технологических процессов в гидроэнергетиче-
ском, 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, эко
логия, 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 транспор
та и других отраслей. Новосибирск, 2003-2014 г.;
- научно-технических конференциях профессорско-препо-даватель-
ского состава Новосибирского государственного архитектурно-строительно
го 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 страницы, включая 74 рисунка и 24 таблицы.
Методика испытаний электротепловой защиты на экспериментальном полигоне гидроэлектростанции
Создание новых предприятий ВПК, АПК, газонефтяной и горнодобывающей промышленности гидроэнергетических и гидротехнических сооружений особенно в природно-климатических и географических условиях Сибири и Дальнего Востока, связано с большими капиталовложениями, а удорожание, в конечном итоге, приводит к наращиванию временно замороженных средств, когда на несколько лет из хозяйственного оборота отвлекаются значительные материальные и финансовые ресурсы. Последнее определяет актуальность проблемы сокращения периода строительства в северных ив осточных регионах.
В значительной степени эта проблема может быть решена, особенно для северных строек, использованием технологий, обеспечивающих интенсификацию производственных процессов; применением лёгких транспортабельных конструкций; повышением заводской готовности всех конструкций; максимальным внедрением сборного железобетона на объектах агропромышленных комплексов (АПК), в плотинах и зданиях ГЭС; использованием новых эффективных материалов.
В России накоплен большой опыт возведения сооружений в суровых климатических условиях и в практике находят все большее применение различные способы зимних работ, использующие тепловые технологии [40-42].
Например, многообразие условий на различных гидротехнических объектах определили широкий спектр применяемых тепловых технологий, которые отличаются видом теплоносителя: теплый воздух, горячие газы, электрические плоские нагреватели, теплобетонные смеси, горячая вода и др. Каждый из этих способов имеет достоинства и недостатки, также как и собственную область применения [42-45].
Сущность способа отогрева теплым воздухом состоит в том, что отогреваемую поверхность заключают в подшатровое пространство, воздух внутри которого нагревается с помощью калориферов. Оптимальная температура воздуха внутри шатра от 293 К до 298 К. Этот способ может применяться для отогревания любых поверхностей, при этом одновременно могут выполнятся сопутствующие работы (монтаж арматуры, очистка основания, подготовка поверхности смежных блоков и др.), что следует отнести к достоинствам способа. Основной недостаток - низкий коэффициент теплоотдачи от теплоносителя (воздуха) к поверхности. В силу этого коэффициент полезного действия использования теплоты не превышает 5 %, а остальная теплота расходуется на поддержание температуры воздуха в подшатровом объёме и компенсацию теплопотерь через ограждения шатра. По этой причине процесс отогрева длительный, достигает семи и более суток.
Несмотря на недостатки отогрев теплым воздухом, в силу его технологичности и универсальности, широко используется в производственной практике.
Интенсификация теплопередачи достигается при использовании воздушно-струйного способа отогрева, когда отогреваемую поверхность обдувают скоростными струями горячего теплоносителя (воздуха, газа). Например, при обдуве поверхности со скоростью теплоносителя 20 м/с теплоотдача возрастает в десять раз. Способ реализуется с помощью плоского нагревателя из перфорированных труб или специальных эластичных грелок. Эти устройства обладают большими массогабаритными показателями, их применение рационально для отогревания больших без изломов поверхностей в неармированных блоках. В силу этого способ ограничен в применении.
В ряде случаев используется способ отогрева теплом уложенной бетонной смеси [42]. Его сущность заключается в том, что на промороженную поверхность укладывают бетонную смесь, разогретую до температуры от 313 до 333 К. При этом способе значительно сокращается срок подготовки поверхности, поскольку отогревание совмещается с укладкой бетона и процессом его твердения. Этот способ наиболее эффективен и по энергозатратам, так как значительная часть теплоты расходуется по прямому назначению. Основным недостатком способа является опасность образования трещин между бетонным массивом и промороженной поверхностью, когда из-за больших температурных перепадов в приконтакт-ном слое образуются капилляры, повышающие водопроницаемость гидротехнического бетона. Это ограничивает область применения способа неответственными бетонными сооружениями, к которым не предъявляются требования по монолитности и водонепроницаемости.
Стремление избавиться от недостатков, присущих воздушному обогреву, привело к созданию эластичных (одеяльных) электронагревателей, в качестве греющих элементов в которых использовались: греющий кабель, изолированные провода из сплавов с высоким омическим сопротивлением, металлическая сетка из тонкой проволоки и др. [42].
При устройстве такого нагревателя на отогреваемую поверхность укладывается теплостойкая ткань, на которой равномерно располагается греющий элемент. Греющий элемент сверху защищается эластичным утеплителем и воздухонепроницаемой тканью. К достоинству такого нагревателя следует отнести высокий коэффициент теплоотдачи, при эффективном теплоизоляционном слое. К недостаткам: относительную трудоёмкость монтажа, невысокую надёжность, высокую электротравмоопасность и ограниченность применения (в основном на горизонтальных поверхностях).
Кроме указанных способов при решении отдельных задач в гидротехническом строительстве применяется: внутренний и периферийный электропрогрев, контактный нагрев термоактивной опалубкой, индукционный и инфракрасный обогрев [43,45,46].
При внутреннем электропрогреве электрический ток пропускается через уложенный бетон. При этом электрическая энергия преобразуется в тепловую и разогревает бетон до нужной температуры, вследствие чего бетон набирает расчётную прочность. Этот способ применяется в основном при бетонировании немассивных блоков и в конструкциях и элементах: в зданиях ГЭС, мини-ГЭС и открытых распределительных устройствах (ОРУ), при изготовлении колонн, стен, фундаментов предприятий АПК и т.п.
В случае периферийного электропрогрева электрический ток пропускается не по всему массиву бетона, а только по периферийной его части на глубине от 0,25 до 0,35 м от поверхности. За счёт этого компенсируется теплопотеря с поверхности и обеспечивается равномерное температурное поле в поперечном сечении блока. Периферийный электропрогрев используется для обогрева бетона в тонкостенных элементах (ребрах) и углах, где бетон охлаждается в (1,5-2,0) раза быстрее, чем в массивных блоках.
Контактный нагрев с помощью термоактивной опалубки, которая нагревается ТЭНами, кабелем, паром, инфракрасными нагревателями и др., применяют в основном для тонкостенных сильноармированных элементов, где по условиям армирования другие способы неприменимы.
В ряде случаев в гидротехнической практике для прогрева бетона в немассивных сильноармированных элементах применяют индукционный обогрев. При этом способе конструкцию окружают переменным электромагнитным полем, которое в сердечнике (арматуре и металлических элементах) наводит вихревые токи. Энергия этих токов генерирует в металле тепло, нагревающее бетон.
Известно, что строительные швы являются слабым местом в конструкции сооружения. Бетон в строительных швах обладает пониженной прочностью на растяжение и сдвиг, а также повышенной водопроницаемостью. Особо опасны горизонтальные строительные швы, так как их низкое качество может не обеспечить расчётные показатели устойчивости на сдвиг всего сооружения. В силу этого принимаются специальные технологические меры, обеспечивающие сцепление и водонепроницаемость швов.
Основные закономерности изменения пропускной способности композитных изделий при эксплуатации
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 Ci (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 77 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.
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 78 ных соединений, изменяют условия контактирования частиц углерода и, как следствие, электрическое сопротивление бетэла.
При значениях объёмной концентрации углерода, большей порога протекания (Сі Сю), 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 Сі Сю, объём клиньев из гидратированного цемента в зоне контакта частиц углерода велик, а при Сі « Сю 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 RK / RH (где RK и RH 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 RK / RH 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. R-i/R-к 14 10 6 2 0,1 0,2 0,3 0,4 С,
Техническое и технологическое обеспечение экспериментальных исследований рабочего ресурса электротехнических композитных изделий
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].
Режим постоянной энергии. Образец включается под напряжение про мышленной частоты, при этом предполагается, что он выйдет из строя, если рас сеянная им энергия Е достигнет некоторого порогового значения Ew. Эта энергия может быть определена
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.
Этот метод прост и нагляден. Величина г« - искомый ресурс в рабочем режиме, который может быть определён из серии экспериментов, путём варьирования xw и if (if- также заранее неизвестная величина). Поскольку в (3.2) зависимости rw и тf от мощности в явном виде не входят, то для их определения требуются дополнительные испытания при разных xw и if и постоянных г«, тf , а также исследования зависимостей rw и тf от мощности при различных её значениях. Эти дополнительные исследования увеличивают объём и продолжительность испытаний.
Термофлуктационный метод. Прочность твёрдых тел определяется на личием в них дефектов структуры, повышающих свободную энергию, а также флуктуации энергии, причём внешние воздействия играют роль спускового меха низма при переходе избыточной энергии в энергию разрушения. Эта гипотеза носит весьма общий характер и её математическая формулировка Т = ТЦ І2 В ], (33) где W-энергетический барьер; U0- 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).
Прямой метод определения связи т и W. При использовании этого ме тода 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 поверх ности, можно оценить из условия по W = H(TS0) S + K(TS404) 2S, (3.4) где H, К - коэффициенты конвективной и лучистой теплоотдачи; S - площадь большой грани; Ts - температура на поверхности нагревательного элемента; Т0 -температура окружающего воздуха.
Вероятностно-статистические исследования. При изготовлении партии бетэловых обогревателей даже при фиксированном соотношении компонентов бетэла конечное значение электрического сопротивления (R) нагревателя является величиной случайной. Диапазон возможных значений (R±AR) 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 (Wyjj), плотности электрического тока (j). Параметры Т, Wyfl, j функционально связаны с R, что позволяет применить методы разработанные в теории планирования эксперимента [2, 18, 24, 74], которые дают возможность ми Ill нимизировать объём эксперимента и получить достоверную информацию.
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.
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.
Электрофизические свойства композитов углерод-оксид-силикатное вяжущее
Для предотвращения образования наледи в зимний период проектируют электроснабжение электротепловых систем шлюзовых затворов ГЭС и мини-ГЭС в пределах переменного уровня воды. Например, в проекте Вилюйской ГЭС-3 институтом «Ленгидросталь» заложено использование для этих целей греющего кабеля. Основным недостатком такого решения является относительно быстрый выход кабеля из строя, что приводит к отказу системы обогрева по всей длине пазовой конструкции.
Учитывая опыт создания и эффективной эксплуатации электротепловой системы защиты грунтового основания гидротехнических сооружений от промерзания, было предложено использовать для этих целей композиционные обогреватели [2, 5, 9-Ю, 20, 32, 74, 84].
Принципиальная схема проектной металлической пазовой конструкции приведена на рисунке 5.1. В ней предусмотрены карманы для кабельного нагревателя. Для обеспечения тепловых параметров на уровне расчётных для греющего кабеля необходимо установить бетэловые обогреватели суммарной электрической мощности 48 кВт.
Обогреватели должны быть размещены по внутреннему периметру конструкции равномерно по 11 штук в ряду. В рассматриваемом варианте предусматривается использование изделий размером (0,18x0,25x0,03) м (рисунок 5.2).
Ремонтнопригодный вариант системы может быть реализован при незначительном изменении проектного решения металлической пазовой конструкции, которые касаются только геометрических размеров и количества карманов для размещения обогревателей. Возможные варианты конструкции для обогревателей размером (0,25х0,25х0,03)м и (0,25x0,18х0,03)м приведены на рисунке 5.3.
При использовании обогревателей размером (0,25x0,25x0,03) их соединение осуществляется по блочной последовательно-параллельной схеме. В одном блоке 6 шт. соединяются последовательно, а блоки - параллельно.
Обогреватели механически, с помощью специальных корпусов собираются в гибкую конструкцию (рисунок 5.4), которая через технологические отверстия опускается в карманы пазовой конструкции, а затем, как и в случае греющего кабеля, пустоты в карманах заполняются мастикой.
Такое конструктивное решение системы обогрева позволяет извлекать обогреватели для технического обслуживания, ремонта и замены вышедших из строя.
Блочная последовательно-параллельная схема подключения бетэловых обогревателей в системе обогрева пазовых конструкций шлюзовых затворов, позволяет включать в работу только ту их часть, которые расположены в зоне обледенения, что повышает экономичность обогрева за счёт снижения потребле 178 ния электроэнергии на собственные нужды гидростанции.
Представленные варианты систем обогрева могут быть использованы на стадии проектирования и строительства шлюзовых затворов. Для уже построенных и действующих они могут оказаться непригодными, так как размеры карманов, в которых укладывают греющий кабель, не позволит разместить плоские объёмные бетэловые обогреватели. Для этого случая разработана конструкция модульного блока, греющий элемент в котором выполнен из электропроводных композитных дисков (рисунок 5.5). Электрические параметры таких нагревателей рассчитываются для конкретных условий применения. Такие обогреватели могут быть использованы для замены недолговечных, вышедших из строя греющих кабелей.
Одна из проблем возникающих при строительстве и эксплуатации грунтовых плотин для мини-ГЭС и для предприятий АПК в северной и восточной строительно-климатической зоне - обеспечение их статический устойчивости и про-тивофильтрационной прочности, на которые большое влияние оказывает температурный режим сооружения на всех стадиях строительства и эксплуатации [78-83]. Наиболее интенсивные термодинамические процессы происходят в гребнях плотин.
Промерзание - оттаивание гребня плотины происходит в несколько этапов [82-83]. В весеннее и летнее время оттаивание гребня плотины происходит сверху. В ноябре-декабре оттаявшая на (3-4) м верхняя зона гребня смыкается с мёрзлой в верхней части плотины. Одновременно с этим летом и осенью идёт интенсивное оттаивание грунта ядра плотины со стороны кривой депрессии за счёт тепла фильтрационного потока. Зимой промерзание гребня плотины происходит, когда фильтрационный поток в ядре плотины имеет температуру воды близкую к нулю и промерзание грунтов ядра сверху происходит при отсутствии потока тепла от нижних слоев ядра. В этих условиях в грунтах плотины могут развиваться криогенные процессы и при оттаивании грунт переходит в текучее или текуче-пластическое состояние, что создаёт опасность разрушения верхней части (гребня) противофильтрационных устройств в результате нарушения местной статической устойчивости и фильтрационной прочности.
Учитывая актуальность решения проблемы надёжности гребней плотин мини-ГЭС в северной климатических зонах и основываясь на опыте разработки и эксплуатации электротепловых систем, для обогрева гребней плотин могут быть применены электротепловые системы на основе бетэловых электрических обогревателей.
Электротепловая система должна обеспечивать защиту гребня плотины от промерзания в условиях эксплуатации и её тепловая мощность должна быть дос 180 таточнои для поддержания заданной температуры грунта при возможных отрицательных температурах воздуха [38, 46, 74, 98].
Очевидно, что эффективность и экономичность системы обогрева будет зависеть от удельной электрической мощности обогревателей, глубины заложения системы, максимальной отрицательной температуры воздуха, температуры и степени льдистости мёрзлого грунта.
С учётом этого оценка параметров системы проведена для глубины заложения 1; 2 и 3 метра от поверхности плотины, при температурах воздуха 268; 248 и 228 К, контрольная температура на поверхности грунта задавалась 274 К. Тем 182 пература мёрзлого грунта 264 К и его льдистость - 14 % по объёму, приняты характерные для грунтов района строительства мини-ГЭС и Вилюйской ГЭС-3.
Результаты оценки тепловой мощности системы обогрева гребней грунтовых плотин приведены в таблице 5.2. Их анализ свидетельствует, что устройство тепловых систем с расчётом на промерзание грунта не целесообразно, как не исключающей главной причины аварийности - попеременного промерзания-оттаивания грунта, так и по экономическим показателям, поскольку требует значительных удельных мощностей обогревателей, которые при возможных в северной строительно-климатической зоне температурах 228 К достигает (217-430) Вт/м2.
При активировании системы в тёплый период (до начала промерзания грунта) её эффективность очевидна, необходимые удельные мощности обогревателей в зависимости от температуры воздуха и глубины заложения изменяются в пределах от 24 до 65 Вт/м . Наиболее оптимальная глубина заложения 3 метра. В этом случае защита гребня плотины в диапазоне принятых значений температур воздуха обеспечивается при удельной мощности обогревателей (48-58) Вт/м , (рисунок 5.7, Б). Исследование рабочего ресурса бетэловых обогревателей при их эксплуатации в электротепловых системах гидротехнического назначения [9] показали, что при таких мощностях ресурс превышает 30000 часов. И в случае применения автоматической системы контроля температуры грунта и управления режимом работы обогревателей, учитывающей динамику изменения температуры наружного воздуха во временны, срок работоспособности системы значительно увеличится. В весенне-летний период грунт плотины обводнён. В этих условиях возникает необходимость обеспечения механической надёжности и защиты от избыточной влаги обогревателей и электрической схемы их коммутации. Эти задачи решаются путём обетонирования обогревателей и гидроизоляцией токовводов и магистральных кабелей трубками ПХВ.