АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИКИ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР СЕВЕРА

Северу России присущи следующие основные признаки: значительная удаленность промышленно развитых центров и общих районов (1000-3500км), разрозненные транспортные узлы, низкая плотность населения; более высокие, чем в других районах страны, затраты общественного труда, экстремальные природные условия, что является причиной к автономной малой энергетики, базирующей на дизельных электростанциях с распределительными сетями 10-35 кв.

Такое электроснабжение имеет ряд серьезных недостатков: трудности и дороговизна топливоснабжения, низкое качество электроэнергии. Так, в некоторых улусах Якутии стоимость завозимого топлива колеблется в пределах 10-20 тыс.руб./т. Все эти факторы не позволяют широко электрифицировать производственные процессы и тем более быт населения [11].

Современное состояние электроэнергетики характеризуется высокой степенью изношенностью генерирующих мощностей их низкая экономичность, медленная замена устаревшего оборудования на новые технологические оборудования. Суммарная мощность устаревшего оборудования на работающих станциях составляет 82,1 млн. кВт, или 40,5% установленной мощности.

Проблема надежности оборудования энергетики – одна из основных в электроэнергетических системах Севера, как в теоретическом, так и практическом плане.

Электротехническое оборудование рассматривается  с позиции эксплуатационной надежности, которая базируется на многолетних статических наблюдениях, за состоянием основного и вспомогательного оборудования.

Вследствие неприспособленности оборудования и конструкций к эксплуатации в экстремальных условиях, срок службы электрооборудования в сравнение с центральными регионами страны сокращается в 2-4 раза, 1,5-3 раза возрастает интенсивность отказов, увеличивается продолжительность времени ликвидаций аварий. В энергосистеме ПАО «Якутэнерго» ежегодно фиксируется более 100 аварий и отказов различных элементов системы. Основные повреждения приведены в табл.1.

Таблица 1- распределение повреждений по элементам оборудования

Надежная работа различного оборудования: трансформаторы, электромашины, выключатели, разъединители, отделители, короткозамыкатели зависит от: обеспечения стабильно низкой вязкости изоляционных и смазывающих масел.

Изменение физико-механических свойств металла оборудования, например, защелок и пальцев разъединителей, изнашивание деталей из полимерных композитов, изменение свойств резиновых изделий, оборудования, износ приводов выключателей при экстремально низких температурах, что влияет также на сроки между текущими и капитальными ремонтами и в целом на моторесурсе оборудования. Одним из сложных проблем энергетики Севера является обеспечение круглогодичного низкого сопротивления заземляющих устройств трансформаторных подстанций.

В связи с выше сказанным, проведен анализ по различным видам износа полимерных материалов, методов снижения вязкости изоляционных и смазывающих материалов и стабилизаций сопротивлений заземляющих устройств, при наличии многолетнемерзлых грунтов [2].

Работа силовых трансформаторов

На работу трансформаторов большой мощности с естественной циркуляцией масла начинают влиять понижение температуры ниже -30°С, и скоростях ветра более 10м/с. при этом снижается интенсивность переноса тепла от нагруженной поверхности обложки к стенкам бака и радиаторам за счет увеличения вязкости масла. Это явление усиливается, когда при сильных морозах внезапно повышается нагрузка. Теоретические и экспериментальные исследования тепловых режимов трансформаторов показывают, что при низких температурах окружающей среды перепад температур масла значительно возрастает и превышает нормируемые значения [4].

Для поддержания температуры масла трансформатора применяют различные системы электроподогрева, обдува теплым воздухом.

Широкое применение нашло конструкция нагревателя мощность, которой изменяется в зависимости от температуры масла. Такой нагреватель изготавливается из материала на основе политетрафторэтилена с углеродным наполнителем [7]. Данный материал имеет нелинейную вольтамперную характеристику. Его сопротивление резко возрастает при повышении температуры и уменьшается сопротивлении при понижении температуры.

Температурный порог срабатывания нагревателя определяется его составом и может изменяться в широком диапазоне температур. Подобрав различной конструкции нагреватель можно разместить внутри корпуса трансформатора, что позволит эффективно и с малыми затратами энергии подогревать масло.

Также применяют искусственный обдув силовых трансформаторов, который эффективен только в области температур окружающего воздуха до -30°С.

Другим вариантом экономичного нагревателя может быть скин-эффектная конструкция, которая может встраиваться как внутри так и снаружи корпуса трансформатора. В сравнении с греющими элементами из проводов различного сопротивления скин-эффективный греющий элемент потребляет значительно меньше энергии, имеет безопасное рабочее напряжение и долговечен.

В экстремальных условиях Севера для уменьшения дополнительных затрат электроэнергии были использованы синтетические жидкие диэлектрики [5]. Наиболее перспективным в качестве электроизоляционных жидкостей для трансформаторов могут быть жидкости на основе хлорированных ароматических углеводородов (полихлордифенилов или их смесей с полихлорбензолом), например гексол, совол пиранол, клофен, сибанол и др.

При эксплуатации силовых трансформаторов в условиях Севера на открытом воздухе большое значение имеет уплотнение и герметизация кожухов. Во время метелей и вьюг мельчайшие пылевидные частицы снега проникают в самые незначительные отверстия в кожухах и ограждениях, заполняя весь объем снежной массой. Например, имел место случай, когда через замочную скважину двери за 8 ч. В помещение занесло 1,5 м3 снега.

Работа выключателей

Надежная работа различного рода выключателей связана с задачей обеспечения стабильно низкой вязкости изоляционных и смазывающих масел, а также способность снижать трение и износ втулок, прокладок, элементов конструкции механизмов выключателей при экстремально низких температурах.

Работа масленых выключателей периодически сопровождается возникновением электрической дуги. Увеличение вязкости трансформаторного при низких температурах снижает скорость горения дуги, а ее длительное горение разрушает контактную поверхность и увеличивает количество продуктов разложения масла, ведущим к ухудшению изоляционных свойств.

Заводом «Уралэлектроаппарат» выпущены масляные выключатели на напряжение 22 кв. типа У-220- 10-СИ в северном исполнение. В баках выключателя установлены две секции подогрева, каждая мощностью по 14 квт. Первая секция выключается при температуре окружающего воздуха -20°С. , а вторая – при -40°С. Практика показала при температуре - 60°С потребуется увеличение мощности подогревающего устройства в 3 раза, что ведет к увеличению электроэнергии.

Применение индукционного способа подогрева не улучшает положения. К тому же необходимо следить за образованием и удалением конденсата и шлака со дна выключателя.

В некоторых случаях целесообразно использовать синтетические электроизоляционные жидкости.

Например, можно использовать жидкости на основе фторорганических соединений, типа ДК-104, ДГ-180, Д-83. Эти жидкости не горючи, взрывоопасны, химически инертны к действию сильных кислот, щелочей, окислителей и других агрессивных сред.

Применение перфторированных жидкостей как диэлектриков-теплоносителей уменьшает массу и объем аппаратов, увеличивает срок службы, проявляет стойкость к агрессивным средам, повышает надежность в работе.

Проблема долговечности различным видам износа деталей, надежности машин и механизмов электрических аппаратов может решаться за счет изменения свойств поверхностного слоя, за нанесением покрытий методом на плави и напыления [1].

Вызывает интерес применения полимеров для изготовления деталей аппаратов в узлах трения из политетрафторэтилена (ПТФЭ), сохраняющий работоспособность в широком интервале температур. Известно, что существенную роль в изнашивании полимерных материалах играют трибохимические процессы[8]. О характере трибохимических реакций можно судить по зависимости полного ионного шока износа от температуры [8]. Первый широкий максимум отражает выделение низкомолекулярных (m/z до

431) фрагментов полимерной цепи. Активное выделение этих продуктов в низкотемпературной области свидетельствует об интенсивном трибодеструкции наполненного ПТФЭ.

Наиболее высокая интенсивность газовыделения наблюдается в реакциях композитов, содержащих 10%(масс) керамики. Для этого состав полимерного композиционного материала зарегистрирована мультиплетность пика на температурной зависимости полного ионного блока, что указывает на трибодеструкцию сшитых фрагментов макромолекулы [10]. Этот слой выполняет роль защитного экрана, локализующего контактные деформации и предохраняющего материал от изнашивания.

На надежность и долговечность работы аппаратов и механизмов влияют эксплуатационные характеристики смазочных масел и присадок, которые увеличивают ресурс на 50 % и более, благодаря повышению морозостойкости.

Противоизностное действие смазочных материалов основано на образовании ими на трущихся поверхностях защитных пленок  способных снижать износ и трение. Исследования влияния толщины пленок, образуемых минеральным маслом нефтяного происхождения без присадок, на интенсивность изнашивания трущихся поверхностен в различных условиях эксплуатации показали, что толщина пленки от 0,5 до 20 мкм[3].

С целью улучшения характеристик смазывающих материалов для работы при низких температурах разработаны и внедрены присадки, которые обеспечивают их всесезонную пригодность. Например присадка представляющий тонкодисперсный порошок из синтетических алмазов, добавление которого в масло в малых количествах (0,05 ÷ 0,5%) снижает коэффициент трения в подшипниках скольжения в 1,5-1,8 раза, а темп износа трущейся пары – от 20до 10 раз.

Такое действие ультрадисперсных алмазных порошков вызвано новой технологией их получения, при которой кристаллы принимают сферическую форму, которые работают как шарики в подшипнике качения.

На основании положительного опыта использования присадок к маслам и смазкам из синтетических алмазных ультрадисперсных порошков предложено применять для этих же целей порошок из природных технических алмазов [6], используя природные ресурсы Республики Саха (Якутии).

Эксплуатация эластомерных изделий в электрических аппаратах и машинах, подвержено жестким требованиям по всем эксплуатационным показаниям, таким как морозо-износостойкость, прочностные характеристики, способность материалов противостоять воздействию различных агрессивных сред. Существующие материалы и изделия как российского, так и зарубежного производства не удовлетворяют выше перечисленным требованиям.

Перспективным направлением разработки новых уплотнительных морозостойких эластомерных материалов является создание материалов на основе смесей полимеров. Однако найти пару каучука и полимера с близкими значениями весьма сложно. В этом случае необходимо применение специальных структурно-активных добавок (компатибилизаторов), способствующих снижению межфазного натяжения между двумя полимерами вследствие чего происходит повышение взаимодействия на границе раздела фаз [13].

При создании морозостойких резин уплотнительного назначения необходимо в одном материале совместить несколько свойств, противоречивых физико-химическим фактором.

Высокую агрессивостойкость и износостойкость придают каучукам полярные группировки в полимерной цепи, однако их присутствие существенно усиливает мексмолекулярное взаимодействие, что снижает гибкость макромолекул и, соответственно, процессы стеклования происходят при повышенных температурах, т.е. ухудшается морозостойкость.

В настоящее время используют резиновую смесь В-14 на основе бутадиен-нитрильного каучука. Это единственный впускаемый каучук в промышленности России, обладающий достаточной морозостойкостью.

В качестве структурно-активных наполнителей, вводимых в полимерную смесь для интенсификации взаимодействия системы «каучук-полимер», выбранных нанонаполнителем (наноуглерод, шпинель магния и B-сиалон) и природный цеолит [12].

Были рассмотрены возможности повышения эксплуатационной надежности оборудования электроэнергетики. Некоторыми факторами ограничения реализации рассмотренных предложений, являются отсутствие концептуальных положений, методологии и в принципах решение конкретных технических задач, в которых предусматривается повышение надежности работы  оборудования в экстремальных условиях Севера.

Список литературы

1.        Безбородов В.П. Структура и свойства композитов с защитными покрытиями после высокоэнергетических способов формирования/ Доклады VI Всероссийской конференции «Взаимодействие     высококонцентрированных     потоков     энергии     с     материалами    в перспективных технологиях и медицине». Новоисбирск,22-25 марта 2011г. –С.28-32

2.        Грачев В.Н., Якунов В.С., Данилов В.С. Влияние теплоизоляционных покрытий и электроподогрева на сезонные изменения сопротивления заземления в условиях вечной мерзлоты//Энергетическое строительство.- 1978-№19-С.48-50.

3.        Заславский Ю.С.Трибология смазочных материалов.- М.:Химия,1991-223с.

4.        Кобылин  В.П.,  Аргунов  Л.И.  некоторые  вопросы  эксплуатации  трансформаторных подстанций на севере//Вопр.энергетик ЯАССР.- Якутск, 1973.-С.53-59.

5.        Кобылин В.П., Седалищев В.А., Ли-Фир-Су Р. Повышение эффективности работы ЛЭП и подстанций в условиях низких температур// Междунар.Арктическая Конф. «Актуальные пути решения проблем развития северных территорий», СПб., 2000.-с.71-76

6.        Кобылин В.П., Черский И.Н., Седалищев В.А., Платонов  Н.Н. Смазочный материал для техники северных регионов//Колыма-Магадан, 2001-С.56-59.

7.        Коваленко Н.А., Черский И.Н. Исследование физико-механических свойств композиций на основе политетрафторэтилена с углеродными наполнителями – Рига; Зинатне,1991.- №1- с.14-19.

8.        Краснов А.П.Автореф.дисс.докт.хим.наук, Москва, 1988,40с.

9.        Охлопкова А.А. Дисс. …докт.техн.наук, Гомель,2000, 295с.

10.     Охлопкова А.А., Виноградов А.В., Устыч Ю.Н., Краснов А.П. .Трение и износ.1997,Т17,№1,с.114-120

11.     Петров Н.А. Научно-методические основы и практика формирования стратегий развития энергетики регионов Севера (на примере Якутии): Дис…д-ра техн.наук в форме научного доклада.- иркутск.1996-63с.

12.     Рамкер,Марк,     Рашнер,     Даниэль.    Нанотехнология:    простое    объяснение    очередной гениальной идеи. Пер.анг. М:Издательский дом «Вильямс»,2004-240с.

13.     Талиханов           М.Ф.             Усиление            смеси            полимеров            порошкообразным наполнителем/М.Ф.Талиханов, А.Е.Заикин//Пластические массы.1999,№3 С.9-11