Разработка метода расчета электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины воздушных линий

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Широкое и разнообразное применение древесины во всех отраслях народного хозяйства объясняется редким сочетанием в этом природном материале многих положительных качеств. Растёт потребность в древесине, широко используемой в качестве изолирующих и опорно-поддерживающих конструкций воздушных линий, опорных и крепёжных деталей трансформаторов, пазовых клиньев электрических машин, сырья для химической и химико-механической переработки в листовые и плитные материалы — бумага, картон, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и другие композиты. Свойства древесины играют большую роль при решении проблемы грозоупорности линий электропередачи 35-К220 кВ и более на деревянных опорах и их возгораемости от токов утечки и т. п. Вместе с тем, своеобразные и ещё мало изученные особенности древесины не позволяют использовать её с должным эффектом, вызывают необходимость обеспечения специалистов различных отраслей народного хозяйства достоверной информацией о характеристиках физико-механических свойств конструкционной древесины, оробенно, в электросетевом строительстве.

Глубокие и всесторонние исследования древесины необходимы для совершенствования и создания новых электроизоляционных материалов, применяемых в системах электрической изоляции, разработки рациональных типов (ТВО, ТСО, ДО, ДНО и др.) опорно-поддерживающих конструкций воздушных линийулучшения природных свойств и изыскания новых областей применения древесины.

Одним из важных моментов рационального и экономичного использования лесных материалов является повышение срока службы изделий и объектов, выполненных из древесины. Древесина в эксплуатации подвержена воздействию и разрушению разнообразными факторами: климатическими и агрессивными средами (атмосферными, почвенными, биологическими, подводными) и др. Поэтому недооценка роли химической защиты древесины приносит народному хозяйству значительный ущерб. По литературным данным, устраняемые ежегодные потери из-за неполноты защитных работ оцениваются в 1.5 млрд.р. Для заготовки 20 млн. м3 древесины, идущей на противогнилостный ремонт, ежегодно неоправданно вырубается 300 тыс. га леса.

Придавая большое значение проблеме рационального и экономичного использования Совет Министров СССР принял в 1984 году постановление «Об улучшении использования лесосырьевых ресурсов» и «О дополнительных мерах эффективности использования древесины и отходов в народном хозяйстве», которыми предусмотрено увеличение объёмов химической защиты древесины и расширение научно-исследовательских работ в области защиты древесины и материалов на её основе от увлажнения, биоразрушения и возгорания, в том числе совершенствование защитных средств и методов консервирования. Необходимость расширения использования древесины в качестве изолирующих несущих конструкций и проведение научных исследований электрических свойств деревянных конструкций ВЛ с учётом природно-климатических нагрузок, отмечается как важнейшая задача в решении Межреспубликанской научно-технической — конференции «Совершенствование методов эксплуатации и разработка способов защиты от возгорания воздушных линий электропередачи железных дорог в районах с загрязнённой атмосферой (27−29 сентября 1989 г., Ташкент).

Представленные в диссертационной работе исследования проводились автором во время выполнения НИР по приказам Министерства путей сообщения СССР (Проблема 054.01.02.10 «Разработка и внедрение высокоэффективных технологических процессов и технических средств в хозястве электрификации и энергетики») Среднеазиатской железной дороги, линейных предприятий (ЭЧ), госбюджетной тематике и хозяйственным договорам с Центральным научно-исследовательским Институтом механической обработки древесины (ЦНИИМОД, Архангельск). Работа с 1985 г. выполнялась в Ташкентском институте инженеров железнодорожного транспорта завершена в Самарском институте инженеров железнодорожного транспорта имени М. Т. Елизарова в 1998 году.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка метода расчёта равновесного электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины сосны на базе комплексных экспериментальных данных с учётом температурно-влажностных факторов влияния.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1. Анализ результатов исследования физических процессов взаимодействия температурно-влажностных и других факторов с твёрдым капиллярно-пористым, коллоидным материалом, влияющих на электрические параметры и характеристики натуральной и консервированной древесины к сосны.

2. Исследование влияния температурно-влажностных режимов на гигроскопичность (влагопоглощение) и электрическое сопротивление натуральной и консервированной древесины.

3. Разработка метода расчета электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины, ВЛ эксплуатирующейся в различных температурно-влажностных режимах.

4. Определение критерия влагостойкости электроизоляционных твёрдопористых волокнистых материалов на базе древесины.

5.Анализ причин и оценка отказов несущих и поддерживающих конструкций ВЛ системы продольного электроснабжения.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основные научные положения проблемы исследования электрического сопротивления органических электроизоляционных материалов в диссертации решены при разработке теоретического метода расчёта электрического сопротивления твёрдопористых волокнистых материалов на базе природной древесины.

ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием фундаментальных законов и положений теоретических основ электротехники, теории электроматериаловедения, методов математического моделирования и математических методов обработки научных результатов, теории электрических сетей и систем, основных положений теории электроснабжения электрофицированных железных дорог, эксплуатации и надежности воздушных линий электропередачи. В экспериментальном разделе работы использованы стандартные методы испытаний электроизоляционных органических материалов, современные техника и средства измерений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: разработан метод расчёта электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины с учетом влияния температурно-влажностных режимов средыисследована гигроскопичность (влагопоглощение) натуральной и консервированной древесины в зависимости от температуры и относительной влажности воздухавпервые проведены комплексные исследования электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины в двух температурно-влажностных режимах при изменении в широком диапазоне температуры и относительной влажности воздухаобоснован критерий влагостойкости электроизоляционных материалов на основе твёрдопористых волокнистых диэлектриков природного происхождения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Проведённые теоретические и экспериментальные исследования натуральной и консервированной древесины сосны позволили обосновать критерий её влагостойкости, дать качественную и количественную оценку гигроскопичности и электрического сопротивления древесины, пропитанную следующими химическими защитными препаратами: органическими, неорганическими (минеральными), фенольными, фтористыми, хлорцинковыми, медьсодержащими и хромсодержащимиустановить и выбрать для защиты несущих и опорно-поддерживающих конструкций ВЛ эффективные химические защитные средства, повышающие электроизоляционные свойства древесины в сложных почвенно-климатических условиях эксплуатации и воздействия токов утечки.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Диссертация и её разделы докладывались на всесоюзных, республиканских, межвузовских и кафедральных научно-технических конференциях: «Перспективные системы и совершенствование устройств электрической тяги на железнодорожном транспорте и электромашиностроение» (Ленинград. 1991 г.), НТК молодых учёных и специалистов Средней Азии по экологическим проблемам бассейна Аральского моря «Актуальные вопросы экологии бассейна Арала» (Нукус, 1991 г.) — научно-технических конференциях ТашИИТа (Ташкент, 1988;1995 гг.) — технических советах служб электроснабжения Среднеазиатской (Ташкент, 1989;1992 гг.)и Туркменской (Ашхабад, 1990;1993 гг) железных дорог.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты исследований нашли отражение в 6 печатных работах, опубликованных в журналах «Электричество», «Электрическая и тепловозная тяга», межвузовских сборниках научных статей и тезисах НТК.

ОБЪЁМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит 105 страниц основного текста, в том числе рисунков 53,.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РАБОТЕ:

1. Разработан метод расчета электрического сопротивления натуральной и консервированной древесины для равновесных условий среды.

2. Проведены комплексные экспериментальные исследования гигроскопичности натуральной древесины и древесины пропитанной современными эффективными препаратами и веществами антисептиков и антипиренов: органические (КМ), неорганические (минеральные — КФА, ФН, ХЦ), фенольные (ПХФН), медьсодержащие (ИМ), хромсодержащие (ХМ), комбинированные (ФБС, БС-13, ДМ) и входящий в состав комбинированных препаратов сульфат-аммония (СА). Анализ полученных экспериментальных данных позволил выявить и установить наиболее эффективный химический защитный препарат, придающий древесине высокую устойчивость к влажности, которым является ПХФН 75% концентрации.

3. Проведены экспериментальные исследования Ry и Rs натуральной древесины в двух температурно-влажностных режимах (первый режим относительная влажность — const, температура — varвторой режим температура — const, относительная влажность — var.), а также от вида и степени концентрации защитных химических препаратов КМ, ХМ, ПХФН.