CC BY
67
Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2007. №2(52)
УДК 621:315
299
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ ИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ В РЕГИОНАХ С ТЯЖЕЛЫМИ ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ ЭКСПЛУАТАЦИИ1
© 2007 Н.А. Шергунова2
В результате комплексных экспериментальных исследований по исследованию электрических свойств изолирующих конструкций воздушных линий были разработаны математические модели зависимости электрического сопротивления капиллярно-пористых коллоидных материалов, представляющих собой совокупность соотношений связывающих этот параметр с различными действующими одновременно факторами.
Повышение надежности систем электроснабжения электрифицированных железных дорог, нетяговых потребителей и устройств СЦБ — проблема исключительно актуальная, особенно в настоящее время, когда ускоряется интенсивность движения и возрастает вес поездов, увеличивается загрязненность атмосферы и др.
Неполный учет факторов, вызывающих деструкцию изоляционных конструкций, будет и в дальнейшем приводить к перекрытиям изоляции, возгоранию опор и траверс, особенно в регионах с загрязненной атмосферой.
В настоящее время древесина продолжает оставаться конкурирующим металлу и железобетону материалом в электросетевом строительстве как в нашей стране, так и за рубежом. В США, Канаде и ряде европейских стран в строительстве не только линий 20-35 кВ, но и более высокого напряжения она используется широко. В Японии большинство ЛЭП напряжением до 60 кВ сооружено на деревянных опорах (ДО). Даже в малолесных странах ДО находят широкое применение [1,2].
Протяженность железнодорожных линий продольного электроснабжения МПС напряжением 6-35 кВ равна 196,7 тыс. км, основных ВЛ СЦБ, обслуживаемых участками электроснабжения,—около 80 тыс. км, а линий продольного электроснабжения, от которых осуществляется резервное питание устройств автоблокировки, более 35 тыс. км [3].
1 Представлена доктором медицинских наук профессором П.П. Пурыгиным.
2Шергунова Наталья Алексеевна, Самарский государственный университет путей сообщения 443066, Россия, г. Самара, 1-й Безымянный пер., 18.
Достоинством ДО являются меньшая масса вследствие относительно более высокой удельной прочности древесины по сравнению с бетоном; лучшая транспортабельность; легкость обработки древесины и удобство при монтаже; повышенная долговечность при эксплуатации в химически агрессивных средах; меньшая теплопроводность; низкий коэффициент линейного расширения и пониженная электропроводность. Удельная прочность древесины при растяжении вдоль волокон примерно такая же, как и у высокопрочной стали. Меньшая зависимость себестоимости и фондоемкости изготовления от серийности и другие преимущества делают натуральную древесину наиболее целесообразным материалом для сооружения изоляционных конструкций воздушных линий (ВЛ).
Глубокие и всесторонние исследования древесины необходимы для совершенствования и создания новых электроизоляционных материалов, применяемых в системах электрической изоляции, разработки рациональных типов деревянных траверс и брусьев типа: ТВО, ТВ, ТСО и ТС, Б; деревянных кронштейнов ДО, ДНО, ДНОУ, устанавливаемых на опорах КС для питания нетяговых потребителей; опорно-поддерживающих конструкций воздушных линий; улучшения природных свойств и изыскания новых областей применения древесины.
К основным недостаткам деревянных конструкций ВЛ следует отнести подверженность загниванию и в этой связи меньший срок службы при эксплуатации в условиях повышенной влажности и загрязненности окружающей среды, возгораемость при низовых пожарах, от прямых ударов молнии или от токов утечки по изоляторам.
В основе всех процессов теплового разрушения деревянных изоляционных конструкций ВЛ от токов утечки лежит процесс изменения электрических свойств древесины. Эти свойства зависят от качества, вида, концентрации и способа химической пропитки; гигроскопичности древесины; атмосферных условий и др.
Разрушение ДО токами утечки связано с увлажнением, в результате эксплуатации, загрязненных поверхностей траверс и опор, находящихся под высоким напряжением. В результате протекания токов утечки на поверхности изолирующих конструкций ВЛ образуются углеродистые канавки (треки) или дефекты со сложным рисунком.
Для оценки степени разрушения древесины траверс и опор от токов утечки, а также в целях организации мер по ограничению этого явления, уменьшения материального ущерба, связанного с возгоранием и пожарами ДО, разработана классификация треков—характерных мест их образования на поверхности траверс и опор (рис. 1).
Анализ натурных исследований состояния древесины опор и траверс ВЛ показал, что разрушение древесины под действием токов утечки начинается в зоне заусениц, острых бортиков и металлических выступов или неровностей штампованных деталей арматуры крепления.
Рис. 1. Распределение треков (дефектов) на деревянных элементах: а — вид опоры со стороны расположения траверсы; б — вид опоры с противоположной стороны крепления траверсы; в — вид опоры сбоку На рисунке под номером 1 указан участок поверхности стойки под траверсой в зоне центрального болта крепления ее к опоре; 2 — то же между центральными болтами крепления траверс к опоре; 3 — участок поверхности под центральным болтом крепления; 4 — то же в зоне крепления укосины; 5 — участок поверхности траверсы под штырем (наиболее часто встречающийся дефект); 6 — то же под укосиной и в зоне болта ее крепления; 7 — участки боковых поверхностей траверсы между штырями, металлическими элементами крепления и укосины; 8 — участок поверхности траверсы в зоне центрального болта крепления; 9 — участок боковой поверхности траверсы, обращенной к опоре в зоне центрального болта ее крепления
Пожары возникали на траверсах в зоне крепления их к укосинам и центрального болта. Пожары траверс могут завершаться возгоранием древесины в зоне центрального болта ее крепления. Пожар обусловлен последовательным образованием и развитием дефектов 5, 6, 7. Одновременное образование и развитие дефектов 5, 6, 7 — наиболее распространенный процесс разрушения древесины обследованного участка ВЛ.
Однако многочисленные факторы не всегда способствует развитию образования треков, переходящих в пожары. На обследованном участке ВЛ имеется большое количество траверс, разрушенных действием токов утечки, но по тем или иным причинам не сгоревших. Установлена зависимость состояния поверхности древесины от действия токов утечки и сроков эксплуатации.
Результаты обследования состояния поверхностей сгоревших траверс и опор, мест возникновения очага возгорания на них, то есть дефектов, вызывающих пожар и аварию на линии, позволили заключить следующее.
Развитие сети треков на поверхности траверс и опор ВЛ происходит по следующим этапам. Первый характеризуется образованием треков на поверхности элемента опоры, прилегающей к металлическим частям. Это явление наблюдается через 2-3 года эксплуатации в условиях регионов с загрязненной атмосферой. На втором этапе развитие сети треков завершается соединением металлических креплений опоры или траверсы. Этот период более длителен и сопровождается расширением и углублением треков на поверхности древесины, образованием сложной картины их развития. испещренные треками участки поверхности древесины траверс или опор являются местами наиболее интенсивных отложений и накоплений пыли. Однако наиболее благоприятным для возгорания древесины изоляционных конструкций ВЛ можно считать состояние после 5-7 лет эксплуатации. Возгорание элементов изоляционных конструкций ухудшает их техническое состояние, ускоряет процессы износа и старения конструкций, снижая пределы допустимых нагрузок ВЛ в целом.
Как показало натурное обследование состояния поверхности древесины изоляционных конструкций ВЛ, разрушение идет в двух направлениях, имеется общее начало—трек — и источник образования — ток утечки. В одном случае разрушение развивается по структуре трек-пожар (при благоприятных климатических условиях). Второе направление связано только с ростом площади углеродных мостиков-треков в зависимости от увеличения сроков эксплуатации траверсы. Подобное разрушение траверсы не завершается пожаром и не оказывает существенного влияния на сроки ее эксплуатации по механическим характеристикам древесины.
Возгорание деревянных опор в районах с загрязненной атмосферой вследствие токов утечки в настоящее время является одним из видов повреждений, и проблема защиты их от огнеразрушений в районах с загрязненной атмосферой весьма актуальна. Это подтверждается и сопоставлением времени на восстановление линии после повреждений, вызванных возгоранием и погодными условиями. Внезапный перерыв питания, особенно железнодорожных потребителей, влечет за собой вынужденные задержки движения нескольких поездов и значительный экономический ущерб.
Процесс загрязнения изоляционных конструкций ВЛ 10 кВ весьма сложен и обусловлен рядом факторов, оказывающих неоднозначное влияние и изменяющихся во времени: численностью источников загрязнения атмосферы, характером перевозимых грузов и концентрацией загрязняющих компонентов, их физическими свойствами и химическим составам; метеорологическими условиями и т. д.
Первоочередной параметр, по которому должен осуществляться контроль состояния поверхностных слоев, их состав. Для поверхностей деревянных изоляционных конструкций ВЛ характерна сложная неоднородность. Произведенные исследования позволили определить, что с увеличением времени эксплуатации растет содержание элементов кремния, кальция и частично Сг, то есть увеличивается содержание кремнезема — ЯЮ2
и СаСОз. Содержание других соединений практически не изменяется в зависимости от срока эксплуатации траверс, что вполне объяснимо, так как в процессе их эксплуатации длительное воздействие осадков приводит к вымыванию осевших в древесине растворимых солей. Нарастает лишь запыленность нерастворимыми соединениями кремнеземами и карбонатами. Следует отметить, что в траверсе после 2,5 лет эксплуатации и на поверхности сгоревшей траверсы повышено содержание хрома и меди.
В качестве мер, предотвращающих явления возгорания деревянных изоляционных конструкций за счет снижения влагоабсорбционных характеристик древесины, следует предусматривать очистку элементов деревянных изоляционных конструкций от грязи, классификацию их и повторную пропитку с учетом электрических параметров, которые защитный химический препарат придает пропитанной древесине [4].
Обеспечение длительного срока эксплуатации деревянных изоляционных конструкций ВЛ является одним из основных условий их применения. Важная характеристика конструкций из дерева, применяемых в строительстве и находящихся в эксплуатации на ЛЭП, — срок службы древесины. Срок эксплуатации таких линий, как правило, превышает срок службы деревянных конструкций, поэтому отечественными и зарубежными исследователями большое внимание уделяется вопросу химического воздействия на древесину. Применение эффективных химических средств защиты и способов пропитки древесины позволяет продлить срок службы опор и деревянных изоляционных конструкций от 30-35 до 50 лет, сократить трудоемкость обслуживания деревянных изоляционных конструкций ВЛ и обеспечить экономическую эффективность их применения [5]. В настоящее время для различных условий можно достичь любой продолжительности срока службы древесины путем доступной и экономически приемлемой пропитки защитными химическими препаратами (антисептиками, консервантами и антипиренами), количество которых точно рассчитывается.
Качественная пропитка древесины способна улучшить технологические и эксплуатационные свойства изоляционных конструкций ВЛ.
В связи с тем, что на сегодняшний день недостаточно теоретически изучены электрофизические свойства эксплуатируемой древесины изоляционных конструкций, были проведены экспериментальные исследования с целью определения электрического сопротивления пропитанной различными защитными препаратами древесины в температурно-влажностных режимах эксплуатации.
Полученный экспериментальный материал позволил получить регрессионную модель логарифма электрического сопротивления пропитанной антипиренами древесины от защитных и эксплуатационных факторов.
В связи с тем, что на электрофизические свойства пропитанной древесины изоляционных конструкций влияет большое количество физических факторов, были определены наиболее значимые.
По полученным экспериментальным данным был исследован параметр, в дальнейшем именуемый функцией отклика и обозначаемый У, (У = 1п р^), характеризующий логарифм удельно-объемного сопротивления пропитанной огнезащитными препаратами (ДМ-11, БС-13, ФБС-255 и СА) древесины изоляционных конструкций ВЛ.
После обработки полученной многомерной выборки для получения эмпирической формулы регрессии был принят следующий вид регрессионной модели:
У = Ь0 х ЬК х Ь2С х Ь3Т х Ь4В,
где Ьо — коэффициент, характеризующий среднее значение функции отклика при нулевых значениях всех факторов: К, С, Т, В — значения факторов. К — концентрация рабочего раствора защитного химического препарата, %; С — количество сухой соли поглощенное древесиной, кг/м3; Т — температура окружающего воздуха, °С; В — относительная влажность окружающего воздуха, %; Ь\, Ь2, Ьз, Ь<\ — коэффициенты регрессии, характеризующие величину влияния соответствующего фактора на исследуемый процесс.
Стохастическая модель логарифма сопротивления (объемного) пропитанной антипиренами древесины от защитных и эксплуатационных факторов имеет вид
У = 66,432 ■ 31,769К ■ 0,979С ■ 0,993Т ■ 0,617В.
На рис. 2 показаны графики подбора независимых переменных. Приведенные на рис. 2 графики свидетельствуют о сильной зависимости логарифма сопротивления (объемного) деревянных изоляционных конструкций, пропитанных антипиренами, от эксплуатационных и защитных факторов. Полученное уравнение регрессии позволяет определить показатель электроизоляционных свойств комбинированной изоляции ”фарфор-дерево” ВЛ от эксплуатационных и защитных факторов.
Результаты исследований показывают, что экспоненциальная кривая наиболее точно описывает динамику логарифма сопротивления (объемного) пропитанной древесины в температурно-влажностных режимах эксплуатации. Из анализа полученной зависимости можно утверждать, что на логарифм сопротивления У наибольшее влияние оказывают количество поглощенной соли С, относительная влажность окружающей среды В, несколько меньшая концентрация рабочего раствора К и температура Т.
Полученная модель может быть использована затем для предсказания значений электрического сопротивления деревянных изоляционных конструкций от внешних воздействий и свойств защитного химического препарата. Это в свою очередь позволит определить защитные химические препараты, придающие при пропитке, наряду с защитными функциями, наилучшие электрические свойства древесине изоляционных конструкций ВЛ в районах с загрязненной атмосферой.
40.0
30.0
V
20.0
10,0
Переменная С
1 " - ■
1
20,0 40,0 60,0 80,0
Переменная Т
Рис. 2. Графики подбора переменных: а — влажность; б — концентрация рабочего раствора; в — количество поглощенной сухой соли; г — температура. Экспериментальные (У) и предсказанные (У 1) данные отклика. Линии трендов для У и У1
Литература
[1] Гальперн, М.Л. Деревянные опоры линий электропередачи / М.Л. Гальперн. 2-е изд. - М.: Энергия, 1972. - 224 с.
[2] Шнелль, Р.В. Целесообразность применения деревянных опор на линиях электропередачи / Р.В. Шнелль, В.Г. Китушин, А.П. Киселев // Электричество. - 1975. - №3. - С. 73-76.
[3] Герман, Л.А. Устройства и линии электроснабжения автоблокировки / Л.А. Герман, М.И. Векслер, И.А. Шелом. - М.: Транспорт, 1987. - 192 с.
[4] Электрическое сопротивление натуральной и консервированной древесины сосны / Ю.М. Денисов [и др.] // Электричество. - 1994. - №4. -С. 21-26.
[5] Справочник по сооружению линий электропередачи напряжением 35-750 кВ: справ. мастера / под ред. М.А. Реута. - М.: Энергоатом-издат, 1990. - 496 с.
Поступила в редакцию 12/У/2006;
в окончательном варианте—12/У/2006.
A STUDY OF WOOD PROPERTIES OF THE INSULATING DESIGNS THE OPEN-WIRE LINES IN REGIONS WITH HEAVY ECOLOGICAL SERVICE
CONDITIONS3
© 2007 N.A. Shergunova4
As a result of complex experimental researches on research of electric properties of wood insulation designs of open-wire lines mathematical models of dependence of electric resistance of the capillary — porous colloid materials representing aggregate of relations connecting this parameter with various factors operating simultaneously is developed.
Paper received 12/У/2006. Paper accepted 12/У/2006.
3Communicated by Dr. Sci. (Chem.) Prof. P.P. Purygin.
4Shergunova Nataliya Alekseevna, Samara State University of Railway Communications, 443066, Russia.
