СУДОСТРОЕНИЕ 1'2003
ЭЛ1КТР0- И РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
трансформаторы, инверторы, преобразователи частоты).
Следовательно, для решения задачи моделирования ЭЭС необходимо рассмотреть особенности моделирования ее основных элементов. В основном модели перечисленных выше элементов ЭЭС в достаточной степени разработаны, изучены и успешно используются на практике. Однако при включении в исследуемую ЭЭС в качестве источника постоянного тока ЭХГ система приобретает новые свойства, обусловленные спецификой получения тока с применением способа «холодного горения» в топливных элементах.
Задача моделирования ЭХГ сводится к математическому описанию характера изменения напряжения на его зажимах в стационарных и переходных режимах работы. Поскольку ЭХГ представляет собой установку, состоящую из батареи ТЭ, то характер изменения его выходного напряжения определяется характером изменения напряжения на зажимах одного ТЭ. Анализ процессов, происходящих в батарее ТЭ, может стать основой для построения математической модели явления электрохимической генерации тока. При построении модели ЭХГ как сложной технической системы необходимо максимально учесть взаимное влияние всех составных частей генератора. Что касается принимаемых при составлении уравнений допущений, то при решении этого вопроса целесообразно исходить из поставленных задач моделирования и практических требований к точности. При этом следует иметь в виду, что, с одной стороны, чем точнее составлены уравнения, т. е. чем больше учтено влияющих факторов, тем достовернее будет описан процесс, но, с другой стороны, чем слож-
Хранение топлива
нее модель, тем сложнее ее реализация на ЭВМ.
Выводы. 1. Проблема внедрения судовых ЭУ с ЭХГ может быть решена только путем сочетания методов натурного эксперимента и математического моделирования.
2. Математическая модель ЭУ с ЭХГ как сложной технической системы может быть построена по модульному принципу и сформирована на основе аналитического описания и формализации эквивалентной схемы соответствующего устройства. Ее структура может включать в себя математическую модель ТЭ, ЭХГ и ЭЭС.
3. Решение проблемы внедрения ЭУ с ЭХГ в подводном кораблест-
Подача окислителя
Отвод продуктов реакции
роении позволит: коренным образом изменить тактико-технические характеристики строящихся подводных лодок и подводных аппаратов ВМФ России на базе использова-ниея наиболее передовых технологий электрохимической генерации тока; существенным образом повлиять на соотношение военно-морских сил ведущих морских держав, при этом потребуются значительно меньшие капиталовложения по сравнению с развитием атомных энергетических установок.
Литература
1. Коровин Н. В. Электрохимические генераторы. М.: Энергия, 1974.
2. Яценко И. Новое поколение немецких подводных лодок//Зарубежное военное обозрение. 2000. № 6.
Обработка топлива
Подача топлива
Система контроля и автоматики
Батарея топливных элементов
Отвод тепла
V7
Нагрузка
Принципиальная схема ЭХГ
К ВОПРОСУ О СРОКЕ СЛУЖБЫ КАБЕЛЕЙ С РЕЗИНОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
А. Б. Власов, канд. техн. наук (Мурманский ГТУ)
УДК 621.3.048:621.315.616.1
Процессы старения изоляции силовых электрических кабелей на судах происходят при повышенных температурах, влажности воздуха, присутствии загрязнений. В настоя-
щее время на судах кабели с резиновой изоляцией являются самыми распространенными. Во время ремонта и замены кабельных трасс возникает вопрос об их пригоднос-
ти к дальнейшей работе. Как показывает практика, электрические характеристики резиновой изоляции в процессе теплового старения изменяются незначительно, и на их основе сложно прогнозировать остаточный ресурс [1, 2].
Остаточный ресурс судовых кабелей с резиновой изоляцией можно определить в том случае, если известны сроки службы кабеля при его непрерывной эксплуатации в условиях повышенных температур [3, 4].
ЭМТРО- И РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2003
зо
20 30 40 50 60 70 80 Температура, С
Рис. 1. Гистограмма выборки температур
кабельных трасс на судах
В связи с этим разработана методика оценки долговечности реальной кабельной продукции (кабели типа КНР, КНРГ, НРШМ и др.) с учетом физико-химических процессов старения.
Для анализа условий эксплуатации кабельных трасс контролировалась температура окружающей среды в различных помещениях промысловых судов как традиционными методами (датчики температуры, термометры), так и с помощью теплови-зионной техники (для оценки и детализации тепловых карт объектов).
Температура кабельных трасс, определявшаяся в течение года в различных районах плавания, в локальных точках существенно отличалась от средней, регистрируемой в помещении. Это отличие было выявлено при анализе температурных режимов с помощью тепловизион-ной техники. В отдельных точках температура кабельных трасс достигала 70—80 °С и выше, вплоть до 120 °С. Из гистограммы (рис. 1) видно, что более 15% кабельных сетей имеет температуру выше 60 °С, около 5% — температуру 70 °С и выше.
Разогрев изоляции может достигать больших значений в кабельных трассах под действием электрического тока, протекающего по жилам, в условиях недостаточной вентиляции. За счет этого изоляция кабеля ускоренно разрушается.
Шланговая оболочка судовых кабелей типа КНР, КНРГ, НРШМ и других изготавливается из резины на основе полипропилена(наири-та). Известно, что доминирующим механизмом старения подобной резины являются реакции окислительного дегидрохлорирования полихло-
ропрена, сопровождающиеся изменением структуры пространственной сетки материала.
Согласно техническим условиям критерием работоспособности кабелей после истечения срока службы является отсутствие на поверхности шланговой оболочки трещин по длине. В процессе теплового старения кабель теряет эластичность, становится жестким. На шланговой оболочке и изоляции жилы первоначально возникает сетка мелких трещинок, а затем трещины, открывающие доступ влажному воздуху и загрязнениям вплоть до металлической жилы.
При разработке методики определения срока службы кабелей в процессе теплового старения исследовалась кинетика массопотерь изоляции кабелей типа КНР, НРШМ, КНРГ при различных температурах в диапазоне 40—120 °С (рис. 2, 3).
В целом процесс термического старения кабеля может быть описан следующим образом. По мере выдержки материала при повышенной температуре и протекания химических реакций происходит уменьшение его массы; характер изменения кривой (см. рис. 2, 3) идентичен при различных температурах: первоначально скорость потери массы изоляции относительно высока, затем этот процесс замедляется. При достижении критических значений потери массы происходит разрушение (растрескивание) материала под действием внутренних напряжений. Как показывает анализ данных, относительное изменение массы (А^т/т^) шланговой изоляции, при котором происходит
развитие трещин, составляет в зависимости от типа кабеля 2—2,5%.
Оценка ресурса работы некоторых материалов базировалась на
Время, ч
Рис. 3. Кинетика массопотерь (Ат/т0) кабеля НРШМ 3х1,5 в процессе теплового старения при различных температурах
идеях теории протекания химических реакций, основанных на том, что при достижении некоторого критического значения какого-либо параметра происходит нарушение целостности изоляции [5, 6]. В частности, при старении в ряде материалов изменение массы образца происходит по закону
тЩ = п^хр^Т^] , (1)
где т(^, т0 — текущая и начальная масса образцов; п — постоянная; f — время; параметр к(Т) в общем случае зависит от температуры испытаний Т.
Использование уравнения (1) позволяет определять и прогнозировать характеристики надежности. В работах [5, 6] рассмотрен метод обработки данных подобных кинетических уравнений, согласно которому результаты, полученные при разных температурах испытаний, приводятся к одной основной кривой старения при выбранной «базовой» температуре. Применение принципа темпе-ратурно-временной суперпозиции позволяет получить обобщенную зависимость (рис. 4), описывающую изменение контролируемого параметра 8(Т, О в зависимости от продолжительности испытаний.
Анализ полученных данных показывает, что изменение массы образцов резиновой изоляции до критического значения происходит по закону, описываемому соотношением (1), при этом значение п для резиновой изоляции составляет 0,31—0,34.
Рис. 2. Кинетика массопотерь (Ат/т0) кабеля КНР 3х2,5 в процессе теплового старения при различных температурах
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2003
ЭЛЕКТРО- И РАДИООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
С учетом соотношения (1) можно записать
8(Т, ^ = Ат/т0 = [т0 - т(0]/то =
(2)
= 1 - ехр[-к(Т)^] .
По формуле (2) можно определить Окр(Т, t), подставив тт (время жизни изделия при произвольной температуре Т) вместо I, и 8кр(70, Т0) при «базовой» температуре Т0, подставив Т0 (время жизни при базовой температуре Т0).
Базовой может быть выбрана любая температура, для которой известно время жизни кабеля (время до появления трещин).
Введем коэффициент приведения /(7), равный
¡(Т) = Т0/ТТ. (3)
Полагаем, что значения критического параметра 8кр не зависят от температуры эксплуатации и испытаний, т. е. 8 (Т0) = 8кр(Т). Тогда с учетом (2)—(3) получаем
¡(7) = к(Т)/к(Т0) . (4)
Предположим, что коэффициент к(Т) зависит от скорости протекания химических реакций и определяется кривой Аррениуса. В связи с этим предположением можно записать к(Т) в виде соотношения
к(Т)= AKeхр(-U/RT) , (5)
где и — энергия активации процесса разрушения; R — газовая постоянная; Ак — постоянная.
С учетом (4)—(5) имеем
¡(Т) = ехр[-(иД) (1/Т-1/Т0)] . (6)
Из соотношения (6) путем логарифмирования можно получить
Ц(Т) = 1п/0- U/RT, (7)
где 1п/0 = U/RT0.
Рассмотрим этапы обработки результатов на примере данных по массопотерям кабеля НРШМ (см. рис. 3). В качестве базовой температуры выбрано значение Т0 = 95 °С, при которой, как показали исследования, трещины в кабеле типа НРШМ появляются через Т0 = 0,3 года.
Путем обработки данных (см. рис. 3) изменением масштаба по оси времени можно получить обобщенную кривую массопотерь кабеля НРШМ (см. рис. 4); для температур 75, 95, 105, 115, 120 °С
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.