Необычный способ сокращения потерь энергии на линиях электропередач предложили ученые Назарбаев Университета

Как все начиналось

На сегодняшний день одним из каналов, ведущих к потере электроэнергии на линиях электропередач связаны с коронным разрядом — самостоятельным разрядом электродов со значительной кривизной поверхности в воздухе в сильно неоднородных полях (в основном, во влажную погоду). Эта проблема известна со времен передачи электроэнергии по проводам ЛЭП, но до сих пор полностью не решена.

Нам удалось понизить потери на коронных разрядах от 20% до 40% за счет нанесения на алюминиевые провода гидрофильного пористого нанокомпозитного покрытия, содержащего углеродные наночастицы. В этом нам помог метод микроплазменного оксидирования, отличающийся простотой и технологичностью.

Данный метод, называемый микроплазменным оксидированием алюминия, широко используется в ракето-, самолето- и реакторостроении, когда поверхность алюминиевого изделия покрывается высокотемпературным оксидом алюминия альфа-модификации, так называемым корундом, характеризующимся высокой механической и радиационной прочностью.

О времени работы над проектом

Работа на проектом велась в течение 2015-2017 гг. В 2015 начались поисковые работы в различных направлениях, основные результаты были получены летом 2017 года по результатам испытания на опытном полигоне СибНИИЭнергетика города Новосибирск.

Результаты нашего исследования были опубликованы в журнале "Письма в Журнал Технической Физики" и в переводном журнале “Technical Physics Letters”. Обе публикации – за 2018 год. Результаты электронно-микроскопического исследования и дополнительного компьютерного моделирования показали, что высокие анитикоронные характеристики покрытия достигнуты не только за счет электрически высокопрочного оксид-алюминиевого композитного соединения с углеродными наночастицами, но и за счет пористости нанокомпозитного покрытия, приводящее к высокой смачиваемости поверхности алюминиевого провода водой, так называемой гидрофильности, когда тонкая водяная пленка дополнительно увеличивает электрическую прочность покрытия за счет высокой диэлектрической прочности воды. Этот новый положительный эффект опубликован в журнале "Journal of Physics D: Applied Physics" в 2019 году.

Данная работа не делалась на пустом месте. Дело в том, что аналогичная проблема существует в гигантских ускорителях элементарных частиц, например, длина подземного ускорителя SLAC (Stanford University) в США достигает 8 км.

Задача подавления высоковольтного пробоя в ускорителях была решена частично нанесением нанопокрытия из вольфрама на внутренной полости ускорителя, в результате которого пробивное электрическое поле поднялось с 30 МВ/м до 100 МВ/м. Нанопокрытие наносилось методом атомно-слоевого осаждения. В настоящее время наше новшество используется в новых разработках ускорителей в мире (в частности в ЦЕРНе – Европейском научном центре) для экономии средств, так как длина ускорителя значительно сокращается. Результаты нашего исследования были опубликованы в целом ряде научных работ в течение 2004- 2017 годов.

О команде разработчиков проекта

В команду разработчиков под моим руководством были приглашены как опытные специалисты, так и молодые ученые. Костяк команды составили Курбангали Тыныштыкбаев, Галиулла Иманбаев, Ардак Айнабаев и другие – всего 10 человек. Позднее к ним примкнул Нурхат Жакиев, сделавший вклад в моделирование процесса. Особо стоит отметить участие в проекте выдающегося ученого – доктора Джима Норема (Jim Norem), создателя первого токамака в США, а также команду ФермиЛаб во главе с профессором Алвином Толлестрапом (Alvin Tollestrup), создателем детектора для коллайдера в ФермиЛабе, профессора Калифорнийского Технологического Института (Caltech). К слову, Алвину 95 лет, и он до сих пор в отличной форме и руководит коллективом молодых ученых в ФермиЛабе.

Для испытания привлекались специалисты из КЕГОК (Kazakhstan Electricity Grid Operating Company) и АУЭИС (Алматинский Университет Энергетики и Связи). Нашими партнерами по проекту были КЕГОК (заказчик проекта) и СибНИИЭнергетики города Новосибирск, во главе с заместителем директора, главным инженером Александром Гайворонским, сотрудники лаборатории по промышленным испытаниям, которые непосредственно и проводили опытно-промышленные испытания на высоковольтном полигоне.

Прикладное значение сделанного открытия

Прикладное значение нашего открытия заключается в снижении электропотерь на действующих линиях электропередачи ЛЭП, срок эксплуатация которых в большинстве случаев превышает 30-40 лет (80% ЛЭП в Казахстане были построены еще в бытность СССР) и в налаживании выпуска новых электропроводов с антикоронным покрытием.

Внедрение в производство изобретенной технологии

Сегодня основные работы в мире в области покрытий проводов ЛЭП производятся в Японии и приносят стране значительную выгоду. Мы предлагаем разработать и внедрить на действующих ЛЭП промышленные роботы специальной конструкции в Казахстане для нанесения антикоронного покрытия без демонтажа линий. Другое решение, - это наладить промышленный выпуск новых проводов с таким антикоронным покрытием, уже нанесенным во время производства проводов. Для этого нужно наладить выпуск проводов с антикоронным покрытием на базе предприятий, производящих их, и разработать конструкцию специализированного робота по нанесению антикоронного покрытия на ЛЭП, и провести промышленные испытания на ЛЭП.

Нашей разработкой заинтересовались российские ученые и правительство России. Результаты наших работ были приняты за основу при разработке и принятии новой отраслевой программы России для создания таких антикоронных покрытий, куда Назарбаев Университет был приглашен в качестве партнера к участию в этой программе.

К программе был подключен также Институт электрохимии им. Фрумкина в Москве, один из сильнейших Институтов в мире в области электрохимии. По заявлению научного руководителя, представителя СибНИИЭн Александра Гайворонского, до конца текущего года финансирование программы будет открыто.

К сожалению, в Казахстане конкретных планов по внедрению в производство данной технологии пока нет. Несмотря на то, что наш основной заказчик КЕГОК дал хорошую оценку результатам, работы по дальнейшему внедрению прекратились.

Кроме того, мы обращались и на Павлодарский кабельный завод с предложением использовать наши результаты для налаживания производства кабеля с антикоронным покрытием, выслав при этом им информацию с результатами наших работ. Но пока ответа от них не получили.

Вместе с тем, реализация данного проекта могла бы принести значительный экономический эффект при использовании действующих линий высокого напряжения со сроком эксплуатации 20-40 лет без замены проводов. Простота технологии нанесения антикоронного покрытия позволит использовать ее во многих областях электротехники, где требуется снизить коронные потери электричества.