Отдел "Физика и технология электротехнических материалов и изделий"

Научные направления

Создание перспективных композиционных наноструктурированных систем электроизоляции с повышенными теплофизическими и электрофизическими свойствами для мощных турбогенераторов с воздушной и водородной системой охлаждения

Увеличение коэффициента теплопроводности изоляции позволит создавать новые генераторы, отличающиеся повышенной надежностью и простотой эксплуатации, в частности отказаться от сложной системы гидравлического охлаждения обмоток, перейти к использованию воздушного охлаждения, позволит в значительной степени увеличить энергоэффективность электрических машин, без изменения их массогабаритных параметров.

Создание модифицированных изоляционных материалов с применением мелкодисперсных порошков оксида алюминия (Al2O3) и нитрида бора (BN) с высоким значением коэффициента теплопроводности теоретически позволяет его увеличить более чем в три раза по сравнению со стандартными материалами. В этом направлении работает целый ряд зарубежных фирм: VonRoll, Alstom, Toshiba, ABB Drives AG, Hitachi, и др.

По результатам предварительных экспериментов c использованием различных типов наномодификаторов нами было показано, что преимуществом наномодифицированной слюдосодержащей изоляции (НИ), наряду с достаточно высокой технологичностью, является высокий коэффициент теплопроводности (увеличение примерно в 2 раза по сравнению с его значением, используемым в настоящее время).. Продолжение исследований по совершенствованию НИ и проведению ресурсных испытаний реальных элементов статорной обмотки с такой изоляцией, представляет практический интерес при создании современных мощных турбо- и гидрогенераторов, конкурентоспособных на мировом рынке.

Исследования в данном направлении представляют интерес для отечественных производителей, таких как ОАО «Силовые машины», ООО «Электротяжмаш-Привод», ОАО «Уралэлектротяжмаш, НПО «Элсиб», ОАО «ХК Элинар», ФГУП СКТБ «Технолог» и др.

Ведущие специалисты: д.т.н. Андреев А.М., к.т.н. Шикова Т.М., асс. Безбородов А.А.

Разработка и исследование наномодифицированной целлюлозной бумаги с повышенными электрофизическими свойствами и нагревостойкостью

На кафедре реализуется программа развития исследований, направленных на создание современных технологий целлюлозных бумажных (ЦБ) диэлектриков и поиск путей совершенствования электрофизических свойств бумажно-пропитанной изоляции. Одним из таких перспективных направлений является наномодификация целлюлозной основы природными растительными полимерами и биополимером хитозан.

К результатам работ по создание диэлектрических бумаг нового поколения проявляют интерес предприятия целлюлозно-бумажного комплекса и электротехнической промышленности (выпускающие высоковольтные устройства, надежность и технико-экономические показатели которых во многом обеспечивают энергобезопасность энергетических объектов). Необходимо также отметить, что работы по изучению свойств и перспектив применения хитозана (полного структурного аналога целлюлозы) интересны специалистам широкого профиля, а такие ведущие страны мира, как США и Япония, придают им статус стратегического направления. Важным является также отсутствие вреда экологии при утилизации ЦБ, что является общепризнанным и несомненным преимуществом природного полимерного диэлектрика над синтетическими материалами (которые практически не разлагаются естественным путем).

Ведущие специалисты: к.т.н. Журавлёва Н.М.

Разработка новых типов конденсаторов с высокими удельными характеристиками

Металлопленочные конденсаторы применяются в силовых блоках аппаратуры, в преобразовательной технике, для создания мощных импульсных накопителей энергии. Область применения емкостных накопителей энергии широка и продолжает развиваться: от накачки лазерных систем до мощных импульсных установок, применяемых в электроимпульсной технике, включая специальные аппараты для формирования плазменных пучков. При этом значение одного из важных показателей – удельной плотности энергии W_уд, доведено до уровня 2-4 кДж/см³ для серийных образцов, а также 5-6 кДж/см³ для лабораторных. Приведенные цифры касаются зарубежных производителей (Германия, США, Япония, Швейцария). Что касается отечественных конденсаторов, W_уд для экспериментальных образцов находится в пределах 0,8-1 кДж/см³. В настоящее время совместно с ОАО НИИ «Гириконд», основным разработчиком и производителем металлопленочных конденсаторов в РФ, ведутся исследования, направленные на оптимизацию конструкции и технологии получения наноструктурированных электродов с целью доведения показателя энергоэффективности конденсаторов до уровня лучших зарубежных конструкций. Актуальность работы подтверждается тем, что аналогичные исследования в течение последних 5 лет проводятся учеными ряда зарубежных стран – Германии, Швейцарии, Франции, США. Однако в последнее время количество публикаций в открытой печати сведено к минимуму, что, по понятным причинам, может являться результатом политики компаний-производителей конденсаторов. Это обстоятельство усиливает необходимость проведения собственных исследований в данном направлении.

Ведущие специалисты: к.т.н. Емельянов О.А., к.т.н. Бондаренко П.Н., к.т.н. Белько В.О.

Разработка систем теплового мониторинга кабельных сетей

В качестве температурного датчика в таких системах используются волоконные световоды, конструктивно совмещенные с силовыми электрическими кабелями, что дает возможность определить температуру токоведущей жилы и изоляции кабеля в любой точке трассы. Применение подобных систем позволяет в целом повысить энергобезопасность и эффективность кабельных сетей. Это особенно актуально для Санкт-Петербурга, так как распределительная кабельная сеть, особенно в центральной части города, работает на пределе своих возможностей, а также имеют место многократные пересечения кабельных сетей с теплотрассами.

В настоящее время в Санкт-Петербурге введены в эксплуатацию только две система теплового мониторинга кабельной сети. Широкое внедрение таких систем невозможно из-за их высокой стоимости. Существенной проблемой является также определение температуры изоляции кабеля в различных точках на основании температуры, измеренной волоконно-оптическим датчиком.

Заинтересованные организации: ОАО «Ленэнерго», ЗАО «Севкабель», ГУП «Петербургский метрополитен» и др.

Ведущие специалисты: д.ф.-м.н. Кизеветтер Д.В., к.т.н. Грешняков Г.В.

Создание композиционных материалов с регулируемыми электрическими и механическими свойствами на основе полимерных матриц и углеродных нанонаполнителей

На кафедре развивается научное направление, связанное с созданием и исследованием полимерных наноструктурных композиционных материалов, получаемых на основе полимерных матриц и углеродных наночастиц – нановолокон, нанотрубок, технического углерода. В последнее время появился ряд новых углеродных наноматериалов (фуллерены, нанотрубки, нановолокна, наноконусы и др., см. рис.1,2), обладающих уникальными свойствами. Применение таких наполнителей в композиционных структурах может способствовать получению материалов с недостижимыми ранее свойствами. Сотрудники кафедры работают над задачами, связанными с разработкой технологий варьирования наноструктур композиционных материалов, методов оценки физических и механических свойств полученных полимерных нанокомпозитов. Решение этих задач позволяет получать материалы с заданным комплексом свойств – от изоляционных до проводящих материалов. Такие материалы крайне востребованы, так как сочетают в себе эластичность, прочность, лёгкость с требуемой электропроводностью.

Ведущий специалист: д.т.н. Цобкалло Е.С.

Исследование газоразрядных явлений в системах с диэлектрическим барьером

За последние 10-15 лет наблюдается рост числа исследований барьерного разряда (БР) вследствие его широкого использования не только при получении озона, но и для плазмохимической модификации материалов, разрушения летучих органических соединений, биомедицинских приложений, систем управления воздушными потоками и др. В последние годы имеет место тенденция к миниатюризации устройств, использующих наносекундные разряды атмосферного давления субмиллиметровых масштабов (~ 1-1000 мкм), что связано с практическими преимуществами, такими как портативность, уменьшение значения рабочего напряжения, снижение потребления энергии и пр.

Аналогичные разрядные процессы (локализованные микропробои), известные как частичные разряды (ЧР), наблюдаются в дефектных областях систем электрической изоляции. Однако для высоковольтных конструкций такие процессы являются крайне нежелательными, поскольку служат причиной деградации и преждевременного пробоя электрической изоляции. Вместе с тем, на сегодняшний день так и не сформирован общий подход прогнозирования срока службы электроизоляционной конструкции на основе корреляции с измеренными характеристиками ЧР, а механизмам развития ЧР уделено значительно меньше внимания по сравнению с альтернативными направлениями исследований (распознавание ЧР, деградация диэлектриков, разработка систем диагностики и др.).

Таким образом, изучение разрядных явлений в коротких промежутках при атмосферном давлении имеет, по крайней мере, двусторонний интерес и представляется вполне актуальным.

Ведущие специалисты: к.т.н. Емельянов О.А., к.т.н. Бондаренко П.Н., к.т.н. Шемет М.В.

Медико-биологическое применение холодной плазмы

Плазма давно и широко применяется в медицине для стерилизации медицинских инструментов и коагуляции крови (хирургия). Получение неравновесной плазмы атмосферного давления (т.н. холодной плазмы) открыло новые горизонты применения плазмы в медицине. Отличительной особенностью холодной плазмы является низкая температура (энергия) ионов и рабочего газа < 40 °C, что позволяет использовать плазму для воздействия непосредственно на живые ткани. В настоящее время доказано, что холодная плазма может эффективно применяться для:

бесконтактной стерилизации ран,
ускорения заживления ран,
лечения рака,
лечения кариеса и отбеливания зубов,
дезинфекции биосовместимых материалов (не выдерживающих автоклавирование или химическую стерилизацию).

Данная область знаний является новым направлением на стыке физики и химии плазмы с биологией и медициной. Интерес к медико-биологическому применению холодной плазмы поддерживается неуклонным ростом числа заболеваний, вызываемых штаммами резистивными к антибиотикам микроорганизмов.

На кафедре ведутся разработки оборудования для генерации холодной плазмы, а также реализуются исследования ее биомедицинских приложений совместно с Институтом Высокомолекулярных Соединений РАН и Институтом цитологии РАН.

Ведущие специалисты: к.т.н. Емельянов О.А., к.т.н. Бондаренко П.Н., к.т.н. Шемет М.В.