Перспективные материалы, изделия и технологии

1
2
1. Цели освоения дисциплины
Дать студенту знания по классификации, свойствам, технологии и использованию новых электроизоляционных материалов, владению идеологией
проектирования и выбора наиболее перспективных материалов для высококачественных электроизоляционных систем.
- привить навыки использования теоретических знаний при выборе требуемых для конкретного применения в электроустановках новых материалов и
технологий;
- научить проектированию новых диэлектрических материалов и современных технологий их получения.
В результате освоения данной дисциплины обеспечивается достижение целей
Ц1, Ц4 и Ц5 основной образовательной программы «Электроэнергетика и
электротехника».
Приобретенные знания, умения и навыки позволят подготовить выпускника:
– к проектно-конструкторской деятельности, способного к расчету, анализу и
проектированию электротехнических устройств и электроизоляционных систем с использованием современных средств автоматизации проектных разработок ( Ц1);
– производственной деятельности в сфере производства, ремонта, эксплуатации, монтажа и наладки, сервисного обслуживания и испытаний, диагностики и мониторинга состояния изоляционных частей электротехнических
устройств. (Ц4);
– к самостоятельному обучению и освоению новых знаний и умений для реализации своей профессиональной карьеры (Ц5).
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Перспективные материалы и технологии в ЭИКТ» относится к профессиональному циклу вариативных дисциплин.
Дисциплине «Перспективные материалы и технологии» предшествует освоение дисциплин
(ПРЕРЕКВИЗИТЫ):
 Современные проблемы электротехники
Содержание разделов дисциплины (модуля) «Перспективные материалы и
технологии» согласовано с содержанием
дисциплин, изучаемых параллельно (КОРЕКВИЗИТЫ):
 Современное кабельное производство
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины направлено
на формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т. ч. в соответствии с ФГОС (представлено в Таблице 1):
3
Таблица 1
Декомпозиция планируемых результатов обучения
Составляющие результатов обучения
Результаты
обучения
Р1
Код
Знания
З1.1
методов и средств познания, самостоятельного обучения и самоконтроля
З1.2
современных тенденций развития
технического прогресса в области
производства
электротехнических
устройств
З1.3
методов и средств познания, самостоятельного обучения и самоконтроля
З6.1
Р6
З6.3
Р7
З7.3
современные достижения науки и
передовой технологии в области
электроизоляционной техники
современные аналитические методы
и модели комплексного инженерного
анализа
экономические, экологические, социальные ограничения
З12.1
основных требований, норм и правил оформления научно-технических
отчетов, проектной, оперативной и
другой технической документации
в соответствии с отраслевыми стандартами
З12.2
порядка разработки и состава научно-технической, проектной, монтажной, наладочной и ремонтной документации
Р12
Код
Умения
Код
Владение опытом
У1.1
осознавать перспективность интеллектуального,
культурного, нравственного, физического и профессионального саморазвития и самосовершенствования
В1.1
использования основных методов
организации самостоятельного обучения и самоконтроля
У1.2
критически оценивать свои достоинства и недостатки
В1.2
приобретения необходимой информации с целью повышения квалификации и расширения профессионального кругозора
В1.3
использования основных методов
организации самостоятельного обучения и самоконтроля
У1.3
У6.1
У6.3
У7.3
осознавать перспективность интеллектуального,
культурного, нравственного, физического и профессионального саморазвития и самосовершенствования
Осуществлять выбор компонентов системы изоляции в зависимости от конкретных условий
эксплуатации
применять современные методы и средства исследования для определения коэффициентов
уравнений
надежности
электротехнических
устройств
организовывать и проводить научные исследования, связанные с разработкой проектов и программ
У12.1
разрабатывать рабочую техническую документацию в области своей профессиональной деятельности
У12.2
анализировать существующую и разрабатывать
самостоятельно техническую документацию,
использовать нормативные документы по качеству, стандартизации и сертификации электроэнергетических и электротехнических объектов
В6.1
В6.3
планирования процесса проектирования систем электрической изоляции
работы с системами автоматизированного проектирования
В7.3
навыками оформления, представления и защиты результатов исследований
В12.2
разработки технической документации при решении определенных задач профессиональной деятельности
4
В результате освоения дисциплины «Перспективные материалы и технологии» студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины
№ п/п
РД 1
РД 6
РД 7
РД 12
Результат
Знание современных тенденций развития электроизоляционных
систем электротехнических устройств
Знание современных методов и средств оценки технологических
и эксплуатационных свойств электроизоляционных материалов
Опыт использования современных математических пакетов и
программных продуктов для решения задач по проектированию
систем электрической изоляции
Знание основных нормативных документов по качеству, стандартизации и сертификации электроэнергетических и электротехнических объектов
4. Структура и содержание дисциплины
Раздел 1. Ситаллы. Новые керамические материалы и технологии
Отличительные особенности структуры ситаллов, причины высоких
механических и электрических свойств. Технология получения термо и фотоситаллов. Применение ситаллов в электроизоляционной технике.
Классификация, структура, свойства, традиционные технологии. Перспективные технологии. Диопсидовая керамика: химический состав, кристаллическая и аморфная фазы, технология получения, свойства, применение. Высокоплотная корундовая керамика: технология получения керамики
“луколокс”. Структура керамики, электрические, оптические и механические
свойства, использование в качестве высокотемпературного электроизоляционного и оптически прозрачного материала. Керамопласты: цементация
стеклоткани оксидом кремния при гидролизе тетраэтоксилана, технология
получения. Причина повышенной ударной вязкости по сравнению с керамикой. Диэлектрические свойства на СВЧ. Нитридная керамика: Электрические
и механические свойства при температурах выше 10000С. Процессы термоэлектрического старения, преимущества по сравнению с оксидной керамикой.
Практика. Тема № 1 Разновидности керамических структур, инновационные керамические технологии (семинар).
1. Доклад Классификация, структура, свойства керамики.
2. Доклад Традиционные технологии.
3. Перспективные технологии: горячее прессование, газостатическое
радиационное и sps - спекание.
4. Доклад Нитридная керамика: Электрические и механические свойства
Раздел 2. Высокотемпературные сверхпроводники
Сверхпроводящие металлы, эффект Мейснера, теплоемкость сверхпро-
5
водников, теории БКШ (Бардина, Купера, Шриффера) и Ландау-Гинсбурга.
Структура керамики YBa2Cu3O7. Явление высокотемпературной сверхпроводимости в купратах иттрия и бария. Критические температура и ток
сверхпроводимости. Отличие эффекта в кристаллических и керамических
материалах. Роль эффекта Джозефсона в ВТСП-керамике. Технологии получения ВТСП. Радиационное модифицирование сверхпроводящей оксидной
керамики. Перспективы использования ВТСП-керамики в электротехнике:
сверхпроводящие кабели, электрические машины и трансформаторы, ограничители токов замыкания, накопители энергии.
Практика. Тема № 2 ВТСП-структуры (разновидности, технологии,
свойства, теории, применение в энергетике) ( семинар).
1. Сверхпроводящие металлы, эффект Мейснера, теплоемкость сверхпроводников.
2. Структура керамики YBa2Cu3O7. Явление высокотемпературной сверхпроводимости в купратах иттрия и бария. Критические температура и ток
сверхпроводимости.
3. Радиационное модифицирование сверхпроводящей керамики.
4. Перспективы использования ВТСП-керамики в электротехнике: сверхпроводящие кабели, электрические машины и трансформаторы, ограничители
токов замыкания, накопители энергии.
Раздел 3. Современные полимерные электроизоляционные материалы
Полиэтилен низкого и высокого давления, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, технологии получения сшитого полиэтилена: силановая, пероксидная, радиационная сшивки. Силановая сшивка - силаносшиваемый полиэтилен. Новые материалы , полученные по технологии “мультисил”. Традиционная вулканизация резин и каучуков, влияние вулканизирующих добавок на
эксплуатационные свойства материалов. Разновидности сшивки полимеров:
Радиационно-сшитые полимеры - полиэтилен, полипропилен, полиимид, поли-хлорвинил, электрические и механические свойства, области применения.
Термоэластопласты: Технология термического сшивания, свойства, старение, переработка, новые типы ТЭП, использования в ЭИКТ.
Эскапоновая электрическая изоляция. Основные исходные материалы:
Синтетические каучуки и мономеры, стабилизаторы, активаторы, пластификаторы, наполнители, красители. Технология изготовления и электромеханические свойства эскапоновых изделий: пространственная полимеризация синтетических каучуков с участием кислорода, компаунды, лаки, лакоткани, стеклофолии, липкие ленты, пластмассы. Применение эскапоновой
изоляции. Классификация полиимидов. Синтез ароматических полиимидов:
термическая имидизация ПАК, химическая имидизация ПАК. Структура и
свойства полиимидов: термическая и химическая устойчивость, тепловое
старение, термостойкость, радиационная стойкость, оптические и электриче-
6
ские свойства. Разновидности полиимидных материалов: пленки, пластмассы, пенопласты, лаки, клеи, волокна. Применение полиимидных материалов.
Практика. Тема № 3 Пространственные полимеры без вулканизаторов
1. Традиционная вулканизация резин и каучуков.
2. Разновидности сшивки полимеров.
3. Термоэластопласты: Технология термического сшивания, электрические
и механические свойства, старение, переработка, новые типы ТЭП. Перспективы использования в ЭИКТ.
4. Эскапоновая электрическая изоляция.
Практика Тема № 4 Полиимиды: свойства, технология, применение.
1. Классификация полиимидов.
2. Синтез ароматических полиимидов
3.. Структура и свойства полиимидов.
4.. Применение полиимидных материалов.
Раздел 4. Пористые материалы и сферопластики
Получение вспененных электроизоляционных материалов: физическое
вспенивание, химическое вспенивание. Вспененный полиэтилен: свойства,
использование на СВЧ и в LAN-кабелях. Диэлектрические потери и электропроводность диэлектриков с газовыми включениями. Сферопластики: композит из керамических микросфер и органического связующего. Сферопластики ЭДС (эпоксидное связующее), СПАС (полиэфирное связующее), электрические свойства, области использования.
Практика Тема № 5 Свойства и технологии получения пористых материалов и сферопластиков
1. Физическое и химическое вспенивание материалов.
2. Вспененный полиэтилен: электрические и механические свойства, использование на СВЧ и в LAN-кабелях.
3. Диэлектрические потери и электропроводность диэлектриков с газовыми
включениями.
4. Сферопластики: электрические свойства, области использования.
Раздел 5. Содержание практического раздела дисциплины. Материалы и
технологии для специальных кабелей 12 час
Практика - Расчет радиальных размеров и электрических характеристик
шахтных гибких кабелей марки КГЭШ 3х50+1х6-1
Практика - Тепловой расчет экскаваторных кабелей марки КГЭ 3х95 - 6
Практика – Тепловой расчет нефтепогружных кабелей марки КПБП 90
Практика – Расчет электрических характеристик геофизических грузонесущих кабелей марки КГ-1-55-180
Практика – Расчет параметров ленточных проводов
Практика – Расчет параметров кабеля марки КВП-4х2х0,52 (Lan-кабели)
Практическое занятие №1 – 4 часа
Методика расчета ПиВП кабеля LAN-KC-SSTP4-Cat.7, и методика расчета
7
ПиВП кабеля для промышленной сети PROFIBUS. (Рассчитать первичные и
вторичные параметры кабеля LAN-KC-SSTP4-Cat.7)
Практическое занятие №2 – 4 часа
Методика расчета коаксиальных кабелей. Расчет первичных и вторичных параметров коаксиальных кабелей.
Практическое занятие №3 – 4 часа
Методика расчета симметричных кабелей. Выбор конструкции кабеля, расчет радиальных размеров, первичные и вторичные параметры кабеля.
Практическое занятие №4 – 4 часа
Методика расчета радиочастотного кабеля. Выбор конструкции, расчет радиальных размеров, первичные и вторичные параметры кабеля.
Лабораторная работа 1.
Исследование характеристик частичных разрядов в изоляции стержней высоковольтных обмоток
Лабораторная работа 2.
Исследование ионизационных характеристик изоляции электрических машин
Лабораторная работа 3.
Перекрытие изоляторов. Зависимость напряжения перекрытия от длины пути тока утечки
Лабораторная работа 4.
Тепловые характеристики трансформаторов. Распределение температуры в объеме трансформаторов
Лабораторная работа 5.
Частичные разряды в трансформаторах
5. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
5.1. Виды и формы самостоятельной работы:
Текущая самостоятельная работа, направленная на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений включает:
– работу с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и электронных источников информации по индивидуальному заданию;
– опережающую самостоятельную работу;
– выполнение домашних заданий;
– изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
– подготовку к лабораторным работам, к практическим занятиям;
– подготовку к контрольным работам, зачету, экзамену;
Творческая самостоятельная работа (ТСР) предусматривает:
– поиск, анализ, структурирование и презентацию информации;
– углубленное исследование вопросов по тематике лабораторных работ.
5.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
5.2.1. С целью развития творческих навыков у студентов при изучении
настоящей дисциплины определен перечень тем научно – исследовательских
работ и рефератов по наиболее проблемным задачам и вопросам теорети-
8
ческого и практического плана (выдаются одаренным студентам ):
– поисково-аналитический обзор современных материалов и возможности их
применения в электромашино- и аппаратостроении;
– разработка обоснованных норм испытания и диагностики электротехнических устройств.
5.2.2. Темы индивидуальных заданий для реферативных работ:
- Радиационно-химические процессы в полимерах
- Радиационное модифицирование полимеров и изделий.
- Технология изготовления, свойства и применение эскапоновой изоляции
- Синтез структура, свойства и применение ароматических полиимидов
- Отличительные особенности структуры ситаллов
- Механические и электрические свойства ситаллов
- Критические температура и ток сверхпроводимости.
- Перспективы использования ВТСП-керамики в электротехнике.
5.2.3. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
 Свойства и применение сферопластиков.
 Структура и свойства керамопластов.
 Нитридная керамика и ее использование.
 Стеклополимеры: имидофлекс, синтофол, изофлекс.
 Свойства и технология алюмополиэтилена.
5.3. Контроль самостоятельной работы студентов
Контроль самостоятельной работы студентов и качество освоения отдельных модулей дисциплины осуществляется посредством:
– защиты лабораторных работ в соответствии графиком выполнения;
– защиты рефератов по выполненным обзорным работам и проведенным исследованиям;
– представления материала по курсовой работе и домашних заданий;
– результатов ответов на контрольные вопросы (контрольные вопросы имеются в электронной форме и в распечатанном виде);
– опроса студентов на практических занятиях;
Оценка текущей успеваемости студентов определяется в соответствии рейтинг – планом, предусматривающим все виды учебной деятельности.
6. Средства текущей и промежуточной оценки качества освоения
дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия
Результаты обучения по дисциплине
Выполнение и защита лабораторных работ и практи- отчет
ческих заданий
защита индивидуальных заданий
Устный отчет
презентации по тематике исследований во
Выступление с до-
9
время проведения конференц-недели
Тестирование (контрольные работы)
экзамен
кладом
Опрос
Письменный экзамен
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства:
– список контрольных вопросов (приведен в «Приложении»);
– перечень тем рефератов по наиболее проблемным задачам изучаемой дисциплины (представлены в п. 6.3);
– комплект задач для закрепления теоретического материала;
– методические указания и отчеты к лабораторным работам;
– задания по курсовой работе (домашним заданиям);
6.1. Требования к содержанию экзаменационных вопросов
Экзаменационные билеты включают три теоретических вопроса.
6.2. Примеры экзаменационных вопросов
Вопросы для итогового контроля
1. Принципы конструирования материалов с высокими свойствами.
2. Структура материалов с малыми tgδ и электропроводностью.
3. Свойства и использование вспененного полиэтилена.
4. Свойства и применение сферопластиков.
5. Технология высокоплотной керамики.
6. Структура и свойства керамопластов.
7. Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП).
8. Перспективы использования ВТСП-материалов.
9. Слюдосодержащие композиты.
10.Структура и свойства эскапоновой изоляции.
11. Эскапоны: лакоткани, стеклофолии, пластмассы.
12. Свойства термоэластопластов.
13. Радиационно-сшитые полимеры.
14. Свойства керамики “луколакс”.
15. Структура и свойства керамопластов.
16. Технология керамопластов.
17. Явление высокотемпературной сверхпроводимости.
18. Нитридная керамика и ее использование.
19. Стеклополимеры: имидофлекс, синтофол, изофлекс.
20. Слюдосодержащие композиты: элмикапор, элмика, элмикаформ.
21. Фольгированный гетинакс “эксилайт”.
22. Стеклохолст “тренклад”.
23. Свойства и технология алюмополиэтилена.
6.3. Перечень тем рефератов
- Полиимиды.
- Эскапоны
10
- Физико-химия и методы сшивки полимеров
- Радиационно-химические процессы в полимерах
- Радиационное модифицирование полимеров и изделий.
- Ионное упрочнение материалов.
- Технология изготовления, свойства и применение эскапоновой изоляции
- Синтез структура, свойства и применение ароматических полиимидов
- Отличительные особенности структуры ситаллов
- Механические и электрические свойства ситаллов
- Применение ситаллов в электроизоляционной технике.
- Диопсидовая керамика: химический состав, технология получения.
- Теплоемкость сверхпроводников, .эффект Мейснера.
- Теория БКШ (Бардина, Купера, Шриффера).
- Структура керамики YBa2Cu3O7.
- Явление ВТСП в купратах иттрия и бария.
- Критические температура и ток сверхпроводимости.
- Технологии получения ВТСП.
- Перспективы использования ВТСП-керамики в электротехнике.
7. Рейтинг качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с «Руководящими материалами по текущему контролю успеваемости, промежуточной и
итоговой аттестации студентов Томского политехнического университета»,
утвержденными приказом ректора № 77/од от 29.11.2011 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
- текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала
(ответы на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение
задач, выполнение заданий, решение проблем и др.) производится в течение
семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 33 баллов);
- промежуточная аттестация производится в конце семестра (оценивается в
баллах (макс. 40 баллов), на экзамене (зачете) студент должен набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
8. Учебно – методическое обеспечение дисциплины
8.1. Перечень рекомендуемой литературы
Основная литература:
1. Григорьян А.Г., Дикерман Д.Н., И.Б. Пешков Технология производства
кабелей и проводов с применением пластмасс и резин: Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Машиностроение,2011. -368 с., ил.
11
2. Пешков И.Б. Основы кабельной техники. Учебник / М.: Энергоатомиздат. - 2009. – 470 с.
3. Пешков И.Б. Материалы кабельного производства. – М.: Машиностроение,2013. -456 с., ил.
6.2.2. Дополнительная литература
1. Высокотемпературные материалы МГД-уст. Сборник статей.1980. 178с.
2. Костюков Н.С. и др. Электроизоляторы.- М.: Энергоатомиздат,1984.400с.
Программное обеспечение и Internet – ресурсы
1. http://www.ruscable.ru/ информационно-аналитический портал кабельной отрасли
2. http://www.complexdoc.ru/ база нормативной технической документации
на русском языке
3. www.kabel-news.ru/ Информационно-справочное издание, посвящённое
вопросам кабельной тематики
4. http://www.vniikp.ru,
http://www.ruscable.ru,
http://www.kp-info.ru,
http://www.kabel-news.ru, www.elinar.ru, www.electroizolit.ru
9. Материально – техническое обеспечение дисциплины
№
п/п
1
Наименование (компьютерные классы,
учебные лаборатории, оборудование)
Лаборатория электроизоляционной техники
Лаборатория физики диэлектриков (сильные поля)
Компьютерный класс
Корпус, ауд., количество установок
8 корпус, 227 ауд., 3
установки
2
8 корпус, 229 ауд., 4
установки
3
8 корпус, 121 ауд., 12
компьютеров
Лекции читаются в учебных аудиториях с использованием технических
средств; материал лекций представлен в виде презентаций в Power Point;
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника» подготовки магистров; профиль – «Кабельная техника, электроизоляционные материалы и системы»
Программа одобрена на заседании кафедры «Электромеханические
комплексы и материалы» (протокол № 38 от 27.06.2014 г.)
Авторы:
В.С. Ким, к.ф.м.н., доцент, Меркулов В.И., к.т.н., доцент
Рецензент: А.П. Леонов, к.т.н. доцент.