Главная    Контрольный гвоздь    Два часа и двадцать лет

"Два часа и двадцать лет."

А. Ершов
(18.11.03.)

На сайте TRIZLand.com размещена статья Геннадия Иванова "двадцать лет и два часа", в которой заслуженный изобретатель и мастер ТРИЗ рассказал о найденном им решении проблемы очистки изоляторов ЛЭП от загрязнений.

Приведем данную в материале ситуацию полностью.

"Главный энергетик отвел взгляд от высоковольтных изоляторов и задумался. Ситуация складывалась неважная: каждую минуту на высоковольтной воздушной линии электропередачи могло произойти короткое замыкание. Вначале робкой, незаметной змейкой электрический разряд пробежит по загрязненной поверхности изолятора, затем, через мгновение, он превратится в бушующую молнию, и охваченная пламенем гирлянда изоляторов рухнет на землю.

Энергетик перебирал в памяти все, что было связано с проблемой очистки изоляторов. Почти все способы требовали отключения линии. Но без электроэнергии завод нельзя было оставлять даже на час! Спешно строилась дублирующая высоковольтная линия, которая должна была заменить основную на период ее чистки.

Это было дорого, крайне неудобно, но десятидолларовый изолятор неумолимо диктовал свои условия.

Можно было бы мыть его мощной струёй обыкновенной воды, но она проводит ток, и не избежать короткого замыкания на землю.

Пробовали посылать струю воды вверх короткими импульсами с разрывами между ними. Такая струя не дает связи с землей, но, ударив о корпус изолятора и распыляясь, она замыкала провода уже между собой. Снова короткое замыкание!

Безопасно мыть изоляторы можно было только дистиллированной водой, но ее нужны десятки тонн. Чтобы получить такое количество, придется построить установку, которая будет дороже многих сотен новых изоляторов. Память подсказывала еще несколько способов очистки изоляторов, разработанных проектными и исследовательскими институтами. Однако за 20 лет своей практики главный энергетик так и не видел их в действии. Вероятно, это были тоже неудачные попытки.

Главный энергетик открыл книгу "Эксплуатация изоляторов высокого напряжения" В. Д. Абрамова, пытаясь найти в ней хоть какую-нибудь подсказку. На стр. 111 он узнал, что на настоящее время самый надежный способ очистки изоляторов состоит... в его ручной протирке тряпочкой, смоченной в растворителе. Энергетик раздраженно захлопнул книгу, предназначенную для инженерно-технических работников монтажных и проектных организаций, и зашагал в сторону, где, натужено поскрипывая, работал автокран, устанавливая опоры для новой дублирующей линии электропередачи. Все оставалось по-старому. Надежды чистить изоляторы, не отключая линию, не было.

Вот такая сложилась ситуация. Возьметесь вы за решение этой проблемы? Не смущайтесь ее "вековечной" неразрешимостью."

Прекрасно, очень энергично и образно описывает ситуацию Геннадий Иванович.

Однако, когда я читал эту задачу знакомым энергетикам, было похоже, что драматизма нет вовсе, а есть текст, вызывающий у людей добрые улыбки и смех в особо удачных местах.

Впрочем, издавна среди преподавателей ТРИЗ ходила мудрая рекомендация - не давать в аудитории задач, относящихся к компетенции слушателей.

Рассмотрим эту ситуацию комплексно.

Вопрос первый. Реалистична ли описанная ситуация

Очистка изоляторов от загрязнений большая изобретательская тема. В этой области существуют профессиональные и хорошо отработанные решения, которые тем не менее совершенствуются и будут совершенствоваться. Возможно, что действующий в задаче энергетик предприятия считал их бесперспективными настолько, что принялся строить дублирующую линию. Однако с помощью существующих (и описанных в указанной книге В.Д. Абрамова) решений поддерживается работоспособность всех отечественных и зарубежных энергосистем.

В описанной ситуации акценты смещены самым неожиданным образом. Действительно, мы знаем, что "без электроэнергии завод нельзя было оставлять даже на час!"

Пока ничего странного или забавного нет. Но вот!

"Спешно строилась дублирующая высоковольтная линия, которая должна была заменить основную на период ее чистки".

Иными словами, ситуация как в известном анекдоте про нового русского, меняющего машины по мере заполнения пепельниц в салоне.

Известно, что завод, который нельзя оставлять без электроэнергии даже на час, по всем нормам снабжается электроэнергией двумя независимыми линиями электропередачи, а кроме того имеет две дублирующие друг друга системы дизель - генераторов.

(Рассказываю об этом исключительно для тех читателей преподавателей, которые могли принять все описанное за чистую монету и рассказывать ситуацию именно в таком - трагически - юмористическим ключе).

Вопрос второй. Реализуем ли предложенный принцип?

После нескольких переформулирований задачи в процессе решения, она была поставлена автором так:

"... смысл новой задачи состоит в том, чтобы найти такое электронепроводящее вещество, которое бы под действием электромагнитного поля меняло свои размеры, создавая микровибрацию на поверхности изолятора. Что это за вещество? Давайте потратим несколько минут, чтобы полистать справочник по физическим свойствам материалов.

Есть! Есть такой материал - это магнитострикционная керамика, которая не проводит электрический ток, но, помещенная в переменное магнитное поле, меняет свои размеры. Эти изменения минимальны, но они достаточны, чтобы изолятор имел "колеблющуюся" поверхность и не давал пылинкам осесть на нее".

"Находясь в зоне переменного магнитного поля линии, изолятор будет мелко-мелко дрожать, сжимаясь и разжимаясь 50 раз в секунду, не позволяя прикасаться к себе и оставаясь всегда чистым. Чтобы эти колебания, хотя и минимальные, не передавались корпусу изолятора, под магннтострикционным слоем нужно расположить слой резины или пластмассы".

Автор исходит из посылки, что мелко дрожащее тело не позволит прикасаться к себе пылинкам. Конечно, сам по себе факт дрожания не делает тело чистым. Вероятно, здесь речь идет о том, что прикасающиеся к изолятору пылинки будут отброшены за счет перемещения поверхности, подобно тому, как теннисный мячик отбивается движущейся ракеткой. Рассмотрим, насколько эффективна предложенная схема.

В радиоприемнике или телевизоре трансформатор покрывается пылью практически так же интенсивно, как и остальные части конструкции. Возможно, это происходит в то время, когда приемник выключен, однако ЛЭП тоже не все время стоит под нагрузкой. Это следует учитывать.

Большие сомнения возникают и относительно достаточности колебаний, возможных в рамках предложенного принципа. Рассмотрим этот момент более подробно.

Величина относительного удлинения под воздействием внешнего поля составляет величину 10-6 - 10-8 см/В.

Электрическое поле ЛЭП никогда и нигде не может превышать пробивное напряжение сухого воздуха 30 кВ/см,

При нанесении на изолятор толстого слоя керамики в 1 см (если бы даже удалось обеспечить необходимую адгезию этого слоя) амплитудное сжатие (растяжение) этого слоя не превысило бы 1 см*30000 В/см*10-6 см/В = 0,03 см (да и то только при наличии проводящих обкладок этого своеобразного конденсатора). Автор предлагает обходиться значительно более тонкими слоями вибрирующей керамики, сводя все к слою некоей особой краски.

"Мы почти вплотную приблизились к идеалу. Нужно всего-навсего-то покрыть существующий изолятор магнитострикционной краской на мягкой основе, и проблема его очистки исчезнет. Пока работает линия электропередачи, изолятор будет чистить сам себя (Заявка на изобретение 4149613/07. 1986 г.)".

Магнитострикционная краска - это новый технический объект, который еще предстоит изобрести. Магия рассказа так велика, что мы уже почти забыли о том, что исходно речь шла о магнитострикционной керамике. Скорее всего мягкую основу придется покрывать слоем керамики и потом, как водится, спекать ее. Сопутствующие проблемы обсуждать здесь не будем). Однако тонкий слой - это и меньшее абсолютное перемещение на цикл, а следовательно и меньшая скорость поверхности.

Частота электрических колебаний равна f=50 Гц, тогда максимальная скорость перемещения поверхности будет равна Vmax=2pf*0,03 = 314*0,03 = 10 см/сек. По сравнению со скоростью ветра (т.е. налетающих пылинок) это величина незначительная.

В реальности эта величина будет еще меньше, так как в габаритах одного изолятора изменение характеристик электромагнитного поля не должно превысить одного киловольта. Это уменьшает скорость перемещения поверхности еще на порядок, до 1 см/сек. Однако в любом случае, даже при увеличении этого параметра в тысячи раз, решение не будет эффективным. Следует учитывать, что скорость падения дождевых капель - примерно 9 м/с. (Капли мелкой изморози падают со скоростью порядка 0,5 м/с). Относительно малые скорости и ускорения поверхности изолятора не позволят оттолкнуть каплю или пылевую частицу, увлекаемую обычным, даже не ураганным ветром.

Обычные изоляторы часто делают из керамики. Магнитострикционная керамика - тоже керамика. Видимо автора ввело в заблуждение внешняя похожесть названий. Однако характеристики этих двух групп веществ различны. Очень сильно различается в частности диэлектрическая проницаемость, тангенс диэлектрических потерь и удельное сопротивление.

Так для материала изоляторов (стеатит, ультрафарфор) сопротивление лежит в рамках 1012 1014 , а для пьезо и магнитострикционных керамик - 108 - 109 Ом/м.

Диэлектрическая проницаемость материалов, используемых в изоляторах лежит в диапазоне 7-9, а для пьезо и магнитострикционных керамик 1200 - 1600. Тангенс диэлектрических потерь для обычной керамики - 0,0005 - 0,001, а для пьезо и магнитострикционной керамики 0,007 - 0,02.

Итого получаем, что коэффициент диэлектрических потерь для двух групп материалов отличается примерно в 3000 раз, а сопротивление не менее чем на три порядка. Конечно, не учитывать это нельзя. Изолятор, покрытый слоем магнитострикционной керамики станет значительно более плохим изолятором.

Здесь важно учесть следующие обстоятельства - в предложенной схеме изолятор, демпфирующая резина (или пластмасса) и магнитострикционная керамика будут включены параллельно между линией электропередач и землей. Естественно, что пробой осуществится по самому слабому изолятору. Следовательно, нам нужна не просто магнитострикционная керамика, но обладающая такими же изоляционными свойствами, как и у стандартного изолятора.

(Жаль, что в процессе решения задачи автор не выделил противоречие, связанное со степенью поляризации диэлектрика. Для уменьшения диэлектрической проницаемости необходимо добиваться снижения степени поляризации материала. Однако для придания свойств отзывчивости к электрическому полю, сегнетокерамику приходится поляризовать. Устранение такого противоречия действительно могло бы стать событием).

Но предположим, что удалось добиться равновеликих изоляционных характеристик, а интенсивность отбрасывания пыли также удовлетворяет взыскательным требованиям эксплуатационников.

Эффект изменения размеров проявляется в направлении, перпендикулярном поверхности только при перпендикулярном же направлении электрического поля, которое для реальной геометрии изолятора может быть реализовано только для его части.

Следующим препятствием к применению является тот факт, что керамика, реагирующая на электрические и магнитные поля, очень чувствительна к влаге. Обычно ее стараются закрыть от влияния влаги. Повышенная влажность воздуха приводит к потере характеристик такой керамики, обычно ее стараются укрыть от влияния окружающей среды.

В общем, объяснение причин неработоспособности данного решения напоминает притчу о командире артиллерийской батареи, который пытался привести восемнадцать причин того, что батарея не участвовала в бою. (Первая из них состояла в том, что у него не было снарядов).

Но еще и еще раз предположим, что все трудности удалось преодолеть и "дрожащий изолятор" практически реализован. Попытаемся ответить на очередной вопрос.

Вопрос третий. Стоит ли применять такое решение даже при обеспечении его работоспособности?

К сожалению, автор не проводит стоимостной анализ своего решения. Поэтому проведем его мы.

Итак, в целях экономии средств энергетик не стал строить установку для получения дистиллированной воды (решающую проблему). Экономия составляет "стоимость многих сотен изоляторов". Пусть она составляет цену тысячи изоляторов, то есть в заданных условиях равняется десяти тысячам долларов. При этом мы исходим из указанной в тексте стоимости одного изолятора равной десяти долларам. (Кстати, интересно, с чего бы технический специалист в середине восьмидесятых годов исчисляет стоимость серийного отечественного изделия в долларах?).

Предположим, что энергетик предприятия отвечает за отрезок высоковольтной линии напряжением в 220 киловольт и длиной в 10 километров. На этом отрезке пути установлено не менее пятидесяти опор. Каждая опора несет на себе не менее шести комплектов изоляторов. Будем исходить из простого эмпирического правила - один изолятор на десять киловольт. В этом случае на одной опоре "висит" сто двадцать изоляторов, а на всей трассе - шесть тысяч. Все эти изоляторы придется сменить на значительно более дорогие, ведь новая конструкция помимо собственно несущего изолятора будет дополнена некоей мягкой основой и по ней "магнитострикционной краской Новая конструкция будет заведомо дороже, чем существующий изолятор.

Итак, отказавшись от установки для получения дистиллированной воды, которая стоит как сотни изоляторов, мы пришли к необходимости замены тысяч изоляторов на более дорогие и еще не отработанные конструкции (и это только на небольшом участке ЛЭП). Представляется, что одна установка для производства дистиллированной воды могла бы неплохо послужить в процессе очистки многих сотен километров ЛЭП. Ведь расход дистиллированной воды на очистку одного изолятора весьма невелик - в современных установках вода подается под давлением до 400 бар и такая струя, в сочетании со специальными добавками позволяет удалять с поверхности изолятора сложные органические и неорганические отложения без нанесения повреждения глазурному покрытию.

Иными словами - по критерию внедряемости и цены "водяная" технология очистки вне конкуренции. Она может работать как на действующих линиях, так и на линиях, находящихся в резерве. А вот предложенные магнитострикционные изоляторы будут благополучно покрываться пылью и иными загрязнениями, как только ЛЭП будет по какой либо причине обесточена.

Вопрос четвертый. Насколько эффективен был процесс решения?

"Остается добавить, что это решение найдено мной после случайного знакомства с проблемой очистки изоляторов. Потребовалось два часа управляемого по алгоритму мышления, запись которого воспроизведена почти документально, чтобы найти несколько вариантов оригинальных решений, включая и изложенный".

Сильное признание, которое может свидетельствовать о непоколебимой вере в возможности алгоритма (даже с учетом того, что указав дату подачи заявки (1986 год), автор не сообщает о результатах ее рассмотрения патентным ведомством).

Представляется, что такое признание может быть сделано только в ситуации полной уверенности в силе и эффективности решения. Однако решение слабое.

В качестве "частного определения" отметим, что последние версии АРИЗ дали возможность решателям активно заниматься перебором вариантов, не нарушая при этом правил. Такая возможность в явном виде появляется на стадии поиска ресурсов. Не считаю, что это так уж плохо, просто хочу зафиксировать внимание на этом факте.

Четкий ход мысли на этой стадии заменяется последовательным перебором возможностей путем подставления бегло и иногда нечетко выявленных объектов.

Рассмотрим пример. Шаг 3.1.

"Икс-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, предотвращает в течение всего времени работы оседание пыли на изоляторы, сохраняя возможность не отключать линию.

Проверяем, который из элементов, выявленный при анализе ВПР, сможет выполнить роль икс-элемента. Попробуем поставить на его место воздух. Вот он старательно крутится вокруг изолятора и не подпускает к нему пылинки.

В принципе это возможно, если мы подведем к изоляторам чистый сжатый воздух и будем постоянно дуть на него. Такое решение уже есть, и на него выдано авторское свидетельство. Однако, это решение значительно усложняет линию электропередачи и требует специальных компрессорных установок для получения сжатого воздуха, устройств для его очистки, манометры, распределители, трубопроводы, краны и многое другое.

Как видим, мы далеко ушли от идеала. Продолжим анализ задачи".

Шаг 3.2.

Усиленный ИКР

Изолятор сам, используя энергию окружающей среды, не дает пылинкам оседать на его поверхность или, по крайней мере, сбрасывает их с себя.

Как это может быть? Ведь для того, чтобы сбросить пылинку или не дать ей осесть, нужно в оперативной зоне - поверхность изолятора и прилегающий слой воздуха - затратить какую-то энергию. Какую?

Из окружающей среды есть - ветер, ток в проводах, переменное электромагнитное поле, пронизывающие пространство вокруг изолятора, и гравитация. Попробуем по порядку использовать эти виды энергии, чтобы изолятор "сам" не давал пылинкам оседать на его поверхность.

Перебирая возможности, автор доходит до применения ветра. Однако, от ветра приходится отказаться, в частности потому, что

"...в некоторых районах нашей страны, в частности в Сибири, морозный воздух может неделями стоять неподвижно, создавая идеальные условия для оседания пыли на изоляторах и ее закрепления".

Вроде бы все верно. Однако, любопытно, что ветер вокруг провода есть во все время работы линии, даже в условиях полного штиля. Стоя под ЛЭП можно слышать характерный шум - следствие коронного разряда на проводах. Если осадков нет, то шум определяется "электрическим ветром". Заряженные ионы движутся в границам зоны ионизации со скоростями до 500 м/с, увлекая за собой всю воздушную массу. Скорости воздушных потоков в зоне около провода составляют 10 - 20 м/с. Значительная величина, которую вполне можно попытаться использовать в целях решения поставленной задачи. Но, конечно, эффект надо просто знать. Получается, что попытки решить задачу опираясь только на знание метода и указатель физэффектов малоэффективны. Псевдо системный подход, осуществляемый за два часа времени в абсолютно новой для решателя области не дает возможности выйти на реальные цепочки причинно - следственных связей. Поэтому чудесные попадания на некие перспективные варианты решения задач часто рождают у наблюдателей ощущение фокуса.

"Теперь остается конструктивная и технологическая проработка найденного решения. Это тоже большая и сложная работа, но она уже видится реально выполнимой, т.к. для нее требуются лишь знания специалиста".

Ну вот мы и применили знания специалиста. Как видим, не всегда это проходит безболезненно для полученного решения. Представляется, что пора прекратить ставить авторитет метода как такового в зависимость от решений, созданных за два часа после знакомства с новой для себя областью деятельности.

P.S.:Мы готовы опубликовать комментарии всех заинтересованных лиц, касающиеся данной задачи и данного разбора.

Наш адрес: info@metodolog.ru.


Главная    Контрольный гвоздь    Два часа и двадцать лет