Дослідження надійності електропостачання з використанням струмообмежуючого ефекту топких запобіжників на основі сплавів з пам’яттю

Abstract

Магістерська кваліфікаційна робота присвячена дослідженню надійності електропостачання з використанням струмообмежуючого ефекту топких запобіжників на основі сплавів з пам’яттю форми — функціонального сплаву Cu₃83%–Al12%–Mn5% (торгова марка CAMITAL). Робота містить вступ, шість розділів, загальні висновки та список використаних джерел. Загальний обсяг становить понад 65 сторінок основного тексту. У роботі представлено 9 рисунків та 14 таблиць. Список використаних джерел налічує 21 найменування, з них 11 іноземними мовами. Перший розділ присвячено аналізу аварійних режимів роботи електроустановок та систематизації сучасних принципів їх захисту. Розглянуто класифікацію засобів струмового захисту, фізичні основи ефекту пам’яті форми та порівняльну характеристику промислових SMA-сплавів. Обґрунтовано вибір сплаву CAMITAL як найбільш придатного для застосування в електричних запобіжниках за критеріями термомеханічної напруги, теплопровідності та вартості. У другому розділі розроблено повну систему математичних моделей запобіжника з SMA-елементом, що включає теплофізичну модель нестаціонарного нагрівання, поліноміальну апроксимацію залежності температури CAMITAL від теплового імпульсу та модель термомеханічних характеристик. Вперше отримано аналітичні вирази для ампер-секундної характеристики запобіжника зі стрічковим та пружинним SMA-елементом (формули 2.28 та 2.29). Третій розділ містить результати комплексних експериментальних досліджень елементів із сплаву CAMITAL та запобіжників з примусовим термомеханічним руйнуванням плавкої вставки. Описано конструкцію та метрологічні характеристики випробувального стенду з тензорезисторним вимірюванням зусилля. Встановлено, що застосування SMA-елемента скорочує час спрацьовування більш ніж у 20 разів при струмі 10 А та в 10 разів при 20 А. Середня похибка математичної моделі відносно експериментальних даних не перевищує 5%. Четвертий розділ присвячено розробці покрокової методики інженерного проєктування запобіжників з елементами CAMITAL для розподільних мереж 0,4 кВ. Наведено систему розрахункових рівнянь для вибору геометрії SMA-елемента, параметрів плавкої вставки та перевірки вибірковості захисту. Сформовано зведену таблицю рекомендованих конструктивних параметрів для стандартного ряду номінальних струмів Iₙ = 4–63 А. У п’ятому розділі виконано техніко-економічне обґрунтування застосування запобіжників з елементами CAMITAL. Проведено порівняльний аналіз конкурентних рішень (традиційний запобіжник, автоматичний вимикач, нітінолові аналоги). Розраховано річну економію від впровадження на об’єкті — розподільному щиті 0,4 кВ з 20 лініями: Eᵣᵠᵏ ≈ 471 560 грн/рік. Термін окупності у базовому сценарії становить приблизно 1 добу. Шостий розділ присвячено охороні праці при проведенні експериментальних досліджень на стенді для випробування запобіжників. Ідентифіковано небезпечні та шкідливі виробничі фактори, розроблено вимоги до електробезпеки та засобів індивідуального захисту. Виконано розрахунок захисного заземлення лабораторного стенду: результуючий опір Rᵣₚ = 1,83 Ом при нормі Rₙ = 4,0 Ом (ПУЕ).