Анотація до роботи:

Козирський В.В. Підвищення надійності електрообладнання систем електропостачання на основі явища ефекту пам’яті форми. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.16 - електротехнології та електрообладнання в агропромисловому комплексі. - Національний аграрний університет, Київ, 2002.

Дисертація присвячена проблемі підвищення надійності електрообладнання систем електропостачання споживачів у сільському господарстві.

Розроблено науково-технічні передумови використання явищ ефектів пам’яті форми та надпружності в електрообладнанні систем електропостачання, основу яких складають: теоретичні обґрунтування фізичних процесів в електрообладнанні, оснащеному елементами і пристроями із сплавів з явищами ЕПФ та ЕНП; теоретичні та експериментальні дослідження впливу електротеплових, термомеханічних і механічних властивостей елементів із функціональних сплавів на характеристики та надійність електрообладнання систем електропостачання; створений на основі нетрадиційних конструкційних матеріалів комплекс засобів для контролю температури та захисту електрообладнання від аварійних теплових режимів, методики та спеціалізоване обладнання для експериментальних досліджень.

Основні результати дисертації знайшли практичне використання при розробці нормативно-технічної документації, підготовці серійного виробництва пристроїв та елементів електрообладнання на основі сплавів з ЕПФ та ЕНП, у системі експлуатації електрообладнання систем електропостачання в енергетичних та агропромислових підприємствах.

У дисертації здійснено теоретичне узагальнення та комплексне вирішення наукової проблеми - підвищення надійності електрообладнання СЕП шляхом розробки науково-технічних передумов використання явищ ЕПФ та ЕНП функціональних сплавів, які покладено в основу збільшення експлуатаційного ресурсу контактних систем, підвищення надійності та ефективності пристроїв контролю температури, розширення функціональних можливостей існуючих та створення нових принципів захисту електрообладнання від аварійних теплових режимів та ін.

Отримані теоретичні та експериментальні результати дозволяють зробити наступні загальні висновки:

1. На основі теоретичних та експериментальних досліджень фізичних (електротеплових, термомеханічних і ін.) властивостей сплавів з явищами ЕПФ і ЕНП та розробленого на їх основі комплексу електротехнічних засобів доведено технічну доцільність використання функціональних сплавів для підвищення надійності та ефективності електрообладнання систем електропостачання споживачів в агропромисловому комплексі.

2. Встановлено, що стан розбірних контактів в електрообладнанні найбільше чутливий до зміни факторів контактного тиску N і температури q. Зменшення тиску у два рази обумовлює зростання перехідного опору R_ПЕР та температури контакту у 2,5-3 рази, що підвищує темп окислення контактуючих поверхонь та сприяє зменшенню періоду експлуатації і зниженню надійності контактів. Нагрівання розбірних контактів (наприклад шин із алюмінію) струмом короткого замикання до температури +200…+250^оС призводить до перевищення механічної напруги Ds у болтах - 220…270 МПа, шинах - 80…120 МПа, що обумовлює залишкові деформації та прискорює механічне і хімічне старіння контактів.

3. Встановлено, що стабілізація контактного тиску забезпечує стабілізацію опору R_С стягування ліній струму, що збільшує експлуатаційний ресурс контактів у 3-4 рази і тільки частково зменшує темп росту оксидних плівок. Теоретично доведено, що динамічним управлінням контактним тиском в залежності від температури контакту можливо уповільнювати процес росту плівок та перехідного опору R_ПЕР .

4. Теоретично та експериментально доведено, що електротеплові, тепломеханічні та електромеханічні процеси в контактних системах електрообладнання та режими їх функціонування за своєю природою співпадають з фізичними умовами виникнення явищ ЕПФ та ЕНП у функціональних сплавах.

5. Обґрунтовано ефективність застосування конічних елементів на основі сплавів з ЕПФ та ЕНП для динамічного управління контактним тиском розбірних контактних систем. В основу аналізу покладено дифузійну модель контакту та узагальнений математичний вираз відносної величини перехідного опору з урахуванням термомеханічних та деформаційних характеристик засобів з явищами ЕПФ та ЕНП:

.

Запропонований метод дозволяє стабілізувати контактний тиск (при теплових деформаціях контакт-деталей) у межах ±5%, сповільнити темп зростання оксидних плівок на поверхні контактів та підвищити їх надійність шляхом збільшення експлуатаційного ресурсу у 3-4 рази.

6. Встановлено, що динамічне управління тиском у роз’ємних контактах в режимі проходження струмів короткого замикання ефективно забезпечується елементами із сплаву з ЕПФ при їх прямому нагріванні електричним струмом. Встановлено, що компенсація електродинамічних сил досягається за час t»0,01c, що сприяє зменшенню термічного пошкодження контактів, подовженню їх терміну експлуатації та, відповідно, підвищенню надійності.

7. Запропоновано ймовірностний метод обґрунтування термінів проведення ремонтів та строків служби розбірних контактів за умов неповноти вихідної інформації про фактори впливу на стан контактів з використанням нерівності Чебишева:

,

.

На основі обчислювального експерименту встановлено, що ймовірностні строк наробітку розбірних контактів шин із алюмінію (модернізованих засобами динамічного управління тиском із сплавів з ЕПФ та ЕНП) до проведення ремонту складає 6369 годин, а строк служби - 11323 години. Для класичної моделі контакту аналогічні показники становлять, відповідно - 1993 та 3095 годин.

8. Отримані підтвердження раніше невідомої властивості явища ЕПФ при прямому нагріванні термочутливого зразка електричним струмом. Встановлено, що термопружні перетворення в зразках при густині електричного струму понад 25 А/мм² відбуваються за час t @ 0,001 с. При цьому температура A_f (усталена температура виробу після повного відновлення форми) на 20…30% нижча ніж при непрямому нагріванні. На основі зазначених властивостей обґрунтовано нові принципи захисних пристроїв - термовимикачів, розчіплювачів автоматичних вимикачів, запобіжників з термомеханічним руйнуванням вставки, які характеризуються вищим рівнем надійності та ефективності.

9. Встановлено, що явище термомеханічного гістерезису, характер залежності термомеханічної напруги від температури та циклічні властивості сплавів з ЕПФ забезпечують збільшення коефіцієнта повернення на 42% та підвищення надійності термореле шляхом збільшення їх циклічної здатності в 1,9 рази (у порівнянні з аналогами із біметалів).

10. Уперше розроблено методики та виготовлено комплекс спеціалізованих стендів і обладнання для експериментальних досліджень електротехнічних пристроїв та їх складових з вмонтованими термочутливими елементами із сплавів з ЕПФ та ЕНП.

11. Запропоновані актуальні напрями подальших теоретичних та експериментальних досліджень використання явищ ЕПФ та ЕНП для підвищення надійності та ефективності електрообладнання: створення приводів та вивчення фізичних процесів у їх виконавчих елементах із сплавів з ЕПФ; розробки методів та технічних засобів динамічного управління контактним тиском у колекторних системах електродвигунів та генераторів; розробки та дослідження термомеханічних двигунів із сплавів з ЕПФ, що використовують вторинні потоки низькотемпературної теплової енергії (наприклад виробничих відходів води, повітря тощо) та ін.

12. Розроблені нормативно-технічна документація та комплекс спеціалізованого обладнання для серійного виробництва вказівників перегріву розбірних контактів, пристроїв динамічного управління тиском контактних систем, термореле та термометрів реалізовані на підприємстві “Антен-Енерго” (м. Київ), що обумовило широке впровадження розробок у виробництво.

Технічні вироби, рекомендації та нормативні матеріали впроваджені в 83 енергетичних підприємствах України, Російській Федерації та республіці Бєларусь. Досвід експлуатації вказівників перегріву контактів та пристроїв управління контактним тиском в електроустановках Київських кабельних мереж та ряду інших підприємств підтвердив збільшення експлуатаційного ресурсу і надійності розбірних контактів, тривалість сеансу контролю стану контактів зменшилась у 10-20 разів.

Результати роботи використовуються у навчальному процесі Національного аграрного університету.

13. Ефективність впровадження вказівників перегріву контактів та пристроїв для динамічного управління тиском у розбірних контактах характеризується наступними показниками: абсолютна ефективність капіталовкладень складає, відповідно 0,92 і 0,69 грн., а річний економічний ефект на один контакт становить, відповідно 0,31 і 2,06 грн.

Публікації автора:

Журнали та збірники праць

1. Козирський В.В. Математичне моделювання електротеплових процесів у контактному з’єднанні за наявності пасивних термостабілізаторів контактного тиску // Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань. - 1999. - №1. - С.27-30.

2. Козирський В.В. Моделювання електротеплових процесів у комутаційних контактних системах з активними термостабілізаторами тиску // Науковий вісник Національного аграрного університету. - 2000. - №33. -С.169-174.

3. Козирський В.В. Особливості тепломеханічних процесів при нагріванні нероз’ємних контактних систем струмами короткого замикання // Машинознавство. - 2000. - №11. -С.34-37.

4. Козирський В.В. Аналіз принципів стабілізації контактного тиску у розбірних контактних системах // Зб. наук. праць Інституту електродинаміки НАН України. Електроенергетика. - К.,- 2001. - С.115-116.

5. Козырский В.В. Управление режимом работы контактных систем с болтовым соединением на основе применения специальных сплавов // Электротехника (Москва). - 2001, - №3. - С.27-30.

6. Козирський В.В.Моделювання захисних характеристик запобіжників з термочутливими елементами із спеціальних сплавів // Науковий вісник Національного аграрного університету. - К., - 2001. - №41. - С.215-218.

7. Козирський В.В. Параметри та характеристики запобіжників з термомеханічним руйнуванням вставки // Энергетика и электрификация. -2001, - №6. - С.33-36.

8. Козирський В.В. Аналіз параметрів контролю стану та прогнозування процесу старіння контактів розбірного типу // Энергетика и электрификация. - 2002, - №6. - С.16-18.

9. Козирський В.В. Обґрунтування термінів ремонтних робіт та прогнозування строків служби контактів розбірного типу за умов неповноти вихідної інформації // Зб. наук. праць Інституту електродинаміки НАН України. - К., - 2002, - №2. - С.99-101.

(Опубліковані у співавторстві)

10. Евсеев Г.Т., Козырский В.В. Повышение достоверности исходной информации о надежности сельских сетей // Технические средства диагностирования оборудования: Сб.научн.тр./УСХА.- К., 1988. - С.37-40. (Проведено аналіз способів отримання достовірної інформації про показники, що характеризують надійність систем електропостачання та запропоновано ряд розробок для автоматизації реєстрації тривалості та кількості перерв електропостачання).

11. Козырский В.В., Кравец А.В. Повышение надежности контроля состояния плавких предохранителей // Энергетика и электрификация. - 1990. - №4. -С.32-33. (Запропоновано принцип контролю стану запобіжників та сумісно з співавтором розроблено і виготовлено фізичну модель пристрою).

12. Мишин В.И., Козырский В.В., Трондюк В.С. Электропривод дождевальной машины “Кубань” // Механизация и электрификация сельского хозяйства. -1990, - №3. -С.32-33. (Обґрунтовано будову контактної системи електроживлення приводу машини “Кубань).

13. Козырский В.В., Кравец А.В., Затульский Г.З.. Повышение надежности контактной системы раъединителей // Энергетика и электрификация. - 1991. - №2. - С.20-21. (Запропоновано та обґрунтовано принцип стабілізації тиску у контактних системах роз’єднувачів).

14. Мишин В.И., Козырский В.В., Омельчук А.А., Трондюк В.С. Секционное токосъемное устройство дождевальной машины “Кубань” // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1991. - №3. - С.34-35. (Проведено теоретичне обґрунтування параметрів системи локального електропостачання мобільного агрегату).

15. Козирський В.В., Каплун В.В., Шаршаков О.М. Устройства термостабилизации контактного давления и контроля температуры контактных соединений // Энергетика и электрификация. - 1993. - №3. - С.22-24. (Обґрунтовано технічні принципи стабілізації тиску та контролю температури розбірних контактів на основі сплаву Cu-Al-Mn).

16. Удод Е.И., Козырский В.В., Каплун В.В., Шаршаков А.Н. Новые технологии в энергетике на основе сплавов, обладающих эффектом памяти формы // Энергетика и электрификация. - 1994. - №1.- С.50-51. (Теоретично обґрунтовано типорозміри пристроїв контролю температури та стабілізації контактного тиску із сплавів з функціональними властивостями, розроблено та виготовлено спеціалізований стенд для випробувань пристроїв управління тиском розбірних контактів).

17. Козырский В.В., Удод Е.И., Каплун В.В., Томилко А.Н., Шаршаков А.Н. Контроль температуры закрытых распределительных устройств // Энергетика и электрификация. - 1995. - №2. - С.26-27. (Проведено аналіз існуючих засобів контролю температури та результатів випробовувань пристроїв контролю на основі сплаву Cu-Al-Mn).

18. Козирський В.В., Резніченко Т.П., Каплун В.В. Термочутливі елементи датчиків-термореле на основі сплавів з ефектом пам’яті форми // Энергетика и электрификация. - 1997. - №2. - С.41-42.(Розроблено принцип виконання термореле із функціонального сплаву, обґрунтовано методику випробовувань, розроблено спеціалізований стенд та проведено серію випробовувань, проведено аналіз та узагальнення результатів експериментів).

19. Каплун В.В., Козирський В.В. Експлуатаційний контроль контактних з’єднань за нагрівом при допомозі пристроїв для безперервного діагностування // Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань. - 1998. -№6. -С.80-83. (Розроблено методичні положення безперервного контролю температури контактів за допомогою вказівників перегріву із сплавів з функціональними властивостями).

20. Козирський В.В., Лут М.Т. Застосування спеціальних сплавів для розширення функціональних можливостей комбінованих розчіплювачів автоматичних вимикачів. // Механізація сільського господарства. Збірник наукових праць Національного аграрного університету. Том 5. - К.: Видавництво НАУ. - 1999. - С.303. (Запропоновано та обґрунтовано принцип створення комбінованого розчіплювача на основі сплаву з ефектом пам’яті форми).

21. Мишин В.И., Козырский В.В. Математическое моделирование электромеханических процессов в контактных системах, оснащенных активными термостабилизаторами давления. Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань. - 1999. - №5. - С.28-32. (Розроблено математичні моделі для опису електромеханічного процесу в комутаційній системі з компенсаторами електродинамічних сил та проведено чисельні експерименти в програмному середовищі MathCAD 97.Pro, узагальнено результати обчислень).

22. Крыжов Г.П., Козырский В.В. Новое явление в электротехнологиях (Эффект Крыжова-Козырского) // Зб. наук. праць Інституту електродинаміки НАН України. Електроенергетика 2000. - К:, - 2000. - С.206-208. (Незалежними дослідженнями в інституті електродинаміки НАН України (Крижов Г.П.) та Національному аграрному університеті (Козирський В.В.) отримано підтвердження раніше невідомої властивості ефекту пам’яті форми при прямому нагріванні термочутливого зразка електричним струмом. Встановлено, що термопружні перетворення в зразках при густині електричного струму понад 25 А/мм² відбуваються за час t @ 0,001 с. При цьому температура A_f (усталена температура виробу після повного відновлення форми) на 20…30^оС нижча ніж при непрямому нагріванні. Запропоновано гіпотетичне пояснення нової властивості).

23. Козирський В.В., Лут М.Т., Томилко О.М. Використання сплавів з ефектом пам’яті форми для розробки комбінованих розчіплювачів автоматичних вимикачів // Энергетика и електрификация. - 2000. - №11. - С.47-49. (Проведено експериментальні випробовування термочутливих елементів та комбінованих розчіплювачів на основі сплаву з ефектом пам’яті форми при прямому нагріванні електричним струмом, узагальнено результати експерименту).

24. Каплун В.В., Шаршаков О.М., Томилко О.М., Козирський В.В., Темненко В.П. Технологія виготовлення тонкого прокату сплаву Cu-Al-Mn “Медалім” і вказівників перегріву роз’ємних контактних з’єднань // Машинознавство. - 2000. - №2. - С.36-38. (Запропоновано принципи отримання тонкого прокату сплаву з ефектом пам’яті форми та методики випробовування вказівників перегріву контактів).

25. Козырский В.В., Лут Н.Т., Синьков М.В. Моделирование параметров и характеристик комбинированных расцепителей автоматических выключателей с термочувствительными элементами из специальных сплавов // Известия ВУЗов СНГ. Энергетика. - 2001. - №2. - С.50-55. (Розроблено математичні моделі та проведено аналіз параметрів і характеристик розчіплювачів у програмному середовищі MathCAD 2000.Pro).

26. Козирський В.В., Резніченко Т.П., Лут М.Т., Семеген І.А.Математичне моделювання параметрів та характеристик термореле з термочутливими елементами на основі сплавів з ефектом пам’яті форми // Науковий вісник Національного аграрного університету. - 2001. - №34. - С.206-212. (Розроблено математичні моделі параметрів термореле, проведено обчислювальні експерименти та аналіз впливу властивостей ефекту пам’яті форми на характеристики термореле).

Патенти та авторські свідоцтва

27. Устройство для контроля перерывов электроснабжения: А.с. 1529266 СССР, МКИ G07 C 3/04/ И.Г.Евсеев, Г.Т.Евсеев, Т.Г.Евсеев, В.В.Козырский, И.П.Притака (CCCР). -№4404661; Заявлено 04.04.88; Опубл.15.12.89, Бюл. №46. - 24 с. (Обґрунтовано функціональну схему пристрою).

28. Разборный контактный узел: А.с. 1649986 СССР, МКИ Н01 R 4/38, 11/00/ А.В.Кравец, В.В. Козырский (СССР). - №4724029; Заявлено 27.07.89. (Запропоновано та обґрунтовано пристрій для управління тиском розбірних контактних систем на основі явища ефекту пам’яті форми).

29. Плавкий предохранитель: А.с. 1707646 СССР, МКИ Н01 Н 85/36, 85/02/ А.В.Кравец, В.В.Козырский (СССР). - № 4816362; Заявлено 22.01.90, Опубл. 23.01.92, Бюл. № 3. - 14 с. (Запропоновано та обґрунтовано принцип виконання запобіжника з термомеханічний руйнуванням вставки).

30. Контактная система многоамперних электрических аппаратов: А.с. 1617481 СССР, МКИ Н01 Н 31/00/ В.В.Козырский, А.В.Кравец, Г.Т.Евсеев (СССР). -№4658689; Заявлено 24.01.89; Опубл. 30.12.90, Бюл. №48. - 12 с. (Запропоновано та обґрунтовано принцип виконання термочутливих елементів для управління тиском комутаційних контактних систем на основі сплаву з ефектом пам’яті форми).

31. Устройство для защиты трехфазных электродвигателей от аварийных режимов: А.С. 1772863 СССР, МКИ Н02Н 7/08, 5/04, 3/16/. В.В.Козырский, В.И.Мишин, Н.Т.Лут, А.В.Кравец, В.В.Каплун (СССР). - №4908602; Заявлено 06.02.91, Опубл. 30.10.92, Бюл. №40. - 23 с. (Обґрунтовано принцип виконання термореле та схему електричного кола імітації струму витікання при захисті електродвигуна від перегріву).

32. Контактна система комутаційного апарату: Пат. 29263 А Ураїна, МКИ Н01Н 31/00/ В.В.Козирський, В.В.Каплун, Г.П.Крижов (Україна). -№98041705; Заявлено 03.04.98; Опубл.16.10.00, Бюл. №5-11. - 7 с. (Обґрунтовано принцип активного управління тиском у комутаційних системах, розроблено та виготовлено зразок контактної системи з компенсаторами електродинамічних сил, проведено експериментальні дослідження).