Тепловые процессы в электрических аппаратах

Удельное электрическое сопротивление материала проводника зависит от температуры T и в большинстве случаев (до температуры 150 – 200 °С) вычисляется

где – удельное сопротивление при температуре 0 °С; – температурный коэффициент сопротивления.

Как известно из курса теоретических основ электротехники (ТОЭ), поверхностным эффектом называется явление неравномерного распределения плотности переменного тока по поперечному сечению одиночного проводника, а эффектом близости – явление неравномерного распределения плотности переменного тока, обусловленное влиянием друг на друга близко расположенных проводников с токами.

Неравномерность распределения плотности тока приводит к возникновению дополнительных потерь мощности. При этом следует учитывать, что в проводниках из ферромагнитных материалов вышеуказанные явления проявляются значительно сильнее, чем в немагнитных проводниках.

В ферромагнитных нетоковедущих частях электрического аппарата, находящихся в переменном магнитном поле, также имеют место источники теплоты. Это обусловлено вихревыми токами, возникающими тогда, когда переменный во времени магнитный поток пронизывает ферромагнитные части аппарата.

Если магнитопровод выполнен из листовой электротехнической стали (шихтованный магнитопровод), то потери мощности в нём существенно меньше, чем в сплошном стальном магнитопроводе.

В электромеханических аппаратах, предназначенных для коммутации электрических цепей, мощным источником теплоты является электрическая дуга. В электромагнитных муфтах, предназначенных для коммутации и передачи механической мощности, потери на трение составляют существенную долю от общих потерь мощности.

1.1.2 Анализ способов распространения теплоты в электрических аппаратах.

Передача теплоты всегда идёт от более нагретых тел к менее нагретым и происходит до тех пор, пока температура тел не сравняется. Чем выше температура нагретого тела, тем интенсивнее будет происходить передача тепла. Различают три способа распространения теплоты в пространстве: теплопроводностью, тепловым излучением и конвекцией.

Теплопроводность – распространение тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц или тел, имеющих разную температуру. Теплопроводящие свойства среды характеризуются коэффициентом теплопроводности.

Тепловое излучение – распространение внутренней энергии тела путём излучения электромагнитных волн. Совокупность процессов взаимного излучения, поглощения, отражения и пропускания энергии в системе различных тел называется теплообменом излучением. Процесс осуществляется электромагнитными колебаниями с раз­личной длиной волны. В наибольшей степени переносят тепловую энергию инфракрасные лучи (длина волны 0,8 – 40 мкм), в меньшей степени – световые лучи (длина волны 0,4 – 0,8 мкм).

Конвекция – распространение теплоты при перемещении объёмов жидкостей или газов в пространстве из областей с одной температурой в области с другой температурой.

Различают естественную и вынужденную (искусственную) конвекцию. При вынужденной конвекции жидкость или газ движутся за счёт внешних сил (под действием насоса, вентилятора и т.п.). При естественной конвекции движение происходит за счёт выталкивающих (Архимедовых) сил, возникающих из-за различных плотностей холодных и горячих частиц жидкости или газа.

Коэффициент теплопередачи конвекцией определяет количество теплоты, которая отдаётся в секунду с 1 м² нагретой поверхности при разности температур поверхности и охлаждающей среды 1 °С. Он зависит от многих факторов, главные из которых – скорость движения и теплоёмкость охлаждающей среды, температура поверхности и среды, геометрические размеры и форма нагретой поверхности.

1.1.3 Задачи теплового расчёта электрических аппаратов

При тепловом расчёте электрических аппаратов исходят из того условия, что максимальное значение температуры не должно превышать допустимое значение, которое зависит от многих факторов и устанавливается стандартами.

В общем случае, задачей теплового расчёта является определение мощности источников теплоты и расчёт параметров температурного поля.

Для уменьшения мощности источников теплоты в электрических аппаратах придерживаются следующих правил:

- применяют проводниковые материалы с малым удельным сопротивлением;

- при резко выраженном поверхностном эффекте используют трубчатые проводники, чем достигается более равномерное распределение тока по сечению;

- при наличии составных шин их располагают таким образом, чтобы уменьшить поверхностный эффект и эффект близости;

- в конструкции нетоковедущих частей используют неферромагнитные материалы – немагнитный чугун, латунь, бронза;

- в нетоковедущих ферромагнитных деталях предусматривают воздушные промежутки;

- в ферромагнитных деталях на пути магнитного потока применяют короткозамкнутые витки.

Температуру поверхности тела можно уменьшить за счёт увеличения коэффициента теплоотдачи или площади охлаждающей поверхности. Такой способ уменьшения температуры называется интенсификацией охлаждения.

При вынужденной конвекции коэффициент теплоотдачи возрастает на порядок по сравнению с естественной конвекцией. Жидкостное охлаждение при естественной, а тем более при вынужденной конвекции также существенно повышает коэффициент теплоотдачи.

Интенсификация охлаждения путём увеличения площади охлаждающей поверхности достигается увеличением геометрических размеров аппарата или применением радиаторов охлаждения, т.е. искусственным увеличением площади охлаждающей поверхности.

1.1.4 Режимы работы электрических аппаратов

При эксплуатации электрических аппаратов могут иметь место следующие режимы работы:

- продолжительный – при котором температура аппарата достигает установившегося значения и аппарат при этой температуре остаётся под нагрузкой сколь угодно длительное время;

- прерывисто-продолжительный – при котором аппарат остаётся под нагрузкой при установившемся значении температуры ограниченное техническими условиями (ТУ) время;

- повторно-кратковременный – при котором температура частей электрического аппарата за время нагрузки не достигает установившегося значения, а за время паузы не уменьшается до температуры окружающей среды;

- кратковременный – при котором в период нагрузки температура частей электрического аппарата не достигает установившегося значения, а в период отсутствия нагрузки достигает температуры холодного состояния;

- короткого замыкания – это частный случай кратковременного режима работы, когда температура частей электрического аппарата значительно превосходит установившуюся температуру при нормальном режиме работы.

1.1.5 Продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и перемежающийся режимы работы электрических аппаратов. Обычно электрические аппараты могут работать в одном из следующих режимов, для которых характерно определённое изменение во времени t тока нагрузки I _н и превышение температуры нагрева (разность между температурой аппарата и температурой окружающей среды): продолжительном, кратковременном, повторно-кратковременном и перемежающемся.

В продолжительном режиме (рисунок 1.1.) достигается установившееся превышение температуры нагрева , значение которого в любом случае должно быть меньше, чем допустимое превышение температуры . Скорость изменения температуры характеризуется тепловой постоянной времени . Касательная к кривой отсекает на линии установившейся температуры как раз отрезок, равный по длительности .

Рисунок 1.1 - Продолжительный режим работы

В кратковременном режиме (рисунок 1.2, а) в период наличия тока I_o температура аппарата не успевает достичь установившегося значения, а за время паузы тока t_П температура аппарата снижается практически до температуры окружающей среды Т _окр. Это позволяет осуществлять форсирование аппарата по току с тем условием, что за время нагрузки t_НГ не будет достигнуто .

Рисунок 1.2 - Режимы работы аппаратов

В повторно-кратковременном режиме (рис 1.2, б) температура аппарата так же не достигает установившегося значения в период t_НГ, а во время паузы тока не успевает снизиться до Т _окр. Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включения:

где t_НГ и t_П – время нагрузки и время паузы. Стандартные значения ПВ составляют 15, 25, 40 и 60%.

Коэффициент перегрузки по мощности показывает, во сколько раз можно увеличить мощность источников теплоты в электрическом аппарате при повторно-кратковременном режиме работы по сравнению с мощностью при продолжительном режиме при условии равенства допустимой температуры в том и другом случаях.

Если , то в этом случае, с погрешностью не более 5% можно определить

Поскольку, при прочих равных условиях, мощность источников теплоты в большинстве случаев пропорциональна квадрату тока, то вводится коэффициент перегрузки по току k_I, который равен

Наиболее общим является перемежающийся режим (рисунок 1.2, в) когда в период t ₁ проходит ток I ₁, а в период t ₂ – ток I ₁, причём . В установившемся состоянии температура перегрева имеет максимум и минимум . Если по аппарату длительное время проходит ток I ₁, то установившаяся температура перегрева равна . Аналогично, току I ₂ соответствует температура перегрева . По прошествии некоторого времени и соседних циклов станут одинаковыми. Наступит так называемый квазистационарный («мнимостационарный») режим работы с неизменными значениями и .

1.1.6. Термическая стойкость электрических аппаратов

Термической стойкостью электрических аппаратов называется способность их выдерживать без повреждений, препятствующих дальнейшей работе, термическое воздействие протекающих по токоведущим частям токов заданной длительности. Количественной характеристикой термической стойкости является ток термической стойкости, протекающий в течение определённого промежутка времени. Наиболее напряжённым является режим короткого замыкания, в процессе которого токи по сравнению с номинальными могут возрастать в десятки раз, а мощности источников теплоты – в сотни раз.

Термическая стойкость электрического аппарата зависит при этом не только от режима короткого замыкания, но и от теплового состояния, предшествующего режиму короткого замыкания.

При коротком замыкании электрические аппараты подвергаются значительным термическим воздействиям. Как правило, это аварий­ный режим работы и поэтому время его действия ограничивается до минимально возможного значения. Для большинства электрических аппаратов это время , т.е. не превосходит времени нагрева при адиабатическом процессе (нагрев без теплообмена с окружающей средой). Другими словами, режим короткого замыкания можно рассматривать как кратковременный режим работы, при котором температура элек­трического аппарата может достигать значений, превосходящих до­пустимую температуру в продолжительном режиме. Это возможно, поскольку время кратковременного режима обычно небольшое, за которое не может произойти существенных изменений в старении изоляции и других элементах, которые ограничивают температуру в продолжительном режиме работы.

Тем не менее, и в этом случае существуют ограничения, которые в основном диктуются температурой рекристаллизации материала токоведущих частей. В электрических аппаратах приняты следующие значения максимальной температуры при кратковременном режиме работы:

- неизолированные токоведущие части из меди и её сплавов – 300 °С;

- алюминиевые токоведущие части – 200 °С;

- токоведущие части (кроме алюминиевых), соприкасающиеся с органической изоляцией или маслом – 250 °С.