Жидкостное (водяное) охлаждение в электрических аппаратах

ДОПУСТИМАЯ ТЕМПИРАТУРА НАГРЕВА ЧАСТЕЙ АППАРАТОВ. ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ

Для обеспечения надежной работы аппарата в пределах всего срока службы температура его частей не должна превышать некоторого определенного значения, называемого допустимой температурой, устанавливаемой стандартами. При этом различают допустимые температуры при номинальных режимах и при коротких замыканиях. Так как длительность короткого замыкания мала (не более 5 с), а сами замыкания относительно редки, то допустимые температуры в этом случае в 2 – 4 раза выше, чем при длительном режиме.

Допустимые температуры изолированных проводников и деталей определяются нагревостойкостью (классом) изоляции (ГОСТ 8865-70), а также механической прочностью материала деталей. При температурах, превышающих 200°С, механическая прочность проводниковых материалов резко снижается. Для неизолированных деталей допустимая температура определяется механическими свойствами материалов, из которых они изготовлены, или изоляционными деталями, с которыми они соприкасаются.

Допустимая температура контактов и контактных соединений определяется температурой, исключающей их интенсивное окисление.

Для нетоковедущих деталей – несущих, крепежных, защитных и др. – допустимые температуры определяются механической прочностью и условиями безопасной эксплуатации (предохранение от ожога при соприкосновении с оболочкой).

Способность аппарата выдерживать без повреждений и без превышения допустимой при коротких замыканиях температуры прохождение тока короткого замыкания определенного значения и длительности называется термической стойкостью аппарата. В СССР ток термической стойкости относят ко времени 1, 3, 5 и 10 с. Так как выделяемая в проводнике (аппарате) теплота пропорциональна квадрату тока, то термическая стойкость определяется величиной I ² t, где I не может превосходить некоторого предельного значения для данного аппарата.

Рост единичных мощностей ряда промышленных и судовых установок потребовал создания малогабаритных выключателей (неавтоматические, автоматические и быстродействующие) на токи до 25 кА. В химической и алюминиевомагниевой промышленности для целей электролиза требуются аппараты на токи до 50 кА, а в перспективе – до 100 кА. Выключатели турбо- и гидрогенераторов на 500 и 1000 МВт должны выполняться на токи 25 – 50 кА. Для целей поверхностной закалки при частоте до 10 000 Гц требуются аппараты на 2 – 3 кА. Указанные и многие другие аппараты, выполненные без искусственного охлаждения, имели бы практически неприемлемые габариты. Наиболее целесообразным здесь оказывается жидкостное, в частности водяное, охлаждение токоведущих частей [3].

Применение непосредственного водяного охлаждения (вода пропускается через полые проводники) позволяет во много раз повысить токовую нагрузку проводников. Воздух.при скорости 50 м/с может отвести с поверхности 1 м² при разности температур Δτ = 1°С количество теплоты, равное 0,16 Дж/с, вода при скорости 2 м/с и прочих равных условиях – 3,2 Дж/с, т. е. в 20 раз больше.

Теплоотводящие свойства воды также выше, чем у трансформаторного масла.

Водяное охлаждение в электрических аппаратах осуществляется либо при помощи трубок, помещенных внутрь токоведущих частей (залитые, впаянные, вваренные и т. п.), либо токоведущие детали выполняются полыми. Охлаждающая жидкость протекает через эти полости или трубки. Рассмотрим общие закономерности теплоотвода от токоведущих частей при жидкостном охлаждении.

В случае, когда температура Θ₂ полого проводника (рис. 3-12) выше температуры окружающей среды Θ₁, выделяемые в нем тепловые потери будут отводиться от внутренней поверхности протекающей жидкостью и от наружной его поверхности окружающим воздухом. Учитывая, что теплоемкость и теплопроводность охлаждающей жидкости много выше, чем у воздуха, общая картина распределения температур в сечении, перпендикулярном оси проводника, может быть представлена схемой рис. 3-12, а.

При жидкостном охлаждении может иногда оказаться, что температура проводника будет ниже температуры окружающего воздуха. Тогда наружный

воздух будет не охлаждать, а подогревать проводник. Картина распределения температур в этом случае представлена схемой рис. 3-12, б.

Рис. 3-12. Распределение температур по проводнику при жидкостном охлаждении

Температура проводника и жидкости изменяется не только по сечению, но и по длине проводника (рис. 3-12, в). Поступающая в канал жидкость нагревается по пути своего следования. И если на входе температура ее была равна Θ₄₁, то на выходе она становится Θ₄₂. Соответственно температура охлаждаемого проводника не останется постоянной, и если у входа она была Θ₃₁, то на выходе будет Θ₃₂. Таким образом, в проводнике будет существовать продольный тепловой поток от более нагретого конца к менее нагретому. Выделяемые в проводнике удельные потери будут возрастать вдоль течения жидкости. В результате всего этого кривые распределения температур в проводнике и в жидкости по длине проводника имеют в общем случае сложный характер.

В тех случаях (их большинство), когда разность температур между концами проводника невелика и когда его тепловое сопротивление в осевом направлении значительно (малое сечение, большая длина), продольные тепловые потоки становятся столь малыми, что ими можно пренебречь. В этом случае можно считать, что температура вдоль проводника возрастает по линейному закону, как показано на рис. 3-12, в.

Для обеспечения хорошего теплоотвода путем конвекции движение охлаждающего потока в канале должно иметь турбулентный характер. При ламинарном потоке теплоотдача от проводника будет происходить только за счет теплопроводности и резко снизится по сравнению с конвективной теплоотдачей при турбулентном потоке.

При водяном охлаждении следует иметь в виду следующее:

При температуре охлаждаемой поверхности, превышающей температуру парообразования воды, около стенок канала начинают образовываться мелкие пузырьки пара, которые увлекаются турбулентным потоком воды и в нем конденсируются. Данный процесс получил название пузырькового или локального кипения. Он приводит к чрезвычайно интенсивному теплообмену, ибо скрытая теплота парообразования воды очень велика.

При дальнейшем увеличении токовой нагрузки, а, следовательно, и температуры проводника пузырьки начинают образовываться так часто, что у поверхности металла возникает тонкий паровой слой (паровая рубашка). При этом теплопередача от металла к воде резко уменьшается, температура проводника быстро растет и проводник разрушается.

В электрических аппаратах приходится особенно считаться с процессом пленочного кипения и образования паровых рубашек при режимах короткого замыкания.

Для обеспечения надежной работы системы жидкостного охлаждения должны быть обеспечены следующие основные условия:

1. При заданной на входе температуре жидкости ее расход должен быть достаточен для отвода всей теплоты, которая выделяется в охлаждаемой системе, т.е. P ₁ – тепловая мощность, уносимая водой, должна быть равна Р – мощности тепловых потерь в проводниках (аппарате):

P ₁ = P (3-44)

2. Указанное равновесие должно быть устойчивым. При случайных повышениях температуры отводимая мощность должна возрастать быстрее, чем мощность тепловых потерь:

(3-45)

3. Мощность, снимаемая с единицы поверхности соприкосновения жидкости с металлом, не должна превосходить некоторого предельного значения. Для воды можно рекомендовать это значение до 200 Вт/см². При длительной эксплуатации аппаратов рекомендуется принимать значительно меньшее значение.

Расчет охлаждаемых жидкостью токопроводов (деталей), не содержащих электрических контактов, может быть выполнен следующим образом.

Если Р – мощность подлежащих отводу тепловых потерь, Θ₄₁ и Θ₄₂ – заданные температуры жидкости на входе и выходе, то согласно (3-44) расход охлаждающей жидкости

(3-46)

а скорость ее

(3-47)

где ΔΘ = Θ₄₂ – Θ₄₁ – перепад температуры охлаждающей жидкости; с – удельная теплоемкость жидкости; γ – плотность жидкости; s – площадь сечения канала, заполненного, водой.

Для получения турбулентного потока необходимо, чтобы критерий Рейнольдса (Re) для потока был больше 10000. Критерий Рейнольдса (критерий подобия) является безразмерной величиной, характеризующей движение потока:

(3-48)

где v – скорость движения потока, м/с; d – диаметр канала, м; Q – расход охлаждающей жидкости, м³/с; v – коэффициент кинематической вязкости (зависящий от температуры), м²/с.

При Re < 2200 движение потока ламинарное. При Re > 10000 поток турбулентен во всем сечении канала, т. е. во всем сечении поток имеет беспорядочный вихревой характер. При 2200 < Re < <10000 имеет место переходный режим – поток турбулентен в середине канала и ламинарен у стенок.

Если Re < 10000, то следует либо увеличить расход воды, повысив напор, либо уменьшить диаметр канала.

Перепад температуры между охлаждаемой деталью и жидкостью (берем средние значения)

(3-49)

где F – поверхность соприкосновения металла с жидкостью, м²; k _т.ж – коэффициент теплоотдачи от металла к жидкости, Вт/(м² · К).

Коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости, скорости ее движения и температуры.

Для упрощенного расчета (не требующего использования соответствующих таблиц для k _т.ж, v и др.) водоохлаждаемых проводников О. Б. Брон [3] предложил следующие выражения:

(3-50)

(3-51)

(3-52)

где P – мощность потерь, Вт; Q – расход воды, м³/с; v – скорость движения воды, м/с; l – длина канала, м; d – диаметр канала, м; Θ_ср=Θ₄₁+(Θ₄₂ – Θ₄₁)/2 – средняя температура воды, ⁰С.

Применение жидкостного охлаждения усложняет конструкцию и эксплуатацию аппаратов по сравнению с естественным воздушным охлаждением. Усложняются сами аппараты. Подвод жидкости должен обеспечить необходимую изоляцию по отношению к земле и между полюсами аппарата. Требуется специальное оборудование (насосы, теплообменники, фильтры механической и химической очистки, контрольные приборы и т.п.), чтобы обеспечить циркуляцию, охлаждение и поддержание изоляционных свойств охлаждающей, жидкости. При водяном охлаждении требуется специально приготовленная вода. Обычная вода обладает высокой электрической проводимостью и применяться не может. Теоретически абсолютно чистая вода должна иметь удельное сопротивление 26·10⁶ Ом·см, однако получить такую воду практически невозможно. Успехи по химической очистке воды (ионитовые фильтры, несколько выпариваний) позволяют получить воду с удельным сопротивлением до 10⁶ Ом·см. В системах охлаждения сопротивление воды снижается и поддерживается обычно на уровне50-150 кОм·см. При водяном охлаждении следует принимать меры против электролиза, а также струйной эрозии (вымывание частиц металла с каналов при больших скоростях движения потока). Учитывая сказанное, жидкостное охлаждение аппаратов следует применять там, где оно обеспечивает значительную выгоду.

ГЛАВА 4 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

Дата добавления: 2014-10-15