Основные источники теплоты в электрических аппаратах

ЛЕКЦИЯ №3. НАГРЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

При работе аппарата в его токоведущей цепи, изоляции и деталях конструкции возникают потери электрической энергии, которые превращаются в тепло. Тепловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата и частично отдается в окружающую среду.

При увеличении температуры происходит ускоренное старение изоляции проводников и уменьшение их механической прочности. Например, увеличение длительно допустимой температуры изоляции проводника всего лишь на 8^оС приводит к сокращению срока службы изоляции в два раза, а при увеличении температуры меди со 100 до 250^оС механическая прочность снижается на 40%. Таким образом, нагрев токоведущих частей и изоляции аппарата в значительной степени определяет его надежность.

Токоведущая часть. Важнейшим источником тепловой энергии любом электрическом аппарате является токоведущий контур, включая входящие в него контактные соединения.

Потери электрической энергии в проводнике

, (23)

где i - ток; R - сопротивление; t - длительность протекания тока.

При переменном токе активное сопротивление проводника отличается от сопротивления при постоянном токе из-за возникновения поверхностного эффекта и эффекта близости. Сопротивление при переменном токе R_~ называется активным и определяется равенством

, (24)

где R_- - сопротивление при постоянном токе; k_д – коэффициент добавочных потерь, вызванных поверхностным эффектом и эффектом близости.

Активное сопротивление – это некоторое фиктивное сопротивление проводника, которое, будучи умноженным, на квадрат действующего значения тока, дает потери, действительно имеющиеся при переменном токе.

Явление поверхностного эффекта. Постоянный ток распределяется равномерно по сечению прямолинейного проводника. Если по проводнику проходит переменный ток, то внутри проводника образуется магнитное поле наибольшее у поверхности проводника и убывающее по экспоненте в направлении центра сечения. Таким же образом изменяется и плотность тока по сечению проводника. То есть внутренняя часть сечения проводника не обтекается током и фактически не используется. Это явление называется поверхностным эффектом. Уменьшение «эффективно работающего сечения» увеличивает активное сопротивление проводника, что и учитывается коэффициентом поверхностного эффекта k_n для уединенного проводника с переменным током (принимается, что в случае уединенного проводника с переменным током эффекта близости не наблюдается)

(25)

Анализ многочисленных конструктивных решений токоведущих систем аппаратов и токопроводов на большие токи позволяет сделать вывод о нецелесообразности применения в практике создания аппаратов переменного тока и токопроводов профилей токоведущих элементов, имеющих k_n > 1,1-1,2, иначе это приведет к неоправданному перерасходу активного проводникового материала и прежде всего остродефицитной меди. Поверхностный эффект в значительной степени зависит от частоты тока, магнитной проницаемости и проводимости материала проводника, чем они больше тем больше поверхностный эффект.

Если токоведущая часть выполнена из ферромагнитного материала (стали), то поверхностный эффект резко увеличивается вследствие того, что магнитная проницаемость стали на много порядков выше, чем у меди или алюминия. В связи с этим ферромагнитные материалы не применяются для изготовления токоведущих элементов рассчитанных на большие токи.

Явление эффекта близости. Эффектом близости называется явление неравномерного распределения переменного тока по поперечному сечению проводника, обусловленное влиянием магнитного поля тока, проходящего по рядом расположенному другому проводнику. Отношение активного сопротивления проводника, находящегося в магнитном поле других проводников, к сопротивлению уединенного проводника называется коэффициентом эффекта близости

(26)

Аналогично поверхностному эффекту эффект близости растет с частотой тока, проводимостью и магнитной проницаемостью материала. Эффект близости проявляется тем сильнее, чем ближе друг к другу расположены проводники с током. Коэффициент эффекта близости, как правило, больше, но может быть и меньше единицы, когда близость проводников друг к другу улучшает распределение тока по сечению и здесь эффект близости частично компенсирует поверхностный эффект. Коэффициент эффекта близости зависит также и от направления тока в соседних проводниках. Для двух параллельно расположенных круглых проводников в случае токов одинакового направления плотность тока наибольшая в областях сечений, наиболее удаленных друг от друга; в случае токов разного направления – в областях, лежащих вблизи.

Используя (38) и (39), получим коэффициент добавочных потерь

(27)

Потери в нетоковедущих ферромагнитных частях аппарата. При переменном токе, кроме активных потерь в токоведущей цепи, появляются активные потери в ферромагнитных деталях аппаратов, расположенных в переменном магнитном поле. Под действием переменного магнитного потока в ферромагнитных деталях появляются вихревые токи таких направлений, при которых создаваемые ими потоки противодействуют изменению основного потока (правило Ленца). Кроме потерь от вихревых токов, возникают дополнительные потери на перемагничивание за счет гистерезиса.

Для уменьшения нагрева нетоковедущих частей аппаратов применяются несколько способов:

1. При больших номинальных токах (выше 1000А) используются немагнитные материалы взамен ферромагнитных. К ним относятся немагнитная сталь, латуни, бронзы, немагнитный чугун, алюминиевые сплавы.

2. Устройство прорезей, т. е. включение воздушных (или немагнитных) промежутков на пути магнитного потока (поток уменьшается за счет роста магнитного сопротивления цепи).

3. Применение короткозамкнутых витков из проводниковых материалов, охватывающих сечение ферромагнитной детали (ток, возникающий в короткозамкнутом витке, уменьшает поток).

В аппаратах высокого напряжения, помимо потерь в проводниковых и ферромагнитных материалах, необходимо учитывать потери в изоляции

Потери в изоляции аппаратов из-за емкостных токов. Мощность, выделяемая в изоляции в переменном электрическом поле:

, (28)

где - частота; - емкость изоляции; - действующее напряжение на изоляции; - тангенс угла диэлектрических потерь.

Потери в изоляции аппаратов из-за токов проводимости. При эксплуатации аппаратов на открытом воздухе в условиях загрязнения и увлажнения по поверхности изоляции протекают токи проводимости i (токи утечки). В общем случае мощность потерь из-за тока утечки рассчитывается по формуле

, (29)

здесь ток и напряжение задаются в функции от времени.

Нагрев аппаратов электрической дугой. В процессе отключения выключателя вследствие высокой температуры возникающей дуги (3000-20000^оС) происходит повышение температуры проводников, между которыми горит дуга. Кроме того, повышается температура дугогасящих камер. Нагрев проводников и дугогасящих камер может быть особенно большим при повторных включениях и отключениях выключателя. Таким образом, электрическая дуга существенно влияет на повышение температуры элементов выключателя.

Дата добавления: 2014-01-20