Термическая устойчивость

Ю.Н. Новиков. Теория и расчет электрических аппаратов. Л.,»Энергия».1970

Термическая устойчивость характеризуется то ком короткого замыкания, который аппарат выдерживает в течение определенного времени во включенном положении; при этом температура его токоведущих частей не должна превосходить значений, допустимых при токах короткого замыкания, и не должно происходить повреждений, препятствующих дальнейшей исправной работе аппарата.

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.

Расчётное время короткого замыкания стандартизовано и принято равным 1, 5 и 10 секундам. Допустимые плотности тока (А/мм²) для типичных проводниковых материалов в зависимости от расчётного времени короткого замыкания приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Расчётное время короткого замыкания	1 секунда	5 секунд	10 секунд
Материал проводника
Медь	152	67	48
Алюминий	89	40	28
Латунь	73	38	27

Процесс нагрева считается установившимся, если стечением времени температура частей аппарата не изменяется. Температура может считаться установившейся, если за 1 ч нагрева она возрастает не более чем на 1 ⁰С.

В установившемся режиме все выделяющееся тепло отдается в окружающее пространство. В противном случае  часть тепла идет на нагрев аппарата, и его температура изменяется.

В режиме короткого  замыкания  время воздействия токов к.з. t_кз значительно меньше постоянной времени нагрева Т токоведущих частей. При t_кз< Т процесс нагрева происходит так, что тепло не отдается в окружающую среду, а расходуется на повышение температуры проводника. Такой процесс нагрева называют адиабатическим. В этом случае процесс нагрева проводника подчиняется соотношению :

В процессе  короткого замыкания ток меняется по некоторому закону, который может быть найден, если известны параметры цепи и место, в котором произошло короткое замыкание. Зная этот закон, т.е. имея кривую изменения тока к.з. во времени  i_кз(t), то можно считать, что это и есть кривая распределения плотности тока к.з. d_кз(t). И по известным кривым для определения температуры проводников из различных материалов (меди, алюминия, стали) можно отыскать температуру в конце КЗ.

Однако этот метод громоздок. Поэтому реальный процесс короткого замыкания заменяется некоторым фиктивным процессом, в качестве фиктивного процесса выбирается такой, при котором в процессе КЗ ток не меняется и остается во времени постоянным и равным действующему значению установившегося тока к.з. I_д. При этом соблюдается условие:

которое и определяет фиктивное время t_ф. Под фиктивным временем к.з понимается такое время, в течение которого протекает неизменный ток I_д, тепловое действие этого тока равно тепловому действию реального тока i _кз(t) течение времени t_кз.

При условии неизменности тока I_д получим:

.

Теперь, если известны плотность тока d_д, время t_ф и начальная температура, то по кривым (рис. 1.3) сразу находится температура в конце процесса короткого замыкания.

Рисунок 1.3- Кривые для определения температуры проводника при протекании тока короткого замыкания

Т ак как температуры проводников в конце процесса КЗ строго ограничены, каждый аппарат может быть охарактеризован допустимой величиной произведения  I²t. Обычно задается не сама величина I²t, а значение тока неизменной силы, тепловое действие которого электрический аппарат может выдержать в течение заданного времени так, что это  не препятствует его дальнейшей нормальной работе. Это значение тока называется током термической устойчивости. Чаще всего задается ток десяти-, пяти- или односекундной термической устойчивости. Если необходимо найти ток термической устойчивости при времени действия t, отличающимся от

1 0 с, то это может быть легко сделано из условия , т. е.