Лабораторна робота № 5 Дослідження температурних режимів проводів та контактних з’єднань елементів електричних мереж

1. Мета роботи

а) навчити знімати температурні характеристики проводів в залежності від навантаження (струму) . Одержати наочне уявлення про температуру і нагрівання та плавлення провідників без ізоляції та з ізоляцією;

б) дослідити та отримати: наочне уявлення про перехідний опір в контактних з'єднаннях та рівень температури нагрівання нещільних контактних з'єднань та холодних скруток проводів з однойменних та різних металів.

2.Методичні вказівки та пояснення до роботи

2.1.Теплова дія електричного струму.

Електричний струм, проходячи по провідникам (або іншим електричним пристроям), нагріває їх. Причиною нагрівання провідників є зіткнення електронів між собою і з іонами провідника. Чим більше струму в провіднику, тим більше швидкість упорядкованого руху електронів і тим більшу енергію руху вони мають. Тому при ударах електрони віддають частинкам провідника велику енергію, яка викликає збільшення швидкості руху частинок провідника, а отже, й зростання його температури. На цьому явищі основана й робота самого розповсюдженого електричного джерела світла – лампи розжарювання. Перетворення електричної енергії у теплоту широко використовується в електрозварюванні, побутових нагрівальних приладах, промислових електропечах, теплових реле, теплових вимірювальних приладах, плавких запобіжниках, тощо.

В інших промислових пристроях, наприклад в електричних мережах, в трансформаторах, електричних машинах тепловий ефект струму не може бути використаним і являється шкідливим, так як теплова енергія, що виділяється безкорисно розсіюється у навколишнє середовище, або може визвати нагрівання окремих частин електричних пристроїв до температури вище допустимої, що може привести до виходу з ладу установки, або до непередбачених наслідків. Отже потрібна точна оцінка найбільших температур проводів і обмоток різноманітних електричних пристроїв при їх роботі.

Кількісне співвідношення, що характеризує перетворення енергії електричного струму у теплову енергію визначається за законом Джоуля – Ленца.

Цей закон формулюється так: кількість тепла, що виділяється струмом у провіднику, пропорційна квадратові струму, опору і часу проходження струму.

, (2.1)

де

- кількість тепла, Дж;

- сила струму, А;

- опір провідника, Ом;

- час, с;

У міжнародній системі одиниць СІ енергія, в тому числі і теплова, вимірюється в одних одиницях – Джоулях (Дж). Оскільки 1Дж=0,24кал, кількість тепла в калоріях, що виділяється при проходженні по проводу з опором струму за час . Визначається за формулою:

, Кал (2.2)

В той же час, як тільки провід почне нагріватися і його температура стане більше ніж температура навколишнього середовища, почнеться передача проводом тепла в навколишнє середовище. Ця віддача може бути визначена слідкуючою формулою:

, (2.3)

де

- поверхня охолодження провідника, кв. м

- різниця температур провідника і навколишнього середовища ⁰С;

- коефіцієнт тепловіддачі, тобто кількість тепла, віддаваємого з одиниці поверхні в одиницю часу на кожний градус різниці температур.

Вт/м²۰⁰С

q - поверхнева густина струму в Вт/кв.м, або питомий тепловий потік.

Незважаючи на початок віддачі тепла, температура проводу продовжує зростати до тих пір, поки кількість віддаваємого тепла не стане рівним кількості тепла, що виділяється провідником, після чого підвищення температури припиниться. Такий стан називається – тепловою рівновагою, а відповідна йому температура є граничною. Визначити граничну температура можна, очевидно, прирівняти вираз для тепла, що виділяється у проводі і для тепла, що віддається проводом в навколишнє середовище, тобто

(2.4)

Розв’язав рівняння відповідно різниці температур провідника і навколишнього середовища, одержано:

(2.5)

Якщо в цій формулі замінити опір провідника через , а поверхню (враховуючи циліндричність провідника) через , знайдемо, що

(2.6)

Помноживши чисельник і знаменник на і замінив через густину струму , одержимо формулу граничного нагрівання провідника:

(2.7)

Де - питомий опір провідника, Ом.мм м.

- для міді – 0,0175, для алюмінію – 0,029.

- радіус провідника,м.

Формула, яку ми одержали (2.7) показує, що граничне перевищення температури провідника над температурою навколишнього середовища залежить в першу чергу від густини струму (ця залежність як квадратична є вирішальною), а також від матеріалу провідника, тобто питомого опору , радіуса провідника і умов його охолодження, що визначається коефіцієнтом .

Максимальна температура провідника.

(2.8)

Графік зростання температури провідника при постійному значенні струму, або теж саме, що при постійній густині струму показаний на рис. 1.

Рис.1. Графік зростання температури провідника при різних значеннях струму

На рис. 1 показані, окрім основної кривої , ще дві криві з яких одна лежить вище кривої , а друга - нижче. Перша із цих кривих відноситься до випадку коли один і той же провідник нагрівається більшою густиною струму: як видно у цьому випадку провідник нагрівається до більшої граничної температури.

Друга крива відноситься до випадку зниженої густини струму, гранична температура провідника у цьому разі нижча.

Проведений аналіз нагрівання провідників струмом лежить в основі широко використовуючих на практиці допустимих значень струму для провідників різних перерізів (з урахуванням конструкції провідника).

В табл.1 приведенні значення допустимих температур для деяких типів провідників [11].

Таблиця 2.1.