Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах

1. Тепловые процессы в электрических аппаратах

Электрические аппараты являются сложными электротехни-ческими устройствами, содержащими проводники элект-рического тока, магнитопроводы, участки электрической изоляции.

При работе аппарата в его токоведущей части, магнитопроводе, изоляции и деталях возникают потери элект-рической энергии, которые превращаются в тепло. Тепловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата, а частично отдаётся в окружающую среду.

Нагрев токоведущих частей, магнитопровода и изоляции аппарата в значительной степени определяют его надёжность. Поэтому во всех возможных режимах работы температура частей аппарата не должна превышать таких значений, при которых обеспечивается его надежная длительная работа.

1.1. Источники теплоты в электрических аппаратах

В аппаратах постоянного тока в электрическом проводнике с равномерной плотностью тока выделяется мощность в единицу времени:

, (1)

где I - постоянный ток, R - активное электрическое сопротивление однородного проводника длиной l и поперечным сечением S,

. (2)

Удельное электрическое сопротивление ρ материала проводника зависит от температуры v и чаще всего вычисляется по формуле (до температуры 150 ‑ 200 ⁰С):

, (3)

где - удельное сопротивление при температуре 0 ⁰С,

α - температурный коэффициент сопротивления.

На переменном токе в проводнике возникают два явления:

поверхностный эффект и эффект близости.

Поверхностный эффект – это неравномерное распре-деление плотности переменного тока по поперечному сечению одиночного провода. Известно, что чем больше частота тока, тем в большей степени проявляется поверхностный эффект. Существенную роль играют размеры проводника: чем больше его диаметр, тем в большей степени проявляется его поверхностный эффект, который учитывается коэффициентом . На рис. 1 представлены кривые :

К_П 1 – для сплошного токопровода

1 2 диаметром – d;

2 – для трубчатого токопровода.

Рис. 1

В проводниках большого сечения из-за поверхностного эффекта внутренняя часть сечения не обтекается током, следовательно, не используется. В этом случае применяют трубчатые токопроводы.

Неравномерность распределения плотности тока при поверхностном эффекте приводит к дополнительным (по отношению к постоянному току) потерям мощности, а следовательно, нагреву токопровода.

Эффект близости – это неравномерное распределение плотности переменного тока из-за влияния друг на друга близко расположенных токопроводов.

Коэффициент близости К_Б также зависит от размеров, формы токопровода и расстояния между ними.

Таким образом, потери мощности при переменном токе вычисляют по формуле:

P_{~ .} (4)

В проводниках из ферромагнитных материалов поверх-ностный и эффект близости проявляются сильнее, а коэффициенты K_П и K_Б больше, чем в немагнитных проводниках.

Профессором Н.Е. Лысóвым предложена эмпирическая формула для расчета потерь мощности в токопроводе переменного тока из ферромагнитного материала [1]:

, (5)

где S_охл - площадь поверхности охлаждения токопровода,

П - периметр поперечного сечения токопровода,

f - частота тока.

В ферромагнитных нетоковедущих частях электрических аппаратов, находящихся в переменном магнитном поле, возникают так называемые вихревые токи.

Для сплошного замкнутого магнитопровода (рис. 2), на

который намотана катушка с числом

I W витков W и током, проходящим по

ней, I потери мощности можно

l_СР посчитать по аналогичной формуле:

Рис. 2 , (6)

где l_ср - длина средней линии магнитопровода.

Если магнитопровод выполнен из листовой стали, то потери мощности в нем определяются по специальным справочникам в зависимости от амплитудного значения магнитной индукции В_т, толщины листа и сорта стали .

Итак, были рассмотрены основные и наиболее общие источники теплоты в электрических аппаратах. Но существует очень мощный источник теплоты, такой как электрическая дуга, возникающая в отдельных видах аппаратов, предназначенных для коммутации электрических цепей. Эта тема будет рассмотрена особо.