1.5. Термическая стойкость электрических аппаратов

Термической стойкостью электрических аппаратов называется способность их выдерживать без повреждений термическое воздействие проходящих по токоведущим частям токов заданной длительности. Количественной характеристикой термической стойкости является ток термической стойкости.

В режиме короткого замыкания (а это аварийный режим) электрические аппараты подвергаются значительным термическим воздействиям. Поэтому время действия этого режима ограничивается. Для большинства электрических аппаратов это время t =0,1T , т.е. не превышает время нагрева при адиабатном процессе (нагрев без теплообмена с окружающей средой).

Уравнение теплового баланса имеет вид

.

Для единицы объема проводника

,

где j - плотность электрического тока в проводнике.

Можно показать [1], что температурная зависимость при адиабатном процессе в режиме короткого замыкания представляет собой

.

Величина j²t называется квадратичным импульсом плотности тока.

Кривые адиабатического нагрева (рис. 12) позволяют решать прямую и обратную задачи, т.е. по значению j²t находить температуру проводника и обратно по заданной температуре ‑ допустимое значение квадратичного импульса плотности тока.

Обычно кривая адиабатического нагрева приведена для температуры = 0. Если ≠ 0 и по заданному значению j²t требуется найти температуру проводника, то прежде по кривой (см. рис. 12) для заданной находим (j²t)_Н . Затем по оси абсцисс от значения (j²t)_Н откладываем отрезок, равный (j²t)_ЗАД , по кривой находим конечную температуру проводника

На практике вводят понятие “фиктивное время” t_Ф короткого замыкания ‑ это время, в течение которого установившийся ток короткого замыкания оказывает такое же термическое воздействие на токоведущие части, как дей-ствительный ток короткого замыкания за действительное время короткого замыкания.

Справедливо соотношение

,

где j_У - установившееся значение плотности токa короткого замыкания.

Обычно фиктивное время короткого замыкания определяется по кривым t_Ф(β), где , i_П – пиковое значение тока короткого замыкания, I - действующее значение установившегося тока короткого замыкания.

Введя понятие “фиктивное время короткого замыкания”, можно вычислить квадратичный импульс плотности тока и для расчета воспользоваться кривыми адиабатического нагрева.

Зная время короткого замыкания и материал проводника, а также его допустимую температуру кратковременного нагрева, можно по кривым адиабатического нагрева определить плотность тока термической стойкости аппарата. После этого можно решать две задачи: по известному поперечному сечению проводника определить ток термической стойкости или по заданному току термической стойкости найти необходимое поперечное сечение токоведущих частей.

Расчетные времена короткого замыкания стандартизированы и приняты равными 10, 5 и 1 с. В соответствии с этими временами и токи термической стойкости носят названия 10-ти секундный, 5- ти секундный и 1 -секундный.

Так как времена короткого замыкания и плотности тока взаимосвязаны:

,

легко получить формулы пересчета токов термической стойкости:

.

Пример 1.

Определить коэффициент поверхностного эффекта К_П для алюминиевого шинопровода, нагретого проходящим по нему переменным током промышленной частоты до температуры =95C при условии, что:

1. шинопровод круглый d=80 мм;

2. шинопровод трубчатый d_нар=80 мм, d_вн=72 мм.