Лекция 3. Нагрев электрических аппаратов
План лекции:
1. Общие сведения.
2. Основные источники теплоты в электрических аппаратах.
3. Тепловые процессы при различных режимах работы аппаратов.
3.1 Общие сведения.
При работе аппарата в его токоведущей цепи, изоляции и деталях конструкции возникают потери электрической энергии, которые превращаются в тепло (рис.4а). 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.
Таким образом температура аппарата в
процессе эксплуатации не должна превышать
некоторого допустимого значения
.
Например, увеличение длительно допустимой
температуры изоляции проводника всего
лишь на 8оС
приводит к сокращению срока службы
изоляции в два раза, а при увеличении
температуры меди со 100 до 250оС
механическая прочность снижается на
40%. Таким образом, нагрев токоведущих
частей и изоляции аппарата в значительной
степени определяет его надежность.
3.2. Основные источники теплоты в электрических аппаратах.
1. Токоведущие части аппаратов. Важнейшим источником тепловой энергии в любом электрическом аппарате является токоведущий контур, включая входящие в него контактные соединения (рис.3.1.а поз1).
Потери электрической энергии в проводнике (Джоулевы потери)
,
(3.1)
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
,
(3.2)
где R- - сопротивление при постоянном токе; kд – 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
Р
ис.
3.1. Тепловые процессы в электрических
аппаратов
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
,
(3.3)
где
- активное сопротивление уединенного
проводника, т.е. проводника не испытывающего
воздействие сторонних магнитных полей.
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
(3.4)
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 (3.3) и (3.4), получим коэффициент добавочных потерь
(3.5)
2. Нетоковедущие ферромагнитные части аппаратов (рис.3.1а поз.2). 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.
3. Электрическая дуга (рис.3.1.а поз.3). В процессе отключения выключателя вследствие высокой температуры возникающей дуги (3000-20000оС) 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.
В аппаратах высокого напряжения, помимо потерь в проводниковых и ферромагнитных материалах, необходимо учитывать диэлектрические потери в изоляции и потери в изоляции из-за токов проводимости (рис.3.1.а поз.4) .