4.1. Общие вопросы теории нагревания

Нагревание проводников и аппара­тов происходит вследствие потерь энер­гии различных видов. Сюда относятся: 1) джоулевы потери, пропорциональные квадрату тока; 2) потери в диэлектри­ках, пропорциональные квадрату напря­жения; 3) потери в магнитопроводах от вихревых токов и гистерезиса; 4) потери в массивных ферромагнитных деталях от индуктированных токов и перемагни-

чивания. Потерянная энергия выделяется в виде тепла. Температура проводника, аппарата не должна превышать соот­ветствующие допустимые значения, оп­ределяемые нагревостойкостью изоля­ции, требованием надежной работы кон­тактов и другими соображениями.

Допустимые температуры. Следует различать наблюдаемую темпе­ратуру и температуру в на и-

более нагретой точке. Под на­блюдаемой температурой понимают температуру, найденную измерением. Она несколько меньше температуры в наиболее нагретой точке, поскольку последняя обычно недоступна для из­мерения и применяемые методы изме­рения несовершенны. Разность между температурой в наиболее нагретой точ­ке и наблюдаемой составляет 5 —15°С в зависимости от вида аппарата и ме­тода измерения. Принято нормировать наблюдаемые температуры, поскольку это удобно для практического исполь­зования в эксплуатации. Однако в ос­нову-нормирования в числе других тре­бований положены допустимые темпера­туры в наиболее нагретых точках для основных видов изоляции (табл. 4.1). Как видно из таблицы, изоляционные материалы разделены по нагревостой-кости на семь классов. Под н а г р е-востойкостью понимается способ­ность материала сохранять свои изоля­ционные свойства при воздействии нор­мированной температуры в течение нор­мального срока эксплуатации электро­оборудования.

Рассмотрим допустимые (наблюдае­мые) температуры для проводников и аппаратов в нормальном режиме, при­веденные в табл. 4.2. Для неизолиро­ванных медных и алюминиевых провод­ников установлена допустимая темпера­тура 70 °С (т. е. отнбсительно низкая), чтобы обеспечить надежную работу кон­тактов и не допустить чрезмерного нагревания изолированных частей ап­паратов, к которым они примыкают.

Для кабелей с бумажной изоляцией класса А (нагревостойкость 105 °С) уста­новлены допустимые температуры от 50 до 80 °С, что объясняется возмож­ностью образования при более высокой температуре воздушных включений (вследствие периодического изменения температуры). Вместе с тем опыт пока­зывает, что нормированная температура для изоляции класса А может быть превышена в течение ограниченного вре­мени. При этом необходимо учитывать ускоренный износ изоляции, экономи­чески оправданный требованием непре­рывности электроснабжения в ненор­мальных условиях работы сети или электроустановки. Это относится к сило-

чтобы сохранить состояние равновесия, выделение тепла и соответственно на­грузка должны быть снижены.

Ниже приведены номинальные тем­пературы, °С, окружающей среды со­гласно ГОСТ 8024-84 и ПУЭ 86:

Теплообмен. Так называют процесс переноса тепла в рассматриваемом теле от более нагретых к менее нагретым его частям, а также к соседним телам и в окружающую среду. Различают три вида теплообмена: через теплопро­водность, конвекцию и луче­испускание (излучение).

Явление теплопроводности харак­терно для твердых тел. Основной закон теплопроводности согласно Фурье мо­жет быть представлен математически следующим образом:

(4.2)

вым трансформаторам и кабелям с изоляцией класса А (см. § 22.5 и 19.5). Существенное значение имеет нор­мирование температуры окружающей среды (воздуха, масла, воды, земли), что видно из следующего. Температура проводника (аппарата) может быть представлена в виде суммы

где Ф — тепловой поток, Вт, через изо­термическую площадку S, м², в направ­лении нормали в ней; — градиент температуры в направлении нормали; — коэффициент теплопроводности ма­териала, Вт/(м • °С).

Отношение Ф/S представляет собой плотность теплового потока в какой-либо точке поверхности, Вт/м²,

где— температура окружающей сре­ды;— превышение темпера­туры проводника, аппарата над темпе­ратурой окружающей среды.

Теплоотдача с поверхности нагрето­го тела в окружающую среду зависит в основном от превышения температу­ры. Поскольку допустимая температура проводника аппарата задана, увеличение температуры окружающей среды озна­чает уменьшение располагаемого превы­шения температуры. Следовательно,

Знак минус в приведенных выраже­ниях указывает, что тепло передается в направлении убывания температуры вдоль нормали к площадке.

Понятием конвекции пользуются при описании передачи тепла от поверх­ности твердых тел к жидкости или газу. Это наиболее сложный вид тепло­обмена, в котором участвует теплопро­водность и перенос тепла потоком жидкости или газа. Жидкость (газ),

соприкасающаяся с нагретой поверх­ностью, нагревается, плотность ее умень­шается, она поднимается. На ее место подходит более холодная жидкость, газ. Вместе с током жидкости, газа проис­ходит перенос тепла. Конвекцию назы­вают свободной, если движение жидкости, газа относительно нагретой поверхности происходит только вслед­ствие разности плотностей нагретых и холодных слоев жидкости, газа. Если жидкость_; газ приводится в движение внешними силами (разностью давлений) или искусственно с помощью насоса, вентилятора, конвекцию называют вы­нужденной. Теплоотдача при этом резко увеличивается.

Количество тепла, отводимого через свободную конвекцию, зависит от теп­лопроводности жидкости (газа), ее плот­ности и вязкости, формы, размеров и состояния охлаждаемой поверхности и превышения температуры тела над тем­пературой окружающей среды. Для оп­ределения отводимого тепла использу­ют экспериментальные данные, получен­ные на натурных образцах и моделях. На основании таких исследований пред­ложены соответствующие расчетные формулы, пригодные в частных случаях.

Тепловым излучением называют пе­ренос тепла от более нагретой поверх­ности к менее нагретой электромагнит­ными волнами через разделяющую га­зовую среду. Последняя принимается полностью прозрачной для тепловых лучей.

(4.4)

Основной закон теплового излуче­ния, данный Стефаном и Больцманом, определяет плотность теплового потока излучения, Вт/м², следующим образом: