Нагрев электрических аппаратов

Устно, писать только то, что выделено

В токоведущих, изолирующих и конструктивных деталях эл. аппаратов возникают потери эл. энергии в виде тепла. В общем случае тепловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата и частично рассеивается в окружающей среде

При повышении температуры происходит ускоренное старение изоляции проводников и уменьшение их механической прочности. Например, срок службы изоляции при возрастании температуры всего лишь на 8⁰С выше номинальной сокращается в 2 раза. При увеличении температуры от 100 до 250 °С механическая прочность меди снижается на 40 %. Эти процессы осложняются тем, что при КЗ, когда температура может достигать 200—300 °С, на токоведущие детали воздействуют, большие ЭДУ. Поэтому во всех возможных режимах работы температура их не должна превосходить таких значений, при которых обеспечи­вается заданная длительность работы аппарата.

Использование тепловых явлений:

-тепловое расширение используется в эл тепловых реле.

- перегорание плавкой вставки предохранителя при определённом значении тока

- без образования дуги в ком аппаратах нельзя отключить цепь постоянного тока, иначе возникли бы недопустимо высокие перенапряжения, пробивающие изоляцию цепи – дуга преобразует запасённую в цепи эл магнитную энергию в тепловую, рассеиваемую в окружающую среду

- в аппаратах переменного тока эл дуга играет также положительную роль: создаёт токопроводящую связь цепи от момента размыкания контактов до перехода тока через ноль. Эл магнитная энергия цепи становится равной нулю и создаются благоприятные условия отключения тока.

Активные потери энергии в аппаратах

а) Потери в токоведущих частях. В аппаратах постоянного тока нагрев происходит только за счет потерь в активном сопротивлении токоведущей цепи.

Активное сопротивление проводника различно при постоянном и переменном токе из-за поверхностного эффекта и эффекта близости.

При переменном токе R = R_- k _доб

где R_- - сопротивление при постоянном токе; k _доб - коэф. добавочных потерь_, вызванных поверхностным эффектом и эффектом близости.

Поверхностный эффект. Переменный ток, текущий по проводнику, создаёт переменное магнитное поле, которое, наводит в нём ЭДС. Эта ЭДС вытесняет ток к поверхности проводника, в результате наибольшая плотность тока наблюдается на поверхности проводника. Внутренняя часть проводника большого сечения не используется. Чем больше частота тока и меньше удельное сопротивление проводника, тем больше коэффициент добавочных потерь, обусловленных поверхностным эффектом. Влияние этого явления: увеличение сопротивления проводника.

Из-за поверхностного эффекта внутренняя часть проводников боль­шого сечения не обтекается током и фактически не используется. По этой причине применяются проводники трубчатого или коробчатого сечения. Коробчатое сечение предпочтительнее трубчатого, так как при нем уве­личивается поверхность охлаждения и возрастает механическая прочность. Шина с коробчатым сечением выполняется из двух половин, за­зор между которыми обеспечивает охлаждение внутренней поверхности

Эффект близости. Магнитное поле соседнего проводника пересекает данный проводник и наводит в нем ЭДС. Эта ЭДС создает ток в теле проводника, который геометрически складывается с основным током. В результате ток по сечению распределяется неравномерно, плотность тока будет также неравномерной.

Что ведёт к увеличению потерь мощности. K_доб =Ки· Кδ

Эффект близости усиливается с частотой тока, эл. проводимостью материала.

Коэффициент зависит от формы , взаимного расположения проводников и направления токов в них. В проводниках их ферромагнитного материала (стали) поверхностный эффект резко увеличивается, т к магнитная проницаемость стали намного порядков выше, чем у меди или алюминия, из-за чего увеличиваются магнитный поток, пронизывающий проводник, и наведенная им ЭД С. В результате увеличивается и ток, вызванный этой ЭДС. Поэтому такие материалы редко применяются для изготовления токоведущих элементов

Чем ближе расположены проводники друг к другу, тем сильнее магнитное поле от соседнего проводника и тем больше эффект близости.

.

Рис. 2.3. Зависимость коэффициента близости от расположения

В отличие от k _п коэф.-т k_б может быть и меньше единицы, т.к. за счёт магнитного поля соседних проводников возможно выравнивание плотности тока по сечению. При расположении параллельных шин в одной плоскости k _б значительно больше, чем в случае, когда плоскости шин параллельны

Для трехфазной системы проводников картина значительно усложняется.

k _доб = R~ / R ₌ = k п / k б

б)Потери в нетоковедущих ферромагнитных деталях аппаратов

При переменном токе появляются активные потери в ферромагнитных конструкционных деталях, расположенных в переменном магнитном по­ле. Переменный магнитный поток пересекает ферромагнитные детали, и в них наводятся вихревые токи, которые могут нагревать эти детали до высоких температур и создавать дополнительные потери энергии.

Кроме того, возникают дополнительные потери на перемагничивание ферромагнитного материала за счёт гистерезиса. Для уменьшения потерь в магнитопроводах аппаратов, они выполняются шихтованными из листов электротехнической стали толщиной 0,2-0,5 мм, тщательно изолированных друг от друга. При этом сталь должна иметь малые удельные потери на вихревые токи и гистерезис.

Для уменьшения потерь в массивных ферромагнитных деталях применяются следующие методы:

А) увеличивается расстояние от проводника с током до ферромагнитной детали; при этом уменьшается пронизывающий ее магнитный поток;

б) на пути магнитного потока вводится немагнитный зазор; при этом возрастает магнитное сопротивление и уменьшается магнитный поток;

в) на пути потока устанавливается короткозамкнутый виток, который создает дополнительное магнитное сопротивление, уменьшающее магнитный поток ;

г) при номинальных токах выше 1000 А конструкционные детали изготавливаются из немагнитных материалов: алюминиевых сплавов, латуни, немагнитного чугуна и др.

СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА НАГРЕТЫМ ТЕЛОМ

Различают три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.

а) Теплопроводность. Теплопроводностью называется процесс передачи тепла от одной частицы тела к другой или от одного тела к другому, когда эти частицы или тела соприкасаются друг с другом. - молекул. Теплопроводность характерна для передачи тепла в твёрдых телах.

Теплопроводность в металлах осуществляется путем теплового движения электронов, а в остальных случаях

б) Конвекция. Конвекцией называется процесс передачи тепла путем перемещения частиц жидкости или газа. При естественной конвекции движение охлаждающего газа или жидкости происходит за счет разницы плотностей нагретых и холодных объемов газа или жидкостей. При искусствен­ной конвекции охлаждающая среда приводится в движе­ние с помощью вентиляторов или насосов.

в) Тепловое излучение. Часть тепла нагретое тело отда­ет в окружающее пространство путем излучения электро­магнитных колебаний (ультрафиолетовых, световых и ин­фракрасных лучей). Этот способ теплоотдачи называется тепловым излучением, лучеиспусканием или радиацией.

УСТАНОВИВШИЙСЯ РЕЖИМ НАГРЕВА

Процесс нагрева считается установившимся, если с течением времени температура частей аппарата не изменя­ется. Температура может считаться установившейся, если за 1 ч нагрева она возрастет не более чем на 1 °С. В уста­новившемся режиме всё выделяющееся тепло отдается в окружающее пространство. В противном случае часть тепла идет на нагрев аппарата и его температура изменя­ется.

НАГРЕВ АППАРАТОВ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ.