Нагрівання електричних апаратів

У струмопроводах, магнітопроводах і конструктивних елементах електричних апаратів виділяються втрати електричної енергії у вигляді тепла, котрі нагрівають елементи конструкції електричного апарата і розсіюються в навколишньому середовищі. Температура ізоляційних матеріалів в певній мірі визначає ресурс і надійність роботи електричного апарата. Так, наприклад, при зростанні робочої температури ізоляції всього лише на 8⁰С термін її роботи скорочується у два рази. Це саме стосується і забезпечення надійної роботи контактних з’єднань, особливо при протіканні струмів короткого замикання, коли температура окремих струмопроводів може досягати 200300⁰С. Тому у всіх можливих режимах роботи температура окремих елементів електричного апарата і апарата в цілому не повинна перевищувати таких значень, за яких забезпечується заданий ресурс надійної експлуатації апарата.

Допустимі температури нагріву окремих частин апаратів регламентуються вимогами окремих стандартів і в більшості випадків визначаються допустимою температурою нагрівання відповідних класів ізоляції. Деколи зручно користуватись поняттям «допустиме перевищення температури» над температурою довкілля. При цьому за стандартну температуру довкілля приймається 40⁰С.

Особливості розрахунку втрат в електричних апаратах

В апаратах постійного струму нагрівання при протіканні струму має місце лише в струмопроводах, втрати в яких визначаються як:

(7.1)

де _о, , l, q - питомий опір, температурний коефіцієнт опору, довжина і поперечний перетин струмопровода, відповідно; _пр - температура струмопровода, ⁰С.

При протіканні по струмопроводах значного поперечного перетину змінного струму спостерігається так званий «ефект витіснення струму», котрий зумовлений змінним магнітним полем і проявляється нерівномірним розподілом густини струму в поперечному перетині провідника (найбільша густина струму спостерігається на поверхні провідника рис. 7.1). Явище збільшення втрат внаслідок витіснення струму в струмопроводах змінного струму враховується за допомогою коефіцієнта додаткових втрат К_П, зумовлених поверхневим ефектом, а також коефіцієнтом близькості К_Б, зумовлених взаємним впливом сусідніх струмопроводів, тобто:

(7.2)

де К_Д - коефіцієнт додаткових втрат.

Рис. 7.1. Зміна густини струму внаслідок ефекту близькості двох паралельних провідників.

Спеціальні дослідження в теорії електромагнітного поля показують, що поверхневий ефект проявляється сильніше із збільшенням частоти і зменшенні питомого опору провідника. Суттєву роль при цьому відіграють форма і розміри струмопровода. При аналізі цих процесів використовують поняття «глибини проникнення» електромагнітної хвилі а, котра визначається як: (7.3) де  - абсолютна магнітна проникність матеріалу.

Можна показати, що для мідного струмопровода

(  210^-8 Омм, =₀, f=50 Гц) а  10 мм;

а для сталевого струмопровода

(  1410^-8 Омм, 10³₀, f=50 Гц) а  0,6 мм.

Значення коефіцієнтів додаткових втрат зумовлених поверхневим ефектом К_П та близькістю розміщення провідників К_Б, наводяться в спеціальній літературі для різних форм струмопроводів. Приклади таких довідкових даних наведено на рис.7.2.

Рис. 7.2. Значення коефіцієнтів К_П та К_Б.

Коефіцієнт близькості може бути більшим або меншим одиниці за рахунок перерозподілу густини струму в поперечному перетині провідника під впливом сусіднього у порівнянні з випадком без впливу останнього.

Слід наголосити на тому, що для немагнітних струмопроводів (Сu, Al) ефект збільшення втрат за рахунок витіснення струму не є суттєвим при f=50 Гц і розмірах поперечного перетину (лінійних) менших 20 мм.