Втрати у провідниках, по яких проходить струм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оскільки при змінному струмі, а особливо при підвищеній і високій частоті середня частина перерізу провідника погано використовується, то в цих випадках вигідно брати не суцільний круглий провідник, а порожню трубу і застосовувати провідники з якомога більшим відношенням периметра до перерізу.

На рис. 2.3 наведені значення Кп для круглих порожнистих провідників, а на рис. 2.4 - для провідників прямокутного перерізу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.3. Коефіцієнти поверхневого ефекту для порожнистих провідників із немагнітного матеріалу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.4. Коефіцієнти поверхневого ефекту для провідників прямокутного перерізу із немагнітного матеріалу

Ефект близькості. Візьмемо два паралельні обтічні струмом провідники (рис. 2.5).

Кожний з провідників буде перебувати в змінному магнітному полі сусіднього провідника.

Відомо, що напруженість поля навколо провідника зі струмом (криві 1, 2; рис. 2.5, б) спадає в міру віддалення від провідника. Отже, шари провідника, розташовані ближче до сусіднього провідника, будуть пронизуватися більшим магнітним потоком, ніж віддалені. У ближніх шарах буде наводитись більша електрорушійна сила, у віддалених - менша. Між шарами одного провідника з'явиться електрорушійна сила і виникнуть струми. В одних шарах цей напрям струмів буде збігатися з напрямом основного струму, в інших шарах - протилежний йому.

Рис. 2.5. Ефект близькості

У кінцевому результаті ефект впливу одного провідника на інший, названий ефектом близькості, викличе нерівномірний розподіл струму по перерізу провідників (рис. 2.5, в) і зростання втрат внаслідок цього. Значення коефіцієнта близькості Кб залежно від параметра і розмірів провідників круглого і прямокутного перерізів наведені на рис. 2.6 і рис. 2.7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.6. Коефіцієнти ефекту близькості для провідників круглого перерізу із немагнітного матеріалу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.7. Коефіцієнти ефекту близькості для провідників прямокутного перерізу із немагнітного матеріалу

Втрати в деталях з магнітних матеріалів

Як відомо, в магнітних матеріалах, які розташовані в змінному магнітному полі, виникають втрати Рс, обумовлені явищами гістерезису Рг і вихрових струмів Рв. Ці втрати виявляються в нагріванні матеріалу, і для їх зменшення магнітопроводи для змінного магнітного потоку виконують, як правило, шихтованими, тобто набраними з електрично ізольованих одна від одної пластин завтовшки 0,2 - 0,5 мм. Напрям шихтування має бути вздовж магнітних ліній (рис. 2.8) з метою обмеження величини вихрових струмів і зниження втрат.

Рис. 2.8. Напрям шихтування магнітопроводів

Для зниження втрат на гістерезис застосовуються леговані сталі, які мають більш вузьку гістерезисну петлю.

Втрати в магнітопроводах апаратів при змінному потоці можуть бути підраховані за формулою

(2.5)

де в і г - коефіцієнти, що враховують втрати на вихрові струми й гістерезис;

f - частота;

В - індукція.

Віддача тепла нагрітим тілом

Передача тепла завжди йде від більш нагрітих тіл до менш нагрітих і відбувається до тих пір, доки температура тіл не зрівняється. Чим вища температура нагрітого тіла, тим інтенсивніше буде відбуватися передача тепла.

Розрізняють три види передачі тепла - теплопровідністю, конвенцією й випромінюванням.

Теплопровідність. Це властивість матеріалу передавати тепло від більш нагрітих місць до менш нагрітих. Передача тепла може відбуватися всередині одного тіла, між двома стичними тілами і між двома тілами, розділеними третім.

Кількість тепла dQ, яке проходить за одиницю часу dt від більш нагрітої ділянки до менш нагрітої, пропорційна площадці (перерізу) ds, через яку передається тепло, перепаду температури d/dx у напрямі, перпендикулярному до площадки, і залежить від теплопровідних властивостей середовища:

. (2.6)

Знак мінус взятий тому, що передача тепла йде від більш нагрітих місць до менш нагрітих.

Теплопровідні властивості середовища характеризуються коефіцієнтом теплопровідності , що чисельно дорівнює кількості тепла, яке проходить через площадку в 1 м2 протягом 1 с при перепаді температури в 1°С. Розмірність дорівнює Вт/м • град.

Конвекція. Газ або рідина, що дотикається до поверхні нагрітого тіла, нагріваються від цієї поверхні. Нагрівання шарів, що дотикаються, відбувається за рахунок теплопровідності. Нагріті шари стають легшими за сусідні більш холодні шари навколишнього середовища, піднімаються догори, виносять відібране у нагрітого тіла тепло.

Зазначений фізичний процес і носить назву тепловіддачі через конвекцію.

Якщо швидкість руху часток охолоджуючого середовища визначається тільки ступенем їх нагріву біля поверхні гарячого тіла, то конвекція називається природною.

Якщо швидкість руху часток охолоджуючого середовища задається примусово (за допомогою вентиляторів, насосів), то конвекція називається штучною.

Чим швидше рухаються частки охолоджуючого середовища, тим інтенсивніше відбувається охолодження. Кількість тепла, яке віддається конвекцією, -

, (2.7)

де Кк - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, В/м2 • град;

1 - температура нагрітого тіла, °С;

0 - температура охолоджуючого середовища, °С;

F - поверхня тепловіддачі, м2.

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією Кк визначає кількість тепла, яка віддається в секунду з 1 м2 нагрітої поверхні при різниці температур поверхні та охолоджуючого середовища в 1°С. Він залежить від багатьох факторів, головні з яких швидкість руху і теплоємність охолоджуючого середовища, температура поверхні та середовища, геометричні розміри нагрітої поверхні.

Випромінювання. Це процес тепловіддачі, за якого теплова енергія, перетворюючись у променеву, передається від нагрітого тіла в навколишній простір.

Поверхня, яка відбиває від себе всі промені, що падають на неї, називається абсолютно білою поверхнею. Поверхня, яка повністю поглинає всі промені, що падають на неї, називається абсолютно чорною. До таких поверхонь дуже близька сажа платинова, чорна та ін. Абсолютно чорне тіло має максимальну здатність випромінювання й основні закони випромінювання виведені для нього. Випромінювальна здатність інших тіл порівнюється з випромінювальною здатністю абсолютно чорного тіла як еталона.

Кількість тепла, випромінюваного з 1 м2 поверхні нагрітого тіла в 1 с, визначається величиною

(2.8)

де Кв - коефіцієнт випромінювання, Вт/К4м2, Кв = 5,7, - постійна випромінювання (див. таблиці в довідниках);

1 - температура нагрітого тіла, К;

0 - температура тіл, на які падають промені, К.

Тепловіддача у сталому режимі. Тепловіддача з поверхні тіла звичайно відбувається одночасно конвекцією та випромінюваннями. При цьому важко визначити, яка частина тепла передається в навколишнє середовище тим чи іншим видом тепловіддачі. Toмy вводять поняття коефіцієнта тепловіддачі Кт.

Таблиця 2.1

Поверхня та її характеристика	Коефіцієнти тепловіддачі Кт, Вт/(м2 • С)
	у повітрі	у маслі
Горизонтальні стрижні круглої міді діаметром 1 - 6 см	13...3,5	-
Плоскі шини червоної міді, поставлені на ребро	6...9	-
Чавунна, сталева або залізна поверхня, тонко ошпакльована і вкрита лаковою фарбою	10...14	-
Будь-яка поверхня, вкрита лаком	12...16	-
Фарфорові циліндри, занурені в бак з маслом	-	50...150
Обмотка з паперовою ізоляцією	10...12,5	25...36
Пакет листового заліза	10...12,5	70...90

Коефіцієнт тепловіддачі (табл. 2.1) визначає кількість тепла, яка віддається в навколишнє середовище за 1 с усіма видами тепловіддачі з 1 м2 тепловіддаючої поверхні при різниці температур нагрітого тіла і навколишнього середовища в 1°С. Розмірність Кт, Вт/(м2 • С).

У сталому режимі, коли всі втрати в провіднику віддаються в навколишнє середовище

, (2.9)

звідки

, (2.10)

де Р - потужність втрат у провіднику, Вт;

Кт - коефіцієнт тепловіддачі;

- перевищення сталої температури нагрітого тіла т над температурою навколишнього середовища 0, °С;

F - тепловіддаюча поверхня, м2.

Рівняння (2.10) носить назву формули Ньютона.

Нагрівання та охолодження однорідного провідника в часі за тривалого режиму роботи

Якщо потужність втрат у провіднику при проходженні по ньому електричного струму дорівнює Р, то за час dt в ньому виділиться енергія

(2.11)

Частина цієї енергії піде на нагрівання провідника

, (2.12)

а частина буде відведена в навколишнє середовище

(2.13)

де G - маса провідника, кг;

С - питома теплоємкість, Дж/кг • град;

F - поверхня тепловіддачі провідника, м2;

- перевищення температури провідника по відношенню до навколишнього середовища, С;

Кт - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м2 • град.

Для будь-якого моменту часу буде правильне таке рівняння теплового балансу:

. (2.14)

Якщо прийняти R, С, Кт постійними, то розв'язання рівняння відносно буде мати вигляд

(2.15)

де 0 - перевищення температурою провідника температури середовища в момент початку процесу.

У дійсності R, С і Кт залежать від температури, і отже, будуть змінюватися в часі. Похибку, обумовлену зробленим припущенням, можна знизити, якщо зазначені величини приймати не для початкової температури, а для температури, близької до тієї, яка буде мати місце при сталому режимі.

Величина GC/FKт = Т має розмірність часу і носить назву постійної часу нагрівання. Фізично вона є тим часом, за який провідник нагріється до сталої температури за відсутності тепловіддачі в навколишнє середовище. При t = рівняння (2.15) прийме вигляд

, (2.16)

тобто має місце сталий процес, стале перевищення температури якого визначається формулою (2.10).

Отже, рівняння (2.15) може бути переписане у вигляді

. (2.17)

При 0 = 0 , тобто коли процес починається з холодного стану,

. (2.18)

Згідно з (2.17) і (2.18) перевищення температури провідника змінюється в часі за законом показової функції (експоненти). Стале перевищення температури (при t = ) в обох випадках одне й те саме і не залежить від величини 0.

На рис. 2.9 наведені криві 1 і 2, побудовані відповідно рівнянням (2.18, 2.17). Час t тут береться в долях Т. Температура ст звичайно досягається через час t = (3...5)Т. На рисунку показане графічне визначення величини Т. Це буде відрізок АВ на прямій сталого перевищення температури ст, який відсічений дотичною, що проведена на початку координат до кривої нагрівання. Величина Т може бути також визначена за кривою нагрівання на тій підставі, що за час Т перевищення температури досягає 0,632ст.

Рис. 2.9. Зміна температури у часі в процесах нагрівання та охолодження

Розглянемо тепер процес охолодження провідника. Припустимо, що в якийсь момент часу протікання струму по провіднику припинялося. Провідник почне охолоджуватись. Рівняння (2.14) приймає вигляд

, (2.19)

звідки

. (2.20)

Крива 3 (рис. 2.9) побудована за цим рівнянням з припущення, що 0 = ст. Крива охолодження є дзеркальним зображенням кривої нагрівання 2 відносно прямої (наведена пунктиром), що проведена посередині між віссю абсцис і прямою сталого перевищення температури. Аналогічно попередньому, але з відліком від прямої ст визначаться графічно величина Т.

Нагрівання та охолодження однорідного провідника при короткочасному навантаженні

При тривалому режимі припустиме навантаження Ртр вибирається так, щоб стале перевищення температури ст дорівнювало припустимому пр. Перевищення температури в цьому разі змінюється по кривій 1 (рис. 2.10). При тому самому навантаженні в короткочасному режимі роботи за час tн перевищення температури досягло б значення 1, тобто провідник не був би повністю використаний щодо нагрівання. При короткочасному режимі слід так навантажити провідник tпр, щоб його перевищення температури змінювалося за кривою 2 і в кінці режиму (за час tн) досягло max.

Рис. 2.10. Криві процесу нагрівання та охолодження однорідного провідника при короткочасному режимі роботи

За таким навантаженням в тривалому режимі досягалася б температура max, яка перевищує пр.

Отже, коефіцієнт перевантаження зa потужністю втрат для короткочасного режиму визначається із співвідношення

. (2.21)

Оскільки втрати пропорційні до квадрата струму, то коефіцієнт перевантаження по струму

. (2.22)

Охолодження провідника буде відбуватися за тією самою кривою 3, що й при тривалому режимі.

Нагрівання та охолодження однорідного провідника при повторно-короткочасному навантаженні

Повторно-короткочасним називається режим роботи, за якого періоди навантаження tн чергуються з паузами (рис. 2.11). При цьому ні за час навантаження, ні за час паузи перевищення температури не досягає сталого значення.

Рис. 2.11. Криві процесу нагрівання та охолодження однорідного провідника при повторно-короткочасному навантаженні

Повний період tн + tп називається циклом tц. Характеризується режим тривалістю вмикань - ПВ % і частотою вмикань - кількістю циклів за годину. ПВ % являє собою виражене у відсотках відношення тривалості навантаження до тривалості всього циклу:

. (2.23)

За час навантаження провідник нагрівається (ділянки ОА, БВ, ...), за час паузи він охолоджується (ділянки АБ, ВГ, ...). До кінця кожного з періодів температура не досягає сталого значення. Однак з деякого моменту часу настає положення, за яким підвищення температури за період навантаження дорівнює її пониженню за період паузи. Перевищення температури коливається між деяким максимумом 1 та мінімумом 2.

Як і при короткочасному режимі, стале перевищення температури (крива 2) буде нижчим за припустиме (крива 1), якщо провідник навантажений номінальним струмом тривалого режиму Іпр. Ця величина дорівнює допустимому значенню (крива 3), якщо струм підвищити до І = Іпк. При навантаженні І = Іпк перевищення температури при тривалому режимі досягло б max > пр (крива 4).

Коефіцієнти перевантаження за потужністю втрат і струму визначаються із співвідношень

(2.24)

(2.25)

де Рпк - потужність втрати при повторно-короткочасному режимі.

Нагрівання однорідного провідника при короткому замиканні

Коротке замикання характеризується великим струмом і малою тривалістю (від декількох тисячних секунди до декількох секунд). При коротких замиканнях припускається в 2 - 3 рази вища температура нагрівання провідника, ніж при номінальному струмі, а отже і тепловіддача зростає у три рази. При цьому втрати в провіднику зростають у сотні разів. Отже, тепловіддача складе тільки 1 - 3 % від усієї енергії, яка виділяється в провіднику, і можна вважати, що вся енергія йде на його нагрівання.

Рівняння теплового балансу (2.14) в такому разі прийме вигляд

, (2.26)

звідки

(2.27)

де і - миттєве значення струму;

- питомий опір;

- питома вага матеріалу провідника;

С - питома теплоємність;

s - переріз провідника;

Кд - коефіцієнт додаткових втрат.

Принципово і С є змінними величинами, які залежать від температури. Змінною величиною в часі є і струм короткого замикання. Однак для спрощення розрахунку можна прийняти ці величини постійними.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.12. Нагрівання однорідного провідника при короткому замиканні та охолодження його після вимкнення:

АВ - процес нагрівання при номінальному режимі; ВС - те саме при короткому замиканні; СD - охолодження

нагрівання тепло передача провідник

При цьому значення і С слід брати для температури нагрітого провідника. Тоді

, (2.28)

де поч - перевищення температури провідника над температурою навколишнього середовища в момент початку короткого замикання.

Нагрівання провідника при короткому замиканні відбувається практично по прямій (рис. 2.12). Охолодження провідника після вимкнення короткого замикання відбувається за тими самими законами, що і при нормальних режимах (2.20).

Нагрівання ізольованих провідників

При сталому режимі перевищення температури на поверхні ізольованих провідників (рис. 2.13) буде

. (2.29)

Нас, однак, цікавить температура max на внутрішній стороні ізоляції, яка буде більшою 1:

, (2.30)

де - перепад температур в товщі ізоляції, який дорівнює:

. (2.31)

Рис. 2.13. До визначення перевищення температури на внутрішній стороні ізоляції

Для прямокутного провідника

. (2.32)

Таким чином, якщо розрахунок вести на одиницю довжини, то перевищення температури на внутрішній стороні ізоляції для круглого провідника

, (2.33)

а для прямокутного

, (2.34)

де - коефіцієнт теплопровідності ізоляції провідника;

- товщина ізоляції.

Передача тепла через плоску стінку

Якщо два тіла А і В (рис. 2.14), які мають температури відносно 1 і 2, розділені плоскою стінкою і при цьому 1 > 2, то через стінку пройде тепловий потік в напрямі від А до В.

Рис. 2.14. Передача тепла через плоску стінку

Тепловий потік через одиницю поверхні Ф0 (густина теплового потоку) пропорційний коефіцієнту теплопровідності матеріалу стінки, різниці температур на протилежних поверхнях та обернено пропорційний товщині стінки:

. (2.35)

Якщо вважати, що тепло поширюється тільки в одному напрямі, то спад температури в стінці відбувається по прямій.

Нагрівання провідника змінного перерізу

Візьмемо провідник перерізу s, який має на ділянці L звуження перерізу s1 < s (рис. 2.15). При проходженні струму по такому провіднику втрати потужності на одиниці довжини на ділянці з перерізом s1 будуть більшими, ніж втрати на одиниці довжини на ділянці з перерізом s. До того ж поверхня тепловіддачі з одиниці довжини на ділянці з перерізом s1 менша, ніж на ділянці з перерізом s.

Отже, при великих втратах ділянка з перерізом s1 має меншу тепловіддавальну поверхню. Це приведе до того, що ділянка з перерізом s1 < s буде мати вищу температуру, ніж решта частини провідника. З цієї ділянки тепло буде віддаватися менш нагрітим частинам провідника в напрямі х.

Рис. 2.15. Розподіл температур у провіднику змінного перерізу

Перевищення температури на ділянці L дорівнює

, (2.36)

де j1 та j - густини струмів на ділянках з перерізом s1 i s відповідно;

F1 і F - охолоджуючі поверхні провідника на одиницю довжини на ділянках з перерізами s1 і s відповідно;

- коефіцієнт теплопровідності;

Кт - коефіцієнт тепловіддачі;

- питомий опір;

.

Перевищення температури вздовж провідника з перерізом s визначаються рівнянням

. (2.37)

Рівняння (2.36) і (2.37) можуть бути використані для визначення перевищення температури як нерозімкнутих, так і розімкнутих (рис. 2.15) контактних з'єднань. У цьому разі треба добуток в (2.36) замінити добутком і прийняти F = 0. Розподіл температури вздовж контакту визначиться кривою (рис. 2.15, б).

Нагрівання котушок

Котушка електричних апаратів являє собою неоднорідне тіло, яке складається з провідника, ізоляції та прошарків повітря або просочувального матеріалу (лаку, компаунду). Тепло, що виділяється у всьому об'ємі котушки, має переходити до поверхні через матеріали з різною теплопровідністю. Природно, що в різних шарах котушки будуть і різні температури. Всередині котушки температура буде вище, ніж на поверхні. Чим монолітніша котушка, тим краща теплопровідність між шарами і тим менша буде різниця температур між зовнішньою поверхнею і внутрішніми шарами. Просочення та компаундування підвищують загальну теплопровідність котушки, а тим самим тепловіддачу на 5 - 10 %.

Різні ділянки поверхні котушки в різній мірі беруть участь у тепловіддачі. Зовнішня бокова поверхня, як правило, буває відкритою і є головною тепловіддаючою поверхнею. Тепловіддача з неї відбувається головним чином за рахунок природної конвекції. Всередині котушки проходить осердя магнітопроводу. Через малі зазори між осердям і котушкою конвекція тут дуже забруднена, але коли осердя щільно прилягає до котушки, то тепловіддача з внутрішньої поверхні котушки йде за рахунок теплопровідності.

Величина тепловіддачі залежить від щільності прилягання котушки до осердя, від розміру тепловіддаючої поверхні магнітопроводу. Торцеві поверхні котушки звичайно закриті ізоляційними кріпильними деталями з низькою теплопровідністю. У довгих котушках тепловіддачею з торців можна знехтувати, в коротких котушках її слід ураховувати.

Отже, процес нагрівання котушок - складне явище. Розподіл температури по котушці нерівномірний як у радіальному напрямі, так і по висоті. Точний розрахунок розподілу температури пов'язаний з непереборними труднощами.

У першому наближенні можна визначити середнє перевищення температури котушки за потужністю, що виділяється в ній, і середнім коефіцієнтом тепловіддачі, користуючись формулою

, (2.38)

де являє собою деяку еквівалентну поверхню, яка враховує ступінь участі зовнішньої Fзов, внутрішньої Fвн і торцевої Fт ср ділянок поверхні в тепловіддачі (тут 1 і 2 - експериментальні коефіцієнти).

Для котушок контакторів і реле постійного струму рекомендується: 2 = 0, а для безкаркасних котушок та для котушок, намотаних на трубі, 1 = 1,7; 2 = 0,9.

Для котушок, намотаних на осердя, 1 = 2,4.

Дійсно, розподіл температури вздовж радіуса котушки буде мати характер, визначений кривою (рис. 2.16, а). Десь усередині котушки на відстані Rм перевищення температури буде максимальним max. На зовнішній і внутрішній поверхнях відповідно 1 і 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.16. Розподіл температур у котушці

Максимальна температура значно перевищує температуру на зовнішній поверхні й трохи - середню температуру котушки.

Якщо знехтувати тепловіддачею з торців, то ізотерми будуть являти собою прямі лінії, паралельні осі котушки. Якщо має місце тепловіддача з торців, то ізотерми будуть мати вигляд, зображений на рис. 2.16, б.

Якщо прийняти, що тепловіддача здійснюється головним чином із зовнішньої поверхні, то без великих огріхів можна вважати:

; (2.39)

; (2.40)

, (2.41)

де - втрати, які припадають на одиницю об'єму котушки;

Р - потужність, яка виділяється в котушці;

е - еквівалентний коефіцієнт теплопровідності;

h, R, r - геометричні розміри котушки.

Для котушок із круглого ізольованого провідника

. (2.42)

Для котушок із прямокутного проводу

. (2.43)

У цих формулах:

і - коефіцієнт теплопровідності матеріалу ізоляції проводу;

d - діаметр проводу без ізоляції;

а і в - розміри проводу без ізоляції відповідно в напрямі осі котушки і в напрямі радіуса котушки;

- товщина ізоляції.

Tepмічнa стійкість апаратів

Під термічною стійкістю апарата розуміють його здатність витримувати без пошкоджень і перегрівання вище за норму термічну дію струмів короткого замикання певної тривалості.

Для апаратів високої напруги прийнятий 10-секундний струм термічної стійкості, тобто апарат має бути розрахований так, щоб він витримував, не перегріваючись і не пошкоджуючись, заданий струм короткого замикання протягом 10 с.

Оскільки завчасно невідомо, де буде встановлений апарат, то величину струму короткого замикання задають, вважаючи її постійною.

Для апаратів низької напруги струм термічної стійкості до останнього часу не нормувався. Ця величина, однак, є досить важливою, особливо для таких апаратів, як автоматичні селективні вимикачі, електромагнітні пускачі тощо, які вимикають струми короткого замикання і струми перевантаження з витримкою часу. Тривалість протікання струму термічної стійкості задається або власним часом спрацьовування апарата (автоматичні вимикачі, пускачі), або визначеним часом - звичайно секунда чи півсекунди.

Знаючи тривалість короткого замикання і припустиме перевищення температури при короткому замиканні, можна з рівняння (2.28) знайти припустиму густину струму термічної стійкості:

, (2.44)

звідки струм термічної стійкості

. (2.45)

Питома припустима температура нагрівання провідників і апаратів. Класи ізоляції

Для забезпечення тривалої надійної роботи апарата температура його деталей не повинна перевищувати деякого певного значення. Температура, за якої гарантується надійна тривала робота апарата і дію якої провідники й деталі можуть тривало витримати без пониження своїх електричних і механічних властивостей, називається питомою припущеною температурою.

Держстандартом (ГОСТ 8865-58) нормуються дві припустимі температури:

а) при номінальному тривалому режимі;

б) при короткому замиканні.

Коротке замикання є короткочасним режимом, і тому нагрівання струмами короткого замикання можна допустити вищим, ніж при тривалому режимі.

Однак це нагрівання не повинне призводити до пониження електричних і механічних властивостей ізоляції та проводів.

Гранично припустима температура для ізольованих провідників і деталей визначається властивостями (класом) ізоляції (табл. 2.2), з якої провідник або деталь виконується, а також міцністю самих провідників, з урахуванням того, що при високих температурах міцність провідникових матеріалів різко знижується (рис. 2.17).

Для неізольованих деталей припустимі температури визначаються тільки механічною міцністю матеріалів, з яких вони виготовлені.

Припустима температура для контактних з'єднань (табл. 2.3) визначається температурою початку інтенсивного окислення контактних поверхнь. Для неструмопровідних деталей, несучих, кріпильних, захисних та ін. припустимі температури визначаються залежно від температури робочих частин, з якими вони працюють, або з умов безпечної експлуатації (наприклад виключення опіків при зіткненні з маховиками, рукоятками, кожухами тощо).

Методи вимірювання температури

Температура деталей апарата може вимірюватися термометром, термопарами, за зміною опору і за розплавленням або зміною кольору деяких плавких речовин.

Вимірювання температури термометром. Ртутний або спиртовий термометр прикладається до місця, де необхідно виміряти температуру. Для зменшення похибки слід забезпечити хороше прилягання термометра до деталі й захистити термометр від теплового випромінювання в навколишнє середовище. З цією метою термометр у місці прилягання до деталі слід будь-чим укрити (азбестовим папером, матерією), однак не слід занадто вкривати це місце, щоб не спотворити справжнє значення температури.

Таблиця 2.2

Позначе-ння класу нагріво-стійкості	Температура, яка характеризує нагрівостійкість матеріалів даного класу, С	Коротка характеристика основних груп електроізоляційних матеріалів, відповідних даному класу нагрівостійкості
У	90	Не просочені та не занурені в рідкий електроізоляційний матеріал волокнисті матеріали з целюлози і шовку, а також відповідні даному класу інші матеріали та інші сполучення матеріалів
А	105	Деякі синтетичні органічні плівки, а також відповідні даному класу інші матеріали та інші сполучення матеріалів
Е	120	Деякі синтетичні органічні плівки, а також відповідні даному класу інші матеріали та інші сполучення матеріалів
В	130	Матеріали на основі слюди (у тому числі на органічних підкладках), азбесту та скловолокна, які застосовуються з органічними зв'язуючими і просочувальними сполуками, а також відповідні даному класу інші матеріали та інші сполучення матеріалів
D	155	Матеріали на основі слюди (у тому числі на органічних підкладках), азбесту та скловолокна, які застосовуються з органічними зв'язуючими і просочувальними сполуками, а також відповідні даному класу інші матеріали та інші сполучення матеріалів
Н	180	Матеріали на основі слюди, азбесту і скловолокна, які застосуються в сполученні з кремнійорганічними зв'язуючими і просочувальними сполуками, кремнійорганічні еластоміри, а також відповідні даному класу інші матеріали та інші сполучення матеріалів
С	Понад 180	Слюда, кремнійорганічні матеріали, скло, кварц, які застосовуються без зв'язуючих сполук чи з неорганічними або елементноорганічними зв'язуючими сполуками, а також відповідні даному класу інші матеріали та інші сполучення матеріалів



Рис. 2.17. Залежність границі міцності металів при розтягненні від температури нагрівання: 1 - мідь (тривалий режим), 2 - мідь (короткочасний режим),

3 - алюміній, 4 - бронза, 5 - сталь

За наявності змінного магнітного поля користуватися ртутним термометром не можна, оскільки поле приводить до появи в ртуті вихрових струмів, викликаючи додаткове нагрівання і підвищені показники термометра. У цьому разі слід застосовувати спиртовий термометр.

Вимірювання термометром дає суттєву похибку і застосовується рідко.

Вимірювання температури термопарами. Якщо нагріти місце з'єднання (спай) двох провідників з різних металів, то на вільних кінцях провідників виникне різниця потенціалів - термоелектрорушійна сила, величина якої зростає зі зростанням різниці температур місця з'єднання і вільних кінців. За величиною ЕРС на вільних кінцях можна виміряти величину цієї температури. Для різних пар металів термоелектрорушійна сила буде різною. Звичайно застосовують пари, які дають за однакових умов більшу термоелектрорушійну силу, наприклад мідь, константан.

Величина термоелектрорушійної сили є нелінійною функцією різниці температур. Тому термопари потребують градуювання, тобто зняття дослідної кривої етерм = f(ф), за якою потім визначається ф = f(е).

Вимірювальний прилад і сама термопара мають якісь кінцеві величини опорів. Показники приладу будуть залежати від величини цих опорів. Тому градуювання термопар і вимірювання повинні проводитися разом з даним приладом (гальванометром).

Для виключення похибок, які вносяться приладом, вимірювання термоелектрорушійної сили краще виконувати компенсаційним методом. Тоді градуювання та вимірювання можуть здійснюватися різними приладами.

При вимірюванні необхідно слідкувати, щоб був забезпечений хороший тепловий контакт термопари з деталлю. Термопари - основний прилад для вимірювання температур струмопровідних частин апаратів (крім витягувальних котушок). При цьому вимірюють перевищення температурою температури навколишнього середовища біля холодних кінців термопар.

Таблиця 2.3

№ поз.	Найменування і виконання контактів	Гранична температура нагрівання	Припустиме перевищення температури за температури навколишнього середовища +35 С
1	Щіткові контакти з міді та її сплавів	70	35
2	Клинові контакти штепселів з міді та її сплавів	70	35
3	Клинові контакти рубильників з міді та її сплавів	90	55
4	Ковзні та стикові масивні контакти з міді та її сплавів	110	75
5	Мідні шини, які мають болтові контактні з'єднання або стискачі, не захищені від корозії в місцях контактів	90	55
6	Те саме, але захищені в місцях контактів шаром полуди або кадмію	100	65
7	Те саме, але захищені в місцях контактів шаром срібла	120	85
8	Мідні шини з контактними з'єднаннями, які виконані за допомогою паяння або зварювання	120	85
9	Ковзні та стикові масивні контакти з впаяними або привареними контактними пластинами зі срібла	120	85
10	Контакти запобіжників	120	85

Визначення температури за зміною величини опору. Цей метод застосовується головним чином для котушок.

Вимірюється опір обмотки в холодному та нагрітому станах і за зміною величини опору визначається середня температура котушки.

Якщо до дослідження обмотка мала температуру навколишнього середовища хол і опір Rхол, а після нагрівання опір змінився до величини Rгар, то на підставі відомого відношення

, (2.46)

можна записати:

;

,

звідки

. (2.47)

Для обмотки з мідного проводу формула (2.47) прийме вигляд

. (2.48)

Перевищення температури дорівнює

. (2.49)

Визначення температури за розплавленням або зміною кольору плавких речовин. При швидкоплинних процесах (коротких замиканнях) немає можливості виміряти температуру деталей і провідників наведеними вище методами через інерційність вимірювальних пристроїв і приладів. У цих випадках доцільно застосовувати плавку речовину або кольорові олівці. На деталь, температуру якої треба виміряти, наноситься плавка речовина або кольорова смужка. За розплавленою речовиною або зміною кольору смужки судять про температуру, тому що температура, за якої дана речовина плавиться або змінює свій колір, завчасно відома. Отже, цей спосіб дозволяє лише встановити, що температура була нижчою або вищою за якесь певне значення.

Непрямий метод визначення сталого перевищення температури

У багатьох випадках дослідне визначення сталого перевищення температури апарата потребує тривалого часу (10 - 20 годин), що пов'язано з великими труднощами та незручностями. У цьому разі стале перевищення температури може бути визначене швидше на підставі частково знятої кривої нагрівання (рис. 2.18). Метод ґрунтується на тому, що являє собою пряму лінію.

Побудову ведуть таким чином:

1) за однакові досить малі проміжки часу t знаходять відповідно зміни перевищення температури 1;

2) ліворуч від осі ординат відкладають у довільно вибраному масштабі на рівні відповідного значення відрізки , і т. д.;

3) кінці відрізків з'єднують прямою лінією.

Точки перетину прямої з віссю ординат визначають - стале перевищення температури, а відрізок на осі d/dt буде дорівнювати .



Рис. 2.18. До визначення сталого перевищення температури непрямим методом

Отже, можна з ділянки кривої нагрівання визначити значення і Т.

Запитання для самостійної підготовки

1. Яким чином слід визначати втрати у провідниках, по яких проходить струм?

2. Від чого залежать втрати в деталях з магнітних матеріалів?

3. Які види передачі тепла ви знаєте?

4. Поясніть процес передачі тепла теплопровідністю.

5. Поясніть процес передачі тепла конвекцією.

6. Поясніть процес передачі тепла випромінюванням.

7. Складіть рівняння теплового балансу.

8. Поясніть графік зміни температури в часі.

9. Поясніть теплові процеси в короткочасному режимі роботи електричного апарата.

10. Поясніть теплові процеси в повторно-короткочасному режимі роботи електричного апарата.

11. Складіть рівняння теплового балансу в режимі короткого замикання.

12. Поясніть процес передачі тепла через плоску стінку.

13. Поясніть особливості процесу нагрівання котушок.

14. Як визначається термічна стійкість електричних апаратів?

15. Назвіть класи нагрівостійкості.

16. Які методи вимірювання температури ви знаєте?

Размещено на Allbest.ru

...