П1.1. Воздействие повышенной температуры

Воздействие повышенной температуры приводит к изменению физико-химических и механических свойств материалов и элементов, что вызывает изменение электрических и механических параметров аппаратуры. Известно, что большое место в конструкциях различных электрических устройств и элементов занимают электроизоляционные материалы. В зависимости от физической структуры они бывают кристаллическими и аморфными. При воздействии тепла на аморфные вещества переход их из твердого состояния в жидкое происходит постепенно, в диапазоне температур, а не скачком, как у кристаллических веществ.

Изменение температуры электроизоляционных материалов приводит к изменению следующих их основных электрических характеристик:

ε - диэлектрической проницаемости,

ρ – удельного сопротивления.

ρ _V - объемного сопротивления.

σ - поверхностного сопротивления,

tg δ – угла диэлектрических потерь.

U_{ПР –} электрической прочности.

Одновременно изменяются и их механические свойства. Зависимость проводимости твердых диэлектриков от температуры может быть выражена следующей зависимостью -

где γ ₀ и В - постоянные величины, характерные для данного диэлектрика; Т - абсолютная температура. Соответственно величина удельного сопротивления определяется по формуле

Зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь от температуры имеет сложный характер и определяется состоянием вещества, наличием или отсутствием в диэлектрике дипольной поляризации, а также частотой приложенного переменного электрического поля. На рисунке П1.1. приведены зависимости ε = f(T) и tgδ = f(T) для жидких дипольных диэлектриков.

Если потери в диэлектрике определяются только током проводимости, то зависимость tgδ от температуры определяется выражением

где f -частота, Гц; γ ₀ - объемная удельная проводимость [ом∙ см] при нормальной температуре; А - постоянная величина, характерная для данного диэлектрика.

Электрическая прочность характеризуется величиной пробивного напряжения, приложенного к диэлектрику.

Пробой, возникающий в результате нарушения теплового равновесия, принято называть тепловым пробоем. Величина пробивного напряжения в зависимости от температуры изменяется по экспоненциальному закону

где К - постоянная величина, характеризующая свойство данного диэлектрика при определенной частоте подводимого напряжения; а - температурный коэффициент электрической проводимости; d - толщина диэлектрика.

Однако, хотя приведенная формула хорошо подтверждается экспериментально, она не позволяет произвести практические расчеты из-за невозможности количественного определения постоянной величины К. На основании теории теплового пробоя, были выведены формулы для вычисления пробивного напряжения:

для постоянного напряжения,

для переменного напряжения;

где Кд — коэффициент теплопроводности электродов, с помощью которых напряжение прикладывается к диэлектрику; а - температурный коэффициент электрической проводимости; γ ₀ - проводимость при температуре диэлектрика t₀, ε - диэлектрическая проницаемость; f – частота; φ — функция от величины

где К₀ - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; Кэ - коэффициент теплопроводности; h - толщина диэлектрика; А - толщина электрода. Значения φ (С) приведены на графике (рисунок П1.2.).

Теория электрического пробоя и экспериментальные данные показывают, что у большинства диэлектриков электрическая прочность в определенном температурном интервале остается неизменной и далее уменьшается по экспоненциальному закону (рисунок П1.3.).

Некоторое увеличение электрической прочности у ряда диэлектриков при небольшом нагреве объясняется удалением влаги из диэлектрика. При превышении предельно допустимых тем­ператур нагрева имеет место физическое разрушение материала. С ростом температуры диэлектриков ухудшаются и их механические характеристики, такие как прочность при сжатии, растяжении, изгибе, ударная вязкость, твердость и эластичность. Следует отметить, что электроизоляционные свойства диэлектриков сильно зависят от их строения. Так, свойства неполярных пластиков (полиэтилена, полистирола, дивинильного каучука и т. д.) мало зависят от температуры, в то время как свойства полярных диэлектриков существенно зависят от температуры. На повышение температуры различно реагируют также термореактивные и термопластические материалы.

Способность изоляционных материалов противостоять воздействию тепла характеризуется теплостойкостью и нагревостойкостью. Невысокой теплостойкостью обладают материалы органического происхождения, в которых под действием тепла возникают необратимые физико-химические процессы, приводящие к изменению структуры. Результаты исследований показывают, что с повышением температуры изоляции из органических диэлектриков на 10…12°С, вдвое увеличивается степень теплового износа и соответственно вдвое сокращается продолжительность срока службы изоляции.

При одновременном действии тепла и механических воздействий многие материалы легко деформируются. У ряда материалов при нагреве имеет место химическое разложение и старение, приводящие к изменению электрических характеристик.

Повышение температуры металлов также приводит к изменению их электрических и физических параметров. Известно, что повышение температуры вызывает увеличение их сопротивления.

Зависимость величины удельного сопротивления от температуры можно выразить следующим уравнением:

где ρ _t и ρ ₀ - величины удельных сопротивлений при температурах t и t₀ соответственно; величина α является температурным коэффициентом удельного сопротивления (иногда его обозначают ТКР).

Изменение электрического сопротивления материалов, из которых изготовляют проводники, приводит к необходимости учета температурного коэффициента электрического сопротивления.

Аналогично с изменением сопротивления под воздействием температуры меняется величина магнитного потока постоянного магнита. Величиной, которая учитывает изменение магнитного потока магнита в зависимости от температуры, является температурный коэффициент – α.

Магнитный поток при любой температуре Ф_t можно выразить через магнитный поток при известной начальной температуре Ф₀:

Температурный коэффициент α может быть как положительным, так и отрицательным. При положительном α магнитный поток увеличивается при увеличении температуры, а при отрицательном - уменьшается. Значение коэффициента α зависит от формы и размера магнитопровода, величины магнитной индукции и температурного диапазона.

Изменение температуры магнитодиэлектриков приводит к изменению их магнитной проницаемости. Это свойство количественно оценивается температурным коэффициентом β, под которым понимается относительное изменение величины магнитной проницаемости на один градус изменения температуры:

Величина β может быть также положительной или отрицательной. Обычно она колеблется в пределах

В меньшей степени изменению температуры подвержены постоянные литые магниты, но и в них при повышении температуры имеет место увеличение потерь магнитной энергии. Так, в постоянных магнитах изготовленных из стали с 6% вольфрама, при повышении температуры до 100°С потери могут доходить до 10%, а в сталях с 35% кобальта при тех же условиях только 1…2%. Магнитные стали, прошедшие искусственное старение, менее чувствительны к изменению температуры, чем не проходившие.

Расширение металлов при нагревании может приводить к изменению размеров деталей, к уменьшению прочности и упругости. Нагрев устройства зависит от скорости распространения тепла по конструкции, которая определяется теплопроводностью материала. Известно, что теплопроводность металлов высока, хотя и меняется в больших пределах для различных металлов.

Различие значений коэффициентов линейного расширения металлов и пластмасс приводит к образованию воздушных каналов внутри герметизированных узлов и блоков, по которым может проникать влага или газ. У заливочных материалов коэффициент линейного расширения в 4…5 раз больше, чем у сопрягаемых с ними металлов.

Воздействие солнечной радиации и нагрев аппаратуры зависят от состояния поверхности кожуха. Известно, что излучение тепловой энергии нагретым телом определяется его геометрией, взаимным расположением и свойствами поверхностей конструкции.

При падении солнечных лучей на поверхность устройства под прямым углом, температура внутри него, при серебряной окраске, увеличивается на 12…20°С, а при зеленой на 25…35°С. Влияние прямых солнечных лучей также приводит к изменению физико-химических свойств покрытий, оболочек кабелей, деталей из диэлектриков.

Повышение температуры среды влияет на работоспособность и интенсивность отказов различных электро- и радиоустройств. Все элементы можно разделить на термически активные (тепловыделяющим) и пассивные (не тепловыделяющим). К термически активным относятся элементы, рассеивающие тепло при своей работе. Это электронные лампы, мощные транзисторы, трансформаторы, мощные резисторы, электродвигатели и т. д. К термически пассивным относятся элементы, которые почти не рассеивают тепла, но в большинстве своем сами чувствительны к воздействию тепла. Это конденсаторы, катушки индуктивности, маломощные полупроводниковые приборы и т. д.

Воздействию тепла очень сильно подвержены полупроводниковые приборы, которые при нагреве меняют свои параметры, а подчас выходят из строя. Их верхние термические пределы гораздо ниже пределов эквивалентных ламп.

Нагрев обмоток трансформаторов, дросселей и электродвигателей приводит к размягчению пропиточных и заливочных материалов, что увеличивает возможность электрического пробоя. Увеличение температуры различных механизмов вызывает уменьшение вязкости смазок и одновременное расширение металлов, что приводит к перегреву механических элементов, заклиниванию и заеданию подвижных частей, выходу из строя подшипников и т. д.

 

⇐ Предыдущая17181920212223242526Следующая ⇒

Поделиться: