Нагрев проводников и аппаратов при длительном протекании тока. (Потери мощности, наибольшие допустимые температуры, классы изоляции)

При прохождении тока через токоведущие части электрических установок и аппаратов, в особенности в местах переходных контактов, происходит потеря электрической энергии вследствие наличия активного сопротивления. Потерянная энергия выделяется в виде тепловой энергии, которая, согласно закону Джоуля- Ленца пропорциональна квадрату тока и сопротивлению проводника и времени прохождения тока:

W= 0, 24· I^2· R· t.

Потери активной мощности при прохождении тока по электрической сети вы-званы расходом энергии нагрев проводников и аппаратов и равна: Р=I² R.

Температура проводника, аппарата при длительном протекании тока не должна превышать соответствующие допустимые значения, определяемые нагревостойкостью изоляции, требованием надежной работы контактов и другими соображениями.Для каждого сечения провода существует максимально допустимый ток при длительном протекании которого по проводнику устанавливается длительно допустимая температура нагрева, для электрических аппаратов – это их номинальный ток, указанный заводом-изготовителем.

Для обеспечения надежной работы контактов и проводников, недопущения чрезмерного нагревания изолированных частей аппаратов, к которым они примыкают, недопущения возможности образования в КЛ воздушных включений, которые возникают при более высокой температуре вследствие ее периодического изменения, допустимые температуры проводников и аппаратов при длительном протекании тока нормируются.

В соответствии с ПУЭ установлены следующие наибольшие допустимые температуры проводников и аппаратов в нормальном режиме:

Проводники и аппараты	Доп.t, °С
Неизолированные провода и шины
Кабели с бумажной изоляцией напряжением до 3кВ включительно
6кВ
10кВ
20 и 35кВ
Провода, шнуры, кабели с резиновой, поливинилхлоридной или пластмассовой изоляцией
Неразмыкаемые контакты аппаратов в воздухе, выполненные из: Алюминия, меди и их сплавов Алюминия с покрытием серебром Меди с покрытием серебром
Размыкающие контакты в воздухе
Болтовые соединения шин из алюминия, меди и их сплавов
Масло трансформаторное: в выключателях в трансформаторах, изоляторах

Электроизоляционные материалы принято разделять на семь классов по нагревостойкости (способность материала сохранять свои изоляционные свойства при воздействии нормированной температуры в течение нормального срока эксплуатации электрооборудования).

ГОСТом 8865-58 установлены следующие классы электроизоляционных материалов и соответствующие им предельно допустимые температуры:

Класс	Доп.t, °С	Основные группы электроизоляц.материалов
У		Волокнистые мат-лы из целлюлозы, хлопка и нат.шелка, непропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляц. материал
А		Волокнистые мат-лы из целлюлозы, хлопка или натурального, искусств.и синтетического шелка, в рабочем состоянии пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляц. материал
Е		Синтетич. органич. мат-лы (пленки, волокна, смолы, компаунды и др)
В		Мат-лы на основе слюды, асбеста, и стекловолокна, применяемые с органич. связующими и пропитывающими составами
F		Мат-лы на основе слюды, асбеста, и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетич. связующими и пропитывающими составами, соответствующими данному классу нагревостойкости
H		Мат-лы на основе слюды, асбеста, и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры
С	Свыше 180	Слюда, керамические материалы, стекло, кварц или их комбинации, применяемые без связующих или с органическими и элементоорганическими составами. Температура применения этих материалов определяется их физич., химич., механич. и электрич. свойствами.

Вопрос 20

Условия нагрева токоведущих частей при длительном протекании тока (основное уравнение нагрева проводника)

 

 

Скорость нарастания температуры проводника при нагреве током зависит от соотношения между количеством выделяющегося тепла и интенсивностью его отвода, а также теплопоглощающей способности проводника.

Количество тепла, выделенного в проводнике в течение времени dt, будет составлять

где I - действующее значение тока, проходящего по проводнику, А; R_а - активное сопротивление проводника при переменном токе, Ом; Р - мощность потерь, переходящих в тепло, Вт.

Часть этого тепла идет на нагрев проводника и повышение его температуры, а остальное тепло отводится с поверхности проводника за счет теплоотдачи.

Энергия, идущая на нагрев проводника, равна

где G - вес токоведущего проводника, кг; с -удельная теплоемкость материала проводника, вт·сек/кг·град; Θ - перегрев - превышение температуры проводника по отношению к окружающей среде:

ϑ и ϑ ₀ - температуры проводника и окружающей среды, °С.

Энергия, отводимая с поверхности проводника в течение времени dt за счет теплоотдачи, пропорциональна превышению температуры проводника над температурой окружающей среды:

где К - общий коэффициент теплоотдачи, учитывающий все виды теплоотдачи, Вm/см² °С; F - поверхность охлаждения проводника, см²,

Уравнение теплового баланса за время неустановившегося теплового процесса можно записать в следующем виде:

или

или

Решение этого дифференциального уравнения нагрева проводника будет

где А - постоянная интегрирования, зависящая от начальных условий.

Тогда для t = 0, когда Θ = 0, получаем

и

Подставляя значение постоянной интегрирования А в уравнение теплового баланса за неустановившегося теплового процесса, получаем

Это уравнение дает температуру проводника в любой момент времени t с начала прохождения тока.

Величина установившегося перегрева может быть получена, если в уравнении нагрева принять время t =∞ :

где ϑ _y - установившаяся температура поверхности проводника; Θ _y -установившееся значение превышения температуры проводника над температурой окружающей среды.

На основании этого уравнения можно написать, что

Отсюда видно, что при достижении установившегося режима все выделяющееся в проводнике тепло будет отдаваться в окружающее пространство.

Вводя в основное уравнение нагрева Θ _y и обозначая через получим то же уравнение в более простом виде:

Величина T- постоянная времени нагрева - отношение теплопоглощающей способности тела к его теплоотдающей способности. Она зависит от размеров, поверхности и свойств проводника или тела и не зависит от времени и температуры. Для данного проводника или аппарата эта величина характеризует время достижения установившегося режима нагрева и принимается за масштаб измерения времени на диаграммах нагрева.

Хотя из уравнения нагрева следует, что установившийся режим наступает через неограниченно длительное время, на практике время достижения установившейся температуры принимают равным (3-4)·T, так как при этом температура нагрева превышает 98% своего окончательного значения Θ _y.

Постоянную времени нагрева для простых токоведущих конструкций можно легко вычислить, а для аппаратов и машин она определяется путем тепловых испытаний и последующих графических построений. Постоянная времени нагрева определяется как подкасательная ОТ, построенная по кривой нагрева, а сама касательная ОВ к кривой (от начала координат) характеризует подъем температуры проводника при отсутствии теплоотдачи.

 

Вопрос 21

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: