Глава VII ТЕРМИЧЕСКОЕ И ДИНАМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКОВ НА ПРОВОДНИКИ
§ 24. Нагрев проводников токами
Прохождение электрического тока по проводнику сопровождается выделением в нем тепла и нагревом проводника.
Снижение временного сопротивления на растяжение большинства проводников наступает при повышении температуры до 200—300° С. При повышении температуры проводника выше 70—75° С происходит интенсивное окисление контактных поверхностей. Это вызывает увеличение переходных сопротивлений в контактах, что, в свою очередь, вызывает еще большее увеличение нагрева.
Нагрев проводников, имеющих изоляцию, приводит к ухудшению ее изолирующих свойств, уменьшению срока службы, а при высокой температуре изоляция полностью разрушается. Например, изоляция класса А (хлопчатобумажное волокно, шелк, бумага) допускает предельную температуру нагрева 150° С.
Наибольшая допустимая температура для аппаратов высокого напряжения приведена в табл. 24-1.
Таблица 24-1
Наибольшие допустимые температуры и превышение температуры для аппаратов высокого напряжения (ГОСТ 8024—56)
Части аппаратов | Наибольшая температура, ° С | Превышение температуры, ° С |
Голые провода и шины, не соприкасающиеся с изоляционными частями . | 110 | 75 |
Провода и шины, изолированные или соприкасающиеся с изоляционными материалами: |
|
|
изоляция класса А . | 105 | 70 |
изоляция класса В | 130 | 95 |
Неподвижные и подвижные контакты | 75 | 40 |
Кабели с бумажной пропитанной изоляцией: |
|
|
напряжением до 3 кВ . | 80 |
|
то же, до 6 кВ . | 65 |
|
до 10 кВ | 60 | — |
до 35 кВ . | 50 | — |
Нормы допустимых температур, по существу, определяют номинальную мощность аппаратов и машин, имеющих обмотки. Превышение номинальных нагрузок вызывает сокращение срока службы изоляции. Например, повышение температуры изоляции класса А до 140° С сокращает срок работы до 100 сут., а при 170° С до 10 сут., в то время как нормальный срок амортизации составляет 15—25 лет.
Длительное протекание тока в проводнике приводит к режиму установившейся температуры проводника. В этом режиме количество выделяющегося в проводнике тепла равно количеству тепла, рассеивающегося в окружающее пространство за счет теплоотдачи.
Энергия, нагревающая проводник,
В окончательном виде уравнение превышения температуры нагрева проводника от начального до установившегося значения будет
(24-6)
Зависимость превышения температуры проводника при нагреве и охлаждении от времени включения тока и с момента отключения тока показана на рис. 24-1, а и б. Постоянные времени нагрева шин приведены в табл. 24-2.
Рис. 24-1. Зависимость превышения температуры проводника от времени при нагреве и охлаждении:
а — нагрев; б — охлаждение
Таблица 24-2
Постоянные времени τ нагрева шин
Сечение, мм2 | Т, мин | |
| алюминий | |
25Х 3 | 1,3 | 5,8 |
50χ 6 | 14,0 | 11,0 |
100х10 | 20,0 | 15,8 |
§ 25. Тепловой расчет проводников при длительном токе
Для установившейся температуры проводника при длительном протекании тока справедливо уравнение
(25-1)
где — установившаяся температура проводника, °C;
θ0 — температура окружающей среды, ° С.
Если заменить установившуюся температуру проводника предельно допустимой
(см. табл. 24-1), то значение номинального тока можно определить из уравнения
(25—2)
Температура окружающей среды θ0 принимается для электрических машин, трансформаторов и электрических аппаратов +35° С, для сборных шин электроустановок +25° С.
Коэффициент теплоотдачи k в воздухе при естественной циркуляции со скоростью 0,2—0,3 м/сек для плоских медных и алюминиевых шин можно принять (0,6—0,9)10-3 Вт/см2-град.
При погружении проводников в трансформаторное масло- коэффициент теплоотдачи увеличивается примерно в 5 раз.
Тепло с поверхности проводника передается в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией.
Лучеиспускание переносит с поверхности проводника следующее количество тепла, определяемое по формуле Стефана и Больцмана,
, (25-3)
где
— температура поверхности проводника и окружающей среды, ° С;
ε — постоянная лучеиспускания (табл. 25-1).
Таблица 25-1
Постоянная лучеиспускания ε
Постоянная лучеиспускания ε окрашенных проводников выше, чем неокрашенных, поэтому окраска медных шин позволяет увеличить ток нагрузки на 15%, а алюминиевых — на 25%.
Свободная конвекция происходит при соприкосновении нагретого проводника с менее нагретым газом или жидкостью. Частицы газа или жидкости воспринимают тепло нагретого тела и, перемещаясь в пространстве, отдают его окружающей среде.
Для шин, установленных горизонтально на ребро, количество тепла, передаваемого от нагретого тела в окружающую среду, составит
(25-4)
При применении искусственной циркуляции воздуха теплоотдача значительно увеличивается. Например, при движении воздуха вдоль проводника со скоростью 2 м/сек теплоотдача увеличивается в 3 раза.