Материал: Пособие Теория электрических аппаратов

Способность аппарата выдерживать кратковременное тепловое воздействие тока короткого замыкания без повреждений, препятствующих дальнейшей исправной работе, называется термической стойкостью.

В общем случае допустимая температура токоведущих частей аппарата ( доп), определяется следующими свойствами:

1. Свойствами изоляции.

Для аппаратов имеющих изолированные токоведущие части, доп определяется классом используемой изоляции (табл. 3.1).

Таблица 3.1 Классы нагревостойкости изоляции электрических аппаратов

2. Механическими свойствами металлов токоведущих частей.

При отсутствии изоляции предельно допустимая температура ограничивается лишь температурой плавления металла (θпл.Al=660°C; θпл.Cu=1085°C). Необходимо учитывать изменение механической прочности металла при значительном повышении температуры. Например, с увеличением температуры со 100°C до 200°C механическая прочность меди уменьшается на 40%.

3. Свойствами контактных соединений (частей).

Контакт – это место перехода тока с одного проводника на другой. С увеличением температуры контактов происходит увеличение слоя окисных пленок на поверхности контактов, что ухудшает их проводниковые свойства. В частности, происходит увеличение сопротивления контактов

25

и повышение выделения тепла, что в некоторых случаях может привести к обрыву цепи.

Для контактов, выполненных из меди и из серебра, предельно допустимые превышения температуры над температурой окружающей среды составляют 55 °C и 200 °C соответственно.

Превышение температуры доп определяется по формуле:

тов определяется не температурой нагрева, а её превышением над температурой окружающей среды ( ос.). Максимальное значение температуры окружающей среды для умеренного климата составляет 40 °C, тропического - 50°C.

Если постоянное значение температуры окружающей среды отличается от указанных значений, то необходимо снижать нагрузку на электрический аппарат за счет снижения величины тока.

3.2. Источники тепла в электрических аппаратах

Причинами повышения температуры являются потери энергии в различных элементах электрического аппарата:

1.В токоведущих частях электрического аппарата.

2.В диэлектриках (изоляции).

3.В ферромагнитных материалах электрического аппарата.

4.Механические потери (нагрев электрических аппаратов в результате трения).

5.Потеря энергии при горении дуги.

3.2.1.Потери в проводниках

Потери в токоведущих частях определяются законом Джоуля Ленца:

Удельное сопротивление проводника определяется по сложной нелинейной зависимости типа:

= (1+ + + )

26

Поэтому на практике используют упрощенную формулу:

где - удельное сопротивление окружающей среды, α - коэффициент пропорциональности.

Если ~ - активное сопротивление переменному току, то оно определяется следующим образом:

где Кдп – коэффициент дополнительных потерь; Кпэ - коэффициент поверхностного эффекта; Кэб - коэффициент эффекта близости.

Поверхностный эффект заключается в неравномерном распределении плотности тока по объему проводника. Переменный ток, протекая по проводнику, создаёт переменное магнитное поле, которое пронизывает проводник и наводит в нем ЭДС. Эта ЭДС создаёт вихревые токи (токи Фуко), поле которых геометрически складывается с основным магнитным потоком. В результате этого наибольшая плотность тока будет на поверхности проводника. Значение Кпэ > 1 и его величина увеличивается с ростом частоты тока.

Эффект близости заключается во взаимном влиянии магнитных полей проводников, расположенных рядом друг с другом, на токи, протекающие в этих проводниках. Вследствие этого, плотность тока по сечению также неравномерна. Коэффициент эффекта близости представляет собой отношение активного сопротивления проводника находящегося в магнитном поле других проводников к сопротивлению уединённого проводника:

~уед

С ростом частоты коэффициент эффекта близости увеличивается. В трехфазных системах, как правило, имеет место минимальное рас-

стояние между фазами, при этом эффект близости можно не учитывать. Так, при цилиндрических проводах Кэб=1, если расстояние между фазами больше 6-ти диаметров провода (D≥6d).

Таким образом, два описанных эффекта существенно влияют на сопротивление проводников и величину потерь в них.

3.2.2. Потери в диэлектриках (изоляции)

Изоляция проводов и изолирующие детали являются диэлектриками. Потери в диэлектриках можно определить по формуле:

27

Гистерезис – это явление, которое характеризует отставание магнитной индукции В при изменении напряженности магнитного поля Н

(рис. 3.6).

Общие потери в стали можно рассчитать по следующей формуле:

ст = г ∙ + в ∙ ∙ , (3.11)

где Вm – максимальное значение магнитной индукции в магнитопроводе Тл;

aг и aв - коэффициенты потерь от гистерезиса и вихревых токов (для трансформаторных сталей aг=1,9…2,6; aв=0,4…1,2);

f – частота тока, Гц;

G – масса магнитопровод, кг.

Для уменьшения потерь в магнитопроводе электрического аппарата, они выполняются шихтованными из тонких изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0,2-0,5 мм.

Для уменьшения потерь в массивных ферромагнитных деталях предусматривают следующие конструктивные меры:

1.Увеличивают расстояние от проводника с током до ферромагнитных деталей.

2.На пути магнитного потока вводится немагнитный зазор.

3.При номинальных токах выше 1000 А конструкционные детали электрического аппарата изготавливаются из немагнитных материалов (латунь, немагнитный чугун, алюминиевые сплавы).

B,Тл

Bост.

Частная петля

Кривая

намагничивания

Max петля

-Bост.

Рис. 3.6. Петля гистерезиса

29