Материал: Пособие Теория электрических аппаратов

3.2.4.Нагрев элементов электрического аппарата вследствие нагрева электрической дуги

Вкоммутационных электрических аппаратах процесс размыкания электрической цепи сопровождается горением электрической дуги. Температура электрической дуги в зависимости от напряжения и тока может составлять значение от 3000°C до 20000°C. Процесс отключения сопровождается повышением температуры проводников и контактов, где горит дуга и дугогасительных камер. Нагрев может оказаться существенным при частых коммутациях.

3.3.Передача тепла в электрических аппаратах

Впроцессе работы электрических аппаратов тепло от наиболее нагретых участков передаётся к менее нагретым. Существует три вида передачи тепла:

1. Теплопроводность – это процесс, который наблюдается в соприкасающихся телах: теплота передаётся непосредственно через материал от более нагретого к менее нагретому телу.

2. Конвекция - это процесс передачи тепла в результате движения молекул в жидкой и газообразной среде.

3. Тепловое излучение – это процесс передачи тепла с поверхности тела через пространство в виде электромагнитных волн.

Количество теплоты, выделяемое всеми видами тепла, можно определить по формуле Ньютона:

где S – площадь нагретой поверхности проводника, м2; - коэффициент теплообмена, Вт/м2·К; - превышение температуры ( = − ), ºС.

Коэффициент теплообмена численно равен мощности, отдаваемой нагретой поверхности в 1 м2 окружающий среде при разности температуры нагретой поверхности и окружающей среде в 1°C. Формула для расчета количества теплоты может быть записана в форме, схожей записи закона Ома:

где - сопротивление тепловому потоку;

– превышение температуры (аналог напряжения); Q – количество теплоты (аналог тока).

30

3.4. Нагрев электрических аппаратов при различных режимахработы

3.4.1. Нагрев при продолжительном режиме работы

Количество тепла, выделяемое при нагреве электрического аппарата можно рассчитать с помощью дифференциального уравнения теплового баланса:

где P - потери активной мощности в проводнике, Вт; m - масса проводника, кг;

c - теплоемкость проводника, Дж/К; S - площадь проводника, м2;

- превышение температуры ( = факт. − ок.с.), ºС;

Pdt - количество тепла выделяемое при протекании электрического тока;

-тепло идущие на нагрев тела;

-тепло отдаваемое в окружающую среду.

Будем считать, что Р=const, тогда для длительного режима уравнение теплового баланса примет следующий вид:

где T – постоянная времени нагрева, подставим ее в формулу 3.15 и тогда выражение примет следующий вид:

где - начальное превышение температуры, ºС.

Эта формула является уравнением теплового баланса при длительном режиме работы.

Процесс нагрева и охлаждения в проводнике (P=const) приведен на рис. 3.7.

Теоретически время достижения установившейся температуры равно бесконечности. Если задаться 2%-точностью, то можно считать, что для достижения установившегося превышения температуры ( уст) необходимо время:

31

Рис. 3.7. Переходный процесс нагрева и охлаждения

Допустим, время нагрева равно постоянной времени нагрева (t=T), а начальное превышение температуры равно нулю ( = 0). В этом случае формула примет вид:

ры τ достигнет значения 0,632τуст.

Если время работы окажется равным сумме двух постоянных времени нагрева (t=2T), а начальное превышение температуры так же равно

3.4.2.Нагрев при кратковременном режиме работы

Кратковременный режим работы - это режим работы, при котором время включения меньше четырех постоянных времени нагрева, а время паузы во много раз больше: вкл < 4 ; паузы 4 .

32

Очевидно, что при кратковременном режиме работы допустимая величина тока электрического аппарата может быть принята больше чем

Если принять, что максимально превышение температуры в кратковременном режиме не должно превышать значение установившегося превышения температуры в длительном режиме ( = уст), то можно записать:

Таким образом, получаем выражение для коэффициента перегрузки по мощности КР в кратковременном режиме работы электрического аппарата:

Так как мощность потерь пропорциональна квадрату тока I2, то коэффициент перегрузки по току КI в кратковременном режиме равен:

1 = Р = кр. . (3.24)

1−

При конструировании электрических аппаратов предназначенных для работы в кратковременном режиме стремятся увеличить постоянную времени нагрева (Т), так как с ее увеличением коэффициенты перегрузки по току и мощности ( р, ) примут бóльшие значения.

33

Рис. 3.8. Кривые нагрева при кратковременном режиме работы

3.4.3.Нагрев аппарата при повторно-кратковременном режимеработы

Повторно-кратковременном режим работы - это режим работы, при котором время включения и время паузы меньше четырех постоянных

времени нагрева: вкл < 4 ; паузы < 4 .

Коэффициент перегрузки по мощности в повторно - кратковременном режиме работы электрического аппарата определяется с учетом продолжительности включения:

Коэффициент перегрузки по току в повторно-кратковременном режиме работы электрического аппарата:

34