Главная » Книги и журналы

1 2 3 4 5 6 7 ... 30

максимум в три раза, потери же в проводнике возрастают в сотни раз. Таким образом, теплоотдача составит только 1 - 3 % от всей вьщеляемой в проводнике энергии, и можно считать, что вся энергия идет на его нагревание. Уравнение теплового баланса (3-14) в таком случае примет Вид

PdtGc dx, (3-34)

dx =

dt =

(3-35)

где i - мгновенный ток; р - удельное сопротивление; у - плотность материала проводника; с - удельная теплоемкость; s - сече-

ние проводника; k, - коэффициент дополнительных потерь.

Принщ^пиально рис являются переменными величинами, зависящими от температуры. Переменной величиной во времени является и ток короткого замыкания. Однако для упрощения расчета можно принять эти величины постоянными. При этом значения рис следует брать для температуры нагретого проводника. Тогда


Конец

(3-36)

Рис. 3-9. Нагрев однородного проводника при коротком замыкании АВ - процесс нагревания при номинальном токе, ВС - то же, при коротком замыкании, CD - охлаждение

где Хд - превышение температуры проводника над температурой окружающей среды в момент начала короткого замыкания; J - плотность тока.

Нагрев проводника при коротком замыкании происходит практически по закону, показанному прямой на рис. 3-9. Охлаждение проводника после отключения короткого замыкания происходит по тем же законам, что и при нормальных режимах [см. выражение (3-20)].

3-7. НАГРЕВ ПРОВОДНИКА ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Возьмем проводник сечения s, имеющий на участке 1, сужение сечения Si < S (рис. 3-10). При протекании тока по такому проводнику потери мощности в единице длины на участке с сечением Sj будут больше, чем потери в единице длины на участке с сечением s. К тому же поверхность теплоотдачи с единицы длины на участке с сечением Sj меньше, чем на участке с сечением s. Это приведет к тому, что участок с сечением Sj < s будет иметь более высокую температуру, чем остальные части проводника. От этого участка теплота будет отдаваться менее нагретым частям проводника в направлении х. Если принять, что участок 1, имеет одинаковую температуру вдоль всей своей длины, то температура вдоль проводника определится кривой на рис. 3-10, а.

Превышение температуры на участке 1,

Jlpl,s,+2Xa£s

X/. =

IXsa + KFJi

(3-37)



где J и Ji - плотности токов на участках с сечениями s и Sj соответственно; F и f 1 - охлаждающие поверхности проводника на единицу длины на участках с сечениями s и соответственно; А, - коэффициент теплопроводности; - коэффициент теплоотдачи; р - удельное сопротивление;

к^ Xs

Превышение температуры вдоль проводника с сечением s определяется уравнением

k,F 1 1 k,F

(3-38)



Рис 3-10 Распределение температуры по проводнику переменного сечения (а) и в контактном соединении (б)

Уравнения (3-37) и (3-38) могут быть также использованы для определения превышения температуры в контактах (рис. 3-11,6). В этом случае надо в (3-37) произведение Jjphsi заменить произведением PR ep (Rnep - переходное сопротивление контакта) и принять Fj = 0.

Уравнение (3-37) тогда перепишется так:

/Хер+2

llsa

(3-37а)

Распределение температуры вдоль контакта определится кривой на рис. 3-10,6.

3-8. НАГРЕВ КАТУШЕК

Катушка электрических аппаратов представляет собой неоднородное тело, состоящее из проводника, изоляции р прослоек воздуха или пропитывающего материала (лак, компаунд). Теплота, выделяемая во всем объеме катушки, должна проходить к поверхности через материалы с разной теплопроводностью. Естественно, что в разных слоях катушки будут и разные температуры. Внутри катушки температура будет выше, чем на поверхности. Чем монолитнее катушка, тем лучше теплопроводность между слоями и тем меньше будет разность температур между наружной поверхностью и внутренними слоями. Пропитка и компаундирование повышают общую теплопроводность катушки, а тем самым и теплоотдачу на 5-10%.



Разные участки поверхности катушки в разной степени участвуют в теплоотдаче. Наружная боковая поверхность, как правило, бывает открытой и является основной теплоотдаюшей поверхностью. Теплоотдача с нее происходит главным образом за счет естественной конвекции. Внутри катушки проходит сердечник. Из-за малых зазоров между сердечником и катушкой конвекция здесь сильно затруднена, но когда сердечник плотно прилегает к катушке, то теплоотдача с внутренней поверхности катушки идет за счет теплопроводности. Теплоотдача зависит от плотности прилегания катушки к сердечнику, от размера теплоотдаюшей поверхности магнитопровода. Торговые поверхности катушки обычно закрыты изоляционными крепежными деталями с низкой теплопроводностью. В длинных катушках теплоотдачей с торцов можно пренебречь, в коротких катушках ее следует учитывать

Таким образом, процесс нагрева катушек представляет собой сложное явление. Распределение температуры по катушке неравномерно как в радиальном направлении, так и по высоте. Точный расчет распределения температуры связан с большими трудностями.

В первом приближении можно определить среднее превышение температуры катушки по вьщеляюшейся в ней мошности

и среднему коэффициенту теплоотдачи, пользуясь уравнениями (3-27) или (3-27а):

(3-39)


Рис 3-11 Распределение температур по катушке

Сует ср -

СрЭКЕ

1 + а

ср-экв

где /о и Rq - ток и сопротивление холодной катушки, а f

нар

+ Ргтори представляет собой некоторую эквивалентную поверхность, учиты-ваюшую степень участия наружного f ар, внутреннего F и торцового Ftopu участков поверхности в теплоотдаче (здесь Pi и Рг - экспериментальные коэффициенты). Для катушек контакторов и реле постоянного тока рекомендуется: Р2 = 0;

Pi = 0,9 - для бескаркасных бандажированных катушек; Pi = 1,7 - для катушек, намотанных на трубу; Pi = 2,4 - для катушек, намотанных на сердечник.

В действительности распределение температуры вдоль радиуса катушки будет иметь характер, определяемый кривой на рис. 3-11, а. Где-то внутри катушки на расстоянии г„ превышение температуры будет максимальным t , на наружной и внутренней поверхностях - соответственно ii и Тг- Максимальная температура значительно превосходит температуру на наружной пов^х-ности и немного превосходит среднюю температуру катушки.

Если пренебречь теплоотдачей с торцов, то изотермы будут представлять собой прямые линии, параллельные оси катушки. Если происходит теплоотдача с торцов, то изотермы будут иметь вид, изображенный на рис. 3-11,6.

Если принять, что теплоотдача осушествляется главным образом с наружной поверхности, то без больших погрешностей можно считать

Xi =

(3-40)



-Сг-Стах; (3-41)

т^ах = + {ri + rl) - rl In , (3-42)

где q = --j7- - потери, приходящиеся на единицу объема катушки', Р -

Пп (Г1 - Гг)

мощность, выделяемая в катушке; Х^в - эквивалентный коэффициент теплопроводности; h, ги г2 - геометрические размеры катушки. Для катушек из круглого изолированного проводника

>экв = 0,6>. . (3-43а)

Для катушек из прямоугольного проводника

а + 26 26

В этих формулах: A, - коэффициент теплопроводности материала изоляции проводника; d - диаметр проводника без изоляции; а и Ь - размеры проводника без изоляции соответственно в направлении оси катушки и в направлении радиуса катушки; 5 - толщина изоляции.

3-9. ДОПУСТИМАЯ ТЕМПЕРАТУРА НАГРЕВА ЧАСТЕЙ АППАРАТОВ. ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ

Для обеспечения надежной работы аппарата в пределах всего срока службы температура его частей не должна превышать некоторого определенного значения, называемого допустимой температурой, устанавливаемой стандартами. При этом различают допустимые температуры при номинальных режимах и при коротких замыканиях. Так как длительность короткого замыкания мала (не более 5 с), а сами замыкания относительно редки, то допустимые температуры в 9TOM случае в 2 -4 раза выше, чем при длительном режиме.

Допустимые температуры изолированных проводников и деталей определяются нагревостойкостью (классом) изоляции (ГОСТ 8865 - 70), а также механической прочностью материала деталей. При температурах, превышающих 200 °С, механическая прочность проводниковых материалов резко снижается. Для неизолированных деталей допустимая температура определяется механическими свойствами материалов, из которых они изготовлены, или изоляционными деталями, с которыми они соприкасаются.

Допустимая температура контактов и контактных соединений определяется температурой, исключающей их интенсивное окисление.

Для нетоковедущих деталей - несущих, крепежных, защитных и др. - допустимые температуры определяются механической прочностью и условиями безопасней эксплуатации (предохранение от ожога при соприкосновении с оболочкой).

Способность аппарата выдерживать без повреждений и без превышения допустимой при коротких замыканиях температуры прохождение тока короткого замыжания определенного значения и длительности называется Термической стойкостью аппарата. В СССР ток термическо1Й стойкости относят ко времени 1, 3, 5 и 10 с. Так 1ак выделяемая в проводнике (аппарате) теплота пропорциональна квадрату тока, то термическая стойкость определяется величиной Pt, где I не может превосходить некоторого предельного значения для данного аппарата.



3-10. ЖИДКОСТНОЕ (ВОДЯНОЕ) ОХЛАЖДЕНИЕ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

Рост единичных мощностей ряда промышленных и судовых установок потребовал создания малогабаритных выключателей (неавтоматические, автоматические и быстродействующие) на токи до 25 кА. В химической и алюми-ниевомагниевой промышленности для целей электролиза требуются аппараты на токи до 50 кА, а в перспективе - до 100 кА. Выключатели турбо- и гидро-генераторвв на 500 и 1000 МВт должны выполняться на токи 25 - 50 кА. Для целей поверхностной закалки при частоте до 10000 Гц требуются аппараты на 2 - 3 кА. Указанные и многие другие аппараты, выполненные без искусственного охлаждения, имели бы практически неприемлемые габариты. Наиболее целесообразным здесь оказывается жидкостное, в частности водяное, охлаждение токоведущих частей [3].

Применение непосредственного водяного охлаждения (вода пропускается через полые проводники) позволяет во много раз повысить токовую нагрузку проводников. Воздух при скорости 50 м/с может отвести с поверхности 1 м^ при разности температур Ах = 1 °С количество теплоты, равное 0,16 Дж/с, вода при скорости 2 м/с и прочих равных условиях - 3,2 Дж/с, т. е. в 20 раз больше.

Теплоотводящие свойства воды также выше, чем у трансформаторного масла.

Водяное охлаждение в электрических аппаратах осуществляется либо при помощи трубок, помещенных внутрь токоведущих частей (залитые, впаянные, вваренные и т. п.), либо токоведущие детали выполняются полыми. Охлаждающая жидкость протекает через эти полости или трубки. Рассмотрим общие закономерности теплоотвода от токоведущих частей при жидкостном охлаждении.

В случае когда температура ©j полого проводника (рис. 3-12) выше температуры окружающей среды ©j, выделяемые в нем тепловые потери будут отводиться от внутренней поверхности протекающей жидкостью и от наружной его поверхности окружающим воздухом. Учитывая, что теплоемкость и теплопроводность охлаждающей жидкости много выше, чем у воздуха, общая картина распределения температур в сечении, перпендикулярном оси проводника, может быть представлена схемой рис. 3-12, а.

При жидкостном охлаждении может иногда оказаться, что температура проводника будет ниже температуры окружающего воздуха. Тогда наружный


%1 Вода - е


Рис. 3-12. Распределение температур по проводнику при жидкостном охлаждении



воздух будет не охлаждать, а подогревать проводник. Картина распределения температур в этом случае представлена схемой рис. 3-12,6.

Температура проводника и жидкости изменяется не только по сечению, но и по длине проводника (рис. 3-12, в). Поступающая в канал жидкость нагревается по пути своего следования. И если на входе температура ее была равна ©41, то на выходе она становится 042- Соответственно температура охлаждаемого проводника не останется постоянной, и если у входа она была ©зь то на выходе будет ©32. Таким образом, в проводнике будет существовать продольный тепловой поток от более нагретого конца к менее нагретому. Выделяемые в проводнике удельные поте{)и будут возрастать вдоль течения жидкости. В результате всего этого кривые распределения температур в проводнике и в жидкости по длине проводника имеют в общем случае сложный характер.

В тех случаях (их большинство), когда разность температур между концами проводника невелика и когда его тепловое сопротивление в осевом направлении значительно (малое сечение, большая длина), продольные тепловые потоки становятся столь малыми, что ими можно пренебречь. В этом случае можно считать, что температура вдоль проводника возрастает по линейному закону, как показано на рис. 3-12, е.

Для обеспечения хорошего теплоотвода путем конвекции движение охлаждающего потока в канале должно иметь турбулентный характер. При ламинарном потоке теплоотдача от проводника будет происходить только за счет теплопроводности и резко снизится по сравнению с конвективной теплоотдачей при турбулентном потоке.

При водяном охлаждении следует иметь в виду следующее.

При температуре охлаждаемой поверхности, превышающей температуру парообразований воды, около стенок канала начинают образовываться мелкие Пузырьки пара, которые увлекаются турбулентным потоком воды и в нем конденсируются. Данный процесс получил название пузырькового или локального кипения. Он приводит к чрезвычайно интенсивному теплообмену, ибо скрытая теплота парообразования воды очень велика.

При дальнейшем увеличении токовой нагрузки, а следовательно, и температуры проводника пузырьки начинают образовываться так часто, что у поверхности металла возникает тонкий паровой слой (паровая рубашка). При этом теплопередача от металла к воде резко уменьшается, температура проводника быстро растет и проводник разрушается.

В электрических аппаратах приходится особенно считаться с процессом пленочного кипения и образования паровых рубашек при режимах короткого замыкания.

Для обеспечения надежной работы системы жидкостного охлаждения должны быть обеспечены следующие основные условия:

1. При заданной на входе температуре жидкости ее расход должен быть достаточен для отвода всей теплоты, которая выделяется в охлаждаемой системе, т. ё. Pi - тепловая мощность, уносимая водой, должна быть равна Р - мощности тепловых потерь в проводниках (аппарате):

Pi = P. (3-44)

2. Указанное равновесие должно быть устойчивым. При случайных повышениях температуры отводимая мощность должна возрастать быстрее, чем мощность тепловых потерь:

>%-



3. Мощность, снимаемая с единищ,! поверхности соприкосновения жидкости с металлом, не должна превосходить некоторого предельного значения. Для воды можно рекомендовать это значение до 200 Вт/см. При длительной эксплуатации аппаратов рекомендуется принимать значительно меньшее значение.

Расчет охлаждаемых жидкостью токопроводов (деталей), не содержащих электрических контактов, может быть выполнен следующим образом.

Если Р - мощность подлежащих отводу тепловых потерь, ©41 и ©42 -заданные температуры жидкости на входе и выходе, то согласно (3-44) расход охлаждающей жидкости

а скорость ее

V = Q/S, (3-47)

где А© = ©42 - ©41 - перепад температуры охлаждающей жидкости; с - удельная теплоемкость жидкости; у - плотность жидкости; s - площадь сечения канала, заполненного водой.

Для получения турбулентного потока необходимо, чтобы критерий Рей-нольдса (Re) для потока был больше 10000. Критерий Рейнольдса (критерий подобия) является безразмерной величиной, характеризующей движение потока:

Re = il=e (3-48)

где у-скорость движения потока, м/с; d - диаметр канала, м; g - расход охлаждающей жидкости, м-/с; v - коэффициент кинематической вязкости (зависящий от температуры), м^/с.

При Re < 2200 движение потока ламинарное. При Re > 10000 поток турбулентен во всем сечении канала, т. е. во всем сечении поток имеет беспорядочный вихревой характер. При 2200 < Re < 10000 имеет место переходный режим - поток турбулентен в середине канала и ламинарен у стенок.

Если Re < 10 ООО, то следует либо увеличить расход воды, повысив нанор, либо уменьшить диаметр канала.

Перепад температуры между охлаждаемой деталью и жидкостью (берем средние значения)

где F - поверхность соприкосновения металла с жидкостью, м^; ж - коэффициент теплоотдачи от металла к жидкости, Вт/(м^ К).

Коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости, скорости ее движения и температуры.

Для упрощенного расчета (не требующего использования соответствующих таблиц для fc. ж, V и др.) водоохлаждаемых проводников О. Б. Брон [3] предложил следующие выражения:

Re = 3,24 10* - (22 + ©.р) *; (3-50)

ж = mv°4-°- (22 + ©ер)°*; (3-51)

Р Р

Р к, yndl 1350fo°- d- (22 + © p)°*



где Р - мощность потерь, Вт; Q - расход воды, м^/с; v - скорость движения воды, м/с; /-длина канала, м; -диаметр канала, м; ©ср = ®4i+ + (©42 - ©4i)/2 - средняя температура воды, °С.

Применение жидкостного охлаждения усложняет конструкцию и эксплуатацию аппаратов по сравнению с естественным воздушным охлаждением. Усложняются сами аппараты. Подвод жидкости должен обеспечить необходимую изоляцию по отношению к земле и между полюсами аппарата. Требуется специальное оборудование (насосы, теплообменники, фильтры механической и химической очистки, контрольные приборы и т.п.), чтобы обеспечить циркуляцию, охлаждение и поддержание изоляционных свойств охлаждающей жидкости. При водяном охлаждении требуется специально приготовленная вода. Обычная вода обладает высокой электрической проводимостью и применяться ие может. Теоретически абсолютно чистая вода должна иметь удельное сопротивление 26 10* Ом см, однако получить такую воду практически невозможно. Успехи по химической очистке воды (ионитовые фильтры, несколько выпариваний) позволяют получить воду с удельным сопротивлением до 10* Ом-см. В системах охлаждения сопротивление воды снижается и поддерживается обычно на уровне 50-150 кОм-см. При водяном охлаждении следует принимать меры против электролиза, а также струйной эрозии (вымывание частиц металла с каналов при больших скоростях движения потока). Учитывая сказанное, жидкостное охлаждение аппаратов следует применять там, где оно обеспечивает значительную выгоду.



ГЛАВА 4

Электрические контакты

4-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Электрические аппараты состоят из отдельных деталей и проводников, электрически соединенных между собой. Место перехода тока из одной токо-ведущей детали в другую называют электрическим контактом (контакт).

Деталь, осуществляющую контакт, называют контактом-деталью. Наличие электрического контакта (само явление) называют контактированием.


Рис 4-1 Типы контактов, условная и физическая картины контактирования

Из самого определения электрический контакт следует, что контакт, по крайней мере, состоит из двух частей. По возможному перемещению этих частей относительно друг друга при заданном действии устройства контакты электрических цепей могут быть разделены на три группы: разборные, коммутирующие и скользящие

Разборные контакты - это те, у которых в процессе работы детали не перемещаются относительно друг друга, а остаются надежно скрепленными. Например, болтовое соединение щин, присоединение проводников к зажимам и т.д.

Коммутирующие контакты - это те, которые в процессе рабогы замыкают, размыкают или переключают цепь, в которой течет или может протекать ток. Например, контакты выключателей, контакторов, рубильников и т.н.



Скользящие контакты - разновидность коммутирующих контактов, у которых одна из деталей перемещается (скользит) относительно другой, но электрический контакт при этом не нарушается. Например, контакты реостатов, щеточный контакт электрических коллекторных машин, шарнирный контакт.

Говоря об электрическом контакте, следует различать условную и эффективную площади контактирования. Как бы тщательно ни были отшлифованы контактные поверхности, они все же будут иметь микроскопические бугорки и шероховатости. Поэтому физически две поверхности будут контактировать не всей условной площадью рабочей поверхности контакта-детали (рис. 4-1, в), а лишь отдельными микроскопическими площадками (рис. 4-1, д). Число площадок контактирования и их расположение зависят от геометрических форм контактирующих деталей.

По форме контактирования различают три типа контактов: точечный, линейный, поверхностный.

Точечный - контактирование обеспечено только в одной площадке - точке (рис. 4-1, а и г). Например, сфера - сфера, сфера - плоскость, конус - плоскость и т.д. Здесь условная и физическая картины контактирования совпадают.

Линейный - условное контактирование деталей происходит по линии (рис. 4-1, б и д). Например, цилиндр - цилиндр (по образующей), цилиндр - плоскость, виток - виток и т. д. Физическая картина контактирования будет представлена рядом площадок (минимум две), расположенными на линии.

Поверхностный - условное контактирование происходит по поверхности (рис. 4-1, в), физическое - в ряде площадок (минимум три), расположенных на этой поверхности.

Размеры площадок контактирования пропорциональны силе, сжимающей детали, и зависят от сопротивления смятию материала деталей. Если две детали контактируют в одной площадке, то ее размер в первом приближении

q = Р/ст, (4-1)

где Р -сила, сжимающая детали; а - временное сопротивление материала смятию. Если детали контактируют в т площадках, то размер каждой определится тем же уравнением, а размер общей площади будет равен сумме размеров отдельных площадок. В первом приближении силу сжатия для каждой площадки можно считать равной

F = Р/т. (4-2)

Соотношение (4-1) с достаточным приближением справедливо до некоторого значения силы Р. С ростом силы сжатия рост размеров площадок соприкосновения замедляется, начинается усадка всей площади контакта. Отсюда следует, что увеличение силы нажатия контактов выше определенного предела яеделесообразно.

Тип контакта определяется его назначением, значениями тока и контактного нажатия, конструкцией контактного узла и всего аппарата. При этом следует всегда иметь в виду, что многоточечное контактирование обеспечивает более надежный контакт.

4-2. ПЕРЕХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ КОНТАКТА

В зоне перехода тока из одного тела в другое имеет место относительно большое электрическое сопротивление, называемое переходным сопро-тивлениемконтакта. /



1 2 3 4 5 6 7 ... 30
Яндекс.Метрика