Электрические аппараты

Температуру поверхности  тела можно уменьшить за счёт увеличения коэффициента теплоотдачи или площади охлаждающей поверхности. Такой способ уменьшения температуры называется интенсификацией охлаждения.

При вынужденной конвекции  коэффициент теплоотдачи возрастает на порядок по сравнению с естественной конвекцией. Жидкостное охлаждение при естественной, а тем более при вынужденной конвекции также существенно повышает коэффициент теплоотдачи.

Интенсификация охлаждения путём увеличения площади охлаждающей  поверхности достигается увеличением геометрических размеров аппарата или применением радиаторов охлаждения, т.е. искусственным увеличением площади охлаждающей поверхности.

 

1.1.4. Режимы работы электрических аппаратов

При эксплуатации электрических  аппаратов могут иметь место  следующие режимы работы:

• продолжительный – при котором температура аппарата достигает установившегося значения и аппарат при этой температуре остаётся под нагрузкой сколь угодно длительное время;
• прерывисто-продолжительный – при котором аппарат остаётся под нагрузкой при установившемся значении температуры ограниченное техническими условиями (ТУ) время;
• повторно-кратковременный – при котором температура частей электрического аппарата за время нагрузки не достигает установившегося значения, а за время паузы не уменьшается до температуры окружающей среды;
• кратковременный – при котором в период нагрузки температура частей электрического аппарата не достигает установившегося значения, а в период отсутствия нагрузки достигает температуры холодного состояния;
• короткого замыкания – это частный случай кратковременного режима работы, когда температура частей электрического аппарата значительно превосходит установившуюся температуру при нормальном режиме работы.

 

1.1.5. Продолжительный,  кратковременный, повторно-кратковременный  и 

перемежающийся режимы работы электрических аппаратов

Обычно электрические  аппараты могут работать в одном  из следующих режимов, для которых характерно определённое изменение во времени t тока нагрузки I_н и превышение температуры нагрева (разность между температурой аппарата и температурой окружающей среды): продолжительном, кратковременном, повторно-кратковременном и перемежающемся.

В продолжительном режиме (рис. 1.1.) достигается установившееся превышение температуры нагрева , значение которого в любом случае должно быть меньше, чем допустимое превышение температуры . Скорость изменения температуры характеризуется тепловой постоянной времени . Касательная к кривой отсекает на линии установившейся температуры как раз отрезок, равный по длительности .

 

Рис. 1.1. Продолжительный режим работы

 

В кратковременном режиме (рис. 1.2, а) в период наличия тока I_o температура аппарата не успевает достичь установившегося значения, а за время паузы тока t_П температура аппарата снижается практически до температуры окружающей среды Т_окр. Это позволяет осуществлять форсирование аппарата по току с тем условием, что за время нагрузки t_НГ не будет достигнуто .

 

Рис. 1.2. Режимы работы аппаратов

 

В повторно-кратковременном режиме (рис 1.2, б) температура аппарата так же не достигает установившегося значения в период t_НГ, а во время паузы тока не успевает снизиться до Т_окр. Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включения:

где t_НГ и t_П – время нагрузки и время паузы. Стандартные значения ПВ составляют 15, 25, 40 и 60%.

Коэффициент перегрузки по мощности показывает, во сколько раз можно увеличить мощность источников теплоты в электрическом аппарате при повторно-кратковременном режиме работы по сравнению с мощностью при продолжительном режиме при условии равенства допустимой температуры в том и другом случаях.

Если  , то в этом случае, с погрешностью не более 5% можно определить

Поскольку, при прочих равных условиях, мощность источников теплоты в большинстве случаев пропорциональна квадрату тока, то вводится коэффициент перегрузки по току k_I, который равен

Наиболее общим является перемежающийся режим (рис. 1.2, в) когда в период t₁ проходит ток I₁, а в период t₂ – ток I₁, причём . В установившемся состоянии температура перегрева имеет максимум и минимум . Если по аппарату длительное время проходит ток I₁, то установившаяся температура перегрева равна . Аналогично, току I₂ соответствует температура перегрева . По прошествии некоторого времени и соседних циклов станут одинаковыми. Наступит так называемый квазистационарный («мнимостационарный») режим работы с неизменными значениями и .

 

1.1.6. Термическая стойкость  электрических аппаратов

Термической стойкостью электрических аппаратов называется способность их выдерживать без повреждений, препятствующих дальнейшей работе, термическое воздействие протекающих по токоведущим частям токов заданной длительности. Количественной характеристикой термической стойкости является ток термической стойкости, протекающий в течение определённого промежутка времени. Наиболее напряжённым является режим короткого замыкания, в процессе которого токи по сравнению с номинальными могут возрастать в десятки раз, а мощности источников теплоты – в сотни раз.

Термическая стойкость электрического аппарата зависит при этом не только от режима короткого замыкания, но и от теплового состояния, предшествующего режиму короткого замыкания.

При коротком замыкании  электрические аппараты подвергаются значительным термическим воздействиям. Как правило, это аварийный режим работы и поэтому время его действия ограничивается до минимально возможного значения. Для большинства электрических аппаратов это время , т.е. не превосходит времени нагрева при адиабатическом процессе (нагрев без теплообмена с окружающей средой). Другими словами, режим короткого замыкания можно рассматривать как кратковременный режим работы, при котором температура электрического аппарата может достигать значений, превосходящих допустимую температуру в продолжительном режиме. Это возможно, поскольку время кратковременного режима обычно небольшое, за которое не может произойти существенных изменений в старении изоляции и других элементах, которые ограничивают температуру в продолжительном режиме работы.

Тем не менее, и в этом случае существуют ограничения, которые  в основном диктуются температурой рекристаллизации материала токоведущих частей. В электрических аппаратах приняты следующие значения максимальной температуры при кратковременном режиме работы:

• неизолированные токоведущие части из меди и её сплавов – 300 °С;
• алюминиевые токоведущие части – 200 °С;
• токоведущие части (кроме алюминиевых), соприкасающиеся с органической изоляцией или маслом – 250 °С.

Расчётное время короткого  замыкания стандартизовано и принято равным 1, 5 и 10 секундам. Допустимые плотности тока (А/мм²) для типичных проводниковых материалов в зависимости от расчётного времени короткого замыкания приведены в табл. 1.1.

 

 

Таблица 1.1.

Расчётное время кор. замыкания –	1 секунда	5 секунд	10 секунд
Материал  проводника
Медь	152	67	48
Алюминий	89	40	28
Латунь	73	38	27

 

 

 

1.2. Контактные  явления в электрических аппаратах

Электрический контакт  – соприкосновение тел, обеспечивающее протекание тока в электрической цепи. Соприкасающиеся тела называются также контактами или контакт-деталями.

 

 

 

1.2.1. Классификация  электрических контактов

Виды контактных соединений, наиболее часто встречающиеся в  электрических аппаратах, классифицируются по различным признакам. По виду соединения электрические контакты могут быть:

• взаимонеподвижные: разъёмные (болтовое соединение); неразъёмные (сварные, паяные, напылённые);
• взаимоподвижные: неразмыкающиеся – предназначенные для осуществления передачи электрической энергии с неподвижных частей установки на подвижные или наоборот: гибкие связи типа «косичка», щёточные скользящие, жидкометаллические, роликовые;
• размыкающиеся – расходящиеся в процессе работы: мостиковые контакты, розеточные контакты, пальцевые или ножевые, с плоскими пружинами (рис. 2.1).

 

Рис. 2.1. Виды размыкающихся  контактов

   

 

1.2.2. Контактная поверхность  и контактное сопротивление

Для выяснения сущности явления электрического контакта рассмотрим механический контакт двух металлических твердых тел. При любой, сколь угодно чистой обработке два металлических тела соприкасаются не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках по микровыступам. Обычно, для обеспечения надежного протекания электрического тока, контакты сжимают силой, которая называется силой контактного нажатия. Эта сила может создаваться при затяжке болтов, при обжатии контактного наконечника на конце провода или кабеля или из-за деформации пружин контактной системы. При этом микровыступы, по которым произошел начальный контакт, деформируются; в соприкосновение могут прийти другие выступы и они также могут деформироваться. На поверхности образуются площадки, которые и воспринимают усилие контактного нажатия (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Контакт твёрдых  тел

Давление в разных точках поверхности контактных площадок в общем случае не одинаково и может вызывать как упругие, так и пластические деформации.

Таким образом, механический контакт двух тел происходит не по всей видимой поверхности, а лишь в отдельных точках, а при сжатии их силой - по отдельным площадкам.

Общая поверхность тел, с которой производится контакт, называется кажущейся контактной поверхностью. На этой поверхности можно увидеть площадки, полученные в результате деформации микровыступов, которые воспринимают усилие. Эта часть контактной поверхности называется поверхностью, воспринимающей усилие.

Очевидно, что электрический ток  может проходить только в точках контактной поверхности, в которых имеет место механический контакт, т. е. через точки поверхности, воспринимающие усилие. Однако условие механического контакта является необходимым, но недостаточным для протекания тока.

При ближайшем рассмотрении поверхности, воспринимающей усилие, можно  видеть, что она весьма неоднородна, а именно: в общем случае одна часть ее покрыта плёнками оксидов, другая – адгезионными слоями атомов кислорода и, наконец, третья часть представляет собой чисто металлическую поверхность.

Для прохождения электрического тока поверхность, покрытая оксидными  пленками, обладает большим электрическим  сопротивлением, поскольку удельное сопротивление оксидов на несколько порядков выше удельного сопротивления чистых металлов.

Через поверхность, покрытую адгезионными слоями кислорода, электрический ток может протекать за счет туннельного эффекта, заключающегося в проникновении электронов через потенциальный барьер. Этот участок поверхности имеет квазиметаллический характер проводимости.

И, наконец, третья часть  поверхности проводит свободно электрический ток благодаря чисто металлической проводимости.

Квазиметаллические и металлические поверхности контакта принято называть -пятнами. Это именно те части контактной поверхности, через которые в электрических контактах протекает ток.

В электрических контактах  ток проходит только через небольшую часть кажущейся контактной поверхности, и, следовательно, он должен испытывать сопротивление при прохождении через зону контакта.

Рассмотрим однородный линейный проводник постоянного  поперечного сечения (рис. 2.3), по которому протекает постоянный ток I. Между точками а и б, находящимися на расстоянии l, измерим разность потенциалов U₁. Тогда активное сопротивление участка проводника R₁ = U₁/I.

Рис. 2.3. К определению  переходного сопротивления контактов: а - проводник;

б - проводник с контактом.

 

Разрежем проводник  в средней части l и затем снова соединим его, сжав силой Р. При протекании того же тока I получим разность потенциалов между точками а и б равную U₂ и отличную от разности потенциалов U₁. В этом опыте сопротивление R₂ = U₂/I. Разность сопротивлений R_пер = R₂ – R₁ называется переходным сопротивлением контакта.

Следует отметить, что если на некотором  удалении от -пятна линии тока параллельны друг другу, то в непосредственной близости от него они искривляются и «стягиваются» к -пятну. Область электрического контакта, где линии тока искривляются, стягиваясь к -пятну, называется областью стягивания.