ответы. ЭиЭА. Вопросы к экзамену по предмету Эиэа нагревание проводников постоянным и переменным током, поверхностный эффект, эффект близости
![]()
|
Уравнение охлаждения имеет видτ = τ 0 е – t / Т,где Т – постоянная времени нагрева T = Gc / Fkт ![]() Рисунок 1 – Диаграмма нагрева и охлаждения проводника при продолжительном режиме работы Нагрев и охлаждение однородного проводника при кратковременном и повторно-кратковременном режимах работы. Кратковременным (S2) называется режим работы, когда периоды нагрузки чередуются с периодами отключения, причем периоды нагрузки настолько малы, что проводник не успевает нагреться до установившихся температур, а периоды отключений настолько велики, что проводник успевает охладиться до температуры окружающей среды. Температура нагрева проводника не достигает установившихся значений. Уравнения нагрева и охлаждения проводника имеют такой же вид, что и при продолжительном режиме работы, диаграмма нагрева существенно отличается и имеет вид показанный на рис. 2 ![]() Рисунок 2 – Диаграмма нагрева и охлаждения проводника при кратковременном режиме работы Повторно-кратковременным (S3) называется режим работы когда периоды нагрузки чередуются с периодами отключения, причем периоды нагрузки настолько малы, что проводник не успевает нагреться до установившихся температур, и периоды отключений также малы, что проводник не успевает охладиться до температуры окружающей среды. Уравнения нагрева и охлаждения проводника имеют такой же вид, что и при продолжительном режиме работы, диаграмма нагрева существенно отличается и имеет вид: ![]() Рисунок 3 – Диаграмма нагрева и охлаждения проводника при повторно-кратковременном режиме работы tц = tр + tп ![]() Нагрев однородного проводника при коротком замыкании эл. Короткое замыкание характеризуется большим током и малой длительностью (от нескольких тысячных секунды до нескольких секунд). При коротких замыканиях допускается в 2 – 3 раза более высокая температура нагрева проводника, чем при номинальном токе; следовательно, и теплоотдача возрастет максимум в три раза. Потери же в проводнике возрастают в сотни раз. Таким образом, теплоотдача составит только 1 – 3 % от всей выделяемой в проводнике энергии, и можно считать, что вся энергия идет на его нагревание. Уравнение теплового баланса (3-14) в таком случае примет вид ![]() откуда ![]() где i – мгновенный ток; ρ – удельное сопротивление; γ – плотность материала проводника с – удельная теплоемкость; s – сечение проводника; kд – коэффициент дополнительных потерь. ![]() Рис. 3-Нагрев однородного проводника при коротком замыкании, АВ – процесс нагревания при номинальном токе; ВС – то же, при коротком замыкании; CD – охлаждение Принципиально ρ и с 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 ρ и с следует брать для температуры нагретого проводника. Тогда ![]() где τД – превышение температуры проводника над температурой окружающей среды в момент начала короткого замыкания; – плотность тока. Нагрев проводника при коротком замыкании происходит практически по закону, показанному прямой на рис. 3. Охлаждение проводника после отключения короткого замыкания происходит по тем же законам, что и при нормальных режимах. 9. Термическая стойкость электрических аппаратов. 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 режимах короткого замыкания. Так как длительность короткого замыкания мала (не более 5 с), а сами замыкания относительно редки, то допустимые температуры в этом случае в 2-3 раза выше, чем при длительном режиме. Допустимые температуры изолированных проводов и деталей определяются нагревостойкостью (классом изоляции) по ГОСТ и механической прочностью материала деталей. Для неизолированных деталей допустимая температура определяется механическими свойствами материалов и свойствами материалов изоляционных деталей с которыми они соприкасаются. Допустимая температура контактов и контактных соединений определяется температурой, исключающей их интенсивное окисление. Для нетоковедущих деталей: несущих, крепежных, защитных и других допустимые температуры определяются механической прочностью и условиями безопасной эксплуатации. Термической стойкостью аппарата называется способность аппарата выдерживать без повреждений и без превышения допустимой при КЗ температуры прохождение токов КЗ. 10. Электрические контакты, металлическое контактирование, площадь контактирования, явление фриттинга, вывод формулы Хольма и переходного сопротивления точечного контакта Соприкосновение тел, обеспечивающее непрерывность электрической цепи, называется электрическим контактом; деталь, соприкасающаяся с другой деталью при образовании электрического контакта, контакт-деталью, а образование и существование электрического контакта - электрическим контактированием. Электрическое контактирование весьма сложное явление. Контактные поверхности всегда имеют некоторую шероховатость и, как правило, всегда покрыты пленками, которые образуются под воздействием кислорода воздуха, озона, азота и других химических реагентов. Пленки имеют толщину примерно до 10-6 см и удельное сопротивление ρ = 105 Ом см. Металлическое контактирование осуществляется не по всей поверхности, а лишь в немногих точках. Имеющаяся на поверхности металла пленка может быть в одних случаях продавлена силой, сжимающей контакты, в других случаях пробита под влиянием разности электрических потенциалов. В месте пробоя может образоваться металлический перешеек, проводящий электрический ток. Явление пробоя пленки при некотором напряжении называется фриттингом. Оно заключается в том, что при некотором (пороговом) значении напряжения, зависящем от вида и толщины пленки, сопротивление ее резко падает. В последующих главах при описании устройства различных аппаратов контакты рассматриваются как контакты электрической цепи - части электрической цепи, предназначенные для коммутации и проведения электрического тока. Электрический пробой пленки, завершающийся образованием в ней тонкого металлического проводника, который может остаться после снятия напряжения. Сопротивление в области точки касания, обусловленное явлением стягивания линий тока, называется сопротивлением стягивания контакта. Таким образом, сопротивление контакта представляется как сумма сопротивления стягивания и сопротивления пленки: ![]() где Rс – сопротивление стягивания вектора плотности тока, зависящее от материала контактов, числа площадок контактирования и силы сжатия; Rпл – сопротивление окисной пленки, меняющееся в процессе работы в очень широких пределах. Положим, что контакты имеют только одну площадку касания и что эта площадка имеет форму круга с радиусом а. Величину радиуса при пластической деформации можно найти с помощью уравнения: ![]() где F – сила контактного нажатия; σ – временное сопротивление смятия контактного материала. Для определения Rк одноточечного контакта применяют формулу Хольма: ![]() где r – удельное сопротивление контактного материала. Для многоточечного контакта: ![]() где n – число точек контактирования. С учетом (3.1) переходное сопротивление запишется в виде: ![]() Переходное сопротивление для линейного контакта: ![]() где l – длина контакта по линии, r – радиус кривизны поверхности контакта, Е – модуль упругости материала контакта, F — контактное нажатие. Если имеет место применение разнородных контактных пар, то величина Е или s выбирается для более мягкого материала. 11. Классификация электрических контактов: рычажные, мостиковы торцевые, роликовые, ламельные. Электрическим контактом называется соприкосновение двух или более проводников, обеспечивающее переход из одного проводника в другой. Наличие электрического контакта называется контактированием. Электрические контакты являются частью токоведущей системы электрических аппаратов. Детали, участвующие в создании электрического контакта, называются контакт-деталями или контактами. Совокупность контактных элементов, соединенных между собой любым способом, называется контактным соединением. Контакты делятся на два вида: • коммутирующие (размыкающиеся), в которых происходит отделение одной контакт-детали от другой так, что электрическая связь между ними нарушается; • неразмыкающиеся, в которых одна контакт-деталь перемещается по другой без нарушения электрической связи между ними. Перемещение контакт-деталей может осуществляться скольжением (скользящий контакт) или перекатыванием (катящийся контакт). Как коммутирующие, так и неразмыкающиеся контакты состоят из двух частей — неподвижного и подвижного контактов. подвижным является контакт жестко или упруго соединенный с неподвижной частью аппарата. Подвижный контакт — контакт, связанный с подвижными частями аппарата и перемещаемый относительно неподвижного контакта. Коммутирующие контакты делят по их назначению в проведении тока на главные и дугогасительные. Главные контакты предназначены для проведения номинального тока в продолжительном или в другом режиме, на который рассчитан аппарат, но не предназначены для размыкания электрической дуги. Дугогасительные контакты предназначены для размыкания электрической цепи, в том числе и при наличии электрической дуги. Они замыкаются раньше главных и размыкаются позже их. Во многих аппаратах функции главных и дугогасительных контактов выполняет один контакт. Электрические аппараты снабжаются контактами, не участвующими в проведении главного тока, выполняющими дополнительные функции. К таким контактам относятся контакты вспомогательных цепей. По конструктивному исполнению контакты делятся на: • торцевые (стыковые); • врубные; • розеточные; • роликовые. Торцевые контакты осуществляют контактирование без перемещения контактной поверхности неподвижного контакта относительно контактной поверхности подвижного контакта (без провала). Врубные контакты — такие контакты, в которых подвижные или неподвижные контакты выполнены в виде пластин. Розеточный контакт имеет подвижный контактный стержень и ряд сегментов (ламелей), образующих неподвижный контакт. Роликовые контакты — такие контакты, у которых один из контактов (подвижный или неподвижный) выполнен в виде ролика. Неразборные соединения выполняются посредством электродуговой или холодной сварки, пайки или клепкой соединяемых деталей. В контактных соединениях, подвергающихся воздействию токов КЗ, применять заклепки не рекомендуется, так как при ударных токах КЗ они расшатываются, надежность контактирования снижается и они будут перегреваться. В аппаратах для передачи тока к контактам с основного токопровода могут использоваться пружинящие элементы или гибкие связи. Соединения этих элементов с токопроводами и контактами могут быть как разборными, так и неразборными. 12. Зависимость переходного сопротивления от: контактного нажатия температуры контактов, состояния поверхности контактов, материала Переходное сопротивление контакта зависит от обработки поверхности. Наличие окисных плёнок приводит к тому, что при небольшом напряжении замыкаемой цепи или недостаточной силе нажатия на контакты протекание электрического тока становится невозможным. В связи с этим контакты на малые токи или на малые усилия нажатия изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.). В сильноточных (сильнотоковых) контактах окисная плёнка разрушается либо благодаря большим усилиям нажатия, либо путём самозачистки при включении за счёт проскальзывания одного контакта относительно другого. Переходное сопротивление чрезвычайно чувствительно к окислению поверхности ввиду того, что окислы многих металлов (в частности, меди) являются плохими проводниками. У медных открытых контактов вследствие их окисления с течением времени переходное сопротивление может возрасти в тысячи раз. Окислы серебра имеют электрическую проводимость, близкую к проводимости чистого серебра. При повышенных температурах окислы серебра разрушаются. Поэтому переходное сопротивление контактов из серебра практически не изменяется с течением времени. Для медных контактов применяются специальные меры по уменьшению окисления их рабочих поверхностей. В разборных соединениях производят антикоррозионные покрытия рабочих поверхностей – серебрят, лудят, покрывают кадмием, никелируют и цинкуют. Применяют покрытие рабочих поверхностей нейтральной смазкой. Коммутирующие контакты, длительно работающие под током не выключаясь, выполняются, как правило, из серебра или металлокерамики на основе серебра. Тем самым снижаются нагрев контактов и интенсивность их окисления. Возникающая при отключении дуга сжигает окислы, и переходное сопротивление снижается. Образовавшаяся окисная пленка при этом разрушается. Материалы большей твердости имеют большее переходное сопротивление и требуют большего контактного нажатия. Чем выше электрическая проводимость и теплопроводность материала, тем ниже переходное сопротивление. 13. Температура площадки контактирования, вывод формулы нагрева контакта в функции тока, напряжения При прохождении тока в площадке контактирования из-за наличия переднего сопротивления будет выделяться энергия I2Rперdt. Так как эта энергия много больше энергии I2Rdt, выделяемой в материале контакта, а теплоотдача окружающую среду осуществляется с поверхности контакта (рис. 4-4), то температура площадки контактирования будет выше средней температуры контакта. Превышение температуры площадки контактирования над температурой теплоотдающей поверхности контакта будет ![]() где ρ – удельное сопротивление материала контакта; λ. – коэффициент теплопроводности материала контакта; σ – временное сопротивление смятию; Р – сила контактного нажатия. Если принять, что переходное сопротивление контакта ![]() ![]() Рис. 4-4. Схема теплоотвода и распределение температур в районе площадки контактирования где а – радиус площадки контактирования (считаем, что q = Р/σ = πа2), то уравнение (4-5) можно привести к виду ![]() где Uпep — падение напряжения в переходном сопротивлении контакта. На рис. 4-5 приведены кривые, выражающие согласно (4-7) зависимость превышения температуры τк площадки контактирования серебряных и медных контактов от падения напряжения Uпер в них. При естественном охлаждении падение напряжения в переходном сопротивлении контакта при номинальном токе обычно 10 – 20 мВ. Превышение температуры площадки контактирования над средней температурой контакта составляет при этом несколько градусов (не более 10 °С) и при нормировании температуры контакта во внимание не принимается. ![]() Рис. 4-5. Зависимость превышения температуры площадки контактирования от падения напряжения в контактном соединении 1 – серебро; 2 – медь. 14. Режимы работы и схема замещения контактов, включение и выключение цепи, проведение токз контактами во включенном состоянии. Эрозия контактов при коммутации и во включенном состоянии. При коммутации электрической цепи работу контактов можно разделить на следующие режимы: режим замыкания, режим замкнуто го состояния и режим размыкания. |