ответы. ЭиЭА. Вопросы к экзамену по предмету Эиэа нагревание проводников постоянным и переменным током, поверхностный эффект, эффект близости

• Название: Вопросы к экзамену по предмету Эиэа нагревание проводников постоянным и переменным током, поверхностный эффект, эффект близости
• Анкор: ответы
• Дата: 25.01.2023
• Размер: 467.74 Kb.
• Имя файла: ЭиЭА.docx
• Тип: Вопросы к экзамену; #904556
• страница: 2 из 5

Уравнение охлаждения имеет вид

τ = τ 0 е – t / Т,

где Т – постоянная времени нагрева

T = Gc / Fk_т



Рисунок 1 – Диаграмма нагрева и охлаждения проводника при продолжительном режиме работы

7. 
   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
t_ц = t_р + t_п

8. 
   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; k_д – 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

, (3-36)

где τ_Д – 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 R_с – сопротивление стягивания вектора плотности тока, зависящее от материала контактов, числа площадок контактирования и силы сжатия; R_пл – 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 R_к 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 I²R_перdt. 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

 (4-5)

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

 (4-6)


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

 (4-7)

где U_пep — падение напряжения в переходном сопротивлении контакта.

На рис. 4-5 приведены кривые, выражающие согласно (4-7) зависимость превышения температуры τ_к площадки контактирования серебряных и медных контактов от падения напряжения U_пер 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.