1.1.4 Изолированные и неизолированные токоведущие части аппаратов при коротких замыканиях

Короткое замыкание в электроустановках сопровождается протеканием по проводникам токов, значительно превышающих токи нормального рабочего режима. Так как длительность протекания тока КЗ измеряется обычно от долей до единиц секунд, то естественно, что и допустимые температуры в конце короткого замыкания могут быть значительно выше температур, допускаемых при нормальной длительной работе.

Согласно ГОСТ 687-78 предельные значения температуры при КЗ не должны превышать:

- для медных проводников, неизолированных или покрытых изоляцией органического происхождения, – 250 ^оС;

- для медных проводников, покрытых изоляцией неорганического происхождения, – 350 ^оС;

- для алюминиевых проводников как изолированных, так и неизолированных – 200 ^оС.

При таких больших температурах слой изоляции, непосредственно прилегающий к проводнику, повреждается; однако срок службы аппарата, как показывает опыт, все-таки остается довольно большим и экономически приемлемым.

1.1.5 Нетоковедущие части аппаратов

Для нетоковедущих частей электрических частей электрических аппаратов высокого напряжения, не соприкасающихся с изоляционными материалами, допустимая температура нагрева не должна превышать в воздухе 110^о С, а в масле 90º С. Однако данные пределы допустимых температур практически редко реализуются, так как высокие температуры нетоковедущих частей вызывают повышение температуры токоведущих частей. Например, железный кожух одновиткового трансформатора тока, нагреваясь от вихревых токов и гистерезиса, создает неблагоприятные условия в отношении вторичной обмотки трансформатора тока, которая может иметь температуру выше допустимой.

В низковольтных электрических аппаратах, согласно стандарта, допустимые температуры нетоковедущих частей определяются также требованиями техники безопасности обслуживающего персонала при прикосновении к ним и не превышают 100ºС.

1.2 Нагрев проводников и аппаратов

1.2.1 Общие сведения

Нагревание проводников, а также токоведущих, изолирующих и конструктивных деталей электрических аппаратов происходит вследствие потери электрической энергии различных видов. Сюда относятся:

‑ потери в проводниках и токоведущих частях электрических аппаратов, джоулевы потери, пропорциональные квадрату тока;

‑ потери в диэлектриках, пропорциональные квадрату напряжения;

‑ потери в магнитопроводах трансформаторов от вихревых токов и гистерезиса;

‑ потери в массивных ферромагнитных деталях от индуктированных токов и перемагничивания.

Потерянная энергия выделяется в виде тепла. В общем случае тепловая энергия частично поглощается проводником и электрическим аппаратом, что приводит к повышению их температуры, и частично отводится в окружающую среду.

1.2.2 Активные потери энергии в проводниках и электрических аппаратах

1.2.2.1 Потери в токоведущих частях

Нагрев аппаратов и проводников постоянного тока происходит за счет потерь в активном сопротивлении. Энергия, Дж, выделяющаяся в проводнике или токоведущей части электрического аппарата определяется по выражению

(1.1)

где i – ток в цепи, А; R – активное сопротивление проводника, Ом; t ‑ длительность протекания тока, с.

При постоянном токе активное сопротивление проводника R₌ легко найти из выражения

(1.2)

где l – длина проводника, м;  - удельное сопротивление, Ом·мм²/м; S – cечение проводника, м².

Однако сопротивление проводника при переменном токе отличается от сопротивления проводника при постоянном токе из-за наличия поверхностного эффекта и эффекта близости [1]. При переменном токе сопротивление проводника равно

, (1.3)

где R₌ – сопротивление проводника при постоянном токе; K_доб– коэффициент добавочных потерь, вызванных поверхностным эффектом и эффектом близости.

Поверхностный эффект. Как известно, переменный ток вытесняется к поверхности проводника, при этом потери мощности увеличиваются, что равносильно увеличению сопротивления. Отношение активного сопротивления уединенного проводника R_пер при переменном токе к сопротивлению R₌ при постоянном токе при одной и той же температуре называется коэффициентом поверхностного эффекта [3].

Коэффициент K_п зависит от формы и размеров поперечного сечения проводника, а также от частоты тока. Чем больше частота тока и меньше удельное сопротивление проводника, тем сильнее проявляется поверхностный эффект и больше K_п.

Эффект близости. Если по двум параллельным проводникам протекает ток, то магнитное поле одного проводника пересекает другой проводник и наводит в нем ЭДС. Эта ЭДС создает ток в проводнике, который геометрически складывается с основным током. В результате ток по сечению проводника распределяется неравномерно.

Изменение плотности тока по сечению в полосовых проводниках с разным и одинаковым направлением тока показано соответственно на рисунке 1.1 и на рисунке 1.2.

Из рисунков 1.1, 1.2 видно, что при одинаковом направлении тока в проводниках плотность тока наибольшая в частях проводников наиболее удаленных друг от друга, а при разном направлении токов – в частях, обращенных друг к другу.

Неравномерное распределение переменного тока по поперечному сечению проводника, обусловленное влиянием магнитного поля проводника, расположенного рядом, называется эффектом близости.

Коэффициентом близости K_б называется отношение активного сопротивления проводника, находящегося в магнитном поле другого проводника, к сопротивлению уединенного проводника

.

Коэффициент K_б зависит от формы, взаимного расположения проводников и направления тока в них, а также от частоты тока и удельного сопротивления проводника. Чем больше частота тока и меньше удельное сопротивление проводника, тем больше K_б.

На основании выше рассмотренного можем записать

(1.4)

и тогда сопротивление проводника при переменном токе

. (1.5)