Прежде чем рассматривать конкретные проявления нагрева и охлаждения, обратим внимание на основные принципиальные положения.
На нагрев расходуется энергия.
Электроустановки нагреваются: а) током, проходящим через провода, коммутирующие контакты аппаратов, когда они замкнуты, а также через контактные соединения — зажимы, разъемы и т.п.; б) искрой (дугой), возникающей при размыкании контактов*; в) потерями на перемагничивание магнитопроводов электрических аппаратов и машин переменного тока; г) вихревыми токами.
Температура определяется совместным действием нагрева и охлаждения. Количество выделяющейся теплоты пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени прохождения тока. Значит, тем дольше включена электроустановка, тем больше теплоты в ней выделяется. Казалось бы, ее температура должна непрерывно возрастать. Однако из повседневного опыта каждый знает, что это не так. Накал лампы не увеличивается с течением времени, а плитка при включении действительно постепенно накаляется, но, достигнув определенного накала, больше не разогревается. А объясняется это тем, что одновременно с нагревом всегда происходит охлаждение, причем чем выше была бы температура при отсутствии охлаждения, тем охлаждение интенсивнее. Поэтому рост температуры постепенно замедляется и, наконец, при некоторой температуре наступает динамическое равновесие: сколько теплоты выделяется, столько же и отводится. Эта максимальная температура называется установившейся.
*Искра - кратковременный, а дуга - длительный электрические разряды, сопровождающиеся высокой температурой.
Один и тот же ток неодинаково нагревает различные части электроустановки. Так, например, провода, питающие лампу, холодные, а нить раскалена до 2500 °С. Почему? Потому, что, во-первых, сопротивление нити велико - сотни Ом, а проводов мало — единицы Ом. Значит, в нити выделяется во много раз больше теплоты. Во-вторых, масса нити мала и сосредоточена в небольшом пространстве; масса проводов значительно больше и провода растянуты на десятки метров. Следовательно, нить охлаждается плохо, а провода хорошо. Различные условия нагрева частей одной и той же цепи используют в плавких предохранителях, в чем легко убедиться, выполнив упражнение 11.
Упражнение 11. Плавкий предохранитель - это заведомо ослабленный участок цепи, выполненный надлежащим образом. При опасных для изоляции токах он расплавляется и размыкает цепь тем быстрее, чем больше ток. На рис. 3 для наглядности принята расцветка: плавкая вставка красная, выводы вставки зеленые, защищаемые провода - черные, патрон для вставки синий. Во всех рассматриваемых примерах материал и сечения вставки одинаковы.
Ответить на вопросы: 1. Одинаковы ли температуры вставки и защищаемых проводов? С какой целью в пластинчатых вставках (рис. 3,о) сделаны вырезы? 2. Как доказать, что выводы исправного предохранителя, хотя они сильно нагреты, вставку не нагревают, а охлаждают? 3. На рис. 3,а цветными волнистыми линиями показаны два случая перегорания вставки. Как, зная, в каком месте вставка перегорела, определить причину перегорания? 4. Какая вставка перегорит при меньшем токе: заключенная в патрон (рис. 3,в сверху) или открытая; левая или правая (рис. 3,в в центре); короткая или длинная (рис. 3,в снизу)? 5. Почему вставку нельзя сжимать гармошкой - рис. 3,г? 6. Как надо понимать слова надлежащим образом, набранные в условии упражнения наклонным шрифтом? 7. Из примерной характеристики плавкого предохранителя (рис. 3,д) явствует, что чем больше кратность тока I по отношению к номинальному току /ном>тем вставка перегорает быстрее. Чем объясняется эта закономерность? 8. Благодаря чему при номинальном токе предохранитель не перегорает?
Ответы. 1. Вставка значительно горячее провода. С помощью вырезов сечение в них умышленно ослаблено, благодаря чему вставка перегорает именно в мостах вырезов. При этом средняя часть вставки вываливается: разрыв увеличивается, дуга легче гаснет.
2. На рис. 3,6 показана схема предохранителя, который можно представить себе как пять сопротивлений, соединенных последовательно. Сопротивления rt и г2 - это переходные сопротивления между выводами 2 вставки, пинцетами предохранителя 3 и местами присоединения I внешних проводов; г3 и Гц - переходные сопротивления между вставкой 5 и ее выводами 4; г - сопротивление самой вставки. Сопротивление г для данной вставки практически постоянно, а сопротивления контактов сильно зависят от их качества. Рассмотрим пример. Пусть контакты исправны и имеют сопротивления, указанные черным в верхней строке таблички. Тогда при токе 100 Л в контактах выделяется мощность по 1 Вт, а во вставке - 50 Вт (черные цифры в нижней строке таблички).
Рис. 3. Действие плавкого предохранителя основано на использовании особенностей нагрева и охлаждения - к упражнению 11
Ясно, что контакты холоднее вставки и, следовательно, отводят от нес теплоту. Пусть далее один из контактов ухудшится и его сопротивление станет 0,03 Ом. В контакте при этом выделится 300 Вт (см. красные цифры). Контакт раскалится и вместо того чтобы охлаждать вставку, станет ее нагревать.
Левая вставка (синие линии) правильно перегорела: были перегрузка или КЗ. Правая вставка (зеленая линия) перегорела из-за плохого контакта: справа не хватает шайбы.
Вставка, заключенная в патрон (рис. 3,в сверху), охлаждается хуже, поэтому она перегорит при меньшем токе. У левой вставки (рис. 3,в в центре) выводы массивнее, значит, она охлаждается лучше и, следовательно, перегорит при большем токе. Короткая вставка (рис. 3,в снизу) перегорит при большем токе: во-первых, ее сопротивление меньше, значит, в ней выделяется меньше теплоты. Во-вторых, она охлаждается лучше. так как ее выводы расположены ближе.
Соседние части гармошки (рис. 3,г) взаимно подогревают друг друга, значит, вставка перегорит при меньшем токе.
Слова надлежащим образом подчеркивают, что вставка без надлежащей армировки, обеспечивающей должное охлаждение, - это не предохранитель, а просто неполноценный участок цепи.
Сечение вставки от силы тока не зависит. Значит, чем ток больше, тем больше плотность тока и, следовательно, тем быстрее вставка нагревается: время перегорания вставки уменьшается, причем весьма резко (квадратичная зависимость).
При номинальном токе вставки между количествами теплоты, выделяющейся во вставке и отводимой от нее, существует динамическое равновесие, при котором температура вставки ниже температуры ее плавления.
