Как добиться надежной работы электроустановок - Причины, определяющие скорость повышения температуры

ПРИЧИНЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СКОРОСТЬ ПОВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОСЛЕ ВКЛЮЧЕНИЯ И СНИЖЕНИЯ ЕЕ ПОСЛЕ ОТКЛЮЧЕНИЯ

Температура повышается тем быстрее (при прочих равных условиях), чем больше мощность потерь в рассматриваемом участке цепи. Иллюстрируем это, выполнив упражнения 12 и 13.
Упражнение 12. Электрическая плитка присоединена к сети через разъемное соединение.
Ответить на вопрос: какие мощности определяют температуры (и скорости их нарастания) плитки, проводов и разъемного соединения? Сопротивлением места присоединения проводов к плитке пренебрегаем.
Ответ В данном случае надо различать три мощности: мощность плитки I2R, мощность потерь в проводах 12гп и мощность потерь в разъемном соединении 12гс. Здесь / сила тока. A; R, r, гс - сопротивления, Ом, плитки, проводов и разъемного соединения соответственно. Например, если / = S A, R = 50 Ом,   = 0,1 и гс =0,03 Ом, то "нагревающие мощности" соответственно равны 1250; 2,5 и 0,75 Вт.
Упражнение 13. Мощность потерь пропорциональна квадрату силы тока, что в электроустановках постоянного тока не вызывает сомнений, так как в них существует только один ток. Но при переменном токе различают три тока: активный, реактивный и полный. Какой же из них нагревает провода?
Ответ. Нагревает фактически существующий ток, т.е. полный. Именно он может быть непосредственно измерен. Активный и реактивный токи это только расчетные величины Сказать, что нагревает ток активный, это так же неверно, как утверждать, будто груз поднимает
вектор, а не сила, которая изображается вектором ради удобства расчетов.
Температура повышается тем быстрее, чем больше плотность тока, в чем легко убедиться, обратившись к упражнению 14.
Упражнение 14. В ПУЭ приведены таблицы допустимых длительных токов нагрузок на провода и кабели. Нагрузки определяются условиями допустимого нагревания.
Сопоставляя данные таблиц, ответить на вопросы: 1. Почему при одних и тех же условиях прокладки и сечениях, например 4 мм², плотность тока в медных проводах - в нашем примере 41/4 = 10,25 А/мм² больше плотности тока в алюминиевых 32/4=8 А/мм²? 2. Почему для кабеля одной и той же марки с жилами одинакового сечения, например 16 мм , плотность тока при открытой прокладке 3,8 А/мм² меньше плотности тока при прокладке в земле 5 А/мм². 3. Почему с последовательным увеличением стандартных сечений S, мм², длительные токовые нагрузки /, А, возрастают значительно медленнее увеличения сечений, а плотности тока уменьшаются? Например, как следует из сопоставления приведенных ниже данных (ср. первый и последний столбцы), сечение увеличилось в 5 раз (2,5 : 0,5), сила тока в 2,8 раза (30 : 11), а плотность тока уменьшилась в 12 : 25 = 0,48:

4. Могут ли достичь опасных значений плотности тока при токах, исчисляемых долями миллиампера?
Ответы. 1. Удельная проводимость меди примерно в 1,6 раза больше удельной проводимости алюминия.
При открытой прокладке охлаждение хуже, чем при прокладке в земле.
Охлаждающая поверхность с увеличением диаметра провода растет медленнее его сечения, что и вынуждает снижать допустимую плотность тока.
В настоящее время в электроустановки часто входят в качестве элементов аппараты и приборы (реле времени, усилители и т.п.), в которых применяется печатный монтаж. И хотя в электронных приборах токи весьма малы, но и сечение печатных соединений очень мало. Следовательно, не исключено, что в результате пренебрежительного отношения к опасности "малых токов" их плотности могут достичь недопустимых значений.
Чем массивнее тело, тем оно медленнее нагревается и медленнее остывает.
Одно и то же количество теплоты нагревает предмет с большей теплоемкостью до более низкой температуры, так как чем больше теплоемкость, тем больше теплоты нужно, чтобы повысить температуру на каждый градус.
Нагреть тело тем труднее, чем оно теплопроводнее. Именно большой теплопроводностью металла объясняется то, что металлический лист, лежащий на скамейке, кажется холоднее скамейки, хотя они находятся в одной среде и, следовательно, имеют одну и ту же температуру.
Большое значение имеют размеры охлаждающей поверхности. Вспомните, например, ребра у радиаторов. Увеличение поверхности изделий с целью снижения их температуры — прием, распространенный в электротехнической практике, — иллюстрируется упражнением 15.
Упражнение 15. В электроустановках широко применяют резисторы различных исполнений - проволочные и непроволочные, сопротивлением от единиц до миллионов Ом, миниатюрные (для радиоэлектронных устройств) и больших размеров (для энергетических установок). Но независимо от исполнения и значения сопротивления важнейшей характеристикой любого резистора является его номинальная мощность,   т-е.  мощность, которую может рассеять его поверхность без недопустимого для резистора повышения температуры.
На рис. 4,а показаны три резистора А, Б, В сопротивлением по 25 Ом каждый (см. 1-ю строку таблички), но рассчитанные на разные номинальные мощности /ном ~ соответственно 100, 50 и 10 Вт (2-я строка таблички). Резисторы соединены последовательно, и, значит, через них проходит один и тот же ток / = 0,6 А (5-я строка таблички).
Рисунок 4,6 иллюстрирует зависимость температуры резистора в, °С, от фактической мощности Рф, которая в нашем примере для любого резистора равна 9 Вт (3-я строка таблички). Предполагается, что резистор включен настолько долго, что его температура достигла установившегося значения. Обратите внимание на то, что на рис. 4,6 по горизонтальной оси отложены не мощности в ваттах, а выраженные в процентах отношения Рф(Рном.
Резистор после включения нагревается постепенно. Его температура в, как показано на рис. 4,в, зависит от длительности включения t, мин.
Ответить на вопросы: 1. Чем отличаются друг от друга резисторы А, Б и В, имеющие разные номинальные мощности? 2. На каком основании в условии упражнения утверждается, что фактические мощности любого из резисторов одинаковы и равны 9 Вт? 3. Как вычислено отношение Рф/^ном (см- строку таблички) и каков смысл использования в графике относительных, а не абсолютных единиц? 4. До какой температуры при длительном включении нагреваются резисторы А, Б и В? 5. Не более скольких минут может быть включен резистор, чтобы его температура не превысила 140 °С? Какое условие принято при построении графика рис. 4,в, благодаря которому график стал универсальным?
Ответы. 1. Резисторы А, Б и В отличаются размерами охлаждающих поверхностей.
Через резисторы проходит один и тот же ток / = 0,6 А, а сопротивления резисторов одинаковы: г =25 Ом. Следовательно, в любом случае Рф = /2г= 0,62*25 = 9 Вт.
Делением фактической мощности Рф на номинальную Рном и умножением на 100%. Например, для резистора А Рф : Рном * 100% = 9: 100 х 100% = 9%.

Рис. 4. Температура изделия тем ниже, чем больше охлаждающая поверхность и чем меньшее время оно включено - к упражнению 15
Можно выражать Рф1Рном не в процентах, а в долях единицы, принимая за единицу Рном. В нашем случае при этом условии Рф1РцОМ = 0.9- Смысл использования относительных единиц состоит в том, что график становится универсальным, т.е. он пригоден для всех однотипных изделий.
4. Решить этот вопрос можно, воспользовавшись графиком рис. 4,6.
Для резистора А на горизонтальной оси находим значение Рф1Рногл = 9%, проводим вертикальную красную линию до пересечения с кривой, а затем горизонтальную линию, которая укажет температуру, в данном случае 70 °С. Поступая аналогичным образом, определяем температуру резистора Б - зеленые линии - 120 °С и резистора В - синие линии - 280 °С. Одним словом, чем меньше номинальная мощность резистора, тем он сильнее нагревается.
5. На вертикальной оси (рис. 4,в) находим заданную температуру 140 °С, проводим горизонтальную линию до пересечения с кривой, а затем вертикальную линию, которая укажет искомое время, в данном случае 3 мин. Если резистор включен более 3 мин, то температура выше 140 °С. Так, например, рис. 4,в показывает, что резистор за 6 мин нагревается до 220 °С. Однако температура резистора не может превысить 300°С. Принято условие: Рф = /"ном.
Сложный процесс переноса теплоты состоит из ряда следующих более простых процессов:
а)        теплопроводности, т.е. молекулярного переноса теплоты посредством теплового движения микрочастиц в среде с неоднородным распределением температуры;
б)        излучения. Внутренняя энергия вещества превращается в энергию излучения. Далее оно распространяется в пространстве и, наконец, поглощается веществом, оказавшимся на пути излучения;
в)        конвективного переноса теплоты в среде с неоднородным распределением скорости и температуры микроскопическими элементами среды при их перемещении.
В природных объектах и инженерных сооружениях теплота переносится всеми тремя способами одновременно. Такой процесс называется теплопередачей.
Не вдаваясь в детали этого специального вопроса, подчеркнем следующее.
Чем лучше условия охлаждения, тем (при прочих равных условиях) температура ниже. Например, открытые аппараты охлаждаются лучше, чем закрытые. Важна скорость, с которой сменяется охлаждающая среда, например продувается воздух с помощью вентилятора и т.п. Особенности охлаждения электротехнических устройств рассмотрены в конце параграфа.
Перейдем к подробному рассмотрению этих вопросов.