Рис. IV.31. Схема водяного охлаждения контактов
Рис. IV.32. Зависимость перепада температуры в водоохлаждаемом контакте от падения напряжения в нем
В аппаратах на очень большие токи целесообразно применение водяного охлаждения. Особенно важно водяное охлаждение контактов. При этом надо различать нагревание контактной площадки и всей контактной поверхности. Вопрос о нагревании контактной площадки был рассмотрен ранее. Надо сразу сказать, что водяное охлаждение мало влияет на охлаждение контактной площадки, но оно играет существенную роль в определении средней температуры контакта.
Рассмотрим схематический чертеж, показанный на рис. IV. 31. Контакты, охлаждаемые водой, прижаты друг к другу с некоторой силой. Тепловой поток исходит из поверхности EF и направлен к поверхностям АВ и CD. Допустим, что линии теплового потока нормальны к этим поверхностям и параллельны друг другу. В этом случае тепловое сопротивление стенки АВ (и стенки CD):
где F — поверхность соприкосновения контактов.
Превышение температуры площадки EF над температурой площадки А В, охлаждаемой водой,
где I — ток; UK — падение напряжения в контакте.
При небольших падениях напряжения UK превышение температуры также невелико, но оно быстро растет при возрастании UK (рис. IV.32).
Падение напряжения в неохлаждаемых водой контактах невелико и обычно не превышает 10—15 мВ. При водяном охлаждении ток через контакты существенно возрастает, и падение напряжения может возрасти до 60—70 мВ. При этом превышение температуры контактов достигнет 60—90°. Температура контактной точки будет еще выше.
Средняя температура контактов сильно зависит от расхода воды (рис. IV.33). Увеличивая расход, можно существенно снижать среднюю температуру контактов. Однако надо помнить, что при большом токе температура контактной площадки может недопустимо повыситься, а это может привести к сварке контактов. Вспомним уравнение (IV.9), из которого следует, что превышение температуры контактной площадки над средней температурой контакта пропорционально квадрату тока.
Рис. IV.33. Зависимость средней температуры водоохлаждаемых контактов от расхода воды
Рис. IV.34. Схема автономного водовоздушного охлаждения контактов
Надо еще отметить, что водяное охлаждение практически снижает среднюю температуру контактов, но не снижает температуру контактной площадки. Поэтому проверку термической устойчивости контактов следует производить без учета водяного охлаждения.
Существует несколько систем водяного охлаждения электрических аппаратов. Остановимся на системе охлаждения проточной водой и на автономной водо-воздушной системе.
В системе охлаждения проточной водой протекание воды в охлаждающих каналах осуществляется при помощи напора, создаваемого насосами или водопроводной сетью. Недостаток водопроводной воды — ее сравнительно высокая проводимость. Правда, современные способы очистки воды дают возможность существенно понизить ее проводимость. Для этой цели обычно применяются ионитовые фильтры, употребляемые, в частности, на тепловых электростанциях для подготовки питательной воды котлов. После прохождения водопроводной воды через ионитовые фильтры ее удельная проводимость понижается в десятки раз. Такая вода вполне пригодна для охлаждения электрических аппаратов. Следует иметь в виду, что очищенная ионитовыми фильтрами вода через некоторое время снова повышает свою электропроводность. Поэтому необходимо периодически пропускать ее через фильтры.
Применение проточного водяного охлаждения дает возможность существенно повысить номинальный ток аппарата (например, автомата). Это повышение в некоторых случаях достигает трехкратной величины.
Против применения проточного водяного охлаждения выдвигается ряд соображений.
Несомненно, водяное охлаждение создает значительные конструктивные и эксплуатационные затруднения. Однако значительное повышение номинального тока аппаратов при данных его габаритах может компенсировать эти осложнения и дать в результате заметную экономическую выгоду. Другое важное возражение против водяного охлаждения аппаратов заключается в том, что в отключенном положении разомкнутые контакты остаются соединенными между собой через охлаждающую воду; они неполностью изолированы друг от друга. Это требует применения соответствующих мер техники безопасности.
Представляет интерес другая система водяного охлаждения аппаратов — автономная водовоздушная система (рис. IV.34). Здесь 1 и 2 — охлаждаемые водой контакты, через которые проходит ток. В них заложены трубки водяного охлаждения 3 и 4, соединенные с выводами 5 и 6 радиаторов 7. Радиаторы заполнены водой и имеют развитую поверхность охлаждения. Нагреваемая в трубках 3 и 4 вода расширяется и поднимается в радиатор, охлаждаемый воздухом. Это охлаждение может быть естественным или принудительным (обдувание вентилятором). Охлажденная в радиаторе вода опускается вниз в контакты аппарата. Таким образом, в этой системе осуществляется замкнутый круг движения воды.
Радиаторы устанавливаются на изоляторах, чтобы не допустить утечки тока в землю через воду, что существенно, так как вода в этой системе может иметь большую проводимость. Необходимо предупредить утечку тока при разомкнутых контактах. Для этого радиаторы выполняются каждый в виде двух секций, изолированных друг от друга. Каждая секция соединена трубками с одним контактом.
Интенсивность охлаждения автономной водовоздушной системы меньше, чем системы с принудительным водяным охлаждением, так как создаваемая естественной конвекцией скорость течения воды невелика. Однако она имеет известные преимущества, а именно: возможность обходиться без насосов и фильтров и не опасаться аварии вследствие перерыва в подаче воды.
Эффективность автономного водяного охлаждения может быть повышена применением обдувания радиаторов вентилятором. Конечно, в этом случае возникает опасность аварии при отказе вентилятора. Кроме того, это еще более удорожает систему и создает добавочные эксплуатационные расходы. Система автономного водовоздушного охлаждения с применением вентиляторов еще не имеет эксплуатационного опыта. Поэтому трудно судить, получит ли она распространение.
Для нормальной работы водяного охлаждения необходимо выполнение ряда условий. При заданной температуре воды на входе в аппарат ее расход должен быть достаточен для отвода всего тепла, выделяющегося в нем. Это условие выражается равенством P1= Р2, где Р1— мощность, выделяющаяся в аппарате, и Р2— мощность, отводимая водой. Для того чтобы аппарат с водяным охлаждением работал устойчиво и надежно, должно быть выполнено еще одно условие: 
При нормальном режиме работы аппаратов это требование обычно удовлетворяется. При коротких замыканиях оба эти условия могут быть нарушены, что приводит к аварии.
Рис. IV.35. Зависимость критической плотности теплового потока от скорости течения воды
Мощность, снимаемая водой с единицы поверхности соприкосновения ее с металлом, не должна превышать некоторой предельной величины. При номинальном режиме эта величина должна быть значительно ниже 200 вт/см2. Даже при коротких замыканиях не следует превосходить эту величину.
Тепловая постоянная нагревания проводника, охлаждаемого водой, во много раз меньше, чем охлаждаемого воздухом. Поэтому нагревание проводников при водяном охлаждении идет много быстрее, чем при воздушном. При расчетах нагревания токами короткого замыкания проводников с воздушным охлаждением теплоотдачей с поверхности проводников в воздух можно пренебречь и считать, что нагревание проводников осуществляется за счет поглощения тепла их теплоемкостью.
При водяном охлаждении нельзя пренебрегать теплом, уносимым водой за время короткого замыкания. При большом нагревании воды в ней начинается процесс кипения. Скрытая теплота парообразования, которая весьма велика, начинает играть существенную роль в процессе водяного охлаждения аппаратов. Хотя при этом значительно улучшается охлаждение, но допускать кипение охлаждающей воды нежелательно. Пузырьковое кипение значительно повышает термическую устойчивость водоохлаждаемых аппаратов, но в этом случае возникает опасность перехода пузырькового кипения в пленочное, при котором коэффициент теплоотдачи к воде резко падает. Может произойти перегрев проводника и даже взрыв аппарата.
Плотность теплового потока от металла к воде, при которой начинается резкий рост температуры проводника, названа критической. Из опытов была найдена зависимость критической плотности теплового потока от скорости течения воды (рис. IV.35). Не следует превышать нижнего предела, указанного на этом рисунке. Напомним, что приведенные сведения о нагревании охлаждаемых водой контактов относятся к средней температуре контактов. Температура контактной площадки всегда выше.
Существует мнение о том, что термическая устойчивость водоохлаждаемых аппаратов выше, чем охлаждаемых воздухом. С этим едва ли можно согласиться. По-видимому, правильнее считать, что при определении термической устойчивости водоохлаждаемых аппаратов не следует учитывать влияние охлаждения.
