Тепловые процессы в электрических аппаратах

Тепловые процессы в электрических аппаратах

Электрические аппараты являются сложными электротехнически­ми устройствами, содержащими много элементов, одни из которых являются проводниками электрических токов, другие — проводниками магнитных потоков, а третьи служат для электрической изоляции. Часть элементов может перемещаться в пространстве, передавая усилия другим узлам и блокам. Работа большой части аппаратов связана с преобразованием одних видов энергии в другие. При этом, как известно, неизбежны потери энергии и превращение ее в тепло. Теп­ловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата и частично отдается в окружаю­щую среду.

При увеличении температуры происходит ускоренное старение изоляции проводников и уменьшение их меха­нической прочности. Так, например, при возрастании дли­тельной температуры всего лишь на 8 °С сверх допустимой для данного класса изоляции, срок службы последней сокращается в 2 раза.

При увеличении температуры меди со 100 до 250 °С механическая прочность снижается на 40 %. Следует иметь в виду, что при коротком замыкании, когда тем­пература может достигать предельных значений (200-300 °С), токоведущие части подвержены воздействию больших электродинамических сил. Работа контактных соединений также сильно зависит от температуры.

Нагрев токоведущих частей и изоляции аппарата в значительной степени определяет его надежность. Поэто­му, во всех возможных режимах работы температура частей аппарата не должна превосходить таких значе­ний, при которых не обеспечивается его длительная работа.

1.1.1 Источники теплоты в электрических аппаратах

При протекании тока по электрическому проводнику в нём выделяется мощность P, которая для однородного проводника с равномерной плотностью постоянного тока I в единицу времени определяется как

где R – активное электрическое сопротивление проводника длиной l и поперечным сечением S

Удельное электрическое сопротивление материала проводника зависит от температуры T и в большинстве случаев (до температуры 150 – 200 °С) вычисляется

где – удельное сопротивление при температуре 0 °С; – температурный коэффициент сопротивления.

Как известно из курса теоретических основ электротехники (ТОЭ), поверхностным эффектом называется явление неравномерного распределения плотности переменного тока по поперечному сечению одиночного проводника, а эффектом близости – явление неравномерного распределения плотности переменного тока, обусловленное влиянием друг на друга близко расположенных проводников с токами.

Неравномерность распределения плотности тока приводит к возникновению дополнительных потерь мощности. При этом следует учитывать, что в проводниках из ферромагнитных материалов вышеуказанные явления проявляются значительно сильнее, чем в немагнитных проводниках.

В ферромагнитных нетоковедущих частях электрического аппарата, находящихся в переменном магнитном поле, также имеют место источники теплоты. Это обусловлено вихревыми токами, возникающими тогда, когда переменный во времени магнитный поток пронизывает ферромагнитные части аппарата.

Если магнитопровод выполнен из листовой электротехнической стали (шихтованный магнитопровод), то потери мощности в нём существенно меньше, чем в сплошном стальном магнитопроводе.

В электромеханических аппаратах, предназначенных для коммутации электрических цепей, мощным источником теплоты является электрическая дуга. В электромагнитных муфтах, предназначенных для коммутации и передачи механической мощности, потери на трение составляют существенную долю от общих потерь мощности.

1.1.2 Анализ способов распространения теплоты в электрических аппаратах.

Передача теплоты всегда идёт от более нагретых тел к менее нагретым и происходит до тех пор, пока температура тел не сравняется. Чем выше температура нагретого тела, тем интенсивнее будет происходить передача тепла. Различают три способа распространения теплоты в пространстве: теплопроводностью, тепловым излучением и конвекцией.

Теплопроводность – распространение тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц или тел, имеющих разную температуру. Теплопроводящие свойства среды характеризуются коэффициентом теплопроводности.

Тепловое излучение – распространение внутренней энергии тела путём излучения электромагнитных волн. Совокупность процессов взаимного излучения, поглощения, отражения и пропускания энергии в системе различных тел называется теплообменом излучением. Процесс осуществляется электромагнитными колебаниями с раз­личной длиной волны. В наибольшей степени переносят тепловую энергию инфракрасные лучи (длина волны 0,8 – 40 мкм), в меньшей степени – световые лучи (длина волны 0,4 – 0,8 мкм).

Конвекция – распространение теплоты при перемещении объёмов жидкостей или газов в пространстве из областей с одной температурой в области с другой температурой.

Различают естественную и вынужденную (искусственную) конвекцию. При вынужденной конвекции жидкость или газ движутся за счёт внешних сил (под действием насоса, вентилятора и т.п.). При естественной конвекции движение происходит за счёт выталкивающих (Архимедовых) сил, возникающих из-за различных плотностей холодных и горячих частиц жидкости или газа.

Коэффициент теплопередачи конвекцией определяет количество теплоты, которая отдаётся в секунду с 1 м 2 нагретой поверхности при разности температур поверхности и охлаждающей среды 1 °С. Он зависит от многих факторов, главные из которых – скорость движения и теплоёмкость охлаждающей среды, температура поверхности и среды, геометрические размеры и форма нагретой поверхности.

1.1.3 Задачи теплового расчёта электрических аппаратов

При тепловом расчёте электрических аппаратов исходят из того условия, что максимальное значение температуры не должно превышать допустимое значение, которое зависит от многих факторов и устанавливается стандартами.

В общем случае, задачей теплового расчёта является определение мощности источников теплоты и расчёт параметров температурного поля.

Для уменьшения мощности источников теплоты в электрических аппаратах придерживаются следующих правил:

— применяют проводниковые материалы с малым удельным сопротивлением;

— при резко выраженном поверхностном эффекте используют трубчатые проводники, чем достигается более равномерное распределение тока по сечению;

— при наличии составных шин их располагают таким образом, чтобы уменьшить поверхностный эффект и эффект близости;

— в конструкции нетоковедущих частей используют неферромагнитные материалы – немагнитный чугун, латунь, бронза;

— в нетоковедущих ферромагнитных деталях предусматривают воздушные промежутки;

— в ферромагнитных деталях на пути магнитного потока применяют короткозамкнутые витки.

Температуру поверхности тела можно уменьшить за счёт увеличения коэффициента теплоотдачи или площади охлаждающей поверхности. Такой способ уменьшения температуры называется интенсификацией охлаждения.

При вынужденной конвекции коэффициент теплоотдачи возрастает на порядок по сравнению с естественной конвекцией. Жидкостное охлаждение при естественной, а тем более при вынужденной конвекции также существенно повышает коэффициент теплоотдачи.

Интенсификация охлаждения путём увеличения площади охлаждающей поверхности достигается увеличением геометрических размеров аппарата или применением радиаторов охлаждения, т.е. искусственным увеличением площади охлаждающей поверхности.

1.1.4 Режимы работы электрических аппаратов

При эксплуатации электрических аппаратов могут иметь место следующие режимы работы:

— продолжительный – при котором температура аппарата достигает установившегося значения и аппарат при этой температуре остаётся под нагрузкой сколь угодно длительное время;

— прерывисто-продолжительный – при котором аппарат остаётся под нагрузкой при установившемся значении температуры ограниченное техническими условиями (ТУ) время;

— повторно-кратковременный – при котором температура частей электрического аппарата за время нагрузки не достигает установившегося значения, а за время паузы не уменьшается до температуры окружающей среды;

— кратковременный – при котором в период нагрузки температура частей электрического аппарата не достигает установившегося значения, а в период отсутствия нагрузки достигает температуры холодного состояния;

— короткого замыкания – это частный случай кратковременного режима работы, когда температура частей электрического аппарата значительно превосходит установившуюся температуру при нормальном режиме работы.

1.1.5 Продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и перемежающийся режимы работы электрических аппаратов. Обычно электрические аппараты могут работать в одном из следующих режимов, для которых характерно определённое изменение во времени t тока нагрузки I_н и превышение температуры нагрева (разность между температурой аппарата и температурой окружающей среды): продолжительном, кратковременном, повторно-кратковременном и перемежающемся.

В продолжительном режиме (рисунок 1.1.) достигается установившееся превышение температуры нагрева , значение которого в любом случае должно быть меньше, чем допустимое превышение температуры . Скорость изменения температуры характеризуется тепловой постоянной времени . Касательная к кривой отсекает на линии установившейся температуры как раз отрезок, равный по длительности .

Рисунок 1.1 — Продолжительный режим работы

В кратковременном режиме (рисунок 1.2, а) в период наличия тока I_o температура аппарата не успевает достичь установившегося значения, а за время паузы тока t_П температура аппарата снижается практически до температуры окружающей среды Т_окр. Это позволяет осуществлять форсирование аппарата по току с тем условием, что за время нагрузки t_НГ не будет достигнуто .

Рисунок 1.2 — Режимы работы аппаратов

В повторно-кратковременном режиме (рис 1.2, б) температура аппарата так же не достигает установившегося значения в период t_НГ, а во время паузы тока не успевает снизиться до Т_окр. Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включения:

где t_НГ и t_П – время нагрузки и время паузы. Стандартные значения ПВ составляют 15, 25, 40 и 60%.

Коэффициент перегрузки по мощности показывает, во сколько раз можно увеличить мощность источников теплоты в электрическом аппарате при повторно-кратковременном режиме работы по сравнению с мощностью при продолжительном режиме при условии равенства допустимой температуры в том и другом случаях.

Если , то в этом случае, с погрешностью не более 5% можно определить

Поскольку, при прочих равных условиях, мощность источников теплоты в большинстве случаев пропорциональна квадрату тока, то вводится коэффициент перегрузки по току k_I, который равен

Наиболее общим является перемежающийся режим (рисунок 1.2, в) когда в период t₁ проходит ток I₁, а в период t₂ – ток I₁, причём . В установившемся состоянии температура перегрева имеет максимум и минимум . Если по аппарату длительное время проходит ток I₁, то установившаяся температура перегрева равна . Аналогично, току I₂ соответствует температура перегрева . По прошествии некоторого времени и соседних циклов станут одинаковыми. Наступит так называемый квазистационарный («мнимостационарный») режим работы с неизменными значениями и .

1.1.6. Термическая стойкость электрических аппаратов

Термической стойкостью электрических аппаратов называется способность их выдерживать без повреждений, препятствующих дальнейшей работе, термическое воздействие протекающих по токоведущим частям токов заданной длительности. Количественной характеристикой термической стойкости является ток термической стойкости, протекающий в течение определённого промежутка времени. Наиболее напряжённым является режим короткого замыкания, в процессе которого токи по сравнению с номинальными могут возрастать в десятки раз, а мощности источников теплоты – в сотни раз.

Термическая стойкость электрического аппарата зависит при этом не только от режима короткого замыкания, но и от теплового состояния, предшествующего режиму короткого замыкания.

При коротком замыкании электрические аппараты подвергаются значительным термическим воздействиям. Как правило, это аварий­ный режим работы и поэтому время его действия ограничивается до минимально возможного значения. Для большинства электрических аппаратов это время , т.е. не превосходит времени нагрева при адиабатическом процессе (нагрев без теплообмена с окружающей средой). Другими словами, режим короткого замыкания можно рассматривать как кратковременный режим работы, при котором температура элек­трического аппарата может достигать значений, превосходящих до­пустимую температуру в продолжительном режиме. Это возможно, поскольку время кратковременного режима обычно небольшое, за которое не может произойти существенных изменений в старении изоляции и других элементах, которые ограничивают температуру в продолжительном режиме работы.

Тем не менее, и в этом случае существуют ограничения, которые в основном диктуются температурой рекристаллизации материала токоведущих частей. В электрических аппаратах приняты следующие значения максимальной температуры при кратковременном режиме работы:

— неизолированные токоведущие части из меди и её сплавов – 300 °С;

— алюминиевые токоведущие части – 200 °С;

— токоведущие части (кроме алюминиевых), соприкасающиеся с органической изоляцией или маслом – 250 °С.

Закон динамики теплового проявления электрического тока

Закон динамики теплового проявления электрического тока — это физический закон, определяющий скорость изменения температуры замкнутой тепловой системы при протекании электрического тока.

В статье сформулирован закон динамики теплового проявления электрического тока и приводится его теоретическое доказательство с использованием известных законов и зависимостей. Его использование позволило определять температуру отдельных частей электропроводок и, таким образом, оценивать и прогнозировать тепловой режим работы для обеспечения пожарной безопасности [1] [2] [3] [4] [5] [6] .

Содержание

[править] Введение

Важнейшим критерием пожарной опасности действия электрического тока является теплота, которая при этом выделяется. Значение выделяемой теплоты за определённое время, в том числе по закону Джоуля — Ленца, далеко от представления о температуре и характере её изменения и, соответственно, определения безопасных режимов эксплуатации. Избыточная теплота приводит к нагреву веществ и материалов (электрической изоляции), что предопределяет возможность возникновения пожара. Быстрота протекающего процесса ведёт к проявлению динамического действия, в том числе обусловленного тепловым расширением веществ и материалов при протекании электрического тока, возникновению ударной волны, выбросу раскалённых частиц на значительные расстояния. Динамика происходящих процессов определяется мгновенной скоростью нарастания температуры. Закон сохранения энергии, сформулированный в 1789 г. А. Лавуазье, установил неизменяемость общего количества энергии при разных вариациях наличия и перехода энергии из одного вида в другой, включая механическую и все виды внутренней энергии.

В 1826 г. Ом сформулировал закон, в соответствии с которым при заданном напряжении U сила проходящего тока I тем меньше, чем больше сопротивление R

Известно, что произведенная работа А равна произведению мощности P на время t

[math] A = Pt.(2)[/math]

Исследуя в начале 40-х годов XIX века на опытах нагревание проводников током, Джоуль и Ленц установили, что количество тепла Q, выделяющееся в проводнике при прохождении через него электрического тока, прямо пропорционально сопротивлению R проводника, квадрату силы тока I и времени t.

[math] Q = I^2 Rt.(3)[/math]

В опытах Джоуля и Ленца ток проходил через неподвижные металлические проводники. Поэтому единственным результатом работы тока было нагревание этих проводников и, следовательно, по закону сохранения энергии вся работа, совершенная током, превращалась в тепло Q, то есть

Следовательно, в силу закона сохранения энергии, если напряжение на концах участка равно U, то при протекании тока I имеем

[math] Q = Pt = UIt = I^2 Rt.(5)[/math]

Таким образом, процессу развития науки потребовалось несколько десятилетий для того, чтобы в результате опытов определить количество тепла, выделяемого при прохождении электрического тока. Между тем, закон Джоуля — Ленца мог быть легко выведен теоретически из известных фундаментальных данных. Физический смысл выделения энергии в виде тепла обусловлен «потерями» электрической энергии на преодоление сопротивления проводника. Опасность теплового проявления тока заключается в нагревании горючей изоляции проводников до пожароопасной температуры. Динамика теплового действия электрического тока (изменение температуры проводника) оставалась неизвестной. Развитие промышленности, электроники и электротехники требует установления температурно-временных показателей теплового проявления электрического тока в целях повышения пожарной безопасности электротехнических изделий.

[править] Вывод закона динамики теплового проявления электрического тока

Рассмотрим жилу электропровода как замкнутую тепловую систему. Из закона сохранения энергии

[math] mathcal <4>Q= mathcal <4>E, (6)[/math]

где Δ Q — изменение внутренней энергии материала электропровода;

Δ E — потери электрической энергии в электропроводнике. Тепло, выделяемое в электропроводках при протекании электрического тока Q₃, расходуется на нагрев токопроводящих жил Q₁ и отводится через изоляцию в окружающую среду Q₂. Скорость этих процессов зависит от характеристик режима протекания тока, материала, а также конструкции электропроводок и состояния окружающей среды. При этом изменение теплосодержания материала жилы будет зависеть от соотношения выделяемого и отводимого от жилы теплового потока.

[math] Q_1 = Q_3 — Q_2.(7)[/math]

Рассматривая проводник, как замкнутую тепловую систему c постоянными давлением и объемом, для скорости изменения теплосодержания жилы Q`₁ будет справедливо выражение

[math] Q’_1= Q’_3 — Q’_2,(8)[/math]

где Q’₃ — скорость изменения теплосодержания материала жилы проводника, как замкнутой тепловой системы, из-за теплового действия электрического тока; Q’₂ — скорость изменения теплосодержания изоляции за счет теплоотвода от жилы в изоляцию.

В 1996 году [5 — 7] [7] [8] [9] был установлен закон динамики изменения температуры проводника для замкнутой тепловой системы (тепло не отводится в окружающую среду, а аккумулируется жилой проводника). В результате установлено влияние напряженности электрического поля Е на скорость v изменения внутренней энергии жилы проводника (температуры Т). С учетом используемых технических средств контроля, динамика изменения температуры может быть представлена через величину токаа, протекающего по проводнику.

Выделяемая энергия расходуется на изменение температуры вещества. Используя законы Джоуля — Ленца и Ома, запишем уравнение теплового баланса.

[math] m c dT = frac U^2> dt,(9)[/math]

где m — масса вещества, кг; с — удельная теплоемкость материала проводника, Дж·кг −1 ·К −1 ; ∆U — падение напряжения на исследуемом участке, В.

Выразив массу через объем, а объем и электрическое сопротивление через геометрические размеры жилы проводника (канала протекания) тока получим

[math] c r S L dT = frac > dt,(10)[/math]

где r — плотность материала жилы, кг·м −3 ; S — сечение проводника, м 2 ; L — длина проводника, м; g — удельное электрическое сопротивление материала проводника, Ом·м.

Разделив обе части уравнения на S·L и преобразовав выражение получим

Учитывая, что dT/dτ — это скорость нарастания температуры v, а U/L — это напряженность E, формула приобретает вид

[math] c r v = frac.(12)[/math]

Преобразуем выражение для определения значения мгновенной скорости роста температуры v.

Параметры с, r, g характеризуют свойства вещества, в котором протекает ток. Обозначим

[math] crg = X,(14)[/math]

где X — характеристика вещества, Дж·Ом·м 2 ·К −1 .

При отсутствии теплоотвода в окружающую среду мгновенная скорость роста температуры проводника прямо пропорциональна квадрату напряженности электрического поля и обратно пропорциональна характеристике материала проводника.

[править] Доказательство закона динамики теплового проявления электрического тока

Для практического применения с учетом развития технических средств контроля и аппаратов защиты электрических сетей важно знать динамику изменения температуры в зависимости от величины тока, протекающего в цепи. Раскроем в формуле (15) значение напряженности и получим

Выразим напряжение в соответствии с законом Ома.

где R — электрическое сопротивление участка проводника, Ом; I — тока, протекающий по проводнику, А.

Выразим электрическое сопротивление через геометрические размеры проводника (жилы электрического провода)

Подставим значение сопротивления в формулу (17)

Проведем сокращение величин в формуле (19).

где ð — плотность тока, А·м −2 .

Величины, характеризующие физические свойства проводника, находятся в соотношении, образующем каэффициент пропорциональности К, Ом·м 4 ·Дж −1 ·К,

С учетом коэффициента пропорциональности К формула (21) приобретает вид

[math] v = K eth^2.(23)[/math]

Таким образом, коэффициент пропорциональности образуется известными величинами, характеризующими конкретный проводник. Аппаратура контроля электрических сетей измеряет текущее значение тока, поэтому при известном сечении проводника плотность тока является величиной однозначно определяемой по условиям работы. С учетом применения устройств контроля работы электрических сетей закон формулируется в следующим виде: «Для замкнутой тепловой системы скорость роста температуры при протекании электрического тока зависит от материала проводника и является величиной прямо пропорциональной квадрату плотности тока».

Соответствующий результат может быть получен при введении данных о токе, протекающем по проводнику, в уравнение теплового баланса (10) и дальнейшем преобразовании получаемого результата с учетом формул (18 и 22).

[math] crSLdT = frac,(24)[/math] [math] crSLdT = frac,(25)[/math] [math] crdT = fracdt,(26)[/math] [math] v = fracdt,(27)[/math] [math] v = K eth^2. [/math]

[править] Источники

1. ↑ Мисюкевич Н. С. Закон динамики теплового проявления электрического тока/ Н. С. Мисюкевич // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. — Химки: ФГБОУ ВПО АГЗ МЧС России. 2011. — № 4. — С. 41-44.
2. ↑ Мисюкевич Н. С. Теоретические основы защиты электросетей от теплового перегрева и возгорания / В сб.: Матер. XXI научно-практ. конф. научно-педагог. состава и обучающихся. Предупреждение, спасение, помощь (современность и инновации). 9 марта 2011 г. Химки: АГЗ МЧС РФ. — 2011. — С. 99-101.
3. ↑ Нгуен Т. А. Автоматизация предотвращения пожаров на промышленных объектах при обнаружении токов утечки в электрооборудовании. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук. — М: 2011. — 22с.
4. ↑ Иванович А. А. Выбор аппаратов защиты электрических сетей до 1000 В по их защитным характеристикам / В сб.: Матер. 53 Межд. научн.-техн. конф. профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов Белорусской государственной политехнической академии. Минск: БГПА. — 1999. в 4-х частях, часть 1. — С. 11.
5. ↑ Мисюкевич Н. С. Проверка аппаратов защиты по условию предупреждения перегрева кабельных изделий / В сб.: Матер. III Межд. научн.-техн. конф. Приборостроение-2010, 10-12 ноября 2010 года. Минск: БНТУ. — 2010. — С. 98-99.
6. ↑ Мисюкевич Н. С. Теоретические и экспериментальные исследования времятоковых характеристик электрических проводов / В сб.: Матер. XIX Межд. научн.-техн. конф. «Системы безопасности» — СБ-2010, 28 октября 2010 года. М.: АГПС МЧС РФ. — 2010. — С. 234—237.
7. ↑ Мисюкевич Н. С. Доказательство закона динамики теплового проявления электрического тока / В сб.: Матер. IV Всероссийской научн.-практ. конф. Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации. 15 апреля 2010 г. Екатеринбург: Уральский институт ГПС МЧС РФ. — 2010. — С. 55-58.
8. ↑ Мисюкевич Н. С. Моделирование процессов, сопровождающих электрические разряды / В сб.: Тез. докл. IV Межд. конф. Информатизация систем безопасности ИСБ-96. 30 октября 2006 года. М.: МИПБ. — 1996. — С. 151 153.
9. ↑ Мисюкевич Н. С. Теория пожарной опасности электрических проводок // Научное обеспечение пожарной безопасности. №. 4 (специальный). Минск: 1997. — С. 92-94.

[править] Литература

1. Мисюкевич Н. С. Закон динамики теплового проявления электрического тока/ Н. С. Мисюкевич // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. — Химки: ФГБОУ ВПО АГЗ МЧС России. 2011. — № 4. — С. 41-44.

2. Мисюкевич Н. С. Теоретические основы защиты электросетей от теплового перегрева и возгорания / В сб.: Матер. XXI научно-практ. конф. научно-педагог. состава и обучающихся. Предупреждение, спасение, помощь (современность и инновации). 9 марта 2011 г. Химки: АГЗ МЧС РФ. — 2011. — С. 99-101.

3. Нгуен Т. А. Автоматизация предотвращения пожаров на промышленных объектах при обнаружении токов утечки в электрооборудовании. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук. — М: 2011. — 22с.

4. Иванович А. А. Выбор аппаратов защиты электрических сетей до 1000 В по их защитным характеристикам / В сб.: Матер. 53 Межд. научн.-техн. конф. профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов Белорусской государственной политехнической академии. Минск: БГПА. — 1999. в 4-х частях, часть 1. — С. 11

5. Мисюкевич Н. С. Проверка аппаратов защиты по условию предупреждения перегрева кабельных изделий / В сб.: Матер. III Межд. научн.-техн. конф. Приборостроение-2010, 10-12 ноября 2010 года. Минск: БНТУ. — 2010. — С. 98-99.

6. Мисюкевич Н. С. Теоретические и экспериментальные исследования времятоковых характеристик электрических проводов / В сб.: Матер. XIX Межд. научн.-техн. конф. «Системы безопасности» — СБ-2010, 28 октября 2010 года. М.: АГПС МЧС РФ. — 2010. — С. 234—237.

7. Мисюкевич Н. С. Доказательство закона динамики теплового проявления электрического тока / В сб.: Матер. IV Всероссийской научн.-практ. конф. Актуальные проблемы обеспечения безопасности в Российской Федерации. 15 апреля 2010 г. Екатеринбург: Уральский институт ГПС МЧС РФ. — 2010. — С. 55-58.

8. Мисюкевич Н. С. Моделирование процессов, сопровождающих электрические разряды / В сб.: Тез. докл. IV Межд. конф. Информатизация систем безопасности ИСБ-96. 30 октября 2006 года. М.: МИПБ. — 1996. — С. 151—153.

9. Мисюкевич Н. С. Теория пожарной опасности электрических проводок // Научное обеспечение пожарной безопасности. №. 4 (специальный). Минск: 1997. — С. 92-94.

Тепловая мощность на резисторе — что это такое и как рассчитывается

Компоненты электрической цепи

Практически все электроприборы содержат в своих схемах резисторы. Это объясняется тем, что для каждого прибора или проводника избирается своя сила тока для функционирования. Для того чтобы компенсировать значение между напряжением и движением заряженных частиц, в схемы вводят сопротивление. Основной параметр – это его мощность.

Что такое тепловая мощность резистора

Другое название – рассеивание. Этим понятием называют максимальные токи, которые без вреда могут протекать через него для осуществления работы и образования ЭДС в контактах и т.п.

Важно! Для каждой электрической схемы параметры рассеивания подбираются индивидуально.

Вычисляется по физической формуле с алгебраическими значениями: P = I * R.

• I – сила тока, Ампер.
• R – сопротивление, Ом.
• Р – мощность, Вт.

В физическом плане рассеивание – это способность проводника отдавать тепло в окружающую среду в том количестве, которое не вредит составным частям самого элемента. Это очень важный параметр, так как от него зависит исправность и долговечность электроприбора.

Важно! Все компоненты работают, подчиняясь закону Ома, но сам нагрев происходит из-за разности величин напряжения на входе и выходе. Это и является основным условием движения заряженных частиц через проводник.

Как определить и подобрать мощность

Данный параметр избирается от максимального значения силы заряженных частиц, которые будут протекать через проводник.

Для того чтобы подбирать тепловое рассеивание участков сопротивления для конкретных электроприборов, необходимо изучить параметры входного и выходного напряжения, а также силу электроцепи.

Важно! Необходимо понимать, что городские и промышленные цепи различаются по нагрузке и напряжению. Для бытовых используется 220V, для промышленных часто применяется значение в 380V.

Далее будет представлен стандартный ряд с графическим изображением мощностного отбора резистантов. Абсолютное большинство фабричных электроприборов оснащаются схемами, где указан конкретный диапазон элементов. Такие схемы незаменимы при ремонте и позволяют быстро подбирать необходимое.

Стандартный ряд мощностей и их обозначение на схемах

Вт	Условное обозначение на электросхемах
0,05 Вт
0,125 Вт
0,025 Вт
0,5 Вт
1 Вт
2 Вт
5 Вт

В качестве графических обозначений используются римские цифры и черточки, раскрывающие диапазон от 0,05 до 25

Важно! Очень важно запомнить то, что слабые устройства обозначается косыми линиями.

Формула для расчета мощности тока в активном сопротивлении, как узнать сколько ватт

Как уже было упомянуто, классическая формула для расчета формируется так: квадрат силы движущихся заряженных частиц, помноженный на величину резистента.

Так показатели работоспособности напрямую зависят от напряжения. При работе и возникновении ЭДС частицы протекают через элемент, «осаживаясь» сопротивлением, и происходит нагрев элемента. Нагрев – это выделение тепла, который может быть измерен в Вт.

Важно! Что будет, если неправильно подобрать изделие? Если величина рассеивания слишком маленькая, то сопротивление перегорит, а если установить слишком «сильный» резистант, то движение заряженных частиц не начнется, и произойдет замыкание. Если из строя вышел элемент в 0,5 Вт, то он заменяется точным аналогом с соответствующими параметрами.

Действует еще одно правило подбора – оно касается не графических изображений на схеме, а самого типоразмера устройства. Чем больше элемент по габаритам, тем выше характеристика его параметров.

Как рассчитать рассеивание для сопротивления

Рассеиванием в физике и электромеханике называется процесс образования тепловой энергии, при чем это касается не только резисторов, но и прочих электрических элементов: кабелей, проводов, штекеров и катушек.

Главное не допускать перегрева, так как это кратно снижает долговечность электроприборов и их отдельных элементов. Следующий ряд является типовым в отборе характеристик зависимости производительности от напряжения:

• 0,125
• 0,25
• 0,5
• 1
• 2
• Более 2 Ватт.

Им соответствует значение для сопротивлений, Ом: 10, 20, 25, 50, 60, 100.

Приведем конкретный пример алгебраического вычисления.

Мы имеем изделие с параметром в 10 Ом и пропускаем через него поток заряда в 0,1 А. Используем значения для того, чтобы подставить их в известную формулу с переменными. Получаем P = 1

P_(Ватт) – теплота, выделяемая на резисторе;

R_(Ом) – сопротивление цепочки;

I_(А) – движение заряженных частиц.

Как определить по внешнему виду

Если на схеме имеется конкретное обозначение, то тепловая мощность на резисторе определяется по символам, но как определить параметр по внешнему виду элементов на плате?

Известно, что чем больше площадь поверхности, тем больше она может поглощать или отдавать количества теплоты на резисторе.

Кроме того, существуют буквенные обозначения для российских и импортных устройств.

В – Маломощные от 0,125 до 0,25

W — Маломощные от 0,125 до 0,25

V – Средний диапазон.

Важно! Существуют миниатюрные устройства, на корпусе которых невозможно нанести маркировку. Такие сопротивления окрашиваются в белый, желтый или красный цвет. Цвета в соответствии с диапазонами по возрастающей. В частности, это касается импортных изделий.

Как рассчитать мощность в схеме

Для схем также обязательны знания о силе тока и сопротивлении, без знания этих параметров расчет будет невозможен. Тепловые потери на резисторе формируются из квадрата силы тока, помноженного на сопротивление: P = I² * R (количество теплоты на резисторе формула). Актуальна только при расчетах готовой и известной схемы, во всех случаях предварительного расчета используется прямое значение силы тока, а не ее квадрат.

Величина указывается исключительно в Омах, если используются значения в кило- или мегаомах, то их необходимо округлять до классического значения в одну единицу сопротивления – Ом.

Схема с последовательным соединением элементов

Последовательное соединение означает тот факт, что через все элементы схемы проходит одно и то же значение силы тока. Это означает, что и рассеивание будет тождественным на всех резистантах. Для подсчета необходимо:

• Суммировать значения на всех участках, то есть: 200 Ом + 100 Ом + 51 Ом + 39 Ом = 390 Ом. Сила тока рассчитывается по закону: I = U/R. Алгебраически значение формируется в следующем виде: I = 100 В / 390 Ом = 0,256 А.
• Рассчитать параметр: P = 0,256² * 390 Ом = 25,549

Это ответ на вопрос о том, какая тепловая мощность будет выделяться на резисторе r1 в схеме.

Таким образом становится возможным подсчитать индивидуальное рассеивание на каждом участке, указанном в схеме.

Как подобрать резистор на замену

Для замены всегда подбирается точно такой же элемент. Допускается временное использование сопротивлений с параметром на 1 порядок выше, чем у перегоревшего или вышедшего из строя по другим причинам. Это основное условие замкнутого контура в цепи. Установить неисправный участок цепи – означает разомкнуть цепь.

Определить параметры можно приблизительно по маркировке и размерам.

Элементы для замены оснащены выводами с обоих концов – их паяют на плату. Рекомендуется не подрезать выводы, так как они тоже обладают дополнительным сопротивлением.

На резисторе внешней цепи аккумулятора выделяется тепловая мощность 10 Вт

Этот параметр и условие являются актуальными при последовательном подключении трех аккумуляторов. Если к концам подведена внешняя цепь с аккумулятором, то для каждого следующего аккумулятора значение будет увеличиваться в 2 раза. Но поскольку мощность зависит от напряжения через силу тока, то для третьего аккумулятора возрастание мощности составит значение в 25%. Тепловые потери составят 26,9Вт.

Используя сведения, которые были представлены в данной статье, можно самостоятельно и быстро подобрать необходимые элементы электроцепи в электроприборе для замены. Для этого в настоящее время существует множество магазинов электроники, которые удовлетворят запросы самых претенциозных клиентов.

Данную статью можно использовать в качестве конкретного руководства по выбору резисторов не только в бытовые электроприборы, но и в промышленные установки.

Особенности источников тока

Существует несколько видов источников тока, различающиеся по природе происхождения энергии. Каждый из этих видов имеет свои индивидуальные особенности, в частности, принципы выработки электрической энергии, а также ее преобразование. Определить, какой тип элемента применяется, можно с помощью графического обозначения.

Что такое источники тока

Источники тока – это элементы электрической цепи, который поддерживают энергию с заданными параметрами. При этом, энергоснабжение цепи не зависит от характеристик элементов, входящих в её состав, в частности, сопротивления.

Прибор для выработки тока

Различают идеальные и реальные устройства для выработки тока:

• Идеальные определяются только благодаря гипотезам и теоретическим выкладкам. Так, учёные нередко определяют ряд условий, при которых ток имеет максимальные значения, приближенные к идеалу. То есть, осуществляется имитация идеального источника.
• Реальные условия поддерживают заданные параметры выходного тока и напряжения. Любой прибор обеспечивает свою работу, при условии, что это позволяют сделать его технические характеристики.

Важно! Таким образом, максимальное значение тока и напряжения дают возможность определить, какой именно вариант источника будет использован в цепи – идеальный или реальный.

Виды источников

Существует несколько видов устройств для выработки тока, каждый из которых имеет свои основные показатели, характеристики и особенности, приведённые в следующей таблице:

· Гальванический элемент работает посредством взаимодействия 2-х разных металлов, помещенных в электролит.

· Аккумуляторы – устройства, которые можно несколько раз заряжать и разряжать. Существует несколько видов аккумуляторов с различными типами элементов, входящих в их состав.

Важно! Каждый вид имеет свои преимущества и недостатки, которые определяются принципом использования, а также исходными показателями вырабатываемой энергии.

Механические источники

Механические агрегаты являются самыми простыми по принципу их использования и обустройства. Характеристика таких генераторов очень проста для понимания. В специальных устройствах вырабатывается энергия, которая впоследствии преобразуется в электричество. Такие приборы используются на тепловых электростанциях и гидроэлектростанциях.

Механический

Тепловые источники

Тепловые варианты источников обеспечивают уникальный принцип работы. Энергия вырабатывается благодаря образованию термопары, которая. Это означает, что на концах проводников обеспечивается расчётная разность температур, элементы взаимодействуют между собой, создавая электрическое поле.

Тепловой

Обратите внимание! Радиоактивные термопары используют в космической промышленности. Эффективность такого использования возможна благодаря долгому сроку службы и эффективным показателям вырабатываемой мощности.

В результате подобного движения заряженных частиц от горячей части проводника к холодной возникает электроток. При этом, чем больше разница температур, тем выше показатель результативной энергии. На практике термопары нередко входят в состав измерительных приборов.

Световые источники

Световые устройства ля выработки электроэнергии считаются самыми экологичными, эффективными и относительно дешевыми. Специальная панель из полупроводников поглощает световые частицы, которые при таком взаимодействии выдают определенное напряжение.

Световой

При этом, световые панели имеют небольшой показатель КПД – 15 %. Панели такого типа нашли широкое применение – от бытовых приборов до инновационных разработок в космической отрасли.

Важно! Световые источники начали использоваться вместо литиевых батарей из-за высокой стоимости последних. Несмотря на то, что многие объекты промышленности требуют значительного переоснащения для перехода на световые источники, конечная экономия возникает уже на первичных этапах эксплуатации.

Химические источники

В данную группу входит 3 основных устройства, отличающиеся строением и принципом работы:

• Гальванический элемент – это вариант для выработки электроэнергии, который может быть использован один раз. То есть, после полной разрядки, повторное накопление заряда на внутреннем веществе невозможно. В состав таких приборов входят солевые, литиевые или щелочные батарейки.
• Аккумуляторы – подразделяются на несколько типов: свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-кадмиевые.
• Тепловые элементы – используются в космической и инновационной промышленности для производства кратковременного тока с высокими показателями. Практическое применение агрегатов основано на потребностях в резервных источниках питания.

Важно! Химико-тепловые устройства требуют первоначального нагрева до 500–600 °С, чтобы активизировать твердый электролит.

Химический

В каждой сфере промышленности используется собственный вариант с конкретными параметрами. В бытовых условиях применяются, в основном, батарейки; в производственной – аккумуляторы.

Обозначение источников тока

Чтобы при выборе не возникало вопроса относительно того, какой тип источника тока представлен, используются специальные обозначения. В физике существуют точные графические изображения, которые позволяют идентифицировать тип применяемого источника:

Обозначения

На каждой схеме условных обозначений можно увидеть следующие параметры:

• Общее обозначение источника тока и движущей силы ЭДС;
• Графическое изображение без ЭДС;
• Химический тип;
• Батарея;
• Постоянное напряжение;
• Переменное напряжение;
• Генератор.

Благодаря графическим идентификаторам на схеме электрической цепи всегда можно определить, какой именно тип используется в конкретной ситуации, и как правильно его обозначать. Существуют также международные обозначения, которые встречаются немного реже, обычно при реализации интернациональных проектов.

Принцип действия

Каждая маркировка источников тока определяет принцип его действия. В стандартной ситуации выработка энергии производится посредством взаимодействия составляющих частей, а именно:

• Механический тип. В результате взаимодействия деталей механизма, возникает трение. Благодаря такому явлению, возникает статическое электричество, преобразуемое в ток.
• Механические конструкции работают посредством образования последовательно движущихся заряженных частиц. Явление возникает благодаря взаимодействию химического элемента с электролитом. Заряженные частицы покидают структуру кристаллической решётки металла, входя в состав проводящей жидкости.
• Солнечные батареи (световые источники) работают за счет выбивания заряженных частиц из диэлектрической (кремниевой) основы под воздействием светового потока. Благодаря этому возникает постоянное напряжение.
• Тепловые. Как правило, это 2 последовательно соединенных металлических основания. Одна часть нагревается, а вторая остается охлажденной. При изменении температурного режима возникает разница температур, в результате чего происходит движение заряженных частиц.

Важно! Любое изменение в строении вещества может привести к необратимым последствиям, которые проявятся при работе устройства.

Конструкция

Конструкция элемента влияет на принцип его работы. Каждый источник, который выдает электрический ток, имеет определенную конструкцию:

• Самый простой бытовой аккумулятор включает в себя металлический корпус, внутри которого используется щелочная среда. Дополнительными элементами являются свинцовые пластины, на которых накапливаются катоды и аноды.

• Обычная бытовая батарейка с входящим в её состав сухим элементом имеет металлический корпус, в который помещен стержень-накопитель катодов. Всё прочее пространство заполнено солевым электролитом.

• Генератор переменного тока – это устройство, состоящее из трещоток или металлической рамки.

• Тепловой источник тока, который уже включен в цепь. Это обычная рамка, установленная на подставке из диэлектрика. Обычно, конструкция подключена к измерительному прибору, типа амперметра. Источник тепла – это пламя или внешний электрический импульс.

Важно! Подобная конструкция помогает точно понять, как образуется энергия, которая впоследствии преобразуется в ток. Каждый вариант строения обычно заключен в специальный корпус из диэлектрического материала.

Условия работы источников тока

Любой источник тока работает при определенных условиях. В отсутствие химической реакции внутри элементов не смогут образовываться заряженные частицы. Если будет отсутствовать анод и катод, то движения частиц не возникнет даже при наличии реакции.

В аккумуляторах происходит похожий процесс, но толчком для возникновения химической реакции является замыкание во внешней электрической цепи. Заряженные элементы начинают двигаться от анода к катоду и наоборот, создавая постоянный поток.

Идеальный и реальный

Световые типы не могут работать без наличия источника света. КПД зависит от типа используемого диэлектрического элемента. Дополнительно необходимо иметь в наличии приспособление ля преобразования полученной энергии.

Тепловой вариант не будет работать, если в его основу входит 1 тип металла. Если будет отсутствовать источник тепла, то ни о каком возникновение движущихся частиц не может быть и речи.

Источники

Для выработки электрической энергии требуется выбрать источник тока, соответствующий потребностям в конкретной сфере применения. Существует несколько вариантов таких приспособлений, каждый из которых имеет определенное строение, принцип работы и индивидуальные технические показатели.

Автоматические выключатели

Автоматический выключатель (автомат) — это коммутационный аппарат предназначенный для защиты электрической сети от сверхтоков, т.е. от коротких замыканий и перегрузок.

Определение «коммутационный» означает, что данный аппарат может включать и отключать электрические цепи, другими словами производить их коммутацию.

Автоматические выключатели бывают с электромагнитным расцепителем защищающим электрическую цепь от короткого замыкания и комбинированным расцепителем — когда дополнительно с электромагнитным расцепителем применяется тепловой расцепитель защищающий цепь от перегрузки.

Примечание: В соответствии с требованиями ПУЭ бытовые электросети должны быть защищены как от коротких замыканий, так и от перегрузки, поэтому для защиты домашней электропроводки следует применять автоматы именно с комбинированным расцепителем.

Автоматические выключатели делятся на однополюсные (применяются в однофазных сетях), двухполюсные (применяются в однофазных и двухфазных сетях) и трехполюсные (применяются в трехфазных сетях), так же бывают четырехполюсные автоматические выключатели (могут применяться в трехфазных сетях с системой заземления TN-S).

Устройство и принцип работы автоматического выключателя.

На рисунке ниже представлено устройство автоматического выключателя с комбинированным расцепителем, т.е. имеющий и электромагнитный и тепловой расцепитель.

1,2 — соответственно нижняя и верхняя винтовые клеммы для подключения провода

3 — подвижный контакт; 4 — дугогасительная камера; 5 — гибкий проводник (применяется для соединения подвижных частей автоматического выключателя); 6 — катушка электромагнитного расцепителя; 7 — сердечник электромагнитного расцепителя; 8 — тепловой расцепитель (биметалли́ческая пласти́на); 9 — механизм расцепителя; 10 — рукоятка управления; 11 — фиксатор (для крепления автомата на DIN-рейке).

Синими стрелками на рисунке показано направление протекания тока через автоматический выключатель.

Основными элементами автоматического выключателя являются электромагнитный и тепловой расцепители:

Электромагнитный расцепитель обеспечивает защиту электрической цепи от токов короткого замыкания. Он представляет из себя катушку (6) с находящимся в ее центре сердечником (7) который установлен на специальной пружине, ток в нормальном режиме работы проходя по катушке согласно закону электромагнитной индукции создает электромагнитное поле которое притягивает сердечник внутрь катушки, однако силы этого электромагнитного поля не хватает что бы преодолеть сопротивление пружины на которой установлен сердечник.

При коротком замыкании ток в электрической цепи мгновенно возрастает до величины в несколько раз превышающей номинальный ток автоматического выключателя, этот ток короткого замыкания проходя по катушке электромагнитного расцепителя увеличивает электромагнитное поле воздействующее на сердечник до такой величины, что его силы втягивания хватает на то что бы преодолеть сопротивление пружины, перемещаясь внутрь катушки сердечник размыкает подвижный контакт автоматического выключателя обесточивая цепь:

При коротком замыкании (т.е. при мгновенном возрастании тока в несколько раз) электромагнитный расцепитель отключает электрическую цепь за доли секунды.

Тепловой расцепитель обеспечивает защиту электрической цепи от токов перегрузки. Перегрузка может возникнуть при включении в сеть электрооборудования общей мощностью превышающей допустимую нагрузку данной сети, что в свою очередь может привести к перегреву проводов разрушению изоляции электропроводки и выходу ее из строя.

Тепловой расцепитель представляет из себя биметаллическую пластину (8). Биметаллическая пластина — эта пластина спаянная из двух пластин различных металлов (металл «А» и металл «В» на рисунке ниже) имеющих разный коэффициент расширения при нагреве.

При прохождении по биметаллической пластине тока превышающего номинальный ток автоматического выключателя пластина начинает нагреваться, при этом металл «B» имеет больший коэффициент расширения при нагреве, т.е. при нагреве он расширяется быстрее чем металл «A», что приводит к искривлению биметаллической пластины, искривляясь она воздействует на механизм расцепителя (9), который размыкает подвижный контакт (3).

Время срабатывания теплового расцепителя зависит от величины превышения тока электросети номинального тока автомата, чем больше это превышение тем быстрее сработает расцепитель.

Как правило тепловой расцепитель срабатывает при токах в 1,13-1,45 раз превышающих номинальный ток автоматического выключателя, при этом при токе превышающем номинальный в 1,45 раза тепловой расцепитель отключит автомат через 45мин — 1 час.

Время срабатывания автоматических выключателей определяется по их время-токовым характеристикам (ВТХ)

При любом отключении автоматического выключателя под нагрузкой на подвижном контакте (3) образуется электрическая дуга которая оказывает разрушающее воздействие на сам контакт, причем чем выше отключаемый ток, тем мощнее электрическая дуга и тем большее ее разрушающее возде йствие. Для сведения к минимуму ущерба от электрической дуги в автоматическом выключателе она направляется в дугогасительную камеру (4), которая состоит из отдельных, параллельно установленных пластин, попадая между этих пластин электрическая дуга дробится и затухает.

3. Маркировка и характеристики автоматических выключателей.

ВА47-29 — тип и серия автоматического выключателя

Номинальный ток — максимальный ток электрической сети при котором автоматический выключатель способен длительно работать без аварийного отключения цепи.

Стандартные значения номинальных токов автоматических выключателей: 1; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 13; 16; 20; 25; 32; 35; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300, Ампер.

Номинальное напряжение — максимальное напряжение сети на которое рассчитан автоматический выключатель.

ПКС — предельная отключающая способность автоматического выключателя. Данная цифра показывает максимальный ток короткого замыкания который способен отключить данный автоматический выключатель сохранив при этом свою работоспособность.

В нашем случае ПКС указан 4500 А (Ампер), это значит что при токе короткого замыкания (к.з.) меньшем, либо равном 4500 А автоматический выключатель способен разомкнуть электрическую и остаться в исправном состоянии, в случае если ток к.з. превысит данную цифру возникает возможность оплавления подвижных контактов автомата и их привариванию друг к другу.

Характеристика срабатывания — определяет диапазон срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя.

Например в нашем случае представлен автомат с характеристикой «C» его диапазон срабатывания от 5·I_н до 10·I_н включительно. (I_н— номинальный ток автомата), т.е. от 5*32=160А до 10*32+320, это значит что наш автомат обеспечит мгновенное отключение цепи уже при токах 160 — 320 А.

Характеристика срабатывания является одним из параметров время-токовых характеристик автоматических выключателей подробнее о которых читайте в статье: «Время-токовые характеристики (ВТХ) автоматических выключателей»

Примечание:

• Стандартными характеристиками срабатывания (предусмотренными ГОСТ Р 50345-2010) являются характеристики «B», «C» и «D»;
• Область применения указана в таблице согласно установившейся практике, однако она может быть иной в зависимости от индивидуальных параметров конкретных электрических сетей.

4. Выбор автоматического выключателя

Примечание: Полную методику расчета и выбора автоматических выключателей читайте в статье: «Расчет электрической сети и выбор аппаратов защиты»

Выбор автомата осуществляется по следующим критериям:

— По количеству полюсов: одно- и двухполюсные применяются для однофазной сети, трех- и четырехполюсные — в трехфазной сети.

— По номинальному напряжению: Номинальное напряжение автоматического выключателя должно быть больше либо равно номинальному напряжению защищаемой им цепи:

U_{ном. АВ}⩾ U_{ном. сети}

— По номинальному току: Определить необходимый номинальный ток автоматического выключателя можно одним из четырех следующих способов:

1. С помощью нашего калькулятора расчета автомата по мощности.
2. С помощью нашего калькулятора расчета автомата по сечению кабеля.
3. С помощью следующей таблицы:

1. Рассчитать самостоятельно по методике приведенной в статье: «Расчет электрической сети и выбор аппаратов защиты«

— Выбираем характеристику срабатывания: зачастую характеристику срабатывания автоматического выключателя выбирают исходя из назначения защищаемой им сети (согласно таблице характеристик срабатывания выше) однако автомат выбранный таким образом может не обеспечить своевременное отключение цепи при коротком замыкании, характеристику срабатывания необходимо определять по методике приведенной здесь.

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.