Нагревание электрооборудования

1.   Любое преобразование энергии, ее передача и потребление связаны с определенными потерями: ток, протекающий по проводнику, нагревает его - джоулевые потери; магнитный поток в стальных сердечниках трансформаторов и электрических машин вызывает потери на перемагничивание и вихревые; электрические потери в изоляции - на переменную поляризацию молекул диэлектрика и токи утечки; механические потери возникают во вращающихся машинах от трения в подшипниках и трения вращающихся частей об охлаждающую среду.
В конечном счете, все потери превращаются в тепло и нагревают работающее оборудование.
В первую очередь нагреваются органическая изоляция и переходные контакты электрических цепей. Изоляция из бумаги, пропитанной маслом, от нагрева стареет, и тем быстрее, чем выше ее температура.
Нагреваются также электрические аппараты, их механические части, пружины и контакты. Нагрев контактов обладает свойством «самовозбуждения»: переходное сопротивление нагретого контакта возрастает, что приводит к увеличению в нем выделения тепла, а это в свою очередь увеличивает переходное сопротивление и т.д. Повышенный нагрев электрических аппаратов приводит к искривлению их, заклиниванию подвижных частей и как следствие - к отказу в работе.
Основные средства борьбы с нагревом и его последствиями: правильный расчет токоведущих частей и магнитопроводов, правильно выполненное охлаждение аппаратуры, исправное содержание переходных контактов, предотвращение возникновения паразитных токов и вредных магнитных полей, вызывающих нагрев аппаратов, правильная организация эксплуатации и своевременные профилактические испытания оборудования.

2. Поскольку нагрев электрооборудования неизбежен, то он должен быть заранее известен и по возможности ограничен допустимыми пределами. С точки зрения допустимых нагревов изоляция разделена на классы, приведенные в табл. 1.

Таблица 1

Класс У - непропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный состав волокнистые материалы из целлюлозы и шелка.
Класс А - пропитанные и погруженные в жидкий электроизоляционный состав волокнистые материалы из целлюлозы и шелка.
Класс Е - некоторые синтетические или органические пленки.
Класс В - материалы на основе слюды (в том числе на органических подложках), асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связывающими и пропитывающими составами.
Класс F - материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими связывающими и пропитывающими составами.
Класс Н - материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связывающими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры.
Класс С - слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связывающих составов или с неорганическими или кремнийорганическими связывающими составами.

Нагрев неизолированных проводников ГОСТом 8024-69 ограничивается максимально допустимыми температурами, для некоторых типов проводников приведенными в табл.1.

Таблица 1

В таблице:
 - наибольшая температура нагрева, в воздухе;
 - то же, в масле;
 - превышение температуры частей аппаратов над температурой окружающего воздуха, в воздухе;
 - то же, в масле.

Температура аппарата в установившемся режиме  складывается из температуры окружающей среды  и превышения температуры аппарата над температурой окружающей среды :

                            .                                        

Нагревание проводников, непосредственно охлаждаемых водой, не допускается выше 90°С, т.к. при 100°С вода вскипает, а теплоемкость водяного пара в два раза меньше теплоемкости воды, что полностью нарушит охлаждение проводника.

3.   Потери энергии в электрическом аппарате превращаются в тепло, одна часть которого нагревает оборудование, а вторая - отдается в окружающее пространство.
Примем следующие обозначения:  (°С) - температура аппарата;  (°С) - температура окружающей среды;  (°С) - превышение температуры аппарата над температурой окружающей среды (перегрев); Р (Вт) - мощность потерь; С (Вт_с/°С) - теплоемкость оборудования; t (с) - время; К (Вт/°С) - теплоотдача аппарата в окружающую среду.
Примем следующие допущения: отдача тепла в окружающую среду пропорциональна разности температур; теплоемкость окружающей среды не ограничена; условия охлаждения по всей поверхности одинаковы; мощность потерь, коэффициенты теплоемкости и теплоотдачи постоянны и не зависят от температуры.
Процесс нагревания аппарата выразим уравнением:

                            ,                          

где  - суммарная энергия потерь;  - отданная в окружающую среду энергия потерь;  - поглощенная аппаратом энергия потерь, идущая на его нагревание.

В установившемся режиме перегрев неизменен: , , и вся энергия потерь отдается в окружающую среду:

                                      .                                           

При быстром нагреве, например при К.3, во внешнюю среду успевает выделиться мало потерь, все тепло идет на нагрев аппарата:

                                      , .                         

Постоянная времени нагрева Т может быть определена из уравнений и при подстановке t=Т : . Кроме того, нам известно, что , следовательно:

Теплоотдача  в окружающую среду равна

                        ,

где  (Вт/см² ×°С) - коэффициент теплоотдачи;  (см²) - поверхность теплоотдачи.
Нагрев (и охлаждение) происходит по экспоненте, которую мы получим, проинтегрировав выражение для начального  и конечного  перегревов аппарата:

                        .           

Экспонента показана на рис.1, где нанесены значения перегревов для моментов 1Т, 2Т и т.д. Приближенно можно считать, что спустя 4Т после начала переходного процесса перегрев аппарата установился неизменным с точностью 1%.

Рис 1. Нагревание и остывание оборудования

Из уравнения можно определить время нагрева  до : величины перегрева . После преобразования и логарифмирования выражения получим: